Trong các cơ sở chăn nuơi heo phát sinh nhiều loại khí thải như: CH4, CO2, H2S….. Các khí này phát sinh từ quá trình phân hủy phân heo, hoạt động hơ hấp của vật nuơi.
2.1.4. Ảnh hƣởng của chất thải chăn nuơi heo đối với mơi trƣờng:
-Ảnh hƣởng của khí thải phát sinh từ hoạt động chăn nuơi heo:
Các hĩa chất độc hại bị phát tán vào mơi trường khơng khí sẽ tích tụ dần trong cơ thể và gây tác hại từ từ tới sức khỏe của chính người dân đang sinh sống và canh tác trong khu vực.
Ơ nhiễm khơng khí cĩ những ảnh hưởng rất lớn đến sức khoẻ con người, đặc biệt đối với đường hơ hấp. Khi mơi trường khơng khí bị ơ nhiễm, sức khoẻ con người bị suy giảm, quá trình lão hố trong cơ thể bị thúc đẩy, chức năng của phổi bị suy giảm; gây bệnh hen suyễn, viêm phế quản; gây bệnh ung thư, bệnh tim mạch và làm giảm tuổi thọ con người. Các nhĩm cộng đồng nhạy cảm nhất với sự ơ nhiễm khơng khí là những người cao tuổi, phụ nữ mang thai, trẻ em dưới 14 tuổi, người đang mang bệnh, người thường xuyên phải làm việc ngồi trời… Mức độ ảnh hưởng của từng người tùy thuộc vào tình trạng sức khoẻ, nồng độ, loại chất và thời gian tiếp xúc với mơi trường ơ nhiễm.
- Trong những năm gần đây, các bệnh về đường hơ hấp cĩ tỷ lệ mắc cao nhất trên tồn quốc. Thực tế cho thấy nhiều bệnh đường hơ hấp cĩ nguyên nhân trực tiếp bởi mơi trường khơng khí bị ơ nhiễm do bụi, SO2, NOx,.. Các tác nhân này gây ra các bệnh: viêm nhiễm đường hơ hấp, hen, lao, dị ứng, viêm phế quản mãn, ung thư.
-Sự lây nhiễm mầm bệnh từ chất thải chăn nuơi heo:
Nước bề mặt bị nhiễm bẩn phân vật nuơi trực tiếp đã cho thấy nguy cơ nhiễm bẩn này sẽ lan rộng nhiều hơn. Vật nuơi này mang những mầm bệnh của động vật khác cùng với nguồn nước bề mặt bị nhiễm bẩn sẽ đe doạ đến sức khoẻ của chúng và vật nuơi khác. Vật nuơi cũng cĩ thể gây ơ nhiễm bề mặt nước trên diện rộng. Khi thời tiết lạnh, đặc biệt là khi trời mưa thì nguy cơ lây nhiễm của vi sinh vật gây bệnh thương hàn ở dịng nước đứng (nước tan chảy) là rất cao. Điều này cũng được thấy mầm bệnh vi sinh vật cĩ ở cả bệnh nhân và vật nuơi khi nhiễm bẩn trực tiếp nước bề mặt chứa phân.
Hơn nữa, sự nhiễm bẩn thực phẩm cũng được tìm thấy khi quản lý chất thải chăn nuơi khơng tốt. Phân chuồng bĩn cho thực vật cĩ thể bị nhiễm trong đất do vi sinh vật thương hàn). Các bằng chứng nhiễm bẩn đã tìm thấy trong thức ăn sống, từ đĩ làm tăng xu hướng nhiễm bệnh.. Sử dụng phân tươi bĩn cho cây trồng cũng gây ra những chứng bệnh khác thường là cĩ liên quan đến E.coli.
Rau, cỏ cĩ thể bị nhiễm nước tưới lấy từ nước thải của nơng trại chăn nuơi. Trong tương lai nguồn lây nhiễm sẽ rất nghiêm trọng nếu nguồn nước tưới sạch giảm chất lượng và nhu cầu nước tưới gia tăng.
Việc nhiễm phân và bộc phát dịch bệnh trong thức ăn cũng là vấn đề đáng quan tâm. Bộc phát dịch bệnh trong thức ăn nhiễm phân rõ ràng là thường xuyên hơn bộc phát dịch bệnh trong nước nhiễm phân. Nhiều thống kê cho thấy rằng số lượng bộc phát dịch bệnh trong thức ăn cao hơn nhiều.
-Ảnh hƣởng của nƣớc thải phát sinh trong quá trình chăn nuơi heo:
Chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học và các chất tiêu thụ ơxy trong nước thải làm suy kiệt hàm lượng ơxy hịa tan trong nước.(3) Do trong nước thải bị ơ nhiễm hữu cơ, địi hỏi một lượng ơ xy cung cấp cho vi khuẩn để tự làm sạch.Điều này dẫn đến hệ sinh thái dưới nước bị ảnh hưởng, đồng thời sản phẩm của chất hữu cơ bị phân hủy cịn cĩ thể là độc tố đối với sinh vật thủy sinh.
Số lượng vi sinh vật trong nước thải trang trại heo, chủ yếu là vi khuẩn cĩ trong nước thải rất lớn. Ngồi việc chúng đĩng vai trị trong việc phân hủy chất hữu cơ , cùng với các chất khống khác dùng làm chất nuơi tế bào vi khuẩn và đồng thời làm sạch nước thải, chúng cịn cĩ một số vi sinh vật gây bệnh (E.Coli, Coliform,…) Các lồi vi sinh vật hiện hữu trong nước thải đưa ra gĩp phần làm cho các bệnh, đặc biệt là bệnh đường ruột ( thương hàn, tả lị,…) gia tăng do lây lan qua đường ăn uống và sinh hoạt.(4)
Hàm lượng Nitơ, Photpho trong nước thải chăn nuơi là khá cao. Đây là chất dinh dưỡng của các lồi thủy sinh. Khi các chất dinh dưỡng này quá nhiều sẽ thúc đẩy sự phát triển các vi sinh vật như vi khuẩn, nấm nước, tảo thực vật nổi. Hậu quả đầu tiên là sự tăng trưởng phiêu sinh thực vật cấp thấp, tăng trưởng đáng kể sinh khối hệ phiêu sinh. Tăng trưởng đáng kể các loại tảo que, tảo xanh, tảo độc.. Sự thiếu dưỡng khí làm giảm khả năng tự làm sạch nguồn nước cùng với sự phân hủy chất hữu cơ làm nước bị nhiễm bẩn cĩ mùi khĩ chịu, pH nước giảm.(5)
2.2. Tổng quan về các phƣơng pháp xử lý nƣớc thải chăn nuơi heo 2.2.1. Phƣơng pháp xử lý cơ học
Phương pháp xử lý cơ học được ứng dụng để loại ra khỏi nước tất cả các vật cĩ thể gây tắt nghẽn đường ống làm hư hại máy bơm và làm giảm hiệu quả xử lý của các giai đoạn sau. Trong xử lý nước thải chăn nuơi heo, phương pháp cơ học cĩ thể được sử dụng là song chắn rác.
Song chắn rác thường được làm bằng kim loại, đặt ở cửa vào kênh dẫn. Tùy theo kích thước khe hở, song chắn rác được phân thành loại thơ, trung bình và mịn. Song chắn rác thơ cĩ khoảng cách giữa các thanh từ 60 – 100 mm và song chắn rác mịn cĩ khoảng cách giữa các thanh từ 10 – 25 mm. Rác cĩ thể lấy bằng phương pháp thủ cơng hoặc thiết bị cào rác cơ khí.
Hình 2.1. Song chắn rác
Song chắn rác sử dụng trong xử lý nước thải chăn nuơi heo cĩ thể đặt sau bể biogas nhằm tránh gây tắc nghẽn cho thiết bị xử lý phía sau.
2.2.2. Phƣơng pháp hĩa học
Trong nước thải chăn nuơi cĩ các hạt cĩ kích thước nhỏ và chứa nhiều các thành phần hịa tan nên khơng thể tách các chất này bằng phương pháp cơ học được. Vì vậy, cần phải sử dụng phương pháp hĩa học với các tác nhân keo tụ như phừn nhơm, phèn sắt, polymer để tách các chất ơ nhiễm ra khỏi nước thải. (6)
Theo nghiên cứu của Trương Thanh Cảnh (2002) trong một hệ thống cĩ cơng suất 70m3/ ngày. Nước thải chăn nuơi heo được xử lý bằng 02 phương pháp:
- Phương pháp 1: Xử lý bằng phương pháp keo tụ hĩa học, chất keo tụ là Fe.SO4.
- Phương pháp 2: Xử lý bằng phương pháp keo tụ hĩa học kết hợp với điện hĩa. Kết quả cho thấy phương pháp keo tụ hĩa học kết hợp với điện hĩa loại bỏ được 73% chất rắn hịa tan và 95% chất rắn lơ lửng. Đồng thời loại bỏ trên 70%
COD và BOD5. Bên cạnh đĩ, 69% N-NO3 được loại bỏ. Đây là phương pháp hĩa
học cĩ hiệu suất cao trong xử lý nước thải chăn nuơi. Tuy nhiên chi phí đầu tư cịn cao, nên chưa được ứng dụng rộng rãi.
Bảng 2.4 . Hiệu quả xử lý nƣớc thải chăn nuơi heo bằng phƣơng pháp keo tụ hĩa học và phƣơng pháp keo tụ hĩa học kết hợp với điện hĩa
Chỉ tiêu
Hiệu quả xử lý nƣớc thải (%)
Keo tụ hĩa học Keo tụ hĩa học kết hợp điện hĩa
TS 62,4 72,8 SS 73,9 95,1 COD 66,9 70,8 BOD5 61,5 70,0 N-NO3 41,1 69,4 N-NH3 39,9 35,4 H2S 59,4 75,0
2.2.3. Xử lý nƣớc thải bằng phƣơng pháp sinh học
Phương pháp sinh học được ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ hịa tan cĩ trong nước thải cũng như một số chất vơ như: H2S, sulfide, ammonia, … dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật. Vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ và một số khống chất làm thức ăn để sinh trưởng và phát triển. Các phương pháp xử lý sinh học cĩ thể được áp dụng hiệu quả trong xử lý nước thải chăn nuơi heo gồm: phương pháp sinh học kị khí, phương pháp sinh học hiếu khí, phương pháp sinh học thiếu khí, phương pháp sinh học tự nhiên
2.2.3.1. Phương pháp sinh học kị khí
Sử dụng nhĩm vi sinh vật kị khí, hoạt động trong điều kiện khơng cĩ ơxy.
Quá trình phân hủy kị khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hĩa phức tạp tạo ra hàng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian. Tuy nhiên, phương trình phương trình phản ứng sinh hĩa trong điều kiện kị khí cĩ thể biểu diễn đơn giản như sau:
Một cách tổng quát, quá trình phân hủy kị khí xảy ra theo 04 giai đoạn: Giai đoạn 1: Thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử.
Giai đoạn 2: Acid hĩa. Giai đoạn 3: Acetate hĩa. Giai đoạn 4: Methane hĩa.
Các chất thải hữu cơ chứa các nhiều hợp chất cao phân tử như protein, chất béo, carbohydrate, cellulose, lignin … trong giai đoạn thủy phân sẽ cắt mạch tạo thành các phân tử đơn giản hơn, dễ thủy phân hơn. Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hĩa protein thành amino acid, carbohydrate thành đường đơn và chất béo thành các acid béo. Trong giai đoạn acid hĩa, các chất hữu cơ đơn giản lại được tiếp
tục chuyển hĩa thành acetic acid, H2 và CO2. Vi khuẩn methane chỉ cĩ thể phân hủy một số loại cơ chất nhất định như CO2 + H2, formate, acetate, methanol, methylamine và CO. Các phương trình phản ứng xảy ra như sau:
4H2 + CO2 CH4 + 2H2O
4HCOOH CH4 + 3CO2 + 2H2O CH3COOH CH4 + CO2
4 CH3OH 3CH4 + CO2 + H2O
4(CH3)3N + H2O 9CH4 + 3CO2 + 6H2O + 4NH3
Một số cơng trình kị khí cĩ thể được áp dụng để xử lý nước thải chăn nuơi heo
Bể phản ứng yếm khí tiếp xúc:
Quá trình phân hủy xảy ra trong bể kín với bùn tuần hồn. Hỗn hợp bùn và nước thải trong bể được khuấy trộn hồn tồn, sau khi phân hủy hỗn hợp được đưa sang bể lắng hoặc bể tuyển nổi để tách riêng bùn và nước. Bùn tuần hồn trở lại bể kị khí, lượng bùn dư thải bỏ thường rất ít do tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật khá chậm.
Bể xử lý bằng lớp bùn kị khí với dịng nước đi từ dưới lên (UASB – Upflow Anaerobic Sludge Blanket)
Hình 2.2. Cấu tạo của bể UASB
Đây là một trong những quá trình kị khí ứng dụng rộng rãi nhất trên thế do hai đặc điểm chính sau:
Cả ba quá trình phân hủy – lắng bùn – tách khí được lắp đặt trong cùng một cơng trình.
Tạo thành các loại bùn hạt cĩ mật độ vi sinh vật rất cao và tốc độ lắng vượt xa so với bùn hoạt tính hiếu khí dạng lơ lửng.
Bên cạnh đĩ, quá trình xử lý sinh học kị khí UASB cịn cĩ những ưu điểm so với quá trình bùn hoạt tính hiếu khí như:
Ít tiêu tốn năng lượng vận hành. Ít bùn dư nên giảm chi phí xử lý bùn.
HƯ thèng èn g ki Ĩm tra TÊm ch¾n khÝ vµ h-íng dßng TÊm ch¾ n kh Ý HƯ thèng ph©n phèi n-íc th¶i HƯ thèng thu khÝ biogas
Bùn sinh ra dễ tách nước.
Nhu cầu dinh dưỡng thấp nên giảm chi phí bổ sung dinh dưỡng. Cĩ khả năng thu hồi năng lượng từ khí Methane.
Vận tốc nước thải đưa vào bể UASB được duy trì trong khoảng 0,6 – 0,9 m/h, pH thích hợp cho quá trình phân hủy kị khí dao động trong khoảng 6,6 – 7,6. Do đĩ cần cung cấp đủ độ kiềm (1000 – 5000 mg/L) để đảm bảo pH của nước luơn lớn hơn 6,2 vì ở pH < 6,2 vi sinh vật chuyển hĩa Methane khơng hoạt động được. Do đĩ, trong quá trình vận hành ban đầu tải trọng chất hữu cơ khơng được quá cao vì vi sinh vật acid hĩa sẽ tạo ra acid béo dễ bay hơi với tốc độ nhanh hơn rất nhiều lần so với tốc độ chuyển hĩa các acid này thành acetate dưới tác dụng của vi sinh vật acetate hĩa. (7)
Bể Biogas
Đây là phương pháp xử lý kỵ khí khá đơn giản, thấy ở hầu hết các cơ sở chăn nuơi quy mơ trang trại, kể cả quy mơ hộ gia đình. Ưu điểm của bể Biogas là cĩ thể sản xuất được nguồn năng lượng khí sinh học để thay thế được một phần các nguồn năng lượng khác.
Trong bể Biogas các chất hữu cơ được phân hủy một phần, do đĩ sau Biogas nước thải cĩ hàm lượng chất hữu cơ thấp và ít mùi hơn. Bùn cặn trong bể biogas cĩ thể sử dụng để cải tạo đất nơng nghiệp. Cùng với việc cĩ nguồn năng lượng mới sử dụng, cịn gĩp phần giảm thiểu hiện tượng chặt phá rừng và bảo vệ mơi trường. Khí Biogas là một nguồn năng lượng cĩ triển vọng trong tương lai đồng thời gĩp phần bảo vệ mơi trường và bảo tồn tài nguyên thiên nhiên.
Bảng 2.5. Thành phần khí trong hỗn hợp khí Biogas Loại khí Thành phần khí CH4 55-65% CO2 35-45% N2 0-3% H2 0-1% H2S 0-1% Khi đốt cháy 1m3
hỗn hợp khí biogas sinh ra nhiệt lượng khoảng 4.500-6.000 calo/m3 tương đương với 1 lít cồn, 0,8 lít xăng, 0,6 lít dầu thơ, 1,4 kg than hoa hay 2,2 kW điện. (10)
Tùy thuộc vào thành phần và tính chất nước thải chăn nuơi, thời gian lưu nước, tải trọng chất hữu cơ, nhiệt độ… mà lượng khí sinh ra là khác nhau.
Các quá trình sinh hĩa trong bể Biogas:
Cĩ 2 nhĩm vi khuẩn tham gia trong bể biogas như sau: Nhĩm vi khuẩn biến dưỡng cellulose và nhĩm vi khuẩn sinh khí metan.
+ Nhĩm vi khuẩn biến dưỡng cellulose: Những vi khuẩn này đều cĩ enzym cellulosase và nằm rải rác trong các họ khác nhau, hầu hết các trực trùng, cĩ bào tử. Theo A.R.Prevot, chúng cĩ mặt trong các họ: Clostridium, Plectridium, Caduceus, Endosponus, Terminosponus. Trong điều kiện yếm khí chúng phân hủy tạo ra: CO2, H2 và một số chất tan trong nước như formandehit, acetat, ancol methylic.. Các chất này đều được dùng để dinh dưỡng hoặc tác chất cho nhĩm vi khuẩn sinh khí metan.
+ Nhĩm vi khuẩn sinh khí metan: Nhĩm này rất chuyên biệt và đã được nghiên cứu kỹ lưỡng bởi W.E.Balch và cs.., 1997 ở Mỹ, được xếp thành 3 bộ, 4 họ, 17 lồi. Mỗi lồi vi khuẩn metan chỉ cĩ thể sử dụng một số chất nhất định. Do đĩ việc lên men kỵ khí bắt buộc phải sử dụng nhiều lồi vi khuẩn metan, như vậy quá trình lên men mới đảm bảo triệt để. Điều kiện cho các vi khuẩn metan phát triển cần
cĩ lượng CO2 đủ trong mơi trường, nguồn nitơ (khoảng 3,5 mg/g bùn lắng), tỷ lệ C/N = 20:1. Trong quá trình lên men kỵ khí các lồi VSV gây bệnh bị tiêu diệt khơng phải do nhiệt độ mà do tác động tổng hợp của nhiều yếu tố khác nhau, trong đĩ cĩ mức độ kỵ khí, tác động của các sản phẩm trao đổi chất, tác động cạnh tranh dinh dưỡng,… Mức độ tiêu diệt các VSV gây bệnh trong quá trình kỵ khí từ 80 đến 100%.
Các yếu tố ảnh hưởng và duy trì hệ thống Biogas:
- Nguyên liệu đƣa vào: cần phải bổ sung hàng ngày khối lượng phân đầy đủ,
nếu quá nhiều hoặc quá ít phân đều cĩ thể sản sinh ra ít khí hoặc khơng cĩ khí. Do đĩ cần phải duy trì sự cân bằng giữa các nhĩm vi khuẩn trên, nếu dư các chất hữu cơ nhĩm sinh vật thứ nhất sản sinh ra nhiều acid gây ức chế sự phát triển và hoạt động của nhĩm vi khuẩn thứ hai. Cơng thức pha trộn chung là: 1,5kg phân tự nhiên + 30 lít nước = hỗn hợp bùn lỏng cĩ nồng độ căn lơ lửng 5%. Sản phẩm khí tạo ra 0,35-0,40m3 khí/1kg cặn lơ lửng, thời gian lưu nước trong bể Biogas đối với phân
