4. Ý nghĩa của đề tài
1.4.Một số phƣơng pháp xử lý nƣớc thải chăn nuôi
Đối với nƣớc thải chăn nuôi, có thể áp dụng các phƣơng pháp xử lý sau: - Phƣơng pháp xử lý cơ học.
- Phƣơng pháp xử lý hóa lý. - Phƣơng pháp xử lý sinh học.
Trong các phƣơng pháp trên, xử lý sinh học là phƣơng pháp chính, các công trình xử lý sinh học thƣờng đƣợc đặt sau các công trình xử lý cơ học, hóa lý.
1.4.1 Xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp cơ học và hóa lý
* Xử lý cơ học
Mục đích là tách cặn rắn và phân ra khỏi hỗn hợp nƣớc thải bằng cách thu gom, lắng cặn. Có thể dùng song chắn rác, bể lắng, v.v. để loại bỏ cặn dễ lắng tạo điều kiện xử lý và giảm khối tích các công trình phía sau.
* Xử lý hóa lý
Sau khi xử lý cơ học, nƣớc thải còn chứa nhiều cặn hữu cơ và vô cơ có kích thƣớc nhỏ, có thể dùng phƣơng pháp keo tụ để loại bỏ chúng. Theo nghiên cứu của Trƣơng Thanh Cảnh (2001) với nƣớc thải chăn nuôi lợn: phƣơng pháp cơ học và keo tụ có thể tách đƣợc 80-90% hàm lƣợng cặn trong nƣớc thải chăn nuôi lợn. Tuy nhiên phƣơng pháp này đòi hỏi chi phí cao không phù hợp với các cơ sở chăn nuôi. Ngoài ra, tuyển nổi cũng là một phƣơng pháp để loại bỏ cặn trong nƣớc thải chăn nuôi lợn, tuy nhiên chi phí đầu tƣ và vận hành cao nên không phù hợp với các cơ sở chăn nuôi.
1.4.2. Phương pháp ứng dụng công nghệ sinh thái sử dụng thực vật thủy sinh
Sự thâm nhập các chất hữu cơ, N và P từ nƣớc thải nhất là nƣớc thải chăn nuôi là nguyên nhân gây phú dƣỡng (eutrophication) các thuỷ vực tiếp nhận dẫn đến hiện tƣợng phú dƣỡng do vi tảo bao gồm vi khuẩn lam (VKL) độc phát triển mạnh, làm mất cân bằng sinh thái và suy giảm chất lƣợng nƣớc. Nghiêm trọng hơn, môi trƣờng nƣớc trở nên hôi thối, không thể sử dụng và ảnh hƣởng xấu đến môi trƣờng sống và sức khỏe cộng đồng.
Trong xử lý nƣớc thải giầu nitơ và phốt pho, công nghệ sinh thái (CNST) sử dụng thực vật thuỷ sinh (TVTS) có nhiều ƣu điểm, rất thân thiện môi trƣờng, đƣợc nhiều nƣớc rất quan tâm.
Để ngăn ngừa hiện tƣợng phú dƣỡng và sự nở rộ độc hại của vi khuẩn lam, ở nhiều nƣớc trên thế giới, đặc biệt là những nƣớc trong khu vực Châu Á - Thái Bình Dƣơng kỹ thuật Công nghệ sinh học - sinh thái đã và đang đƣợc phát triển và hiện đang đƣợc ứng dụng rộng rãi ở Nhật Bản, Thái Lan, Trung Quốc, v.v.
Công nghệ sinh học - sinh thái dựa trên cơ sở hoạt động của các hệ thống sinh thái tự nhiên và nhân tạo (bao gồm động - thực vật và vi sinh vật), thân thiện với môi trƣờng, đòi hỏi ít năng lƣợng, có tính phổ cập cao và rất khả thi đối với điều kiện nƣớc ta, trong đó phƣơng pháp sử dụng thực vật thuỷ sinh (TVTS) đƣợc coi là có hiệu quả cả về kinh tế và xã hội.
TVTS sử dụng nitơ, phốtpho và các nguyên tố vi lƣợng khác trong trao đổi chất. Tại các nƣớc phát triển nhƣ Đức, Mỹ, Pháp, Nhật Bản, Hàn Quốc, v.v, các công nghệ xử lý nƣớc thải sử dụng TVTS đã đƣợc phát triển rất thành công. Tại Pháp, năm 1993 đã có tới 2600 trạm xử lý nƣớc thải kết hợp sử dụng ao ổn định. Bắt đầu từ những năm 1980 rất nhiều cơ sở xử lí nƣớc thải tại các bang nƣớc Mỹ đã phát triển và ứng dụng công nghệ xử lí ô nhiễm với việc sử dụng các loài thực vật nổi và hệ thống hồ ổn định. Phƣơng pháp xử lí ô nhiễm hữu cơ và vô cơ tại vùng rễ của một số TVTS - còn gọi là “Phƣơng pháp vùng rễ”, đã đƣợc các nhà khoa học Đức nghiên cứu và triển khai có hiệu quả tại nhiều nơi. Các nhà khoa học Nhật Bản đã thiết kế những hệ thống làm sạch nƣớc ô nhiễm sử dụng hệ sinh thái TVTS dƣới dạng Bio- park để giảm bớt ô nhiễm các hồ lớn, thông qua đó kiểm soát hiện tƣợng nở hoa của nƣớc do vi tảo phát triển trong đó có tảo độc.
Năm 1992 International Development Research Centre (IDRC), Canada xuất bản một tài liệu rất đầy đủ về lĩnh vực quản lí và xử lý chất thải chăn nuôi lợn. Đây là sản phẩm của một chƣơng trình lớn (từ 1975 đến 1990) của Chính phủ Singapore, đƣợc quốc tế tài trợ (Australian Development Assistance Bureau, FAO, German Technical Assistance Agency (GTZ), IDRC (Canada), UNDP, ASEAN), đƣợc điều hành trực tiếp bởi TS. Ngiam Tong Tau – 1984 trở thành Giám đốc The Primary Production Department of Singapore có sự tham gia của hàng trăm chuyên gia quốc tế, bao trùm mọi lĩnh vực, yếu tố liên quan đến bảo vệ môi trƣờng ngành chăn nuôi lợn, từ khâu giống, thức ăn chuồng trại tới chính sách liên quan. Về khía cạnh các kĩ thuật tài liệu trình bày chi tiết về công nghệ xử lý chất thải, nƣớc thải, các kĩ thuật áp dụng. Tài liệu bao trùm gồm cả vấn đề thu hồi năng lƣợng và tái sử dụng nƣớc (thu hồi biogas, tuần hoàn nƣớc tiền xử lí rửa chuồng, dùng nƣớc thải nuôi tảo làm thức ăn chăn nuôi giàu đạm, v.v.).
Quá trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp, bao gồm hàng trăm phản ứng và hợp chất trung gian, mỗi phản ứng đƣợc xúc tác bởi những enzym đặc biệt. Những quá trình phân hủy kỵ khí đƣợc ứng dụng rộng rãi trong xử lý bùn thải và phân, sau đó phƣơng pháp này đƣợc áp dụng cho xử lý nƣớc thải nhờ có những ƣu điểm sau:
- Khả năng chịu tải trọng cao so với quá trình xử lý hiếu khí;
- Thời gian lƣu bùn không phụ thuộc vào thời gian lƣu nƣớc. Một lƣợng sinh khối lớn đƣợc giữ lại trong bể;
- Chi phí xử lý thấp (không phải cung cấp oxy nhƣ quá trình xử lý hiếu khí); - Tạo ra một nguồn năng lƣợng mới có thể sử dụng (khí sinh học – Biogas);
- Hệ thống công trình xử lý đa dạng: UASB, lọc kỵ khí, kỵ khí xáo trộn hoàn toàn, kỵ khí tiếp xúc.
Bên cạnh các ƣu điểm trên, quá trình xử lý kỵ khí có một số nhƣợc điểm sau:
- Nhạy cảm với môi trƣờng (nhiệt độ, pH, nồng độ kim loại nặng, v.v); - Phát sinh mùi;
- Tốc độ phát triển sinh khối chậm.
Trong công nghệ kỵ khí cần lƣu ý 2 yếu tố quan trọng: - Duy trì sinh khối càng nhiều càng tốt;
- Tạo tiếp xúc đủ giữa nƣớc thải và sinh khối vi khuẩn.
1.4.3.1. Bể Biogas
Đây là phƣơng pháp xử lý kỵ khí khá đơn giản, thấy ở hầu hết các cơ sở chăn nuôi quy mô trang trại, kể cả quy mô hộ gia đình. Ƣu điểm của bể Biogas là có thể sản xuất đƣợc nguồn năng lƣợng khí sinh học để thay thế đƣợc một phần các nguồn năng lƣợng khác.
Trong bể Biogas các chất hữu cơ đƣợc phân hủy một phần, do đó sau Biogas nƣớc thải có hàm lƣợng chất hữu cơ thấp và ít mùi hơn. Bùn cặn trong bể biogas có thể sử dụng để cải tạo đất nông nghiệp. Cùng với việc có nguồn năng lƣợng mới sử dụng, còn góp phần giảm thiểu hiện tƣợng chặt phá rừng và bảo vệ môi trƣờng. Khí Biogas là một nguồn năng lƣợng có triển vọng trong tƣơng lai đồng thời góp phần bảo vệ môi trƣờng và bảo tồn tài nguyên thiên nhiên.
Khí Biogas là một hỗn hợp bao gồm CH4, CO2, N2, H2S và một số khí khác. Thành phần chủ yếu là CH4 (60-70%) và CO2 (30-40%). Khi đốt cháy 1m3 hỗn hợp khí biogas sinh ra nhiệt lƣợng khoảng 4.500-6.000 calo/m3 tƣơng đƣơng với 1 lít cồn, 0,8 lít xăng, 0,6 lít dầu thô, 1,4 kg than hoa hay 2,2 kW điện.
Bảng 1.9: Thành phần khí trong hỗn hợp khí Biogas [5]
Loại khí Thành phần khí CH4 55-65% CO2 35-45% N2 0-3% H2 0-1% H2S 0-1% (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tùy thuộc vào thành phần và tính chất nƣớc thải chăn nuôi, thời gian lƣu nƣớc, tải trọng chất hữu cơ, nhiệt độ,v.v mà lƣợng khí sinh ra là khác nhau.
1.4.3.2. Hồ kỵ khí
Chiều sâu hồ khoảng 3-5m, lớp nƣớc trong hồ đƣợc khuấy đảo nhờ các bọt khí sinh ra từ quá trình kỵ khí ở đáy và các yếu tố khác nhƣ gió, chuyển động đối lƣu, v.v. Hiệu quả xử lý của hồ kỵ khí phụ thuộc vào thời gian lƣu và tải lƣợng chất hữu cơ. Tải trọng BOD của hồ kỵ khí tƣơng đối cao, từ 200- 500 kgBOD/ha.ngày. Hiệu quả khử BOD từ 50-85%. Hàm lƣợng chất lơ lửng khi ra khỏi hồ 80-160 mg/l.
1.4.3.3. Quá trình lọc sinh học kỵ khí
Kỹ thuật lọc yếm khí đƣợc sử dụng trong thực tế lần đầu tiên vào năm 1969, kỹ thuật trên phù hợp với nƣớc thải có hàm lƣợng chất hữu cơ cao. Tải lƣợng chất hữu cơ của bể lọc yếm khí có thể đạt tới 1 - 20 kgBOD/m3.ngàyđêm.
Quá trình lọc kỵ khí dính bám, sử dụng giá thể mang vi sinh nhƣ sỏi, đá, vòng nhựa tổng hợp, tấm nhựa, xơ dừa, v.v. để xử lý nƣớc thải trong điều kiện không có oxy. Bể lọc kỵ khí có dòng chảy hƣớng lên hoặc dòng chảy ngang. Nƣớc thải đi qua và tiếp xúc với toàn bộ lớp vật liệu lọc. Sinh khối dính bám trên bề mặt lớp vật liệu lọc cố định do đó sinh khối đƣợc giữ lại trong bể với thời gian lâu hơn thời gian lƣu nƣớc (thời gian lƣu nƣớc là 8h, thời gian lƣu bùn có thể lên đến 100 ngày).
Quy trình này có nhiều ƣu điểm: - Đơn giản trong vận hành;
- Chịu đƣợc biến động lớn về tải lƣợng ô nhiễm; vận hành ở tải trọng cao; - Không phải kiểm soát lƣợng bùn nổi nhƣ trong bể UASB;
- Có khả năng phân hủy các chất hữu cơ phân hủy chậm; Thời gian lƣu bùn rất cao (khoảng 100 ngày)
Tuy nhiên có nhƣợc điểm là không điều khiển đƣợc sinh khối của bể lọc này
1.4.3.4. Quá trình kỵ khí trong UASB
Hệ thống này đƣợc nghiên cứu và ứng dụng bởi Gatze Lettinga và các cộng sự của trƣờng đại học Wageningen ở Hà Lan từ những năm 1970, nó thích hợp cho việc xử lý nƣớc thải có hàm lƣợng chất hữu cơ từ thấp tới cao tại các vùng nhiệt đới. Trong quá trình xử lý, UASB làm giảm hàm lƣợng chất hữu cơ trong nƣớc thải và sinh ra một lƣợng khí Biogas đáng kể.
Nƣớc thải đƣợc đƣa từ dƣới lên qua lớp bùn kỵ khí lơ lửng ở dạng hạt. Quá trình sinh hóa diễn ra khi nƣớc thải tiếp xúc với lớp hạt bùn này. Khí sinh ra sẽ kéo các bông bùn lên lơ lửng trong bể tạo ra sự khuấy trộn đều giữa bùn
và nƣớc. Khi lên đến đỉnh các bọt khí sẽ va chạm với các tấm chắn nghiêng, các bọt khí đƣợc giải phóng tự do còn bùn đƣợc rơi xuống theo trọng lực. Tấm chắn đƣợc đặt nghiêng trong vùng tách pha để tăng tiết diện, tiết diện dòng chảy tăng do đó làm giảm tốc độ lắng của pha rắn tại vùng này, bùn đƣợc tích tụ trên bề mặt tấm chắn nghiêng khi đủ lớn tách ra và rơi xuống vùng lắng.
Hình 1.3: Sơ đồ cấu tạo bể UASB
1.4.3.5. Bể EGSB (Expanded Granular Slugde Bed)
Một trong những yếu tố quan trọng của hệ UASB là dạng tập hợp sinh khối, sinh khối keo tụ thành hạt bùn: kích thƣớc 1-5mm, khối lƣợng riêng lớn, độ bền cơ học cao, tốc độ sa lắng lớn và hoạt tính methane hóa cao. Một hệ UASB thông thƣờng không có khả năng tạo ra các hạt bùn có tính chất nhƣ
trên mặc dù có hiệu quả xử lý cao, chứng tỏ chúng không phải là điều kiện tiên quyết cho hiệu quả xử lý của hệ, chính từ quan điểm trên ngƣời ta đã biến thể hệ UASB thành hệ EGSB. Năm 1983 Lettinga và CS, đã phát minh ra hệ thống EGSB - Expanded Granular Sludge Bed (lớp bùn hạt mở rộng).
Dòng nƣớc thải đi vào hệ thống theo chiều từ dƣới lên, qua một lớp bùn hạt mở rộng, chứa những vi sinh vật kỵ khí để phân huỷ chất hữu cơ chứa trong bùn thải. Vận tốc dòng lên của hệ thống có thể đạt trên 9 m/h, cao hơn nhiều hệ thống UASB (0,6 - 0,9m/h). Nƣớc thải ra khỏi hệ thống có thể đƣợc tuần hoàn trở lại một phần, do tải lƣợng của bể EGSB (2-4kgCOD/m3
.ngày) thấp hơn so với bể UASB.
+ Ƣu điểm:
- Giảm đƣợc chi phí xây dựng (do tải trọng xử lý cao);
- Độ ổn định cao ngay cả với những điều kiện hoạt động không thuận lợi, có thể hoạt động đƣợc ở nhiệt độ thấp: 8-12 oC; có thể xử lý nhiều chất độc hại và nhiều loại acid béo có cấu tạo bền vững;
- Vận tốc nƣớc dâng lớn: 9-12m/h (trong bể UASB là 0,6-0,9m/h) + Nhƣợc điểm:
- Tốn năng lƣợng do dòng tuần hoàn;
- Bùn dƣ có khả năng phân tách kém hơn bùn trong hệ UASB;
- Do tốc độ dâng nƣớc lớn nên rất khó tạo bùn hạt (loại bùn có hoạt tính cao) Từ các ƣu nhƣợc điểm trên cho thấy hệ thống EGSB nên áp dụng cho nƣớc thải có tải lƣợng COD thấp và chứa các chất hữu cơ dạng hòa tan.
1.4.4. Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp hiếu khí – thiếu khí
Nƣớc thải chăn nuôi lợn là một nguồn thải ô nhiễm trầm trọng đối với môi trƣờng. Loại nƣớc thải này rất khó xử lý, bởi vì nồng độ hữu cơ cũng nhƣ nitơ trong nƣớc thải rất cao. Vì vậy, phát triển công nghệ xử lý nƣớc thải chăn
nuôi lợn có hiệu quả và kinh tế đang là sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học trên thế giới cũng nhƣ ở Việt Nam. Đối với loại nƣớc thải này, bƣớc xử lý đầu tiên thƣờng là quá trình sinh học yếm khí, bƣớc tiếp theo là quá trình sinh học hiếu khí – thiếu khí (xử lý phần hữu cơ còn lại và phần lớn thành phần dinh dƣỡng N, P), cuối cùng có thể là bƣớc xử lý bổ sung nhằm giảm thiểu tối đa thành phần dinh dƣỡng. Một số quá trình hiếu khí – thiếu khí cơ bản thƣờng đƣợc nghiên cứu ứng dụng nhiều trong xử lý nƣớc thải chăn nuôi lợn nhƣ sau: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
1.4.4.1. Phương pháp bùn hoạt tính hiếu khí – thiếu khí kết hợp
Đây là một dạng cải tiến của phƣơng pháp bùn hoạt tính truyền thống, trong đó có bổ sung thêm các ngăn thiếu khí xen kẽ với các ngăn hiếu khí kết hợp với hồi lƣu nƣớc thải sau xử lý về ngăn thiếu khí đầu tiên. Quá trình này có thể xử lý đồng thời hữu cơ và nitơ. Quá trình nitrat hóa đƣợc thực hiện ở ngăn hiếu khí và quá trình khử nitrat đƣợc thực hiện ở ngăn thiếu khí. Gần đây quá trình ngày đƣợc cải tiến bằng cách chia dòng vào ở các ngăn thiếu khí nhằm tận dụng nguồn cacbon trong nƣớc thải cho quá trình khử nitrat để nâng cao hiệu quả xử lý nitơ. Kết quả khảo sát đối với một số trạm xử lý nƣớc thải công nghiệp qui mô nhỏ của 21 nhà máy cho thấy, quá trình này cho hiệu quả xử lý rất tốt: nƣớc thải đầu ra tính theo trung bình tháng đạt 10 mg/L đối với BOD, 10 mg/L đối với SS và 10 mg/L đối với T-N và 1 mg/L đối với P [9].
1.4.4.2. Phương pháp lọc sinh học ngập nước hiếu khí – thiếu khí kết hợp:
Nguyên lý của quá trình xử lý tƣơng tự phƣơng pháp trên, nhƣng ở đây các quá trình nitrat hóa và khử nitrat đƣợc thực hiện ở trong các thiết bị lọc sinh học chứa vật liệu mang vi sinh. Ƣu điểm của quá trình này là thiết bị gọn nhẹ do có thể vận hành ở tải trọng cao (tải trọng BOD có thể lên đến 2 – 3 kg BOD/m3 -ngày), quá trình ổn định, vận hành đơn giản, tiêu hao ít năng lƣợng. Tuy nhiên chí phí đầu tƣ lớn.
1.4.4.3. Phương pháp mương ôxy hóa
Mƣơng ôxy hóa là một dạng thiết bị sục khí kéo dài. Phƣơng pháp này có ƣu điểm là có thể xử lý hiệu quả đồng thời hữu cơ và nitơ, vận hành đơn giản, tốn ít năng lƣợng, tạo ra ít bùn, tuy nhiên cần diện tích xây dựng lớn. Phƣơng pháp này đƣợc sử dụng khá phổ biến đối với qui mô nhỏ. Do hiệu