Với những ưu điểm nổi trội của kỹ thuật tầng vi sinh trong công nghệ xử lý nước thải, nhưng sẽ xuất hiện một số thách thức cần được giải quyết xuất phát từ hai đặc điểm căn bản của vật liệu xốp có diện tích bề mặt cao là mật độ vi sinh lớn. Tổng lượng sinh khối tỷ lệ thuận với diện tích chất mang và độ dày của lớp màng. Chiều dày của lớp màng lớn không phát huy được tác dụng vì thức ăn khó thẩm thấu sâu vào bên trong (nếu chiều dày >200 μm kể từ phía ngồi) [15]. Vậy muốn có hiệu quả cần tạo chất mang có diện tích lớn để tích lũy được lượng sinh khối lớn nhưng chiều dày của lớp vi sinh vẫn đủ mỏng. Vật liệu xốp chứa các mao quản, kích thước mao quản càng nhỏ thì diện tích càng lớn, tuy nhiên kích thước mao quản nhỏ hạn chế sự phát triển của vi sinh trong đó, nhất là khi để ý đến đặc điểm tính chất đa dạng về chủng loại và kích thước của tập đồn vi sinh trong màng. Tìm kiếm loại vật liệu thích hợp cho từng q trình (xử lý BOD, nitrat hóa, khử nitrat) phù hợp với điều kiện thực tế đòi hỏi nhiếu nghiên cứu chi tiết.
Mật độ vi sinh cao đòi hỏi nguồn cung cấp thức ăn lớn để chúng phát triển. Màng vi sinh khá đặc do đó hạn chế q trình vận chuyển (khuyếch tán) thức ăn cho vi sinh. Đó là hai hiệu ứng trái chiều nhau và là một trong những điểm cốt lõi cần được giải quyết để tận dụng được các lợi thế của kỹ thuật màng sinh vật.
Tăng cường quá trình chuyển khối là vấn đề cần được thúc đẩy và được giải quyết theo phương hướng:
Giảm độ dày của lớp màng vi sinh (giảm quãng đường khuếch tán) mà vần duy trì mật độ sinh khối cao bằng cách sử dụng chất mang có diện tích lớn.
Sử dụng loại vật liệu xốp có kích thước mao quản phù hợp để khống chế độ dày của màng vi sinh và chống quá trình bong màng.
c d
Tạo điều kiện để chất mang chuyển động trong môi trường nước.
Kỹ thuật tầng vi sinh chuyển động tìm kiếm sự hài hòa giữa điều kiện vận hành (hình 10 c, 10d) (đơn giản) và hiệu quả xử lý bằng cách sử dụng vật liệu mang xốp với tên gọi Polyerutan (cả vật liệu khơng xốp, hình 1.10 a, 10b).
a b
Hình 1.10 Vật liệu mang xốp dạng khối lập phương hình a (sản phẩm thương phẩm dự định của đề tài), hình b (sản phẩm của Hàn Quốc), hình c (hệ khi
chưa cho nước thải và bùn), hình d (hệ khi đang vận hành).
Kỹ thuật tầng vi sinh chuyển động sử dụng vật liệu mang Polyerutan có những ưu điểm sau:
- Nâng cao tải đầu vào xử lý (do mật độ vi sinh dính bám trên vật liệu mang cao).
- Vật liệu mang dạng xốp với diện tích bề mặt (bên trong) tới 10000 – 15000 m2/m3, độ xốp 85 – 98 % là điều kiện thuận lợi cho sự dính bám của vi sinh, tăng mật độ vi sinh.
- Tăng khả năng xử lý nước thải, xử lý được cả photpho và tăng cường hiệu suất khử nitrat, nitrit do cấu trúc vật liệu mang tạo điều kiện cho quá trình yếm khí, kỵ khí xảy ra bên trong vật liệu.
- Bùn và nước tự tách sau quá trình lắng. - Giảm diện tích bể sử dụng.
Nhƣợc điểm của kỹ thuật tầng vi sinh chuyển động:
- Cần thời gian xử lý vật liệu mang trước khi sử dụng (ngâm, sấy, cân). - Cần thời gian để vật liệu mang sau khi sử dụng trong hệ tồn tại ở trạng thái lơ lửng (khoảng 1 tháng).
- Cần tránh hiện tượng vi sinh bám quá dầy trên vật liệu mang làm hạn chế quá trình khuếch tán chất dinh dưỡng.
Với những ưu điểm và nhược điểm trên nhóm nghiên cứu lựa chọn kỹ thuật tầng vi sinh chuyển động để nghiên cứu xử lý nước thải chăn ni.
1.5 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc về xử lý nƣớc thải chăn nuôi bằng kỹ thuật tầng vi sinh chuyển động kỹ thuật tầng vi sinh chuyển động
Nước ta hiện nay đang trong giai đoạn phát triển Cơng nghiệp hố - Hiện đại hố kéo theo đơ thị hố. Tình hình ơ nhiễm môi trường ở Việt Nam hiện gia tăng nhanh chóng. Theo các tính tốn nếu tốc độ tăng trưởng GDP ở Việt Nam trong vòng 10 năm tới tăng bình quân khoảng 7%/năm, trong đó GDP cơng nghiệp khoảng 8-9%/năm, mức đơ thị hố từ 23% năm lên 33% năm 2000, thì đến năm
2020 lượng ô nhiễm do cơng nghiệp có thể tăng lên gấp 2,4 lần so với bây giờ, lượng ô nhiễm do nông nghiệp và sinh hoạt cũng có thể gấp đơi mức hiện nay [19].
Để giảm thải ô nhiễm, các nhà doanh nghiệp sản xuất trong và ngoài nước ta hiện thường bỏ tiền ra để nhập khẩu công nghệ. Các hộ cá thể, làng nghề thường ít quan tâm đến việc xử lý nước thải. Khả năng phát triển và cải tiến cũng như vận hành công nghệ xử lý nước thải của các doanh nghiệp trong nước không nhiều. Nhiều công nghệ nhập phù hợp với điều kiện nước ngồi nhưng khơng phù hợp với điều kiện trong nước. Về sản xuất vật liệu mang trước đây tại Hà Nội có tới 6 – 8 cơng ty sản xuất vật liệu mang vi sinh (dạng tổ ong, diện tích bề mặt 180 – 220 m2/m3, dạng quả cầu…) để cung cấp cho thị trường [4]. Tuy nhiên hiện nay số công ty sản xuất sản phẩm trên đang tiếp tục hoạt động chỉ cịn lại rất ít. Cơng ty ECO (Thành phố Hồ Chí Minh) đã nhập khẩu và sử dụng một lượng nhất định chất mang vi sinh tại một số cơng trình ở cả miền Nam và miền Bắc (nhập từ Hà Lan). Trạm nuôi giống thủy sản Cửa Hội (Nghệ An) mua công nghệ xử lý nước thải của Na Uy, sử dụng vật liệu mang vi sinh tầng tĩnh. Tại một số công ty của nước ngoài đang hoạt động sản xuất tại Việt Nam (Nhật Bản, Hàn Quốc) hay một số trạm xử lý nước thải sử dụng vốn ODA đang sử dụng công nghệ màng vi sinh chuyển động với vật liệu mang dạng xốp [4].
Những nghiên cứu mang tính chất “phát triển cơng nghệ” ở nước ta thường được thực hiện tại nước ngoài dưới dạng đào tạo học viên cao học, nghiên cứu sinh. Ví dụ trường Đại học Kumamoto (Nhật Bản) cho đến nay đã đào tạo (hoặc phối hợp đào tạo) cho Việt Nam 3 – 4 nghiên cứu sinh về xử lý hợp chất nitơ sử dụng vi sinh thuộc loại mới với tên ANAMOX, sử dụng chất mang do họ tự chế tạo. Nghiên cứu sinh của Viện Hóa học (Viện Khoa học và Cơng nghệ Việt Nam) được đào tạo tại Bỉ (Đại học Arlon) về xử lý nitơ trong nước rác với kỹ thuật mẻ kế tiếp giai đoạn (không sử dụng chất mang vi sinh) và kỹ thuật tầng vi sinh chuyển động hướng đến mục tiêu xử lý xử lý và tái sử dụng nước thải trong các trạm ni giống thủy sản [4].
Nhìn chung, các nghiên cứu thực hiện tại nước ngồi mang tính chiều sâu và chỉ là một phần nhỏ của nội dung phát triển công nghệ tại các cơ sở nghiên cứu trong nước. Nghiên cứu công nghệ phân huỷ photpho bằng phương pháp sinh học ít được nghiên cứu áp dụng và thực hiện. Nhiều cơng trình nghiên cứu riêng lẻ về việc phân lập các chủng vi sinh nhưng chưa có đề cập đến khả năng tạo biofilm và việc phối hợp chúng với chất mang nhằm xử lý nước thải ô nhiễm N, P.
Các nghiên cứu thực hiện ở trong nước được thực hiện dưới dạng các đề tài khoa học cấp Nhà nước và cấp Bộ khá phong phú: xử lý nước thải của bãi rác, xử lý nước ngầm để cấp cho sinh hoạt, xử lý nước thải trong công nghệ chế biến thực phẩm. Màng vi sinh ít được sử dụng vì khó kiếm được nguồn vật liệu thích hợp nên thường sử dụng loại thấp cấp: sơ dừa, đá bazan, tre nứa, san hơ... Sau các cơng trình nghiên cứu, việc tiêu chuẩn hóa vật liệu và cơng nghệ sử dụng chúng thường bị bỏ ngỏ.
Vật liệu mang vi sinh cao cấp thường có giá thành cao, theo thơng báo của các nhà khoa học Đức tại hội thảo 28/3/2011 tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội thì giá thành tính theo m2
vào khoảng 1 USD, chưa kể đến tính chất tương hợp của công nghệ xử lý đối với từng vật liệu cụ thể (phải mua cả cơng nghệ). Đó là một trong những nguyên nhân hạn chế việc phát triển công nghệ tầng vi sinh.
Viện Công nghệ sinh học (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã tiến hành nghiên cứu và chế tạo thiết bị nitrat hóa (oxy hóa amoni thành nitrat) trong nguồn nước ngầm, phục vụ cấp nước cho sinh hoạt theo kỹ thuật màng vi sinh. Vật liệu sử dụng là đất sét nung (keramsit), dạng tầng tĩnh. Viện Công nghệ sinh học cũng đang tiến hành xây dựng hệ thống xử lý nước nuôi giống thủy sản (Quý Kim, Hải Phịng) tuy nhiên trạm xử lý đã khơng được đưa vào hoạt động [4].
Trung tâm Công nghệ môi trường và Phát triển bền vững (CETASD, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên), phối hợp với sở giao thông cơng chính Hà Nội và thực hiện đề tài của Sở Khoa học và Công nghệ Hà Nội đã nghiên cứu q trình nitrat
hóa và khử nitrat hóa trong nước ngầm. Vật liệu sử dụng làm chất mang vi sinh là đá bazan.
Viện Hóa học (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) thực hiện đề tài nghiên cứu cấp nhà nước vễ xử lý nước thải giàu nitơ và photpho (1999 – 2002) tập trung vào nước thải chế biến thủy sản; phối hợp với Viện Vật liệu (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) thực hiện đề tài cấp nhà nước (2003 – 2005) về xử lý nước rác (thực chất là xử lý hợp chất giàu nitơ). Các nghiên cứu trên sử dụng kỹ thuật huyền phù (mẻ kế tiếp giai đoạn) [4].
Nhìn chung, các nghiên cứu xử lý nước thải giàu nitơ và photpho sử dụng tầng vi sinh đã thực hiện tại Việt Nam nhằm phát triển công nghệ là không nhiều. Một số nghiên cứu theo xu hướng trên xuất phát từ nhu cầu thực tế (không thuộc phạm vi của các đề tài) cũng lẻ tẻ được thực hiện. Ví dụ, tại Viện Hóa học (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) từ ba năm trở lại đây đang nghiên cứu phát triển công nghệ màng vi sinh chuyển động (sử dụng vật liệu mang xốp) nhằm xử lý và tái sử dụng nước nuôi giống thủy sản và xử lý nước thải sinh hoạt dạng phân tán [3]. Ngoài ra có một số nghiên cứu mới chỉ tập trung vào nghiên cứu vật liệu mang
(nhóm nghiên cứu GS.TS Lê Văn Cát-Viện Khoa học Việt Nam: Nghiên cứu vật liệu mang xử lý nước thải). Chưa có nhiều những chương trình, đề tài nghiên cứu lớn
phát triển theo hướng nghiên cứu áp dụng công nghệ tầng vi sinh chuyển động trong lĩnh vực xử lý nước thải đặc biệt là các loại nước thải xử lý ô nhiễm giàu chất hữu cơ (COD), nitơ và photpho.
Chƣơng 2 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là chất lượng nước thải chăn nuôi trong và sau khi qua xử lý bằng kỹ thuật bùn hoạt tính sử dụng hệ thống SBR và kỹ thuật tầng vi sinh chuyển động sử dụng vật liệu mang Polyuretan. 02 hệ được thiết kế, lắp đặt tại phịng cơng nghệ, trung tâm nghiên cứu công nghệ môi trường và phát triển bền vững (CETASD). Diễn biến của các quá trình trong hệ được đánh giá qua các thông số DO, pH, độ kiềm, COD, N-NO3-, N-NO2-, N-NH4+, SS, tổng N, tổng P, PO4- …của nước thải. Từ đó đưa ra kết luận khả năng xử lý nước thải chăn nuôi bằng kỹ thuật tầng vi sinh chuyển động sử dụng vật liệu mang Polyuretan so với kỹ thuật bùn hoạt tính truyền thống.
Nước thải chăn ni phục vụ thí nghiệm là nước thải chăn ni lợn sau bể Biogas-Viện nghiên cứu giống lợn, Viện Chăn nuôi, Thụy Phương, huyện Từ Liêm, thành phố Hà Nội.
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
a) Kỹ thuật bùn hoạt tính lơ lửng sử dụng hệ thống SBR
Mơ hình đầy đủ của hệ thống SBR quy mơ thí nghiệm được trình bày trên hình 2.1.
Theo sơ đồ hình 2.1 nước thải được chứa vào bồn có trang bị máy khấy để đồng nhất hoá. Từ đây nước thải được bơm định lượng tự động hẹn giờ vào bể phản ứng.