Có thể áp dụng các phƣơng pháp sau để xử lý nƣớc thải chăn nuôi:
1.5.1. Các phương pháp vật lý xử lý nước thải chăn nuôi
Các phƣơng pháp áp dụng các quá trình vật lý nhƣ: sàng lọc, tách cơ học, trộn, khuấy,... nhằm loại bớt một phần cặn ra khỏi nƣớc thải chăn nuôi, tạo điều kiện cho quá trình xử lý hóa học và sinh học ở phía sau đƣợc thực hiện tốt hơn. Phƣơng pháp vật lý thƣờng đƣợc kết hợp với các phƣơng pháp sinh học hay hóa học để tăng hiệu quả của các quá trình chuyển hóa và tách các chất cặn, chất kết tủa...[7].
1.5.2. Các phương pháp hóa học xử lý nước thải chăn nuôi
Là phƣơng pháp dùng các tác nhân hóa học để loại bỏ hoặc chuyển hóa làm thay đổi bản chất chất ô nhiễm trong nƣớc thải chăn nuôi. Các quá trình hóa học có thể áp dụng là: trung hòa, sử dụng các chất oxy hóa khử, kết tủa hay tuyển nổi hóa học, hấp phụ hóa học, tách bằng màng và khử trùng hóa học... Xử lý hóa học thƣờng gắn với phƣơng pháp xử lý vật lý hay xử lý sinh học. Phƣơng pháp xử lý hóa thƣờng hạn chế sử dụng trong thực tế do có một số bất lợi:
- Việc sử dụng hóa chất trong quá trình xử lý có thể tạo ra các ô nhiễm thứ cấp, đặc biệt là trong thành phần bùn thải sau xử lý, gây tốn kém phát sinh của hậu xử lý nƣớc thải.
- Giá thành xử lý cao do chi phí về hóa chất, năng lƣợng, thiết bị của hệ thống phức tạp hay bị hỏng hóc, khó vận hành, bảo trì hệ thống và tiêu tốn nhiều năng lƣợng.
Trong nƣớc thải chăn nuôi thƣờng chứa nhiều thành phần hòa tan hay các hạt có kích thƣớc nhỏ, không thể tách khỏi dòng nƣớc thải bằng phƣơng pháp vật lý. Cho nên để tách các chất này ra khỏi nguồn nƣớc ngƣời ta thƣờng sử dụng các tác
nhân tạo keo tụ nhƣ phèn sắt, phèn nhôm, polyme hữu cơ... để tăng tính tủa, lắng hay tuyển nổi của các hạt rắn và keo trong hỗn hợp phân lỏng và cuối cùng tách chúng ra khỏi dòng thải.
Theo nghiên cứu của Trƣơng Thanh Cảnh (2002) ở trại chăn nuôi lợn 2 – 9 thành phố Hồ Chí Minh [7], trong một hệ thống đƣợc điều khiển tự động bằng một chƣơng trình máy tính dựa trên chỉ tiêu tổng chất rắn (TS) đầu vào, có công suất xử lý khoảng 70 m3/ngày, nƣớc thải từ chăn nuôi lợn đƣợc xử lý keo tụ hóa học bằng FeSO4.7H2O hoặc điện hóa học. Kết quả phân tích nƣớc thải sau xử lý cho thấy 74% và 95% chất rắn lơ lửng đƣợc loại bỏ bằng các phƣơng pháp tƣơng ứng trên. Keo tụ điện hóa học có thể là một phƣơng pháp đơn giản để xử lý nƣớc thải chăn nuôi.
Phƣơng pháp này loại bỏ đƣợc hầu hết các chất bẩn có trong nƣớc thải, tuy nhiên do chi phí đầu tƣ xây dựng và giá thành vận hành cao nên chỉ đƣợc áp dụng cho các hộ chăn nuôi có diện tích trang trại hẹp và yêu cầu chất lƣợng nƣớc thải ra nguồn cao.
Ngoài ra ở một số cơ sở chăn nuôi có nguồn tiếp nhận nƣớc thải đòi hỏi mức độ sạch sinh học cao, ngƣời ta còn sử dụng các chất oxy hóa mạnh nhƣ clo để oxy hóa các chất ô nhiễm trong nƣớc thải hay để khử trùng nƣớc trƣớc khi thải ra nguồn tiếp nhận. Phƣơng pháp này thƣờng gặp nhất là diệt trùng nƣớc thải sau xử lý sinh học trƣớc khi xả ra nguồn tiếp nhận [7].
1.5.3. Các phương pháp sinh học xử lý nước thải chăn nuôi
Đây là nhóm phƣơng pháp thƣờng đƣợc sử dụng rộng rãi hơn so với các phƣơng pháp khác trong xứ lý nƣớc thải chăn nuôi do nƣớc thải chăn nuôi giàu thành phần hữu cơ cho nên dễ áp dụng phƣơng pháp xử lý sinh học. Phƣơng pháp sinh học xử lý nƣớc thải chăn nuôi là các phƣơng pháp dùng các tác nhân sinh học nhƣ: tảo, vi khuẩn, nấm, nguyên sinh động vật, thực vật nƣớc hay các động vật nhƣ cá, nhuyễn thể… hay thực vật nƣớc để phân hủy, chuyển hóa và chuyển dạng các chất ô nhiễm trong nƣớc thải chăn nuôi. Trong các hệ thống xử lý sinh học, cộng đồng các sinh vật khai thác năng lƣợng từ các chất thải để duy trì hoạt động và tăng trƣởng nhờ hệ thống enzyme sinh học. Dựa vào khả năng này của vi sinh vật, ngƣời ta sử dụng vi sinh vật nhằm chuyển hóa các chất thải sinh học mà thƣờng là các chất
ô nhiễm trong nƣớc thải chăn nuôi sang dạng không ô nhiễm hay loại bỏ chúng ra khỏi dòng thải.
- Ƣu điểm của các phƣơng pháp sinh học là phƣơng pháp rẻ tiền, an toàn cho môi trƣờng so với phƣơng pháp hóa học. Ngoài lợi ích về môi trƣờng, phƣơng pháp xử lý sinh học còn có khả năng tạo các sản phẩm phụ có giá trị kinh tế nhƣ khí sinh học (biogas), phân vi sinh hay nhiều sản phẩm khác…
- Tuy nhiên phƣơng pháp xử lý sinh học thƣờng phụ thuộc vào một số các yếu tố môi trƣờng nhƣ: thời tiết, nhiệt độ, thời gian xử lý khá lâu, đòi hỏi mặt bằng rộng và có thể tạo mùi hay các khí nếu không che phủ kín và quản lý tốt chúng có thể phát tán vào môi trƣờng.
Ngƣời ta có thể sử dụng nhiều quá trình sinh học khác nhau trong xử lý nƣớc thải chăn nuôi. Hình 1.2. là một số các quá trình sinh học thƣờng áp dụng trong xử lý nƣớc thải chăn nuôi.
Hình 1.2. Phân loại phương pháp xử lý sinh học Phương pháp xử lý sinh học hiếu khí
Là phƣơng pháp xử lý chất ô nhiễm trong nƣớc thải bằng con đƣờng oxy hóa khử sinh học với sự tham gia của các tác nhân sinh học nhƣ: virus, vi khuẩn, xạ
Xử lý sinh học Quá trình kỵ khí Quá trình hiếu khí Lọc sinh học Quá trình thiếu khí Hồ sinh học Quá trình kết hợp
khuẩn, tảo, nấm…(chủ yếu là vi sinh vật) hiếu khí. Ở phƣơng thức này, trong các hệ thống xử lý diễn ra quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ hòa tan hay các hợp chất cao phân tử sinh học nhƣ: carbohydrate, protein, chất béo hay lipit trong nƣớc thải chăn nuôi hay trong khối bùn hoạt tính đến sản phẩm cuối cùng là CO2, H2O và một lƣợng đáng kể bùn dƣ. Bùn hoạt tính là tập hợp của các vi sinh vật khoáng hóa có khả năng hấp phụ bề mặt các chất hữu cơ có trong nƣớc thải. Bùn dƣ từ quá trình xử lý hiếu khí nƣớc thải chăn nuôi có thể là một loại phân vi sinh có giá trị. Ngoài ra còn có một lƣợng nhỏ NH3 và H2S đƣợc hình thành do quá trình phân hủy các axit amin chứa lƣu huỳnh hay axit amin có cấu trúc mạch vòng.
Trong các hệ thống xử lý hiếu khí, oxy có thể đƣợc cung cấp bằng phƣơng pháp bơm sục khí hoặc khuấy sục khí. Tuy nhiên trong thực tế xử lý nƣớc thải chăn nuôi ngƣời ta thƣờng dùng phƣơng pháp bơm sục khí mà ít khi sử dụng phƣơng pháp khuấy. Nguyên nhân là do bể hiếu khí thƣờng là bể kín để tránh sự bốc hơi các khí tạo mùi vào môi trƣờng không khí. Phƣơng thức cung cấp oxy khác nhau sẽ dẫn tới sự khác nhau về khả năng vận chuyển oxy vào hệ thống và khả năng tách CO2 ra khỏi hệ thống. Việc tách CO2 ra khỏi hệ thống là rất cần thiết để ngăn giảm pH và duy trì nhiệt độ thích hợp của hệ thống.
Quá trình xử lý sinh học hiếu khí có thể diễn ra trong điều kiện nhân tạo hoặc tự nhiên. Ở phƣơng pháp xử lý nhân tạo có thể sử dụng bể phản ứng sinh học hiếu khí (Aeroten), lọc sinh học hiếu khí (biofilter) hay đĩa quay sinh học RBC (rotating biological contactor) hay một số phƣơng pháp khác… Ở phƣơng pháp xử lý tự nhiên có thể là cánh đồng tƣới, hồ sinh học hay dùng thực vật các vùng đất ngập nƣớc...
* Bể Aeroten
Bể Aeroten là dạng bể kỹ thuật truyền thống và đuợc ứng dụng nhiều trong xử lý hiếu khí nƣớc thải do kỹ thuật đơn giản, dễ vận hành và chi phí thấp. Hệ thống xử lý bằng bùn hoạt tính đƣợc phát minh bởi Arden và Lockett năm 1914 tại Anh. Vi khuẩn dính bám lên các bông cặn có trong nƣớc thải và phát triển sinh khối tạo thành bông bùn có hoạt tính phân hủy chất hữu cơ. Các bông bùn này đƣợc cấp khí cƣỡng bức đảm bảo lƣợng oxy cần thiết cho hoạt động phân hủy và giữ cho bông bùn ở trạng thái lơ lửng. Các bông bùn lớn dần lên do hấp phụ các chất rắn lơ lửng,
tế bào vi sinh vật, động vật nguyên sinh... qua đó nƣớc thải đƣợc làm sạch.
Các tác nhân sinh học tham gia vào quá trình bao gồm một tập hợp các nhóm vi sinh vật nhƣ sau:
- Virus
- Vi khuẩn (bacteria) - Xạ khuẩn (actinomicetes)
– Vi nấm: nấm men (yeasts), nấm mốc hay nấm sợi (mods) – Vi tảo (Algae)
– Nguyên sinh động vật (protozoa)
Hình 1.3. Mô hình xử lý hiếu khí (Aeroten) nước thải chăn nuôi
Oxy có thể cung cấp thông qua một trong các phƣơng thức: Khuấy cơ học, thổi không khí hay nén không khí và nạp thông qua bộ phận khuếch tán khí ngâm trong nƣớc thải.
* Lọc sinh học hiếu khí
Nguyên lý của quá trình lọc sinh học là sử dụng vi sinh vật bám dính trên lớp màng của lớp vật liệu lọc, dòng nƣớc thải đƣợc tƣới từ trên xuống qua lớp vật liệu lọc và các chất thải đƣợc xử lý bởi các tác nhân sinh vật trong vật liệu lọc. Nƣớc thải đƣợc bơm vào giàn phun xoay vòng đều trên bề mặt của một tầng vật liệu, thƣờng bằng các viên sỏi, đá hay các vật liệu nhân tạo, có vi sinh vật hiếu khí bám dính.
Với hình thức xử lý nƣớc thải này, số lƣợng và chất lƣợng quần thể vi sinh vật phụ thuộc vào một số yếu tố nhƣ: khả năng bám dính của vi sinh vật ở lớp vật liêu lọc, thành phần nƣớc thải, lƣợng oxy hòa tan trong dòng nƣớc thải,... Ở bề mặt vật liệu lọc và các khe hở giữa chúng, các cặn bẩn đƣợc giữ lại. Sau đó, chất hữu cơ đƣợc phân hủy hiếu khí, oxy không khí đuợc nạp vào bể lọc bằng cách nạp tự nhiên
Xả bùn cặn Xả bùn hoạt tính thừa
Nƣớc thải đầu vào Nƣớc ra
Tuần hoàn bùn hoạt tính
khí đồng thời cùng với dòng nƣớc thải khi tƣới, nạp khí qua các khe hở bố trí ở thành bể hoặc qua hệ thống thu nƣớc phân bố trong khối vật liệu lọc. Để bể sinh học hoạt động tốt, đạt hiệu quả cao cần phải phân phối đều nƣớc thải trên bề mặt lọc, thông gió, cung cấp oxy đầy đủ cho các vi sinh vật hoạt động với tải lƣợng, tốc độ thích hợp. Tuy nhiên phƣơng pháp lọc sinh học thƣờng ít đƣợc sử dụng trong xử lý nƣớc thải chăn nuôi do lớp vật liệu lọc thƣờng nhanh chóng bị bão hòa cơ chất, đặc biệt là đối với nƣớc thải chăn nuôi có độ đậm đặc cao.
* Cánh đồng lọc và cánh đồng tưới
Cánh đồng lọc hay tƣới có tác dụng vửa là phƣơng thức kết hợp vừa tƣới nƣớc, cung cấp dinh dƣỡng cho đất và kết hợp xử lý nƣớc thải. Thực chất của quá trình xử lý nƣớc thải trên cánh đồng tƣới hay cánh đồng lọc là dùng hệ thống lọc tự nhiên là đất, thƣờng đƣợc thiết kế thành các cánh đồng lọc. Khi nƣớc thải đƣợc tƣới hay lọc qua đất, các chất rắn lơ lửng trong nƣớc thải bị giữ lại tạo thành các màng vi sinh vật bao bọc xung quanh các hạt đất. Chúng hình thành nên khối vi sinh vật hiếu khí kết dính với hạt đất. Nhờ đó mà chúng có thể hấp phụ và chuyển hóa các chất hữu cơ từ dòng nƣớc thải. Nguồn cung cấp oxy là của không khí phân bố trong đất và không khí đƣợc nạp từ bề mặt đất theo dòng nƣớc tƣới. Hệ vi sinh vật hiếu khí trong đất có khả năng khoáng hóa vi sinh vật hay phân giải các chất hữu cơ trong nƣớc thải thành các chất hữu cơ đơn giản dễ hấp thụ cho sinh vật đất hay cây trồng, đồng thời có thể loại bỏ các chất chứa nitơ dƣới dạng nitrat hóa. Thực tế, quá trình xử lý nƣớc thải qua lớp đất bề mặt chỉ diễn ra ở độ sâu 0,5 - 1,5m. Vì vậy cánh đồng tƣới và cánh đồng lọc thƣờng đƣợc thiết kế xây dựng chỉ đến độ sâu 0,5 - 1,5 m tính từ mặt đất. Biện pháp xử lý nƣớc thải bằng cánh đồng lọc đồng thời có thể đạt đƣợc bốn mục tiêu: xử lý nƣớc thải, tƣới nƣớc cho cây, sử dụng các chất dinh dƣỡng có trong nƣớc thải và nạp lại nƣớc cho các túi nƣớc ngầm. So với các hệ thống nhân tạo thì việc xử lý nƣớc thải bằng cánh đồng lọc hay tƣới rẻ tiền hơn, ít tiêu tốn năng lƣợng do ít sử dụng các thiết bị cơ khí. Việc vận hành và bảo quản hệ thống xử lý nƣớc thải bằng cánh đồng lọc dễ dàng và ít tốn kém. Xử lý nƣớc thải bằng cánh đồng lọc chỉ cần năng lƣợng để vận chuyển và tƣới nƣớc thải lên đất, trong khi xử lý nƣớc thải bằng biện pháp nhân tạo cần năng lƣợng để vận hành toàn bộ hệ thống
nhƣ: khuấy trộn, sục khí, bơm hoàn lƣu nƣớc thải và bùn… Tuy nhiên, việc xử lý nƣớc thải bằng cánh đồng lọc cũng có những hạn chế nhƣ cần một diện tích đất lớn, phụ thuộc vào cấu trúc đất và có thể làm khuyếch tán các chất ô nhiễm vào nguồn nƣớc dƣới đất nếu nhƣ tải lƣợng hữu cơ trong nƣớc thải quá cao hay có thể sinh các khí gây mùi phát tán vào không khí…
Hồ sinh học
Các quá trình diễn ra trong hồ sinh học tƣơng nhƣ quá trình tự làm sạch ở sông hồ nhƣng tốc độ nhanh hơn và hiệu quả cao hơn. Trong hồ có thể nuôi trồng thủy thực vật, tảo, vi sinh vật, cá.... để tăng hiệu quả xử lý. Quần thể động thực vật trong hồ đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình chuyển hóa các hợp chất hữu cơ của nƣớc thải. Đầu tiên vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ phức tạp thành các chất đơn giản, đồng thời trong quá trình quang hợp chúng lại giải phóng ra oxy cung cấp cho động thực vật. Cá bơi khuấy trộn nƣớc có tác dụng tăng sự tiếp xúc của oxy với nƣớc, thúc đẩy sự hoạt động, phân hủy của vi sinh vật...
Ngoài nhiệm vụ xử lý nƣớc thải, hồ sinh học còn có các lợi ích: nuôi trồng thủy sản và cây trồng, điều hòa lƣu lƣợng, dự trữ nƣớc cho các mục đích sử dụng nƣớc khác, điều hòa vi khí hậu trong vùng.
Căn cứ vào đặc tính tồn tại của các nhóm vi sinh vật và cơ chế xử lý mà có thể chia ra các loại hồ: hồ hiếu khí, hồ hiếu kỵ khí, hồ kỵ khí.
- Hồ hiếu khí: Quá trình oxy hóa các chất hữu cơ nhờ các vi sinh vật hiếu khí. Ngƣời ta phân biệt loại hồ này làm 2 nhóm: Hồ làm thoáng tự nhiên và hồ làm thoáng nhân tạo.
+ Hồ làm thoáng tự nhiên: Oxy cung cấp cho quá trình oxy hóa chủ yếu do sự khuếch tán không khí qua mặt nƣớc và quá trình quang hợp của các thực vật nƣớc (rong, tảo,... ). Để đảm bảo cho ánh sáng có thể xuyên qua, chiều sâu của hồ phải bé ≤ 30 – 40 cm. Sức chứa tiêu chuẩn lấy theo BOD khoảng 250 – 300 kg/(ha.ngày). Thời gian lƣu nƣớc trong hồ khoảng 3 – 12 ngày. Do độ sâu bé, thời gian lƣu nƣớc dài nên diện tích hồ lớn. Vì thế nó chỉ hợp lý về kinh tế khi kết hợp việc xử lý nƣớc thải với việc nuôi trồng thủy sản cho mục đích chăn nuôi và công nghiệp.
bằng các thiết bị nhƣ bơm khí nén hoặc máy khuấy cơ học. Vì đƣợc tiếp khí nhân tạo nên chiều sâu của hồ có thể từ 2 – 4,5 m. Sức chứa tiêu chuẩn khoảng 400 kg/(ha.ngày). Thời gian lƣu nƣớc trong hồ khoảng 1 – 3 ngày. Hồ hiếu khí làm