Hiệu quả tách ly tâm bị ảnh hưởng bởi tốc độ dòng chảy đầu vào và hàm lượng cặn trong nước thải. Để tăng khả năng tách chất rắn và P trong nước thải cần tăng tốc độ quay để tăng lực ly tâm hoặc tăng thời gian lưu nước thải trong máy, nhưng nó cũng làm tăng độ ẩm của dòng rắn sau khi tách cũng như tăng chi phì vận hành[15, 25].
Bảng 1.7. Hiệu quả tách chất rắn và chất dinh dưỡng sử dụng thiết bị ly tâm [26]
Loại Hiệu quả tách, %
DM TN TP
Lợn 31-70 9-26 60-84
Gia súc 54-69 20-29 76-94
1.3.2.2. Tách rắn – lỏng bằng q trình hóalý
Chất hữu cơ, chất dinh dưỡng trong phân lợn tồn tại chủ yếu ở các hạt mịn và keo lơ lửng rất khó tách bằng một hệ thống cơ khì đơn giản.Các hạt nhỏ nhất trong phân
đổi thành phần hóa học của bùn để các chất hạt bùn có thể dình vào nhau để tạo thành các hạt lớn hơn, sau đó có thể nâng cao hiệu quả lắng hoặc phương pháp tách cơ học để loại bỏ vật chất khơ và photpho[15].
Hóa chất thường được dùng để keo tụ và tạo bơng là các muối kim loại đa hóa trị và các polyme hữu cơ.
a. Muối kim loại:
Các muối kim loại như sắt (Fe3+) và nhôm (Al3+), và muối canxi (Ca2+) là các chất keo tụ thường dùng. Các hợp chất này không chỉ tăng khả năng lắng của nước, mà còn tăng khả năng kết tủa P và tăng nồng độ của nó trong phần rắn. Tuy nhiên việc bổ sung các muối kim loại có thể dẫn đến vấn đề mơi trường liên quan như độc tính của sắt và nhơm dư. Hơn nữa, việc áp dụng muối sunfat có thể dẫn mùi trong quá trính lưu trữ chất rắn.
b. Polyme
Các polyme hữu cơ có ưu điểm là tan tốt trong nước, khơng độc và có khả năng tạo bơng tốt nhờ ái lực cao đối với hạt keo và bông cặn nhỏ trong nước xử lý. Cơ chế quá trình keo tụ sử dụng polyme là sự trung hịa điện tích của các hạt lơ lửng nhờ điện tích trái dấu của polyme trong dung dịchlàm chúng có thể co cụm lại với nhau tạo thành các khối lớn hơn, lắng nhanh hơn; nước sau keo tụ có hàm lượng chất dinh dưỡng và cặn lơ lửng thấp giảm tải mạnh mẽ cho các hệ xử lý tiếp sau; chất rắn sau tách có độ ẩm thấp, tỷ lệ N/P ở mức cân đối, phù hợp làm phân bón trong trồng trọt. Hơn nữa, khác với phèn nhôm và PACdo khơng có sự thủy phân tạo ra axit nên polyme khơng làm biến đổi pH của nước.
Hình 1.4. Mơ hình q trình keo tụ tạo bơng
(a) Sự đẩy giữa các hạt keo cùng dấu; (b) Hiện tượng co lớp điện kép và sự hút nhau giữa các hạt keo bị trung hoà về điện; (c) Hiện tượng tạo bông nhờ các polyme hữu cơ: các hạt keo âm bị phân tử polyme “khâu lại” thành bơng lớn.
Q trình tạo bơng với các polyme được thực hiện qua những bước sau đây (hình 1.4):
- Dung dịch polyme được phân tán vào hệ huyền phù trong nước. - Polyme di chuyển tới bề mặt các hạt.
- Polyme hấp phụ lên bề mặt hạt
- Các hạt đã hấp phụ polyme được liên kết với nhau tạo thành bơng.
Hiệu quả q trình sử dụng polyme phụ thuộc vào trọng lượng phân tử polyme. Khi tăng trọng lượng phân tử polyme, các bơng keo hình thành sẽ nặng hơn, làm cho quá trình lắng diễn ra nhanh hơn, do đó hiệu quả xử lý tốt hơn.
Polyacrylamit (PAM) là nhóm polyme hữu cơ được sử dụng phổ biến hiện nay. ( a) ( b) ( c)
trong xử lý nước, giấy, dầu khí, than, khai thác mỏ và một số ngành cơng nghiệp khác. Liều dùng trong xử lì nước cấp của chúng là 0,515 phần triệu, tốt nhất là dùng PAM kết hợp với phèn. Điểm khác cơ bản của q trình tạo bơng là tốc độ tạo bông lớn (trong vòng 2 phút so với phèn cần 20 phút) và kìch thước bơng cặn cũng như độ bền bơng cặn hơn hẳn bơng cặn phèn. Nhược điểm chính của PAM là sản phẩm nhập, đắt và phải lựa chọn chủng loại PAM và liều lượng cho phù hợp với từng loại nước bằng thực nghiệm.
Tùy thuộc vào bản chất nhúm chức, PAM được chia làm ba loại: - Loại khơng phân ly (nhóm chức amid CONH2).
- Loại tạo anion (nhóm chức axit COO) - Loại tạo cation (nhóm chức amin bậc cao N+
Cl-) Cơng thức cấu tạo của các loại PAM phổ biến ở hình 1.5 Loại không phân li (non-ionic):
n CH2
NH2 C=O CH
Loại anion (anionic):
CH C=O NH2 CH2 CH2 C=O CH Na O n m
Loại cation (cationic): n CH2 NH2 C=O CH CH2 C C=O O CH2 2 N CH3 CH3 R m Cl
Hình 1.5.Cơng thức cấu tạo của các loại PAM xử lý nước
Kết quả của một số nghiên cứu trên thế giới về hiệu quả tách chất rắn ra khỏi nước thải chăn nuôi sử dụng polyme như sau:
- Theo Wicks và cộng sự sử dụng polyme làm tăng khả năng lắng và tách nước (khi sử dụng máy tách), polyme khơng độc với động vật và thực vật, có thể loại > 80% chất rắn trong nước thải chăn nuôi lợn [20].
- Theo María Paz và cộng sự, hiệu quả tách TSS, VSS, COD lần lượt đạt 94, 94, 77% khi sử dụng PAM 30 mg/l keo tụ nước thải chăn nuôi lợn[19]. - Theo Campos và cộng sự, nồng độ polyme sử dụng là 120 mg/l sẽ tăng hàm
lượng DM trong cặn lắng tới 13%, tuy nhiên không nên sử dụng quá 120 mg/l nếu có bước xử lý yếm khí tiếp theo do hàm lượng chất rắn quá cao sẽ gây quá tải chất hữu cơ[14].
- Về đô ̣c tính của polyme , Martínez-Almela và các cơ ̣ng sự chỉ ra rằng : quá trình sử dụng polyme hữu cơ và copolyme của nó (cation, anion, và nonion), với đơ ̣c tình thấp với LD50 ≥ 5g/kg và hiê ̣u suất tách trên 95% lượng chất rắn [21].
CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tượng nghiên cứu
- Nước thải từ trang trại chăn nuôi lợn thuộc công ty TNHH Nông nghiệp và Xây dựng Đông Xuân tại Thơn Đơng Xn, xã Tiêu Động, huyện Bình Lục, tỉnh Hà Nam. Trại chăn ni lợn với quy mô lớn, thường xuyên chăn nuôi với khoảng 600-700 con lợn nái, 4000-4500 con lợn thịt; chăn ni theo kiểu chuồng kín, tức là có hệ thống làm mát vào mùa hè, ủ ấm vào mùa đông, kiểm tra nghiêm ngặt các khâu ra vào chuồng trại giúp cải thiện nâng cao đáng kể năng suất chăn nuôi. Việc vệ sinh chuồng trại được tiến hành 2lần/ngày với lượng nước sử dụng khoảng 100 m3/ngày. Nước thải bao gồm nước tiểu, phân, thức ăn thừa, lông, chất độn chuồng được thải ra bể chứa tập trung trước khi được chảy tràn qua hầm biogas.
- Các polyme trợ lắng:
Bảng 2.1.Hóa chất Polyme sử dụng trong tách rắn – lỏng nước thải chăn nuôi lợn
Loại Polyme Dạng sản phẩm Khối lƣợng phân tử (x104)
Thời gian hòa tan (h)
N101 Bột trắng >1200 1~1,5 A 101 Bột trắng 1200-2200 1~1
C525 Bột trắng 300~1600 1~1,5
2.2. Nội dung nghiên cứu
- Khảo sát, đánh giá thành phần chất thải rắn và nước thải tại một số trang trại chăn nuôi lợn trên địa bàn Hà Nam
- Hồn thiện cơng nghệ tách rắn-lỏng đối với nước thải chăn nuôi lợn.
Nghiên cứu khả năng tách rắn – lỏng của polyme A101, N101, C525. Từ đó xác định loại và lượng polyme tối ưu, thời gian để lắng, hàm lượng chất rắn sau lắng
- Xây dựng mơ hình triển khai ứng dụng kỹ thuật tách rắn – lỏng để tiền xử lý chất thải chăn nuôi lợn tại trang trại Đông Xuân.
Lên bản vẽ thiết kế kỹ thuật thi công và xây dựng bể thu gom và các hạng mục phụ trợ.
Thử nghiệm tách rắn-lỏng khơng có polyme: nước thải được thu gom; đưa qua máy tách rắn-lỏng; xác định hiệu quả tách chất rắn, chất hữu cơvà chất dinh dưỡng của mơ hình.
Thử nghiệm tách rắn-lỏng với polyme đã lựa chọn: bổ sung loại polyme vào hỗn hợp nước thải; xác định hiệu quả tách chất rắn, chất hữu cơ và chất dinh dưỡng của mơ hình.
- Tính tốn hiệu quả kinh tế của mơ hình ứng dụng kỹ thuật tách rắn – lỏng.
2.3. Phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Điều tra khảo sát thực tế 2.2.1. Điều tra khảo sát thực tế
Đối tượng khảo sát: các trang trại chăn ni trên địa bàn tỉnh Hà Nam. Các hình thức chăn nuôi: lợn nái và hậu bị, lợn thịt riêng và kết hợp giữa lợn nái và lợn thịt, quy mô chăn nuôi:
+ Quy mô <1000 lợn. + Quy mô 1000 – 3000 lợn. + Quy mô >3000 lợn.
Khảo sát hiện trường liên quan đến hiện trạng ô nhiễm chất thải thông qua các chỉ số: số lượng, chất lượng (TSS, COD, TN, TP,Coliforms) và công nghệ xử lý được tiến hành theo kế hoạch, đồng bộ về địa điểm và thời gian.
2.3.2. Hồn thiện cơng nghệ tách rắn-lỏng đối với nước thải chăn ni lợn Hóa chất và thiết bị
Hóa chất: polymer A101, N101, C525.
Thiết bị: máy khuấy, tủ sấy, cân phân tích, ống đong, cốc đong, pipet… Thiết bị phân tích:
Cân phân tích OHAUS – PA214C
Tủ sấy MENMERT – UNB 500
Máy phá mẫu HACH – DRB 200
Máy đo quang HACH – DR 2800
Phương pháp thực hiện:
Nghiên cứu khả năng tách nƣớc khi không sử dụng polyme
Để đánh giá khả năng loại bỏ rắn – lỏng khi không sử dụng polyme, tiến hành bố trí thí nghiệm như sau:
- 5 mẫu nước thải lấy mẫu trực tiếp tại miệng cống thải trong quá trình rửa chuồng của trang trại lợn công ty Đông Xuân, liên tục 15 phút/ lần trong suốt quá trình rửa chuồng.
- Nước thải mỗi mẫu lớn được đồng nhất trong xơ 25 lít sau khi lấy về, chia ra thành nhiều phần đong 400ml nước thải vào các cốc 500ml.
- Khuấy mẫu với vận tốc 50 vòng/phút trong khoảng thời gian là 1 phút, dừng khuấy, để lắng. Để thuận tiện và đồng nhất trong quá trình làm thí nghiệm, tiến hành thí nghiệm với cùng một thời gian lắng. Thời gian lắng ở đây là thời gian được chọn ít có sự thay đổi về thể tích cặn lắng được (thời gian mà lượng cặn đã lắng được gần hết), liên quan tới sự ổn định tương đối về lượng chất rắn trong phần chất lỏng và trong phần cặn lắng trong các thí nghiệm, chọn thời gian lắng là 30, 60 và 90 phút cho các thí nghiệm.
- Phần chất lỏng được gạn mang đi phân tìch TS, COD, TN, TP.
- Phần că ̣n còn la ̣i xác định thành phần chất khô(DM) trong cặn và hàm lượng nước trong că ̣n sau khi qua sàng 0,5mm, phơi ở nhiệt độ phòng trong 4 giờ (mốc thời gian mà nước khơng cịn chảy qua mặt sàng, chất rắn tơi xốp). Nghiên cứu khả năng tách nƣớc khi có sử dụng polyme
- Nghiên cứu lựa chọn polyme cho quá trình tách rắn-lỏng:
2 mẫu nước thải lấy tại thời điểm đầu và cuối rửa chuồng của trang trại lợn công ty Đông Xuân được chọn để thực hiện thí nghiệm tách nước sử dụng polyme. Nước thải mỗi mẫu lớn được đồng nhất trong xơ 25 lìt, sau đó được chia thành các phần 400 ml để thực hiện thí nghiệm.
400 ml mỗi mẫu nước thải chăn nuôi lợn được tạo bông khi cho thêm PAM ở các nồng độ 25, 50, 75 mg/l và khuấy nhanh để hịa tan đều polymer sau đó khuẩy chậm với tốc độ 50 vòng/phút trong 1 phút và để lắng tự nhiên trong 15, 30, 60 phút. Nồng độ của PAM đạt được bằng cách pha lỗng thích hợp dung dịch PAM gốc có nồng độ 1000 mg/l (cân chính xác 1g mỗi loại polyme, hịa tan vào 1lít nước, khuấy ở 700
vòng/phúttrong 2 giờ). Một mẫu đối chứng được thực hiện trong điều kiện tương tự
Phần chất lỏng được gạn mang đi phân tìch TS, COD, TN, TP và phần că ̣n còn la ̣i xác định thành phần chất khô (DM) và hàm lượng nước trong cặn sau khi qua sàng 0,5mm, phơi ở nhiệt độ phòng trong 4 giờ.
Hiệu quả loại bỏ chất rắn và chất dinh dưỡng được được tính tốn và so sánh thơng qua phần chất lỏng tách được từ các mẫu thí nghiệm và mẫu đối chứng. Dựa vào các kết quả thí nghiệm xác định loại PAMthích hợp cho q trình tạo bơng tách rắn- lỏng nước thải chăn nuôi lợn.
- Xác định nồng độ polyme tối ưu cho quá trình tách rắn-lỏng
Để xác định nồng độ tối ưu của PAM thích hợp cho q trình tạo bơng nước thải, một thí nghiệm tương tự đã được thực hiện với các nồng độ PAM từ 12,5 mg/l đến 125 mg/l.
2.2.3. Mơ hình triển khai ứng dụng kỹ thuật tách rắn lỏng
- Hóa chất: PAM thích hợp
- Thiết bị tách R/L: SEPCOM 0150V dạng đứng công suất 15 m3/giờ gồm 2 trục vít tải xoắn vận hành liêntục bên trong một lồng lưới hình trụ trịn lắp ghép hai nửa. Khi nguyên liệu được nạp vào, trục vít tải có nhiệm vụ nâng chuyển nguyên liệu về phìa trước, và trục vít vừa làm nhiệm vụ vận chuyển vừa miết, ép nguyên liệu lại với nhau để vắt nước cho đến khi nguyên liệu kết dính thành bã và khơ hẳn, trục vít sẽđẩy bã nguyên liệu này lần lượt chui qua khe vít tải để rơi ra ngồi theo máng hứng được lắp ở đầu miệng ra của máy. Phần nước sau khi được ép sẽ chui qua khe lưới và được thu về bởi một phễu côn được lắp đặt bên dưới thân máy.
Trọng lượng máy: 460 kg (khi không làm việc), 560 kg (khi làm việc). Máy ép được đặt trên bệ có độ cao 50 cm.
Nguồn điện sử dụng: 380-420 V, 50 Hz Công suất tiêu thụ điện: 4kW/h
Công suất tách: 15 m3/h (hỗn hợp chất lỏng có từ 3-10% chất rắn)
Hình 2.1. Thiết bị tách rắn lỏng Sepcom 0150V
1- Bộ phận ép phân với màng chắn 7- Chân đế bằng thép mạ kẽm 2-Khung bộ phận ép bằng thép khơng rỉ 8- Đường xả/thốt chất lỏng sau ép 3- Thùng bù áp bằng thép không rỉ 9- Máng xả phần rắn sau ép
3a- Đường vào cho hỗn hợp cần tách 10- 2 chốt giữ máng xả 3b- Ống xả tràn(đường hồi về) 11- Tay cầm của máng xả 3c- Ống thông hơi 12- Hộp mỡ bôi trơn tự động
4-Động cơ 4 kW 13- Bản lề máng xả
5-Cánh vìt đơi Cánh vít: polymer SINT 6- Lưới lọc bằng thép không rỉ Kìch thước lỗ lưới: 0,25mm
Phương pháp thực hiện:
Từ kết quả nghiên cứu trong phịng thí nghiệm, thiết kế, xây dựng bể thu gom nước thải tập trung kiêm bể lắng, nhà điều hành.
Thu gom nước thải: Nước thải ở các chuồng qua hệ thống rãnh thu gom được tập trung về bể lắng, cặn rắn lắng xuống đáy bể, nước sau khi lắng được chảy tràn sang hầm biogas.
- Với thử nghiệm tách rắn lỏng không sử dụng polyme, sau thời gian để lắng, cặn rắn được bơm hút qua máy ép để tách chất rắn ra khỏi nước.
- Với thử nghiệm tách rắn lỏng sử dụng polyme tối ưu: bổ sung loại polyme vào hỗn hợp nước thải, dùng đường hồi của bơm bơm nước lên máy ép để hòa tan đều polyme vào trong nước thải. Sau thời gian để lắng, tiến hành đưa qua máy ép. Lấy mẫu, phân tích chỉ tiêu TS của nước thải chưa qua máy, qua máy trong suốt quả trình thử nghiệm (2 giờ - thời gian chạy máy đến cạn nước trong bể thu gom). Các chỉ tiêu: COD, TN, TP được lấy mẫu phân tích sau khi bắt đầu chạy máy được 1 giờ.
2.2.4. Phương pháp phân tích
Bảng 2.2.Phương pháp phân tìch các chỉ tiêu hóa lý trong nước STT Chỉ tiêu phân tích Đơn vị Phƣơng pháp phân tích STT Chỉ tiêu phân tích Đơn vị Phƣơng pháp phân tích
1. COD mg O2/L SMEWW 5220C:2012
2. Tổng N mg/L TCVN 6638:2000
3. Tổng P mg/L TCVN 6202:2008
4. TSS mg/L SMEWW 2504:2012
5. TS mg/L Sấy khô mẫu ở 1050C
CHƢƠNG 3-KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.1. Kết quả khảo sát, đánh giá hiện trạng xử lý chất thải ở các trang trại
Theo khảo sát, tại các trang trại hiện nay có 3 hình thức chăn nuôi lợn: chăn nuôi lợn nái và hậu bị, lợn thịt và kết hợp giữa lợn nái và lợn thịt. Tùy vào hình thức chăn