Dựa trờn cơ sở khả năng tự làm sạch của nước và đất, người ta cú thể sử dụng cỏc hệ thống tự nhiờn như cỏnh đồng, hồ sinh vật, ao nuụi cỏ… để kết hợp việc xử lý nước thải chăn nuụi cựng với cỏc mục đớch kinh tế khỏc như trồng trọt hay nuụi cỏ…. Tuy nhiờn phương phỏp này chỉ hạn chế cho những cơ sở chăn nuụi gần cỏc cỏnh đồng, ao hồ hay cơ sở cú diện tớch đủ để xõy cỏc hồ sinh học. Hồ sinh học cũn cú thểđúng vai trũ như một cụng đọan bổ sung cuối cựng của quỏ trỡnh xử lý, cũn gọi là hồ hoàn thiện hay như một nguồn tiếp nhận nước thải chăn nuụi sau xử lý.
Cỏnh đồng lọc và cỏnh đồng tưới
Cỏnh đồng lọc hay tưới cú tỏc dụng vửa là phương thức kết hợp vừa tưới nước, cung cấp dinh dưỡng cho đất và kết hợp xử lý nước thải.Thực chất của quỏ trỡnh xử lý nước thải trờn cỏnh đồng tưới hay cỏnh đồng lọc là dựng hệ thống lọc ự nhiờn là đất, thường được thiết kế thành cỏc cỏnh đồng lọc. Khi nước thải được tưới hay lọc qua đất, cỏc chất rắn lơ lửng trong nước thải bị giữ lại tạo thành cỏc màng vi sinh vật bao bọc xung quanh cỏc hạt đất. Chỳng hỡnh thành nờn khối vi sinh vật hiếu khớ kết dớnh với hạt đất. Nhờđú mà chỳng cú thể hấp phụ và chuyển húa cỏc chất hữu cơ từ dũng nước thải. Nguồn cung cấp oxy là của khụng khớ phõn bố trong đất và khụng khớ được nạp từ bề mặt đất uốn theo dũng nước
Hỡnh 2.8. Đĩa quay sinh học hiếu khớ
(a. Nhỡn từ mặt bờn, b. Nhỡn từ phớa trước)
Ống cấp khớ bổ sung
(b) (a)
tưới. Hệ vi sinh vật hiếu khớ trong dất cú khả năng khúang húa vi sinh vật hay phõn giải cỏc chất hữu cơ trong nước thải thành cỏc chất hữu cơđơn giản dễ hấp thụ cho sinh vật đất hay cõy trồng, đồng thời cú thể lọai bỏ cỏc chất chứa nito dưới dạng nitrat húa. Thực tế, quỏ trỡnh xử lý nước thải qua lớp đất bề mặt chỉ diễn ra ởđộ sõu thấp 0,5 -1,5m. Vỡ vậy cỏnh đồng tưới và cỏnh đồng lọc thường được thiết kế xõy dựng chỉđến độ sõu 0,5-1,5 m tớnh từ mặt đất.
Biện phỏp xử lý nước thải bằng cỏnh đồng lọc đồng thời cú thểđạt được bốn mục tiờu: xử lý nước thải, tưới nước cho cõy, sử dụng cỏc chất dinh dưỡng cú trong nước thải và nạp lại nước cho cỏc tỳi nước ngầm.
So với cỏc hệ thống nhõn tạo thỡ việc xử lý nước thải bằng cỏnh đồng lọc hay tưới rẻ tiền hơn, ớt tiờu tốn năng lượng do ớt sử dụng cỏc thiết bị cơ khớ. Việc vận hành và bảo quản hệ thống xử lý nước thải bằng cỏnh đồng lọc dễ dàng và ớt tốn kộm. Xử lý nước thải bằng cỏnh đồng lọc chỉ cần năng lượng để vận chuyển và tưới nước thải lờn đất, trong khi xử lý nước thải bằng biện phỏp nhõn tạo cần năng lượng để vận hành tũan bộ hệ thống như, khuấy trộn, sục khớ, bơm hoàn lưu nước thải và bựn… Tuy nhiờn, việc xử lý nước thải bằng cỏnh đồng lọc cũng cú những hạn chế như cần một diện tớch đất lớn, phụ thuộc vào cấu trỳc đất và cú thể làm khuyếch tỏn cỏc chất ụ nhiễm vào nguồn nước dưới đất nếu như tải lượng hữu cơ trong nước thải quỏ cao hay cú thể sinh cỏc khớ gõy mựi phỏt tỏn vào khụng khớ…
Hồ sinh vật
Trong thực tế, người ta cú thể sử dụng cỏc hồ tự nhiờn nhờ hệ thống tỏc nhõn sinh vật nước để xử lý nước thải. Cỏc hồ tự nhiờn là những hố thúang khớ bề mặt ởđú cỏc cộng đồng sinh vật nước như tảo, nấm, vi khuẩn, nguyờn sinh động vật… hay cỏc lũai thực vật bậc cao phỏt triển. Nước thải cú thể là một nguồn cung cấp dinh dưỡng cho quỏ trỡnh phỏt triển của cỏc sinh vật nước này. Theo chiều sõu của hồ từ trờn xuống cú thể chia ra thành 3 vựng. Trờn cựng, giỏp với bề mặt thoỏng khớ là vựng hiếu khớ. Đõy là khu vực cư trỳ chủ yếu của cỏc sinh vật hiếu khớ. Tiếp xuống, ở vựng giữa là vựng kỵ khớ tựy nghi, là khu vực của cỏc vi sinh vật kỵ khớ linh họat cú thể phõn giải cơ chất theo kiểu kỵ khớ hoặc hiếu khớ. Dưới cựng, đỏy hồ là vựng kỵ khớ, nơi mà chỉ cú cỏc sinh vật kỵ khớ phỏt triển. ở vựng trờn, cỏc sinh vật hiếu khớ trờn bề mặt hồ oxy húa cỏc chất hữu cơ thành cỏc sản phẩm cuối cựng như CO2, H2O, NH3 nhờ nguồn oxy khụng khớ tiếp nhận từ khụng khớ thụng qua bề mặt thúang… Oxy khụng khớ bổ sung trong hồ sinh vật tự nhiờn là do khuếch tỏn qua mặt thoỏng của hồ và do cỏc loại thực vật quang hợp, chủ yếu là tảo tạo nờn. Ngoài ra, trong hồ sinh vật cú thể sử dụng kết hợp với một số mục đớch khỏc như nuụi cỏ, tảo hay lưu trữ nước để tưới cho cõy trồng, chớnh vỡ vậy hồ sinh vật thường được sử dụng rộng rói nhất là trong hệ thống kinh tế trang trại VAC. Sử dụng hồ sinh vật, khụng cần đầu tư vốn cao, quỏ trỡnh vận hành đơn giản do tận dụng ao hồ tự nhiờn và khụng cần người vận hành thường xuyờn. Hồ sinh học cú thể phõn thành 1 số loại khỏc nhau như hồ oxy húa cấp 3 (hồ làm sạch lần cuối- Polishing pond), hồ sục khớ nhõn tạo (Airation pond) hay hồ oxy hoỏ tựy nghi (facultative pond).
Hỡnh 2.10. Quỏ trỡnh phõn giải sinh học trong hệ thống hồ sinh vật Hỡnh 2.9. Hồ sinh vật tự nhiờn
Xử lý sinh học kỵ khớ nước thải chăn nuụi
Phương phỏp sinh học kỵ khớ là phương phỏp xử lý chất ụ nhiễm trong nước thải nhờ cỏc vi sinh vật kị khớ, khụng cú sự tham gia của oxy như một tỏc nhõn oxy húa cỏc chất hữu cơ. Ởđiều kiện kỵ khớ hoàn toàn, cỏc chất thải sinh học hữu cơ (biowastes) trong phõn rắn hay nước thải chăn nuụi bị phõn hủy từng bước và cuối cựng hỡnh thành cỏc sản phẩm như CH4, CO2, NH3, và H2S. Sự phõn hủy hoàn toàn cỏc hợp chõt hữu cơ cao phõn tử (polymer) hay cỏc đơn vị cấu tạo của chỳng bằng cỏc con đường thủy phõn, thủy phõn/lờn men, sinh acetate và sinh metan nhờ tỏc động của hệ thống vi sinh vật kỵ khớ bao gồm vi khuẩn lờn men, vi khuẩn sinh acetate và vi sinh vật sinh metan hay khử sulfate. Quỏ trỡnh cú thể chỉ xảy ra khi sự trao đổi giữa cỏc vi khuẩn sinh acetate, sinh metan tập trung gần nhau trong lớp màng vi sinh vật với khỏang khuếch tỏn ngắn. Sản phẩm chớnh của quỏ trỡnh chuyển húa kỵ khớ là CH4 và CO2 nếu như trong hệ thống thiếu sulfate, cũn khi cú sulfate thỡ sản phẩm chớnh cũn cú cả sulfite.
Quỏ trỡnh xử lý sinh học ky khớ cú thể diễn ra trong điều kiện nhõn tạo hoặc tự nhiờn. Ởđú, cỏc vi sinh vật phõn giải cỏc chất ụ nhiễm bằng phương thức lờn men để khai thỏc năng lượng trong điều kiện khụng cú oxy. Sản phẩm của quỏ trỡnh oxy hoỏ kỵ khớ thường là alcohol, axit bộo mạch ngắn, CH4, CO2,... Người ta thường kết hợp xử lý kỵ khớ với sản xuất khớ sinh học (metan) cho mục đớch năng lượng. Do lợi thế này mà hầu hết cỏc cơ sở chăn nuụi thường sử dụng bể kỵ khớ để sản xuất khớ đốt. Cú thể phõn chia quỏ trỡnh chuyển húa cỏc chất hữu cơ bằng cỏc vi sinh vật trong bể kỵ khớ diễn ra theo 2 pha chớnh như sau:
- Pha axit: bao gồm cỏc giai đọan thủy phõn (hydrolysis) cỏc hợp chất hữu cơ do cỏc enzyme ngọai bào của vi sinh vật và lờn men (fermentation) (Hỡnh…). Cỏc vi sinh vật sinh axit bao gồm cả nhúm vi sinh vật kỵ khớ và vi sinh vật kỵ khớ tựy nghi (facultative
anaerobic). Chỳng chuyển húa cỏc sản phẩm phõn hủy trung gian từ cỏc polymer hữu cơ
thành cỏc axit hữu cơ bậc thấp. Đầu tiờn cỏc vi sinh vật phõn hủy cỏc polimer sinh học như protein, polysacchride và lipid thành cỏc đơn vị cấu tạo như axit amin, cỏc monosaccharide và axớt bộo. Sau đú, cỏc chất này được chuyển húa tiếp thành cỏc chất đơn giản hơn, chủ yếu là axớt hữu cơ (chiếm 99%), gồm axớt butyric, acetic, cỏc aldehyde, alcohol và một số chất vụ cơ đơn giản như NH4OH, H2S, CO2,… Do cỏc sản phẩm axit làm cho pH mụi trường trở nờn axit nờn gọi là giai đoạn lờn men axớt.
- Pha sinh metan: đõy là pha bao gồm cỏc giai đọan acetate húa (acetogenesis) và sinh metan (methanogenis). Ở pha này hoạt động của nhúm vi sinh vật sinh metan tăng lờn mạnh mẽ. Đõy là quỏ trỡnh kị khớ, chuyển húa cỏc axit, sản phẩm của pha 1 thành khớ CH4 là chủ yếu. Cỏc phản ứng ở pha này chuyển pH của mụi trường sang kiềm nờn pha sinh metan cũn gọi là pha kiềm.
Để bể lờn men đạt hiệu quả cao, một số cỏc thụng số mụi trường cần phải được đảm bảo như nhiệt độ tối ưu vào khoảng từ 30 – 50 0C, lượng chất hữu cơ hay tỷ lệ C/N thớch hợp (25/1), tăng cường khả năng tiếp xỳc giữa cơ chất và vi sinh vật bằng cỏch khuấy và xỏo trộn đều. Hiệu quả xử lý của quỏ trỡnh kỵ khớ được đỏnh giỏ dựa trờn 2 thụng số cơ bản là chất lượng nước sau xử lý và lượng khớ đốt sinh ra trờn một đơn vị chất hữu cơđược xử lý. Tuỳ theo lọai hỡnh kỵ khớ trong cụng trỡnh xử lý, cú thể chia thành cỏc kiểu sau:
- Bể tự hoại (bể phõn hủy kỵ khớ đơn giản)
Điển hỡnh của lọai hỡnh này là dạng hầm cầu (septic tank), là loại bể xử lý kỵ khớ nước thải đơn giản nhất. Ở đú, cỏc vi sinh vật kỵ khớ sinh trưởng và phõn giải cơ chất cơ trong nước thải cho mục đớch năng lượng và tăng sinh tế bào mới. Tuy nhiờn ở bể tự hoại, quỏ trỡnh diễn ra tự nhiờn, khụng cú khuấy trộn nờn khả năng tiếp xỳc giữa cơ chất và vi sinh vật kộm, dũng nước thải chỉ vào bể một lần, khụng cú cụng đọan tuần hũan để tỏi sử dụng sinh khối vi sinh vật trong dũng ra, do đú quỏ trỡnh diễn ra chậm, hiệu quả xử lý thấp cho nờn phương phỏp này chỉ ỏp dụng cho cỏc hộ chăn nuụi quy mụ rất nhỏ. Bể tự họai cú thể ỏp dụng xử lý nước thải chăn nuụi cho những hụ chăn nuụi nhỏ lẻ cú khụng quỏ 5 đầu
Hỡnh 2.11. Phõn giải kỵ khớ cỏc chất thải sinh học (biowastes) Biowastes (Chất thải sinh học) Thủy phõn (Hydrolysis) Lờn men (Fermentation) Sinh metan (Methanogenis) Sinh acetate (Acetogenesis) Biogas CH4 + CO2 H2, CO2, Acetate
Carbohydrate Protein Lipid
Đường Axit amin Glycerol
heo trưởng thành hay số lượng cỏc gia sỳc, gia cầm tương đương khỏc và khụng cú điều kiện xõy hầm khớ sinh vật.
- Bể phõn huỷ kỵ khớ tiếp xỳc
Đõy là lọai bể ký khớ tăng cường. Lọai bể này cú thể khắc phục nhược điểm của bể phõn hủy kỵ khớ đơn giản nhờ thờm quỏ trỡnh khuấy trộn và sử dụng thờm một bể lắng tỏch bựn và cú cụng đọan tuần hũan sinh khối vi sinh vật. Sự hồi lưu này vừa tận dụng triệt để sinh khối vi sinh vật, vừa nõng cao chất lượng dũng ra.
- Kiểu hỗn hợp
Để tăng cường hiệu quả xử lý, cú nhiều dạng cải tiến khỏc sử dụng cụng nghệ kỵ khớ trong xử lý nước thải chăn nuụi (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Bể sinh học kỵ khớ dũng bựn ngược (UASB - Upflow Anaerobic Sludge Blanket):ở phương thức này, hiệu quả xử lý chất ụ nhiễm được tăng cường nhờ tạo nờn hai dũng ngước chiều nhau. Dũng nước thải đi từ dưới lờn và dũng bựn sinh học đi từ trờn xuống làm tăng khả năng tiếp xỳc giữa cơ chất và vi sinh vật. Dũng nước thải chảy ngược dũng lờn nền bựn, tạo sự khuấy trộn trong bể xử lý, tăng khả năng tiếp xỳc giữa vi sinh vật và lọc chất bẩn trong nước, nhằm tăng hiệu quả xử lý. Nước thải đó xử lý thoỏt ra mỏng tràn dọc theo thành bể và theo ống dẫn ra ngoài (Hỡnh 3.11).
- Bể lọc sinh học kỵ khớ: cú cấu tạo tương tự bể lọc sinh học hiếu khớ. Tuy nhiờn, trong bể lọc sinh học kỵ khớ, nươc thải cú thểđược cho chảy ngược dũng hoặc xuụi dũng, đồng thời thiết bịđược làm kớn và khụng cú bổ sung oxy nhằm tạo điều kiện kỵ khớ cho vi sinh vật kỵ khớ hoạt động và phỏt triển.
1. Nước thải đầu vào 2. Nước đó xử lý 3. Thu khớ sinh học
4. Thiết bị giữ bựn (vi sinh vật) 5. Khu vực cú ớt bựn hơn
Phương phỏp sinh học thiếu khớ và quỏ trỡnh lọai bỏ nito trong nước thải
Đõy là phương phỏp thường ỏp dụng để lọai bỏ cỏc hợp chất chứa nitơ trong nước thải chăn nuụi. Cỏc hợp chất chứa nitơ cú bản chất là cỏc chất hữu cơ hoặc vụ cơ, chỳng cú tỷ lệ khỏ cao trong thành nước thải chăn nuụi. Cựng với cỏc hợp chất chứa phosphor, chỳng là yếu tố chủ yếu gõy phỳ dưỡng húa nguồn nước mặt. Vỡ vậy loại bỏ nito trong nước thải trước khi thải vào nguồn tiếp nhận là một trong những mục tiờu quan trọng của xử lý nước thải. Khỏc với phosphor cú khả năng hỡnh thành cỏc hợp chất kết tủa với cỏc kim lọai khỏc và dễ tỏch bằng phương phỏp lắng hay tuyển nổi, tất cả cỏc hợp chất chứa nito, (ngoại trừ magnesium ammoniun phosphate) dễ dàng hũa tan trong nước và khụng thể tỏch bằng phương phỏp kết tủa húa học như với phospho. Để tỏch nito amin hay nito trong cỏc hợp chất dị vũng, bước đầu tiờn là phải chuyển húa chỳng thành ammonia (NH3) bằng cỏc quỏ trỡnh hiếu khớ hoặc kỵ khớ. Sau đú là quỏ trỡnh nitrate húa NH3 và cuối cựng là khử nitrate để tạo N2 tự do. Như vậy, tựy thuộc vào loại hợp chất chứa nitơ cú mặt trong nước thải mà quỏ trỡnh khử nitơ phải trải qua 3 pha kế tiếp nhau: ammoni húa, nitrate húa, và khử nitrate.
Trong thành phần nước thải chăn nuụi, nito tồn tại chủ yếu dưới dạng khử như
ammonia, ure, amin, cỏc axit amin hay protein, dạng oxy húa như nitrate và nitrite thường
khụng cú hoặc tỷ lệ rất thấp. Ngược lại, nước thải một số ngành cụng nghiệp như thực phẩm, chứa nito dưới dạng oxy húa chiếm ưu thế.
Sự amoni húa (ammmonification)
Ammonia (NH3) được hỡnh thành từ quỏ trỡnh thủy phõn protein và phõn giải cỏc
axit amin bằng một số phương thức khỏc nhau như thủy phõn, oxy húa, khử, và khử amin oxy húa.
R – NH2 + H2O → R – OH + NH3
R – CHNH2COOH + H2O → R – CO - COOH + 2 (H) + NH3
R – CHNH2 COOH + 2 (H) → R – CH2 - COOH + NH3
R – CH2 – CHNH2 – COOH → R – CH = CH– COOH + NH3
Một lượng đỏng kể ammonia sinh ra từ cỏc quỏ trỡnh trờn được sử dụng vào mục đớch tăng trưởng số lượng vi khuẩn trong bựn.
Quỏ trỡnh nitrate húa ammoniac (nitrification of ammonia)
Nitrate húa là quỏ trỡnh oxy húa vi sinh vật nhằm chuyển húa NH4+-N thành NO3-- N. Do nhu cầu tiờu thụ oxy rất cao, trờn 4,57 gO2/gNH4+-N, cho nờn tỏch nitrate ra khỏi nước thải trước khi chỳng được xả vào nguồn tiếp nhận là một mục tiờu quan trọng của xử lý nước. Cỏc vi sinh vật nitrate húa là những vi sinh vật hiếu khớ cú khả năng oxy húa
ammonia thành nitrite và sau đú là nitrate. Quỏ trỡnh nitrate húa ammonia được thực hiện
bởi cỏc vi sinh vật hiếu khớ tự dưỡng hay dị dưỡng Nhúm vi khuẩn nitrite tự dưỡng bao gồm Nitrosomonas, Nitrosococcus, Nitrosolobus, Nitrosospira, hay Nitrosovibrio. Nhúm vi khuẩn nitrate bao gồm Nitrobacter, Nitrococcus, và Nitrospira.
- Phản ứng nitrite húa ammonia: