- Cần thời gian xử lý vật liệu mang trước khi sử dụng (ngâm, sấy, cân). - Cần thời gian để vật liệu mang sau khi sử dụng trong hệ tồn tại ở trạng thái lơ lửng (khoảng 1 tháng).
- Cần tránh hiện tượng vi sinh bám quá dầy trên vật liệu mang làm hạn chế quá trình khuếch tán chất dinh dưỡng.
Với những ưu điểm và nhược điểm trên nhóm nghiên cứu lựa chọn kỹ thuật tầng vi sinh chuyển động để nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi.
1.5 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc về xử lý nƣớc thải chăn nuôi bằng kỹ thuật tầng vi sinh chuyển động kỹ thuật tầng vi sinh chuyển động
Nước ta hiện nay đang trong giai đoạn phát triển Công nghiệp hoá - Hiện đại hoá kéo theo đô thị hoá. Tình hình ô nhiễm môi trường ở Việt Nam hiện gia tăng nhanh chóng. Theo các tính toán nếu tốc độ tăng trưởng GDP ở Việt Nam trong vòng 10 năm tới tăng bình quân khoảng 7%/năm, trong đó GDP công nghiệp khoảng 8-9%/năm, mức đô thị hoá từ 23% năm lên 33% năm 2000, thì đến năm
29
2020 lượng ô nhiễm do công nghiệp có thể tăng lên gấp 2,4 lần so với bây giờ, lượng ô nhiễm do nông nghiệp và sinh hoạt cũng có thể gấp đôi mức hiện nay [19].
Để giảm thải ô nhiễm, các nhà doanh nghiệp sản xuất trong và ngoài nước ta hiện thường bỏ tiền ra để nhập khẩu công nghệ. Các hộ cá thể, làng nghề thường ít quan tâm đến việc xử lý nước thải. Khả năng phát triển và cải tiến cũng như vận hành công nghệ xử lý nước thải của các doanh nghiệp trong nước không nhiều. Nhiều công nghệ nhập phù hợp với điều kiện nước ngoài nhưng không phù hợp với điều kiện trong nước. Về sản xuất vật liệu mang trước đây tại Hà Nội có tới 6 – 8 công ty sản xuất vật liệu mang vi sinh (dạng tổ ong, diện tích bề mặt 180 – 220 m2/m3, dạng quả cầu…) để cung cấp cho thị trường [4]. Tuy nhiên hiện nay số công ty sản xuất sản phẩm trên đang tiếp tục hoạt động chỉ còn lại rất ít. Công ty ECO (Thành phố Hồ Chí Minh) đã nhập khẩu và sử dụng một lượng nhất định chất mang vi sinh tại một số công trình ở cả miền Nam và miền Bắc (nhập từ Hà Lan). Trạm nuôi giống thủy sản Cửa Hội (Nghệ An) mua công nghệ xử lý nước thải của Na Uy, sử dụng vật liệu mang vi sinh tầng tĩnh. Tại một số công ty của nước ngoài đang hoạt động sản xuất tại Việt Nam (Nhật Bản, Hàn Quốc) hay một số trạm xử lý nước thải sử dụng vốn ODA đang sử dụng công nghệ màng vi sinh chuyển động với vật liệu mang dạng xốp [4].
Những nghiên cứu mang tính chất “phát triển công nghệ” ở nước ta thường được thực hiện tại nước ngoài dưới dạng đào tạo học viên cao học, nghiên cứu sinh. Ví dụ trường Đại học Kumamoto (Nhật Bản) cho đến nay đã đào tạo (hoặc phối hợp đào tạo) cho Việt Nam 3 – 4 nghiên cứu sinh về xử lý hợp chất nitơ sử dụng vi sinh thuộc loại mới với tên ANAMOX, sử dụng chất mang do họ tự chế tạo. Nghiên cứu sinh của Viện Hóa học (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) được đào tạo tại Bỉ (Đại học Arlon) về xử lý nitơ trong nước rác với kỹ thuật mẻ kế tiếp giai đoạn (không sử dụng chất mang vi sinh) và kỹ thuật tầng vi sinh chuyển động hướng đến mục tiêu xử lý xử lý và tái sử dụng nước thải trong các trạm nuôi giống thủy sản [4].
30
Nhìn chung, các nghiên cứu thực hiện tại nước ngoài mang tính chiều sâu và chỉ là một phần nhỏ của nội dung phát triển công nghệ tại các cơ sở nghiên cứu trong nước. Nghiên cứu công nghệ phân huỷ photpho bằng phương pháp sinh học ít được nghiên cứu áp dụng và thực hiện. Nhiều công trình nghiên cứu riêng lẻ về việc phân lập các chủng vi sinh nhưng chưa có đề cập đến khả năng tạo biofilm và việc phối hợp chúng với chất mang nhằm xử lý nước thải ô nhiễm N, P.
Các nghiên cứu thực hiện ở trong nước được thực hiện dưới dạng các đề tài khoa học cấp Nhà nước và cấp Bộ khá phong phú: xử lý nước thải của bãi rác, xử lý nước ngầm để cấp cho sinh hoạt, xử lý nước thải trong công nghệ chế biến thực phẩm. Màng vi sinh ít được sử dụng vì khó kiếm được nguồn vật liệu thích hợp nên thường sử dụng loại thấp cấp: sơ dừa, đá bazan, tre nứa, san hô... Sau các công trình nghiên cứu, việc tiêu chuẩn hóa vật liệu và công nghệ sử dụng chúng thường bị bỏ ngỏ.
Vật liệu mang vi sinh cao cấp thường có giá thành cao, theo thông báo của các nhà khoa học Đức tại hội thảo 28/3/2011 tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc Gia Hà Nội thì giá thành tính theo m2
vào khoảng 1 USD, chưa kể đến tính chất tương hợp của công nghệ xử lý đối với từng vật liệu cụ thể (phải mua cả công nghệ). Đó là một trong những nguyên nhân hạn chế việc phát triển công nghệ tầng vi sinh.
Viện Công nghệ sinh học (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã tiến hành nghiên cứu và chế tạo thiết bị nitrat hóa (oxy hóa amoni thành nitrat) trong nguồn nước ngầm, phục vụ cấp nước cho sinh hoạt theo kỹ thuật màng vi sinh. Vật liệu sử dụng là đất sét nung (keramsit), dạng tầng tĩnh. Viện Công nghệ sinh học cũng đang tiến hành xây dựng hệ thống xử lý nước nuôi giống thủy sản (Quý Kim, Hải Phòng) tuy nhiên trạm xử lý đã không được đưa vào hoạt động [4].
Trung tâm Công nghệ môi trường và Phát triển bền vững (CETASD, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên), phối hợp với sở giao thông công chính Hà Nội và thực hiện đề tài của Sở Khoa học và Công nghệ Hà Nội đã nghiên cứu quá trình nitrat
31
hóa và khử nitrat hóa trong nước ngầm. Vật liệu sử dụng làm chất mang vi sinh là đá bazan.
Viện Hóa học (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) thực hiện đề tài nghiên cứu cấp nhà nước vễ xử lý nước thải giàu nitơ và photpho (1999 – 2002) tập trung vào nước thải chế biến thủy sản; phối hợp với Viện Vật liệu (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) thực hiện đề tài cấp nhà nước (2003 – 2005) về xử lý nước rác (thực chất là xử lý hợp chất giàu nitơ). Các nghiên cứu trên sử dụng kỹ thuật huyền phù (mẻ kế tiếp giai đoạn) [4].
Nhìn chung, các nghiên cứu xử lý nước thải giàu nitơ và photpho sử dụng tầng vi sinh đã thực hiện tại Việt Nam nhằm phát triển công nghệ là không nhiều. Một số nghiên cứu theo xu hướng trên xuất phát từ nhu cầu thực tế (không thuộc phạm vi của các đề tài) cũng lẻ tẻ được thực hiện. Ví dụ, tại Viện Hóa học (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) từ ba năm trở lại đây đang nghiên cứu phát triển công nghệ màng vi sinh chuyển động (sử dụng vật liệu mang xốp) nhằm xử lý và tái sử dụng nước nuôi giống thủy sản và xử lý nước thải sinh hoạt dạng phân tán [3]. Ngoài ra có một số nghiên cứu mới chỉ tập trung vào nghiên cứu vật liệu mang
(nhóm nghiên cứu GS.TS Lê Văn Cát-Viện Khoa học Việt Nam: Nghiên cứu vật liệu mang xử lý nước thải). Chưa có nhiều những chương trình, đề tài nghiên cứu lớn phát triển theo hướng nghiên cứu áp dụng công nghệ tầng vi sinh chuyển động trong lĩnh vực xử lý nước thải đặc biệt là các loại nước thải xử lý ô nhiễm giàu chất hữu cơ (COD), nitơ và photpho.
32
Chƣơng 2 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là chất lượng nước thải chăn nuôi trong và sau khi qua xử lý bằng kỹ thuật bùn hoạt tính sử dụng hệ thống SBR và kỹ thuật tầng vi sinh chuyển động sử dụng vật liệu mang Polyuretan. 02 hệ được thiết kế, lắp đặt tại phòng công nghệ, trung tâm nghiên cứu công nghệ môi trường và phát triển bền vững (CETASD). Diễn biến của các quá trình trong hệ được đánh giá qua các thông số DO, pH, độ kiềm, COD, N-NO3-, N-NO2-, N-NH4+, SS, tổng N, tổng P, PO4- …của nước thải. Từ đó đưa ra kết luận khả năng xử lý nước thải chăn nuôi bằng kỹ thuật tầng vi sinh chuyển động sử dụng vật liệu mang Polyuretan so với kỹ thuật bùn hoạt tính truyền thống.
Nước thải chăn nuôi phục vụ thí nghiệm là nước thải chăn nuôi lợn sau bể Biogas-Viện nghiên cứu giống lợn, Viện Chăn nuôi, Thụy Phương, huyện Từ Liêm, thành phố Hà Nội.
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
a) Kỹ thuật bùn hoạt tính lơ lửng sử dụng hệ thống SBR
Mô hình đầy đủ của hệ thống SBR quy mô thí nghiệm được trình bày trên hình 2.1.
Theo sơ đồ hình 2.1 nước thải được chứa vào bồn có trang bị máy khấy để đồng nhất hoá. Từ đây nước thải được bơm định lượng tự động hẹn giờ vào bể phản ứng.
33
Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống SBR phòng thí nghiệm
Tuy nhiên, do điều kiện phòng thí nghiệm chưa cho phép nên hệ thống được đơn giản hoá theo nguyên lý “gọn hơn nhưng đủ”. Bể phản ứng là hình hộp chữ nhật không có nắp, được làm bằng plexiglass trong suốt có kích thước 21 x 19 x 40 cm (tương ứng với thể tích phản ứng < 16 Lít). Trong thí nghiệm này, chúng tôi tiến hành với thể tích nước thải + bùn còn là 9,2 lít với thể tích nước thải bổ sung cho mỗi mẻ gần 5,2 lít. Trong bể có lắp sẵn các đầu phân tán khí nối với máy nén khí để cấp khí oxi cho quá trình hiếu khí. Bể được lắp máy khuấy cơ khí để khuấy đều hỗn hợp phản ứng trong giai đoạn nạp và phản ứng. Các máy khuấy, máy cấp khí đều được gắn với hệ tự động hoá theo nguyên lý hẹn giờ (tuỳ theo yêu cầu thí nghiệm). Đáy bể được bố trí van xả để xả bùn dư khi cần.
Vận hành hệ thống SBR
Nước thải đầu vào ( nước thải chăn nuôi lợn) được làm đầy vào bể phản ứng. Chu trình hoạt động được chọn cho bể SBR như sau:
Làm đầy: cho mẫu vào trực tiếp Khuấy thêm: 25% thời gian mỗi mẻ Sục khí : 50% thời gian mỗi mẻ
34 Lắng: 25% thời gian mỗi mẻ
Gạn nước ra khỏi hệ bằng tay.
Không kể thời gian chuẩn bị và phân tích mẫu xen kẽ. Thời gian còn lại trong ngày hệ sẽ được vận hành theo chế độ khấy, sau đó ngừng khuấy trong 1,0 giờ để tiến hành mẻ thí nghiệm mới.
- Lấy mẫu phân tích
Hệ thống SBR được chạy hàng ngày. Trong mỗi thời gian lưu tổng, mẫu được lấy ở cuối mỗi giai đoạn. Các mẫu cần lấy mỗi mẻ là: mẫu đầu vào, mẫu bùn lưu trong bể, mẫu sau giai đoạn nạp, sau giai đoạn khuấy, sau giai đoạn sục khí, sau giai đoạn lắng; mẫu được lấy vào cốc thuỷ tinh để lắng, lọc qua giấy lọc bằng máy và phân tích các chỉ tiêu COD, N-NH4
+
, N-NO2-, N-NO3-, tổng N, tổng P. Độ kiềm, pH, nhiệt độ. Chỉ tiêu TSS phân tích bằng cách hút mẫu trực tiếp trong cốc đựng (khuấy đều) sau đó cho qua máy lọc.
- Xử lý kết quả
Các số liệu phân tích được đưa vào bảng Excel và xử lý bằng Excel.
b) Kỹ thuật tầng vi sinh chuyển động sử dụng vật liệu mang Polyuretan
Cấu tạo hệ thống
* Thiết bị phản ứng vật liệu thủy tinh với thông tin như sau: - Thể tích tổng V = 0,432 m3; LxWxH = 1,2x0,3x1,2 m - Thể tích ngăn yếm khí V = 0,108 m3; LxWxH = 0,3x0,3x1,2 m - Thể tích ngăn thiếu khí V = 0,108 m3; LxWxH = 0,3x0,3x1,2 m - Thể tích ngăn hiếu khí V = 0,216 m3; LxWxH = 0,6x0,3x1,2 m * Thiết bị động lực gồm 01 máy bơm chìm (Q = 6 -10m3 /h; H = 6 mH2O; N = 0,25kw) đặt trong ngăn xử lý thiếu khí có chức năng bơm tuần hoàn hỗn hợp bùn nước từ ngăn thiếu khí sang ngăn hiếu khí. Trên đường bơm từ ngăn thiếu khí sang ngăn hiếu khí có đặt thiết bị hút khí dạng Injector và đồng hồ đo áp suất. Trên đường bơm từ ngăn thiếu khí về ngăn yếm khí đặt 01 van nhằm điều chỉnh lưu lượng tuần hoàn hỗn hợp bùn và nước cho cả 02 dòng trên.
35
Mô tả nguyên lý hoạt động của hệ thống
Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo của hệ thống thí nghiệm yếm khí-thiếu khí-hiếu khí theo mẻ.
* Ngăn yếm khí:
- Nhận nước thải thô; nhận bùn và nước tuần hoàn từ ngăn thiếu khí.
- Thực hiện các chức năng: phân hủy hữu cơ (BOD/COD); phân hủy bùn- giải phóng P-PO43- nuôi dưỡng vi khuẩn tạo biofilm có khả năng hấp thu P ở các ngăn sau; khử nitrat-nitrit ở dòng tuần hoàn.
- Lưu giữ/phân hủy/xả bùn dư, cho phép hoạt động tới 6 tháng/1 năm mới phải xả bùn dư; Cho phép giảm ít nhất 50% bùn thải (theo nghiên cứu của TS Lê Văn Chiều-Trung tâm Công nghệ Môi trường và Phát triển bền vững-Đại học Khoa học tự nhiên-Đại học Quốc gia Hà Nội).
* Ngăn thiếu khí:
- Nhận nước lắng từ ngăn kị khí; hỗn hợp phản ứng từ ngăn hiếu khí
- Các chức năng: là nơi vi khuẩn thực hiện các quá trình thiếu khí khử nitrit- nitrat; trung chuyển/ tuần hoàn hỗn hợp phản ứng một phần về ngăn kị khí, tuần hoàn phần lớn về ngăn hiếu khí.
- Là ngăn điều hòa lưu lượng giờ cao điểm . Đây là phần quan tâm của chuyên đề này.
36
* Ngăn hiếu khí:
- Nhận hỗn hợp phản ứng từ ngăn thiếu khí nhờ bơm kết hợp bổ sung cung cấp khí cho quá trình, giảm chi phí thiết bị/bảo trì hệ cấp-phân tán khí; cơ cấu cho phép giảm ~50% chi phí năng lượng.
- Có cơ cấu tuần hoàn hỗn hợp bùn nước, đồng thời chống váng
- Có cơ cấu lắng/xả linh hoạt, cho phép chạy theo bất kì chế độ nào (liên tục hay gián đoạn) tùy đặc trưng nước thải
- Các chức năng xử lí chính: khuấy trộn và thực hiện các quá trình nitrat/nitrit hóa (xử lí nitơ tổng số); nuôi dưỡng phát triển vi khuẩn PAO (xử lí photpho hòa tan); lắng bùn làm trong nước.
Cả ba ngăn trong hệ thống pilot đều có vật liệu mang polyuretan kích thước như nhau; các ngăn trong hệ thống pilot đều có các chủng vi khuẩn ngoài khả năng phân hủy N, P cao còn được tối ưu hóa các điều kiện tạo biofilm để nâng cao hiệu quả xử lý để thực hiện kĩ thuật tầng vi sinh (vật liệu mang chuyển động).
Quá trình khởi động và vận hành hệ thống Quá trình khởi động của hệ thống
Vi sinh được cấp từ nhà máy xử lý nước thải bia Hà Nội từ công đoạn xử lý yếm khí vào đều 03 ngăn pilot nghiên cứu với nồng độ duy trì ban đầu từ 3000 – 3500 mg/l. Nước thải chứa N,C cao là nước thải chăn nuôi lợn. Do nước thải chăn nuôi thực có hàm lượng các chất tương đối cao (COD ≈ 8000 mgO2/L, N-NH4
+
≈ 1200 mg N/L) nên phải tiến hành pha loãng nước thải chăn nuôi nhằm giúp vi sinh vật dễ dàng ổn định và thích nghi với nguồn nước thải mới. Ưu điểm của hệ thống là chuyển hoá N-NH4
+, vì vậy cần khống chế đầu vào dựa vào nồng độ N-NH4 +
. Mỗi chế độ vận hành được thực hiện đến khi hiệu suất chuyển hóa N-NH4+ ổn định và lặp lại 3 lần (thời gian khoảng 1 tuần/1 chế độ). Các số liệu nhận được là số liệu trung bình của các lần thí nghiệm.
37
Nước thải được bơm tuần hoàn theo chế độ chạy của bơm cấp nước thải đầu vào và phụ thuộc vào thời gian đặt lắng vi sinh trong ngăn thiếu khí. Trong quá trình khởi động các thông số nghiên cứu xử lý chính như chất hữu cơ (COD), N, P được lấy tại các điểm đầu vào và đầu ra sau công đoạn lắng trong ngăn hiếu khí với tần suất trung bình 1 lần/ ngày. Hàm lượng vi sinh phân tích trung bình trong 03 ngăn xác định với tần suất 1 lần/ 7 ngày (để kiểm tra mật độ vi sinh). Thời gian chạy khởi động dao động từ 10 – 30 ngày. Trong quá trình khởi động cần kiểm soát các thông số cơ học khác như lưu lượng tuần hoàn bùn – nước từ ngăn khử nitrat về ngăn hiếu khí và ngăn yếm khí. Kiểm soát và ghi chép đầy đủ thông tin giá trị áp