4. Ý nghĩa của đề tài
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:
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 quả xử lý nitơ cao, vận hành đơn giản nên đây có thể là một phƣơng pháp phù hợp đối với một số trang trại chăn nuôi có diện tích lớn.
1.4.4.4. Phương pháp Anamox
Ngoài quá trình hiếu khí – thiếu khí truyền thống, gần đây quá trình Anammox (Anaerobic Ammonium Oxidation, oxy hóa amoni yếm khí), một quá trình sinh học mới đƣợc phát hiện hơn 10 năm trƣớc, đƣợc quan tâm nghiên cứu và phát triển ứng dụng trong xử lý nƣớc thải giàu nitơ. Trong điều kiện yếm khí, amoni đƣợc oxy hóa với nitrit (NO2-) nhƣ là chất nhận điện tử tạo thành khí nitơ bởi các vi sinh vật tự dƣỡng planctomycetes. Quá trình xử lý amoni bằng phƣơng pháp này đƣợc thực hiện thông qua hai quá trình: đầu tiên là oxy hóa một phần amoni thành nitrit (khoảng 50% tổng amoni) bằng quá trình hiếu khí truyền thống (nitrit hóa), tiếp theo là quá trình Anammox chuyển hóa amonni cùng với nitrit trực tiếp thành khí nitơ. Quá trình này không cần cơ chất hữu cơ, cho phép tiết kiệm trên 60% lƣợng oxy cần cung cấp, đồng thời tạo ra ít bùn. Qúa trình nitrit hóa một phần – Anammox đầu tiên trong thực tế đã đƣợc xây dựng tại nhà máy xử lý nƣớc thải Rotterdam, Hà Lan để xử lý nƣớc thải từ công đoạn xử lý bùn. Một số nghiên cứu mới đây cũng gợi ý rằng có thể ứng dụng kỹ thuật này trong xử lý nƣớc thải chăn nuôi lợn mặc dù tỉ lệ C/N khá cao. Có thể nói, quá trình Anammox là một phƣơng pháp tiến tiến, tốn ít năng lƣợng, chi phí xử lý thấp, do đó là là một phƣơng pháp có nhiều triển vọng trong xử lý các nguồn nƣớc thải giàu hữu cơ. Tuy nhiên, hiện nay phƣơng pháp này cũng đang gặp phải một số khó khăn trong ứng dụng thực tế. Đó là việc khống chế, điều khiển quá trình nitrit
hóa một phần amoni sao cho chỉ một nửa lƣợng amoni đƣợc chuyển hóa thành nitrit; đối với nƣớc thải có tỉ lệ C/N cũng gặp nhiều bất lợi và quá trình nuôi cấy vi sinh vật cần thời gian dài và khó khăn.
1.4.4.5. Công nghệ SBR
SBR (sequencing batch reactor): Bể phản ứng theo mẻ là dạng công trình xử lí nƣớc thải dựa trên phƣơng pháp bùn hoạt tính, nhƣng 2 giai đoạn sục khí và lắng diễn ra gián đoạn trong cùng một bể. SBR không cần sử dụng bể lắng thứ cấp và quá trình tuần hoàn bùn, thay vào đó là quá trình xả cặn trong bể. Hệ thống SBR là hệ thống dùng để xử lý nƣớc thải sinh học chứa chất hữu cơ và nitơ cao.
Hình 1.4. Sơ đồ hoạt động của bể SBR
Các giai đoạn xử lý bằng SBR gồm 5 giai đoạn:
1. Làm đầy (Fill): cấp nƣớc thải vào bể phải đảm bảo cho dòng chảy điều hòa, không quá mạnh để tạo tiếp xúc tốt giữa nƣớc thải và VSV và cũng không quá lâu để đảm bảo tính kinh tế. Cấp nƣớc thải vào bể có thể vận hành ở 3 chế độ: làm đầy tĩnh, làm đầy khuấy trộn, làm đầy sục khí.
- Làm đầy tĩnh: cấp nƣớc thải tĩnh tạo nồng độ chất nền cao khi bắt đầu khuấy trộn. Điều kiện làm tĩnh có lợi cho sản sinh lƣu trữ bên trong điều kiện
N-íc th¶i ®Çu vµo
chất nền cao, 1 yêu cầu để loại bỏ photpho sinh hóa, giảm sự phát triển của VK sợi. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Làm đầy khuấy trộn: nƣớc thải đầu vào đƣợc trộn đều với các sinh khối, khởi đầu cho các phản ứng hóa học. Trong thời gian cấp nƣớc thải vào hỗn hợp, VSV phân hủy hữu cơ sinh học và sử dụng oxy dƣ hoặc nhận electron thay thế nhƣ nitrat. Lúc này, khử nitrat xảy ra trong điều kiện thiếu oxy tạo thành khí nitơ, NO3- đƣợc VSV sử dụng nhƣ là nhận electron.
- Làm đầy sục khí: có thể giảm thời gian sục khí cần thiết trong bƣớc phản ứng, quá trình nitrat hóa có thể đạt đƣợc.
2. Thổi khí (React): Oxy đƣợc cung cấp một lƣợng lớn để tạo thuận lợi cho việc tiêu thụ chất nền. Quá trình nitrit hóa, nitrat hóa và phân hủy chất hữu cơ xảy ra, và kết thúc khi 1 thời gian tối đa để việc tiêu thụ chất nền đƣợc đạt đƣợc. Trong giai đoạn này cần tiến hành thí nghiệm để kiểm soát các thông số đầu vào nhƣ: DO, BOD, COD, N, P, cƣờng độ sục khí, nhiệt độ, pH để tạo bông bùn hoạt tính hiệu quả cho quá trình lắng sau này.
3. Giai đoạn lắng (Settle): quá trình lắng diễn ra trong môi trƣờng tĩnh hoàn toàn, các chất rắn đƣợc tách ra và lắng xuống, thời gian lắng thƣờng nhỏ hơn 2 giờ. Trong một số trƣờng hợp, khuấy trộn nhẹ trong thời gian đầu của pha lắng tạo nƣớc thải và bùn lắng rõ ràng hơn, bùn đƣợc lắng tập trung hơn. Trong hệ thống SBR, không có dòng chảy đầu vào can thiệp vào pha lắng nhƣ trong hệ thống bùn hoạt tính thông thƣờng.
4. Giai đoạn xả nước ra (Draw): nƣớc đã lắng sẽ đƣợc hệ thống thu nƣớc tháo ra; đồng thời trong quá trình này bùn lắng cũng đƣợc tháo ra. Việc loại bỏ này phải đƣợc thực hiện mà không làm xáo trộn bùn lắng.
5. Giai đoạn chờ (Idle): Pha này xảy ra giữa pha xả và pha bơm, trong đó nƣớc thải đã đƣợc xử lý đƣợc loại bỏ và nƣớc thải đầu vào đƣợc bơm vào.
Giai đoạn này đôi khi có thể đƣợc sử dụng để xả bùn thải hoặc vệ sinh lại thiết bị sục khí, cánh khuấy, v.v.
Nên phân bổ thời gian hoạt động của chu kì nhƣ sau: nƣớc chảy vào bể (25%); sục khí (35%); lắng (20%); tháo nƣớc (15%); tháo bùn (5%). [19] Các quá trình sinh học diễn ra trong bể SBR
• Oxy hóa các chất hữu cơ:
CxHyOz + (x+y/4 - z/2) O2 → x CO2 + y/2 H2O • Tổng hợp sinh khối tế bào:
n(CxHyOz) + nNH3+ n(x+y/4 -z/2-5)O2→(C5H7NO2)n + n(x-5)CO2 + n(y-4)/2 H2O
• Tự oxy hóa vật liệu tế bào (phân hủy nội bào): (C5H7NO2)n + 5nO2 → 5n CO2+ 2n H2O + nNH3 • Quá trình nitrit hóa:
2 NH3+ 3O2→ 2NO2- + 2H+ + 2H2O (VK Nitrosomonas) ( 2NH4 + + 3O2 → 2NO2 - + 4H+ + 2H2O) 2NO2 - + O2 → 2NO3 - (VK Nitrobacter) • Tổng phản ứng oxy hóa amoni:
NH4+ + 2O2 → NO3-+ 2H+ +2H2O • Quá trình phản nitrit hóa:
NO3
- →NO2- → N2
Ưu nhược điểm công nghệ SBR
- Ưu điểm: Hệ thống SBR linh động có thể xử lý nhiều loại nƣớc thải khác nhau với nhiều thành phần và tải trọng, dễ dàng bảo trì, bảo dƣỡng thiết bị mà không cần phải tháo nƣớc cạn bể. Hệ thống có thể điều khiển hoàn toàn tự động. MLSS không bị thoát ra ngoài vì chảy tràn nƣớc do lƣu lƣợng không
đổi, quá trình lắng tĩnh giúp nồng độ TSS đầu ra thấp. Bể điều hòa, bể lắng sơ cấp, xử lý sinh học, bể lắng thứ cấp và khử dinh dƣỡng có thể kết hợp lại thành 1, hiệu quả khử photpho, nitrat hóa và khử nitrat hóa cao. Quá trình kết bông tốt do không có hệ thống gạt bùn cơ khí; ít tốn diện tích do không có bể lắng 2 và quá trình tuần hoàn bùn. Chi phí đầu tƣ và vận hành thấp. Quá trình lắng ở trạng thái tĩnh nên hiệu quả lắng cao, có khả năng nâng cấp hệ thống.
- Nhược điểm: Do hệ thống hoạt động theo mẻ, nên cần phải có nhiều thiết bị hoạt động đồng thời với nhau, công suất xử lý thấp. Ngƣời vận hành phải có kỹ thuật cao (sử dụng công tắc và van tự động theo thời gian).
1.5. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc
1.5.1. Trong nước
Ở nƣớc ta việc xử lý nƣớc thải chăn nuôi cho đến nay chỉ phổ biến áp dụng rộng rài một số loại hầm Biogas cỡ nhỏ phù hợp với chăn nuôi phân tán. Một số trang trại quy mô lớn đƣợc xây dựng trong thời gian gần đây đã có sử dụng các hầm Biogas có thể tích tới hàng trăm, hàng ngàn mét khối kết hợp với các hồ sinh học để xử lý nƣớc thải. Hoặc nƣớc thải sau Biogas đƣợc tiếp tục qua hệ xử lý sinh học (Biofiml, Aeroten) UASB.
Một số nghiên cứu của Viện Chăn nuôi, dự án liên minh Châu Âu - chƣơng trình Asia ProEco mới chỉ dừng lại ở việc điều tra, khảo sát, đánh giá thực trạng ô nhiễm và đề xuất ra các mô hình xử lý nƣớc thải chăn nuôi mà chƣa có các thử nghiệm thực tế. Bên cạnh đó, các cơ quan quản lý nhƣ Bộ Nông nghiệp, Bộ Tài nguyên & Môi trƣờng cũng mới chỉ dừng lại ở việc ban hành ra các bộ tiêu chuẩn mà chƣa có các hƣớng dẫn biện pháp xử lý cụ thể.
Chỉ có một số ít các nghiên cứu đƣợc thử nghiệm trong thực tế nhƣ đề tài nghiên cứu công nghệ lọc sinh học trong xử lý nƣớc thải chăn nuôi tại Vĩnh Phúc đƣợc Viện Công nghệ Môi trƣờng thực hiện trong năm 2007, đề tài nghiên cứu công nghệ Aeroten trong xử lý nƣớc thải chăn nuôi tại trại lợn
Hoàng Liễn – Vũ Thƣ – Thái Bình đƣợc Viện Công nghệ Môi trƣờng thực hiện trong giai đoạn 2006 – 2007. Tuy nhiên, hiệu quả xử lý của 02 công nghệ này chƣa cao và chƣa đáp ứng đƣợc đòi hỏi của thực tế về suất đầu tƣ và chi phí vận hành. Chính vì vậy tuy nhu cầu có đã lâu nhƣng mô hình xây dựng và vận hành thành công hệ xử lý nƣớc thải chăn nuôi ở nƣớc ta rất hiếm. Công nghệ SBR (quá trình yếm khí, hiếu khí, thiếu khí trong một thiết bị) đã đƣợc áp dụng để xử lý nƣớc thải cho các ngành khác tại Việt Nam (Bệnh viện, nƣớc thải sinh hoạt, v.v.) đạt hiệu quả cao về kỹ thuật cũng nhƣ kinh tế. Mặc dù vậy đối với nƣớc thải chăn nuôi vẫn chƣa đƣợc nghiên cứu ứng dụng.
1.5.2. Ngoài nước
Tại các nƣớc phát triển việc ứng dụng phƣơng pháp sinh học trong xử lý nƣớc thải chăn nuôi đã đƣợc nghiên cứu, ứng dụng và cải tiến trong nhiều năm qua.
Tại Hà Lan, nƣớc thải chăn nuôi đƣợc xử lý bằng công nghệ SBR qua 2 giai đoạn: giai đoạn hiếu khí loại COD, BOD, amoni đƣợc nitrat hóa; giai đoạn kỵ khí xảy ra quá trình phản nitrat thành khí Nitơ. Phốtphat đƣợc loại bỏ từ pha lỏng bằng định lƣợng vôi vào bể sục khí (Willers et al.,1994).
Tại Tây Ban Nha, mƣớc thải chăn nuôi đƣợc xử lý bằng quy trình VALPUREN (đƣợc cấp bằng sáng chế Tây Ban Nha số P9900761). Đây là quy trình xử lý kết hợp phân hủy kỵ khí, hiếu khí. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hay tại Thái Lan, công trình xử lý nƣớc thải sau Biogas là UASB. Đây là công trình xử lý sinh học kỵ khí ngƣợc dòng. Nƣớc thải đƣợc đƣa vào từ dƣới lên, xuyên qua lớp bùn kỵ khí lơ lửng ở dạng các bông bùn mịn. Quá trình khoáng hóa các chất hữu cơ diễn ra khi nƣớc thải tiếp xúc với các bông bùn này. Một phần khí sinh ra trong quá trình phân hủy kỵ khí (CH4, CO2 và một số khí khác) sẽ kết dính với các bông bùn và kéo các bông bùn lên lơ lửng trong bùn, tạo sự khuấy trộn đều giữa bùn và nƣớc. Khi lên đến đỉnh bể, các bọt khí đƣợc giải phóng với khí tự do và bùn sẽ rơi xuống. Để tăng tiếp
xúc giữa nƣớc thải với các bông bùn, lƣợng khí tự do sau khi thoát ra khỏi bể đƣợc tuần hoàn trở lại hệ thống.
Chƣơng 2
NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu