Đề tài Quá trình khảo sát hoạt động của trại chăn nuôi heo Xuân Thọ III

Chương 1 Khảo sát hoạt động của trại chăn nuơi heo Xuân Thọ III 3 1.1 Giới thiệu về trại chăn nuơi heo Xuân Thọ III 1.1.1 Vị trí Ấp Thọ Hồ, xã Xuân Thọ, huyện Xuân Lộc, tỉnh Đồng Nai. ¾ Phía Bắc giáp khu đất trồng mía. ¾ Phía Nam giáp khu đất trồng điều. ¾ Phía Đơng giáp ruộng lúa và mía. ¾ Phía Tây giáp khu đất trồng điều. 1.1.2 Diện tích Tổng diện tích đất sử dụng: 40000 m2. Trong đĩ diện tích đất xây dựng chiếm 14700 m2. 1.1.3 Qui mơ và hình thức kinh doanh Tồn trại cĩ tổng cộng 12 trại nhỏ, mỗi trại được phân làm 2 dãy. Số lượng heo trong mỗi dãy khoảng 800-850 con. Hiện tại, tổng đàn heo của tồn trại khoảng 20 000 con bao gồm cả heo con (nuơi trong lồng ấm) và heo trưởng thành (nuơi trong chuồng trại) Hình thức kinh doanh là nuơi gia cơng ( liên kết với cơng ty CP - Việt Nam) ¾ Hợp tác xã cĩ trách nhiệm: 1. Đầu tư xây dựng cơ sở hạ tầng, chuồng trại đạt tiêu chuẩn mà đối tác yêu cầu. 2. Cung cấp nhân cơng phục vụ chăn nuơi. 3. Trực tiếp quản lý trang trại. 4. Bảo quản và sử dụng đúng tài sản mà cơng ty CP cung cấp. 5. Quản lý, chăm sĩc heo theo đúng những hướng dẫn của cơng ty CP. ¾ Cơng ty CP Việt Nam chịu trách nhiệm: Chương 1 Khảo sát hoạt động của trại chăn nuơi heo Xuân Thọ III 4 1. Cung cấp con giống, thức ăn gia súc, thuốc thú y (sát trùng, kháng sinh, vaccin…),các phương tiện kỹ thuật phục vụ chăn nuơi cho Hợp tác xã. 2. Cử cán bộ kỹ thuật đến hướng dẫn kỹ thuật chăn nuơi, cách quản lý, sắp xếp, phương pháp phịng bệnh. 3. Bao tiêu sản phẩm với giá ổn định. 1.1.4 Qui trình chăn nuơi heo của trại Hình 1.1: Sơ đồ qui trình chăn nuơi heo của trại Trại áp dụng qui trình chăn nuơi heo tiên tiến của Thái Lan. Con giống 2-3 tuần tuổi cĩ trọng lượng khơng dưới 4,5 kg (do cơng ty cổ phần Việt Nam cung cấp) được nuơi trong lồng ấm đến khi đạt trọng lượng khoảng 25 kg thì được chuyển sang nuơi chuồng trại. Sau khi nuơi trong chuồng trại khoảng 4 tháng, các chuyên gia kỹ thuật của cơng ty CP sẽ chọn lọc những con đạt yêu cầu để nuơi tiếp làm heo giống, cịn những con khơng đạt yêu cầu được đem bán đi để nuơi heo thịt. Số lượng con giống từ 10 000-20 000 con, cung cấp theo từng đợt tuỳ thuộc vào điều kiện chăn nuơi, địa điểm và thời gian do hợp tác xã qui định. Trong suốt thời gian nuơi, Hợp tác xã phải chịu trách nhiệm quản lý, chăm sĩc heo thật nghiêm ngặt theo đúng hướng dẫn của cơng ty CP. Mật độ heo trong lồng ấm gấp đơi đơi so với trong chuồng trại. Đây là trại nuơi heo giống hậu bị, mỗi trại nhỏ lại được ngăn ra nhiều chuồng nhỏ, cĩ máng ăn tự động, cĩ hồ tắm mát cho heo, vịi nước uống tự động. Trại được làm mát bằng hệ thống dẫn khơng khí thơng qua tấm giấy chứa nước, nhiệt độ trong chuồng luơn thấp hơn 5-80C so với nhiệt độ bên ngồi. CON GIỐNG 2-3 tuần tuổi NUƠI LỒNG ẤM CHUỒNG TRẠI CHỌN LỌC BÁN NUƠI HEO GIỐNG đạt yêu cầu khơng đạt Chương 1 Khảo sát hoạt động của trại chăn nuơi heo Xuân Thọ III 5 1.1.5 Nguyên liệu, sản phẩm và cơng suất Cơng ty CP-Việt Nam cung cấp con giống 2-3 tuần tuổi, trọng lượng khơng thấp hơn 4.5 kg, số lượng từ 10-20 ngàn con. Thức ăn cho heo do Cơng ty CP-Việt Nam cung cấp khoảng 10 tấn/ngày. Sản phẩm của trại chăn nuơi heo là heo giống hậu bị. Cơng suất: 10.000 con / 6tháng. Chất lượng đáp ứng yêu cầu heo giống cho cơng ty CP-Việt Nam. Cơng ty CP bao tiêu tồn bộ sản phẩm. 1.1.6 Nhu cầu sử dụng nước Tắm rửa heo và vệ sinh chuồng trại: 294 m3/ngày. Nước sinh hoạt cho cơng nhân: 19 người x 50 l/người.ngày = 1 m3/ngày Nước tưới cây xanh trong khuơn viên: 5 m3/ngày. Như vậy, tổng lượng nước sử dụng cho tồn trại là 300 m3/ngày. 1.1.7. Lượng nước thải phát sinh Hiện nay, với tổng lượng heo là 20 000 con, lưu lượng nước thải khoảng 300 m3/ngày. Nước thải chủ yếu từ khâu tắm heo và dọn dẹp vệ sinh chuồng trại bao gồm: phân, nước tiểu, nước vệ sinh chuồng trại. 1.2 Ơ nhiễm mơi trường phát sinh từ trại chăn nuơi heo 1.2.1 Ơ nhiễm do nước thải Việc dọn dẹp chuồng bằng nước sử dụng khá rộng rãi đã tạo ra 1 lượng nước thải khá lớn. Hiện nay với tổng đàn heo là 20 000 con, lượng nước thải ra hàng ngày của trại khoảng 300 m3. Nước thải chủ yếu phát sinh từ khâu dọn dẹp, vệ sinh chuồng trại bao gồm: phân, nước tiểu, nước vệ sinh chuồng trại. Đặc trưng ơ nhiễm của nước thải chăn nuơi heo là: ơ nhiễm hữu cơ; ơ nhiễm N, P và chứa nhiều loại vi trùng , vi khuẩn gây bệnh. 9 Các chất hữu cơ và vơ cơ: Những chất hữu cơ chưa được gia súc đồng hố, hấp thụ sẽ bài tiết ra ngồi theo phân, nước tiểu cùng các sản phẩm trao đổi chất khác.Thức ăn dư thừa cũng là 1 nguồn gây ơ nhiễm hữu cơ. Chương 1 Khảo sát hoạt động của trại chăn nuơi heo Xuân Thọ III 6 Trong nước thải chăn nuơi, hợp chất hữu cơ chiếm 70-80 % gồm protit, acid amin, chất béo, hydratcarbon và các dẫn xuất của chúng. Hầu hết là các chất hữu cơ dễ phân huỷ, giàu Nitơ, Photpho. Các chất vơ cơ chiếm 20-30% gồm cát, đất, muối, ure, amonium, muối chlorua, sulfate… Các hợp chất hố học trong phân và nước thải dễ dàng bị phân huỷ. Tùy điều kiện hiếmhí hay kị khí mà quá trình phân huỷ tạo thành các sản phẩm khác nhau như acid amin, acid béo, aldehide, CO2, H2O, NH3, H2S. Nếu quá trình phân huỷ cĩ mặt O2 sản phẩm tạo thành sẽ là CO2, H2O, NO2, NO3. Cịn nếu quá trình phân hủy diễn ra trong điều kiện thiếu khí thì tạo thành các sản phẩm CH4, N2, NH3, H2S, Indol, Scatol…Các chất khí sinh ra do quá trình phân huỷ kị khí và thiếu khí như NH3, H2S…gây ra mùi hơi thối trong khu vực nuơi ảnh hưởng xấu tới mơi trường khơng khí 9 Nitơ và Photpho: Khả năng hấp thụ Nitơ và photpho của gia súc, gia cầm rất kém, nên khi ăn thức ăn cĩ chứa Nitơ, Photpho vào thì chúng sẽ bị bài thiết theo phân và nước tiểu. Trong nước thải chăn nuơi thường chứa hàm lượng Nitơ và photpho rất cao. Hàm lượng Nitơ tổng trong nước thải của trại chăn nuơi đo được sau khi ra biogas từ 571 – 594 mg/l, Photpho từ 13.8-62 mg/l. Theo Jongbloed và Lenis (1992), đối với heo trưởng thành khi ăn vào 100 g Nitơ thì: 30 g được giữ lại cơ thể, 50 g bài tiết ra ngồi theo nước tiểu dưới dạng ure, cịn 20 g ở dạng phân Nitơ vi sinh khĩ phân huỷ và an tồn cho mơi trường. Nitơ bài tiết ra ngồi theo nước tiểu và phân dưới dạng ure, sau đĩ ure nhanh chĩng chuyển hố thành NH3 theo phương trình sau: (NH2)2CO + H2O ⎯→⎯ NH4 + OH- + CO2 ⎯→← NH3↑ + CO2 + H2O Khi nước tiểu và phân bài tiết ra ngồi, vi sinh vật sẽ tiết ra enzime ureaza chuyển hố ure thành NH3, NH3 phát tán vào khơng khí gây mùi hơi hoặc khuyếch tán vào nước làm ơ nhiễm nguồn nước. Nồng độ NH3 trong nước thải phụ thuộc vào: ¾ Lượng ure trong nước tiểu. ¾ pH của nước thải: khi pH tăng, NH4+ sẽ chuyển thành NH3. Ngược lại khi pH giảm, NH3 chuyển thành NH4+ enzime ureaza Chương 1 Khảo sát hoạt động của trại chăn nuơi heo Xuân Thọ III 7 NH3 + H2O ⎯→← NH4+ + OH- ¾ Điều kiện lưu trữ chất thải. Hàm lượng N-NH3 trong nước thải của trại sau khi ra biogas khá lớn, khoảng 304-471 mg/l, chiếm 75-85% hàm lượng N tổng. Nước thải chăn nuơi chứa hàm lượng lớn N, P. Đây là nguyên nhân cĩ thể gây hiện tượng phú dưỡng hố cho các nguồn nước tiếp nhận, ảnh hưởng xấu đến chất lượng nguồn nước và các sinh vật sống trong nước. 9 Vi sinh vật gây bệnh: Nước thải chăn nuơi chứa nhiều loại vi trùng, vius và trứng ấu trùng giun sán gây bệnh. Do đĩ, loại nước thải này cĩ nguy cơ trở thành nguyên nhân trực tiếp phát sinh dịch bệnh cho đàn gia súc, gia cầm đồng thời lây lan 1 số bệnh cho người nếu khơng được xử lý. Theo nghiên cứu của Nanxera đối với nước thải chăn nuơi: vi trùng gây bệnh đĩng dấu (Erisipelothris insidiosa) cĩ thể tồn tại 92 ngày, Brucella từ 74-108 ngày, Samolnella từ 6-7 tháng, Leptospira 5-6 tháng, Microbacteria tuberculosis 75-150 ngày, vius lở mồm long mĩng (FMD) sống trong nước thải 100-120 ngày…, các loại vi trùng cĩ nha bào như: Bacillus tetani 3-4 năm. Trứng giun sán nhiều trong nước thải chăn nuơi với nhiều loại điển hình như: Fasciolahepatica, Fasciola gigantica, Fasciolosis buski, Ascaris suum, Oesophagostomum sp, Trichocephalus dentatus… cĩ thể phát triển đến giai đoạn gây nhiễm sau 6-28 ngày và tồn tại 5-6 tháng. Theo A.Kigirop (1982), các loại vi trùng gây bệnh như; Samonella, E.coli và nha bào Bacilus anthrasis cĩ thể xâm nhập theo mạch nước ngầm. Samonella cĩ thể thấm sâu xuống lớp đất bề mặt 30-40 cm, ở những nơi thường xuyên tiếp nhận nước thải. Trứng giun sán, vi trùng cĩ thể lan truyền đi rất xa và nhanh khi bị nhiễm vào nước mặt gây dịch bệnh cho người và gia súc. Nghiên cứu của Bonde (1967) cho thấy: đa số các vi sinh vật gây bệnh khơng phát triển lâu dài trong nước thải, số lượng của chúng giảm nhanh trong những ngày đầu sau đĩ chậm dần. Các loạivi trùng tồn tại lâu trong nước ở vùng nhiệt đới Samonella typhi và Samonella paratyphi, E.coli, Shigella, Vibrio comma gây dịch tả. Ngồi ra, G.Rhêinhinmer cịn phân lập đựơc nhiều lồi nấm gây bệnh. Đối với vi khuẩn và vius đường ruột, thì thời gian sống sĩt trong nước thải càng lâu thì số lượng cá thể của chúng càng nhỏ và ngược lại. Hệ vi sinh vật trong nước thải chăn nuơi rất phức tạp trong đĩ chủ yếu là vi khuẩn gây thối cĩ 3-16 triệu/ml, vi khuẩn phân huỷ đường mỡ, E.coli 10 x 104 – 10 x 107 tế Chương 1 Khảo sát hoạt động của trại chăn nuơi heo Xuân Thọ III 8 bào/ml, vi khuẩn lưu huỳnh, vi khuẩn nitrat hố. Hệ vi sinh vật này cĩ ảnh hưởng lớn đến tính chất và khả năng tự làm sạch của nguồn nước. Bảng 1.1: Kết quả phân tích chất lượng nước thải sau quá trình biogas ở trại chăn nuơi heo Xuân Thọ III, Xuân Lộc, Đồng Nai. Chỉ tiêu Kết quả phân tích Đơn vị pH 7.23 - 8.07 COD 2561 - 5028 mg/l BOD5 1664 - 3268 mg/l SS 1700 - 3218 mg/l N-NH3 304 - 471 mg/l N-tổng 512 - 594 mg/l P-tổng 13.8 - 62 mg/l (Kết quả đo tại phịng thí nghiệm khoa Mơi Trường, trường ĐH Bách Khoa TpHCM) 1.2.2 Ơ nhiễm mơi trường khơng khí Kết quả phân tích chất lượng khơng khí tại khu vực đang chăn nuơi và khu vực hồ xử lý do Khoa Mơi Trường, trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM thực hiện cho thấy các chỉ tiêu NH3, H2S đều vượt tiêu chuẩn cho phép. Ngồi ra cịn cĩ các chất gây mùi hơi như diamin, mercaptan Nguồn gốc gây ơ nhiễm khơng khí: 9 Hệ thống chuồng trại: Hệ thống chuồng trại được cách ly với mơi trường xung quanh, được thơng giĩ nhờ các quạt trục. Khơng khí trong chuồng luơn được lưu thơng, tuy nhiên mùi do phân heo, nước tiểu heo vẫn phát sinh. Mùi này chủ yếu là do các khí NH3, H2S, mercaptan… 9 Hệ thống mương thốt nước thải cuc bộ 9 Hệ thống ao xử lý nước thải (các ao kị khí đều hở) Chương 1 Khảo sát hoạt động của trại chăn nuơi heo Xuân Thọ III 9 9 Kho chứa thức ăn 9 Máy phát điện dự phịng 1.3 Hiện trạng hệ thống xử lý nước thải của trại Với số lượng heo khoảng 20.000 con thì lượng nước thải ra hàng ngày của tồn trại gần 300m3/ngày. Hệ thống xử lý nước thải tập trung của tồn trại Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải tập trung của trại Nước thải ở các trại được gom về các bể biogas 4 ngăn với thời gian lưu nước là 20 ngày. Qua biogas, loại bỏ được khoảng 50-60% COD và 70-80% cặn lơ lửng. Nước thải sau khi ra biogas được dẫn qua ao lọc kị khí xơ dừa (30mx30mx4m). Thời gian lưu nước trong ao này là 5 ngày. Xơ dừa được làm tơi và cho vào các sọt đan bằng tre, các sọt được cột sát nhau, cứ 4 sọt tạo dàn ngang thành 1 lớp lọc, các lớp lọc Nước thải Bể biogas Ao kị khí 1 Ao hiếu khí lục bình Ao lọc kị khí giá thể xơ dừa Ao kị khí 2 Nước ra tưới cho đồng ruộng Chương 1 Khảo sát hoạt động của trại chăn nuơi heo Xuân Thọ III 10 được bố trí từ trên mặt ao xuống đáy ao nhờ cột các sọt vào các cây tầm vơng. Các cây tầm vơng này được thả đứng xuống ao và được giữ dưới nước bằng cách cột vào các hịn đá nặng. Điều này nhằm tránh cho sơ dừa khơng bị nổi lên mặt nước, phát huy tối đa hiệu quả xử lý của ao lọc. Nước thải sau đĩ được dẫn tiếp qua 2 ao kị khí, kích thước mỗi ao là 30mx30mx4m, thời gian lưu nước trong mỗi ao khoảng 10 ngày. Sau khi ra khỏi các ao kị khí, nước thải được xử lý tiếp ở ao hiếu khí thả lục bình (70mx43mx1.5m). Thời gian lưu nước trong ao hiếu khí này là 10 ngày. Nhưng hiện nay, ao kị khí xơ dừa hoạt động khơng tốt do lượng xơ dừa trong ao quá ít, chỉ khoảng 1/3 thể tích của ao là cĩ xơ dừa, cịn 2/3 thể tích cịn lại chưa được bổ sung xơ dừa nên chất lượng nước ra sau ao xơ dừa chưa đạt hiệu quả mong muốn. Mặt khác, hàm lượng SS trong nước thải vào ao khá cao (1700-3200 mg/l), làm giảm hiệu quả dính bám của vi sinh, và sau 1 thời gian vận hành chính sự phân huỷ của lượng cặn này sẽ làm COD ra ao xơ dừa tăng lên. Do đĩ nồng độ nước thải vào hồ hiếu khí cao so với khả năng chịu đựng của lục bình. Hiện nay, COD vào ao hiếu khí là 840 mg/l, lục bình trong ao đã chết. Theo các nghiên cứu dùng lục bình trong xử lý nước thải cho thấy lục bình chỉ phát triển được ở COD khơng quá 200-250 mg/l. Hiện tại ao xơ dừa hoạt động khơng tốt, cịn ao hiếu khí thả lục bình thực chất chỉ là ao chứa nước. Hiệu quả xử lý nước thải của hệ thống khơng đạt. Chất lượng nước đầu ra khơng đạt tiêu chuẩn thải loại B (TCVN 5945-1995) Bảng 1.2: Chất lượng nước đầu ra sau hệ thống xử lý nước thải của trại Chỉ tiêu Kết quả phân tích TCVN 5945-1995 (loại B) Đơn vị pH 7.78-8.1 5.5-9 COD 312-336 100 mg/l N-NH3 303 1 mg/l SS 206-240 100 mg/l (Kết quả đo tại phịng thí nghiệm khoa Mơi Trường, trường ĐH Bách Khoa TpHCM) Chương 1 Khảo sát hoạt động của trại chăn nuơi heo Xuân Thọ III 11 Trại vừa mới tiến hành bỏ sơ dừa vào 3 ao nhỏ kế tiếp nhau, mỗi ao cĩ kích thước 5mx10mx2m , mục đích là dẫn nước thải sau ao kị khí xơ dừa cĩ sẵn lần lượt qua 3 ao nối tiếp này rồi nước ra dẫn trực tiếp vào ao hiếu khí. Nhưng phương án này đến nay vẫn chưa được hồn tất do điều kiện nhân lực và thời gian của trại hiện chưa cho phép. 1.4 Định hướng nghiên cứu Hiện nay hệ thống xử lý nước thải của trại hoạt động khơng hiệu quả do nhiều nguyên nhân (trong đĩ cĩ nguyên nhân ở cơng trình quan trọng là ao lọc kị khí xơ dừa), dẫn đến chất lượng nước đầu ra khơng đạt tiêu chuẩn thải loại B (TCVN, 5945 -1995). Nhận thấy nước thải chăn nuơi khơng phải là loại nước thải khĩ xử lý, đồng thời nước thải sau quá sau quá trình biogas của trại cĩ đặc tính dễ phân huỷ sinh học (BOD/COD ≈70%), nếu cơng nghệ xử lý thích hợp và hệ thống xử lý hoạt động tốt, chất lượng nước đầu ra cĩ thể đạt tiêu chuẩn loại B. Xuất phát từ đĩ, luận văn này thực hiện với mục đích nghiên cứu khả năng xử lý của quá trình lọc kị khí xơ dừa đối với nước thải chăn nuơi ở trại (sau khi đã qua xử lý biogas), từ đĩ đưa ra hướng cơng nghệ xử lý thích hợp hơn. Chương 2 Phương pháp xử lý nước thải chăn nuơi heo cơng nghiệp 12 2.1 Tổng quan các phương pháp xử lý nước thải chăn nuơi heo Thành phần của nước thải chăn nuơi heo hầu hết là các chất hữu cơ, vơ cơ, vi sinh vật tồn tại ở dạng hồ tan, phân tán nhỏ hay cĩ kích thước lớn hơn. Đặc trưng ơ nhiễm của loại nước thải này là chất hữu cơ, Nitơ, Phospho và vi sinh gây bệnh. Tuỳ theo qui mơ sản xuất, quĩ đất dùng cho xử lý, điều kiện kinh tế, mục đích sử dụng chất thải, nước thải từ chăn nuơi, yêu cầu của nguồn tiếp nhận…mà cĩ thể áp dụng các biện pháp xử lý thích hợp. 2.1.1 Phương pháp cơ học Mục đích là tách chất rắn, cặn, phân ra khỏi hỗn hợp nước thải bằng cách thu gom, phân riêng. Cĩ thể dùng song chắn rác, bể lắng sơ bộ để loại bỏ cặn thơ, dễ lắng tạo điều kiện thuận lợi và giảm khối tích của các cơng trình xử lý tiếp theo.Ngồi ra ,cĩ thể dùng phương pháp ly tâm hoặc lọc. Hàm lượng cặn lơ lửng trong nước thải chăn nuơi khá cao (khoảng vài ngàn mg/l) và dễ lắng nên cĩ thể lắng sơ bộ trước rồi mới đưa sang các cơng trình xử lý phía sau. Sau khi tách, nước thải được đưa vào các cơng trình xử lý phía sau, cịn chất rắn tách được cĩ thể đem đi ủ để làm phân bĩn. 2.1.2 Phương pháp hố lý Nước thải chăn nuơi chứa nhiều chất hữu cơ, vơ cơ dưới dạng các hạt cĩ kích thước nhỏ, khĩ lắng, khĩ cĩ thể tách ra được bằng các phương pháp cơ học vì tốn nhiều thời gian và hiệu quả khơng cao. Nhưng cĩ thể áp dụng phương pháp keo tụ để loại bỏ chúng. Các chất keo tụ thường sử dụng là phèn nhơm, phèn sắt, phèn bùn…kết hợp với sử dụng polymer trợ keo tụ để tăng hiệu quả quá trình keo tụ. Theo nghiên cứu của Trương Thanh Cảnh (2001) tại trại chăn nuơi heo 2/9: phương pháp keo tụ cĩ thể tách được 80-90% hàm lượng cặn lơ lửng cĩ trong nước thải chăn nuơi heo. Chương 2 Phương pháp xử lý nước thải chăn nuơi heo cơng nghiệp 13 Phương pháp này loại bỏ được hầu hết các chất bẩn cĩ trong nước thải chăn nuơi. Tuy nhiên chi phí xử lý cao. Nên áp dụng phương pháp này để xử lý nước thải chăn nuơi là khơng hiệu quả về mặt kinh tế. 2.1.3 Phương pháp sinh học Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học dựa trên hoạt động sống của vi sinh vật cĩ trong nước, chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh. Phương pháp xử lý sinh học cĩ ưu điểm lớn so với các phương pháp xử lý khác ở chổ chi phí thấp và tính ổn định cao, đặc biệt hiệu quả xử lý rất cao ở thời gian lưu ngắn đối với các loại nước thải chứa các chất hữu cơ dễ phân huỷ sinh học. Nước thải chăn nuơi được xác định là loại nước thải dễ phân huỷ sinh học vì chứa chủ yếu là các hợp chất hữu cơ dễ phân huỷ như carbon hidrat (cellulose, hemicellulose, tinh bột, đường, dextrin…), protit...Xử lý nước thải chăn nuơi bằng biện pháp sinh học là phổ biến ở hầu hết các trại chăn nuơi cơng nghiệp nhờ tính khả thi và tính kinh tế cao của nĩ. 2.1.3.1 Phương pháp xử lý kị khí a. Quá trình xử lý kị khí trong bể Biogas Đây là phương pháp xử lý kị khí khá đơn giản, chi phí đầu tư thấp, thường thấy ở hầu hết các trại chăn nuơi heo cơng nghiệp vừa và lớn, kể cả qui mơ hộ gia đình. Nước thải từ hệ thống chuồng trại được dẫn trực tiếp vào bể kín với thời gian lưu nước trong bể khoảng 15-30 ngày, tận dụng hoạt động của các vi sinh vật kị khí trong bể và trong lớp bùn đáy để khống hố các chất hữu cơ. Thơng thường, mực nước trong bể được thiết kế chiếm 2/3 chiều cao bể, cịn phần thể tích ứng với 1/3 chiều cao ở phía trên bị khí CH4, CO2 và các khí khác sinh ra do phân huỷ kị khí chiếm chỗ. Phía trên cĩ đặt hệ thống thu khí để thu hồi các khí sinh ra (biogas) tận dụng làm khí đốt hoặc chạy máy phát điện… Dưới cùng là lớp bùn đáy tương đối ổn định. Cặn ở lớp bùn đáy được tháo ra định kì và cĩ thể đem đi làm phân bĩn. Tuỳ thuộc vào thành phần, tính chất nước thải chăn nuơi, thời gian lưu nước, tải trọng hữu cơ, nhiệt độ…mà thành phần biogas sinh ra cĩ thể khác nhau. Trong đĩ, CH4 cĩ ý nghĩa quan trọng nhất trong việc tận dụng nguồn năng lượng tái sinh này vì cĩ nhiệt trị cao khoảng 9 000 kcal/m3. Phần trăm các chất khí trong biogas: CH4 : 55-65% CO2 : 35-45% N2 : 0-3% H2 : 0-1% Chương 2 Phương pháp xử lý nước thải chăn nuơi heo cơng nghiệp 14 H2S : 0-1% Theo nghiên cứu của Nguyễn Thị Hoa Lý (1994), nước thải chăn nuơi sau khi qua Biogas, BOD giảm khoảng 79-87%, Coliform giảm 98-99.7%, trứng giun sán giảm 95.6- 97%. Đối với nước thải chăn nuơi, cơng trình Biogas được coi là cơng trình xử lý cơ bản đầu tiên để làm giảm COD và SS trước khi đưa vào các cơng trình xử lý sinh học tiếp theo. Để tăng hiệu quả lắng cặn, bể Biogas thường được chia ra làm nhiều ngăn. b. Quá trình kị khí UASB Đây là cơng trình xử lý sinh học kị khí ngược dịng. Nước thải được đưa từ dưới lên, xuyên qua lớp bùn kị khí lơ lửng ở dạng các bơng bùn mịn. Quá trình khống hố các chất hữu cơ diễn ra khi nước thải tiếp xúc với các bơng bùn này. Một phần khí sinh ra trong quá trình phân huỷ kị khí (CH4, CO2 và một số khí khác) sẽ kết dính với các bơng bùn và kéo các bơng bùn lên lơ lửng trong bể, tạo sự khuấy trộn đều giữa bùn và nước. Khi lên đến đỉnh bể, các bọt khí sẽ va chạm vào các tấm chắn hình nĩn, các bọt khí được giải phĩng cùng với khí tự do và bùn sẽ rơi xuống. Để tăng tiếp xúc giữa nước thải với các bơng bùn, lượng khí tự do sau khi thốt ra khỏi bể được tuần hồn trở lại hệ thống. Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi từ xí nghiệp chăn nuơi heo Vĩnh An được thực hiện ở viện CEFINA trên mơ hình kị khí UASB đối với nước thải nguyên thuỷ cho thấy: ở tải trọng 2-5 kg COD/m3.ngày, hiệu quả xử lý đạt 70-72%; cịn ở tải trọng 5-6 kgCOD/m3.ngày, thì hiệu quả khoảng 48%. Nhiều trại chăn nuơi heo ở Thái Lan, cơng trình xử lý sinh học nước thải sau Biogas là UASB. Khĩ khăn khi vận hành bể UASB là kiểm sốt hiện tượng bùn nổi, tức phải đảm bảo sự tiếp xúc tốt giữa bùn và nước thải để duy trì hiệu quả xử lý của bể. c. Quá trình lọc sinh học kị khí Đây là quá trình kị khí dính bám, sử dụng những vi sinh vật dính bám trên các giá thể như sỏi, đá, vịng nhựa tổng hợp, tấm nhựa, vịng sứ, xơ dừa…để khống hố các chất hữu cơ trong điều kiện khơng cĩ oxy. Quá trình này cĩ nhiều ưu điểm: ¾ Đơn giản trong vận hành ¾ Khả năng chịu biến động về tải lượng ơ nhiễm, ¾ Khơng phải kiểm sốt hiện tượng bùn nổi như trong bể UASB, ¾ Cĩ thể vận hành ở tải trọng cao, ¾ Cĩ khả năng phân huỷ các chất hữu cơ chậm phân huỷ… Tuy nhiên khơng điều khiển được sinh khối trong các bể lọc này. Chương 2 Phương pháp xử lý nước thải chăn nuơi heo cơng nghiệp 15 Sử dụng quá trình màng vi sinh vật kị khí cũng như hiếu khí để xử lý nước thải chăn nuơi, ngồi việc loại bỏ được các chất bẩn hữu cơ, cịn cĩ thể loại bỏ được một lượng lớn các chất lơ lửng, trứng giun sán kể cả các lồi vi trùng, vi khuẩn gây bệnh…nhờ cơ chế hấp phụ. Vì khi sinh khối của màng tăng lên ( tức lớp màng càng dày hơn) dần dần bịt các khe giữa các vật liệu lọc, phin lọc, giữ lại các tạp chất, các thành phần sinh học cĩ trong nước…làm cho vận tốc nước qua màng chậm dần, khi đĩ màng sẽ làm việc cĩ hiệu quả hơn. Tuy nhiên khi xử lý nước thải chăn nuơi bằng quá trình lọc sinh học, cần lưu ý sự tích luỹ cặn trong lớp lọc vì hàm lượng cặn lơ lửng trong nước thải chăn nuơi khá lớn. Sự tích luỹ cặn quá nhiều sẽ làm nghẹt lớp vật liệu lọc tạo ra các vùng chết, hoặc nếu xãy ra hiện tượng “đánh thủng lớp lọc” sẽ làm cho dịng chảy ngắn và nước thải phân bố khơng đều. Cả 2 trường hợp đều làm giảm thời gian lưu nước trong bể dẫn đến hiệu quả xử lý kém. Đồng thời sự phân huỷ của cặn tích luỹ sẽ làm COD đầu ra tăng sau một thời gian vận hành. Để khắc phục những hiện tượng này, nên loại bỏ bớt cặn lơ lửng trước khi vào bể lọc đồng thời rửa ngược lớp lọc định kì để loại bỏ cặn tích luỹ trong lớp lọc. Trong bể lọc kị khí ngược dịng, do dịng chảy quanh co đồng thời tích luỹ sinh khối dễ gây ra vùng chết và dịng chảy ngắn. Để khắc phục, cĩ thể bố trí thêm hệ thống xáo trộn bằng khí biogas sinh ra thơng qua hệ thống phân phối khí đặt dưới lớp vật liệu và máy nén khí biogas. 2.1.3.2 Phương pháp xử lý hiếu khí a. Aerotank Đây là quá trình xử lý hiếu khí lơ lửng.Vi sinh vật bám lên các hạt cặn cĩ trong nước thải và phát triển sinh khối tạo thành các bơng bùn cĩ hoạt tính phân huỷ chất hữu cơ nhiễm bẩn. Các bơng bùn này được cấp khí cưỡng bức để đảm bảo lượng oxy cần thiết cho hoạt động phân huỷ và giữ cho bơng bùn ở trạng thái lơ lửng. Các bơng bùn lớn dần lên do hấp phụ các hạt chất rắn lơ lửng nhỏ, tế bào vi sinh vật, nguyên sinh động vật và các chất độc, nhờ đĩ nước thải được làm sạch. Theo nghiên cứu của Lâm Quang Ngà (1998) ở trại chăn nuơi heo 3/2, TP. HCM: ứng với tải trọng 0.6-1.5 kg COD/m3.ngày, nồng độ COD đầu vào 200-500mg/l và thời gian lưu nước 8-10 giờ, hiệu quả xử lý của aerotank đạt 80-85%. Khi tăng thời gian lưu nước lên, hiệu quả xử lý khơng tăng nữa. Xử lý nước thải chăn nuơi bằng bể aerotank cĩ ưu điểm là tiết kiệm được diện tích và hiệu quả xử lý cao, ổn định, nhưng chi phí đầu tư và vận hành khá lớn so với các phương pháp hiếu khí khác như ao hồ thực vật, cánh đồng tưới, cánh đồng lọc. Do đĩ tuỳ Chương 2 Phương pháp xử lý nước thải chăn nuơi heo cơng nghiệp 16 điều kiện kinh tế, quĩ đất xử lý, yêu cầu xả thải của trại chăn nuơi mà lựa chọn hình thức xử lý thích hợp. b. Lọc sinh học hiếu khí Sử dụng hệ vi sinh vật dính bám trên các giá thể để khống hố chất hữu cơ khi tiếp xúc với nước thải, giống như lọc sinh học kị khí. Sở dĩ vi sinh vật cĩ thể bám dính lên giá thể vì nhiều lồi cĩ khả năng tiết ra các polymer sinh học giống như chất dẻo dính vào giá thể, tạo thành màng. Màng này cứ dày lên và cĩ khả năng oxy hố các chất hữu cơ, hấp phụ các chất bẩn lơ lửng hoặc trứng giun sán. Sự phân loại màng sinh học kị khí và màng sinh học hiếu khí chỉ mang tính tương đối, vì trong quá trình màng hiếu khí vẫn luơn tồn tại các chủng vi sinh vật kị khí ở lớp màng phía trong tuỳ thuộc vào điều kiện cấp khí. c. Ao hồ sinh học (hay ao hồ ổn định nước thải) Cơ sở khoa học của phương pháp này là dựa vào khả năng tự làm sạch của nước, chủ yếu là hệ vi sinh vật và các thủy sinh sống trong nước. 9 Ao hồ hiếu khí Là loại ao nơng, sâu từ 0.3-1m, đủ để ánh sáng mặt trời chiếu rọi và oxy cĩ thể khuyếch tán vào để tảo phát triển. Tảo quang hợp cung cấp oxy cho vi sinh vật phân huỷ chất hữu cơ, ngược lại vi sinh vật phân huỷ chất hữu cơ giải phĩng CO2 làm nguồn C cho tảo và các thực vật thủy sinh quang hợp. Thời gian lưu nước trong hồ hiếu khí thường từ 3-15 ngày. 9 Ao hồ kị khí Là loại ao sâu, từ 2.8-4.8m, ít hoặc khơng cĩ điều kiện hiếu khí. Vi sinh vật kị khí phân huỷ chất hữu cơ thành các sản phẩm cuối cùng là CO2, CH4, H2S…Nước thải lưu ở hồ kị khí thường cĩ mùi hơi thối do các khí H2S, NH3 …sinh ra. Ao hồ kị khí thường dùng để lắng và phân huỷ cặn ở vùng đáy. Cĩ khả năng chịu được tải trọng cao. Thời gian lưu nươc từ 20-50 ngày 9 Ao hồ tuỳ nghi Sâu 1.2-2 m, phổ biến trong thực tế. Trong hồ xãy ra 2 quá trình song song: phân huỷ các chất hữu cơ hồ tan cĩ đều trong nước và phân huỷ kị khí cặn lắng ở vùng đáy. Ao hồ tuỳ nghi cĩ 3 vùng: vùng hiếu khí ở trên, vùng tuỳ nghi ở giữa và vùng kị khí ở dưới. Thời gian lưu nước trong hồ này thường từ 5-30 ngày. Trong các ao hồ sinh học thường kết hợp nuơi cá, thả thực vật thuỷ sinh như bèo cái, bèo tây, rau muống… Chương 2 Phương pháp xử lý nước thải chăn nuơi heo cơng nghiệp 17 Nguyễn Thị Hoa Lý khi nghiên cứu các chỉ tiêu nhiễm bẩn của nước thải chăn nuơi heo tập trung và áp dụng một số biện pháp xử lý, cho thấy: khi dùng ao hồ thực vật để xử lý nước thải chăn nuơi, COD giảm 61-71%, BOD giảm 74-82,1%, Nitơ tổng giảm 99.2- 99.7%. Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi của Lâm Quang Ngà, nước thải chăn nuơi sau khi xử lý bằng quá trình UASB đưa qua hồ hiếu khí lục bình, hiệu quả xử lý COD của hồ đạt 40-45%. Nếu ở nồng độ COD = 200 mg/l, nước thải đầu ra sẽ dưới 100 mg/l. Trong thực tế, ao hồ sinh học được dùng phổ biến để xử lý nước thải chăn nuơi vì cĩ nhiều ưu điểm: ¾ Đây là phương pháp kinh tế nhất, dễ thiết kế và xây dựng, dễ vận hành (khơng cần quản lý, theo dõi chặt chẽ như các cơng trình xử lý khác), khơng địi hỏi cung cấp năng lượng (sử dụng năng lượng mặt trời) phù hợp với điều kiện kinh tế và trình độ kĩ thuật của các trại chăn nuơi trong cơng tác giảm thiểu các tác động mơi trường do trại gây ra. ¾ Các trại chăn nuơi heo hầu hết nằm ở vùng nơng thơn, vùng ven đơ thị, cĩ diện tích đất rộng, thích hợp để xử lý bằng ao hồ sinh học. ¾ Cĩ khả năng làm giảm các vi sinh vật gây bệnh nhiễm trong nước thải xuống tới mức thấp nhất (dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời). Mà nước thải chăn nuơi là loại nước thải cĩ chứa nhiều vi trùng, vi khuẩn gây bệnh cần phải loại bỏ trước khi đưa vào nguồn tiếp nhận. ¾ Khả năng khử N-NH3 và P cao ¾ Cĩ khả năng loại được các chất vơ cơ và hữu cơ hồ tan trong nước thơng qua quá trình sinh trưởng của vi sinh vật và thực vật thủy sinh. d. Cánh đồng tưới, cánh đồng lọc Cánh đồng tưới là những khu đất được qui hoạch cẩn thận để vừa xử lý nước thải, vừa trồng cây nơng nghiệp hoặc rau quả. Cánh đồng lọc chỉ cĩ chức năng xử lý nước thải. Nguyên tắc xử lý: nước thải đi qua đất như đi qua lọc, cặn nước được giữ lại trên mặt đất, nhờ cĩ oxy trong các lổ hổng và mao quản của lớp đất mặt, các vi sinh vật hiếu khí hoạt động phân huỷ các chất hữu cơ ơ nhiễm. Càng sâu xuống, oxy càng ít và quá trình oxy hố chất bẩn giảm dần. Cuối cùng đến độ sâu ở đĩ chỉ diễn ra quá trình khử nitrat. Các nhà nghiên cứu đã xác định được quá trình oxy hố nước thải chỉ diễn ra ở lớp đất mặt đến độ sâu 1.5m. Kỹ thuật này đã tận dụng được: Chương 2 Phương pháp xử lý nước thải chăn nuơi heo cơng nghiệp 18 ¾ Đặc tính hố lý của nền đất: lọc, hấp phụ, trao đổi ion, khả năng thấm nước và giữ nước, giữ cặn và các cá thể sinh vật nhỏ. ¾ Đặc tính sinh học của nền đất: tác động của vi sinh vật và cây cỏ. Hiệu quả làm sạch của cánh đồng lọc rất cao: hiệu quả xử lý BOD lớn hơn 90%, Coliform hơn 95%, nước thải sau xử lý khá trong. Với nguồn nước thải cĩ chứa nhiều chất hữu cơ dễ phân huỷ sinh học như nước thải chăn nuơi, cĩ thể sử dụng cánh đồng tưới để xử lý. Cây trồng hấp thụ các chất hữu cơ sẽ đẩy nhanh tốc độ phân hủy. Bộ rễ của cây cịn cĩ tác dụng vận chuyển oxy xuống tầng đất sâu dưới mặt đất để oxy hố các chất hữu cơ thấm xuống. Khi sử dụng cánh đồng tưới, cánh đồng lọc để xử lý nước thải chăn nuơi cũng như các loại nước thải khác, sau một thời gian thì các lỗ hổng trong đất sẽ bị bít vì cặn và màng vi sinh dính bám, dẫn đến hiệu quả xử lý giảm. Để tránh hiện tượng này, cánh đồng tưới phải được làm thống định kì và tránh ứ đọng bùn. Ngồi ra cịn phải chú ý đến độ ẩm, chế độ tưới nước cũng như yêu cầu phân bĩn cho cây trồng. 2.2 Các hệ thống xử lý nước thải chăn nuơi heo ở một số trại 2.2.1 Trại chăn nuơi heo Bình Thắng Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải trại chăn nuơi heo Bình Thắng Bể tiếp xúc Clorine Ra nguồn Nước thải Bể gạn và lắng cặn phân Song chắn rác Hồ thực vật hiếu khí Bể UASB Hồ tuỳ nghi Bể Mêtan Bãi rác Đốt Thiết bị ép bùn Phân bĩn Cặn phân Chương 2 Phương pháp xử lý nước thải chăn nuơi heo cơng nghiệp 19 2.2.2 Trại chăn nuơi heo vừa và lớn ở Philippin Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải trại chăn nuơi heo vừa và lớn ở Philippin Trong cơng nghệ này, tảo và vi khuẩn cộng sinh với nhau cùng phát triển.Vi khuẩn phân huỷ chất hữu cơ cung cấp CO2 cho tảo quang hợp, ngược lại tảo quang hợp cung cấp nguồn O2 cho vi sinh vật. Các loại tảo sử dụng ở đây là Ankistrodesmas, Scenedesmas, Pediastrum. Tảo sau khi thu hoạch được đưa đi làm thức ăn cho gia súc. Nước được đưa đi tưới tiêu phục vụ nơng nghiệp. Đây là 1 phương pháp mới để xử lý nước thải chăn nuơi do tổ chức bảo vệ sức khoẻ OMS đưa ra. Trại chăn nuơi Bể biogas Bể lắng Bể nuơi tảo Hồ thực vật kết hợp nuơi cá Bơm Tưới Tái sử dụng làm nước rửa chuồng Thức ăn gia súc Phân bĩn Bùn gas Chương 2 Phương pháp xử lý nước thải chăn nuơi heo cơng nghiệp 20 2.2.3 Trại chăn nuơi heo vừa và lớn ở Thái Lan Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải ở các trại chăn nuơi heo vừa và lớn ở Thái Lan ( do bà Pacharin Dumronggittigule và ơng Weerapan Kiatpadee đề xuất ) 2.3 Lựa chọn hướng cơng nghệ xử lý cho trại heo Xuân Thọ III 2.3.1 Cơ sở lựa chọn cơng nghệ xử lý • Nước thải chăn nuơi heo sau hệ thống biogas của trại Xuân Thọ III cĩ đặc tính: dễ phân huỷ sinh học (BOD/COD = 60-70%). Nên chọn phương pháp xử lý sinh học là thích hợp. • Cơng nghệ lựa chọn cĩ chi phí đầu tư và vận hành thấp; thiết kế, thi cơng đơn giản; dễ quản lý và vận hành, cĩ tính ổn định phù hợp với điều kiện kinh tế và trình độ kỹ thuật của trại chăn nuơi nhưng cĩ thể đảm bảo đạt tiêu chuẩn xả thải ra mơi trường. • Dựa trên cơ sở cĩ thể cải tiến hệ thống xử lý sẵn cĩ của trại • Trại heo Xuân Thọ III cĩ diện tích dành cho xử lý khá rộng, áp dụng 1 dãy ao hồ kị khí, tuỳ nghi, hiếu khí kết hợp thả lục bình và nuơi cá là biện pháp xử lý đơn giản và ít tốn kém nhất. Bùn Phân bĩn Ra nguồn Trại chăn nuơi Bể biogas Bể lắng Hồ nuơi cá Bể lắng 2 Bể UASB Cặn gas Chương 2 Phương pháp xử lý nước thải chăn nuơi heo cơng nghiệp 21 2.3.2 Đề xuất hướng cơng nghệ xử lý nước thải chăn nuơi heo cho trại Xuân Thọ III Qua quá trình: • Phân tích ưu, nhược điểm các phương pháp xử lý cĩ thể áp dụng để xử lý nước thải chăn nuơi heo. • Xem xét đến một số cơng nghệ đã được áp dụng để xử lý nước thải ở các trại chăn nuơi heo trong và ngồi nước. • Dựa vào tính chất nước thải sau biogas, yêu cầu kinh tế, kĩ thuật, mặt bằng xử lý của trại chăn nuơi heo Xuân Thọ III và hệ thống xử lý sẵn cĩ • Xem xét yêu cầu xả thải ra mơi trường. , đề xuất hướng cơng nghệ xử lý như sau: Cơng nghệ 1: Hình 2.4: Cơng nghệ 1 đề xuất xử lý nước thải chăn nuơi heo trại Xuân Thọ III Nước thải từ trại chăn nuơi Ao lắng Bể biogas Ao lọc kị khí giá thể xơ dừa Phân bĩn Bùn gas Ao tùy nghi Bơm Tưới Ao hiếu khí lục bình, bậc1 Ao hiếu khí lục bình, bậc 2 Nước ra Bùn Chương 2 Phương pháp xử lý nước thải chăn nuơi heo cơng nghiệp 22 Cơng nghệ 2: Hình 2.5: Cơng nghệ 2 đề xuất xử lý nước thải chăn nuơi heo trại Xuân Thọ III a. Ao lắng: Hàm lượng cặn lơ lửng trong nước thải ra khỏi bể biogas lớn nhưng dễ lắng (chủ yếu là bùn biogas và cặn vơ cơ) nên cần bố trí thêm ao lắng sau bể biogas để giảm hàm lượng cặn, thuận lợi cho cơng trình xử lý sinh học phía sau. Thực chất ao lắng cĩ tác dụng như ao hồ ổn định sinh học vừa lắng, vừa tận dụng khả năng làm sạch nước thải của vi sinh vật. b. Ao lọc kị khí xơ dừa: Nồng độ COD sau biogas rồi qua lắng cịn cao, nên sử dụng bể lọc kị khí sơ dừa trước khi vào hệ thống ao hồ tự nhiên để giảm bớt tải trọng hữu cơ và giảm diện tích mặt bằng xử lý cho các ao hồ. 1. Cĩ nhiều cơng trình kị khí cĩ thể áp dụng như UASB, lọc kị khí ngập nước. Xét về tính ổn định, trình độ vận hành, giá cả thì bể lọc kị khí vượt trội hơn bể UASB ví dụ: bể lọc kị khí cĩ thể hoạt động gián đoạn mà khơng ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý, khơng cần kiểm sốt hiện tượng bùn nổi. Nước thải từ trại chăn nuơi Ao lắng Bể biogas Ao lọc kị khí giá thể xơ dừa Phân bĩn Bùn gas Ao tùy nghi Cánh đồng tưới Bùn Nước ra Chương 2 Phương pháp xử lý nước thải chăn nuơi heo cơng nghiệp 23 2. Chọn vật liệu lọc xơ dừa vì: xơ dừa rẻ, cĩ diện tích bề mặt riêng lớn, bề mặt bám dính, tốc độ xốp cao, dễ vận chuyển, khối lượng riêng nhỏ nên khơng gây áp lực lên thành bể.Thành phần chính của xơ dừa là cellulose, hemicellulose và lignin, trong xơ dừa khơng cĩ enzime tự phân huỷ cellulose như các loại cây khác và cellulose phân huỷ rất chậm nên tuổi thọ của xơ dừa khá cao. Theo nghiên cứu của Th.s Nguyễn Ngọc Bích cho thấy cĩ thể dùng xơ dừa để xử lý nước thải trong khoảng từ 3-5 năm. Sơ dừa cĩ nhiều ưu điểm khi sử dụng làm giá thể lọc, mặt khác lại cĩ rất nhiều ở Việt Nam và giá thành rất rẻ 2-3 triệu đồng/1tấn nên mở ra triển vọng về 1 loại vật liệu cĩ hiệu quả xử lý cao nhưng giá thành lại rẻ. c. Ao tuỳ nghi, ao hiếu khí lục bình, cánh đồng tưới Diện tích đất dành cho xử lý nước thải của trại khá lớn, sử dụng một dãy ao hồ ổn định sinh học kết hợp thả thực vật thuỷ sinh, nuơi cá hoặc áp dụng cánh đồng tưới…là những biện pháp xử lý nước thải kinh tế nhất và đơn giản nhất. Ngồi ra, hệ thống ao hồ và cánh đồng tưới cịn cĩ hiệu quả khử N, P nhờ hoạt động của hệ vi sinh vật và thực vật thủy sinh. Hai sơ đồ cơng nghệ trên cĩ thể áp dụng cho các trại chăn nuơi khác cĩ đủ diện tích đất xử lý. Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 24 3.1 Tổng quan phương pháp xử lý sinh học kị khí 3.1.1 Giới thiệu Quá trình xử lý sinh học kị khí là quá trình phân huỷ sinh học chất hữu cơ thành những sản phẩm cuối cùng là CH4 và CO2 nhờ vi sinh vật trong điều kiện khơng cĩ ơxy. Vào những năm 1970, quá trình này được ứng dụng rộng rãi trong xử lý bùn thải và phân, sau đĩ phát triển mạnh trong xử lý nước thải nhờ những ưu điểm: ¾ Khả năng chịu tải trọng cao so với quá trình xử lý hiếu khí. ¾ Thời gian lưu bùn khơng phụ thuộc thời gian lưu nước, kết quả là 1 lượng sinh khối lớn được giữ lại trong bể. ¾ Chi phí xử lý thấp (khơng phải cung cấp năng lượng như quá trình hiếu khí). ¾ Tạo ra 1 nguồn năng lượng cĩ thể tái sử dụng (khí sinh vật). ¾ Hệ thống xử lý đa dạng: UASB, lọc kị khí, kị khí xáo trộn hồn tồn, kị khí tiếp xúc…… Bên cạnh những ưu điểm trên, quá trình xử lý kị khí cĩ 1 số hạn chế: ¾ Nhạy cảm với mơi trường (nhiệt độ, pH, nồng độ kim loại nặng…). ¾ Kém bề vững trong xử lý. ¾ Phát sinh mùi. ¾ Tốc độ phát triển sinh khối chậm. Trong cơng nghệ kị khí, cần lưu ý đến 2 yếu tố quan trọng: - Duy trí sinh khối vi khuẩn càng nhiều càng tốt. - Tạo tiếp xúc đủ giữa nước thải với sinh khối vi khuẩn. Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 25 PROTEIN TẾ BÀO VI SINH VẬTACID AMIN NH3 AXIT BÉO MẠCH DÀI H2 , CO2 CHẤT BÉO, DẦU CARBON HIDRAT ĐƯỜNG ĐƠN ACETATE AXIT BÉO DỄ BAY HƠI CO2 ,CH4 Giai đoạn thuỷ phân Giai đoạn acid hố Giai đoạn methane hĩa Quá trình phân huỷ kị khí vật chất hữu cơ là 1 quá trình diễn biến sinh hĩa phức tạp, bao gồm hàng trăm phản ứng và hợp chất trung gian, mỗi phản ứng được xúc tác bởi những enzym đặc biệt hay cịn gọi là chất xúc tác. Tuy nhiên cĩ thể biễu diễn tổng quát quá trình phân huỷ kị khí theo phản ứng đơn giản sau: 3.1.2. Quá trình phân huỷ kị khí của hợp chất hữu cơ Hình 3.1: Quá trình phân huỷ kị k í của các hợp chất hữu cơ 9 Giai đoạn 1: giai đoạn thuỷ phân Nước thải ơ nhiễm hữu cơ chứa nhiều polymer hữu cơ phức tạp khơng tan như protein, chất béo, carbon hydrat, cellulose, lignin…Trong giai đoạn này, những polymer Vật chất hữu cơ phân huỷ kị khí CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 26 hữu cơ sẽ bị bẽ gãy mạch bởi các enzym ngoại bào (extracellular enzymes) do vi sinh vật thuỷ phân (hydeolytic bacteria) sinh ra để tạo thành những hợp chất đơn giản hơn hay dễ hồ tan. Ở giai đoạn này, phản ứng thuỷ phân sẽ chuyển hố protein thành các acid amin, carbon hidrat thành các đường đơn và chất béo thành các acid hữu cơ mạch dài. Tuy nhiên, phản ứng thuỷ phân cenllulose và các hợp chất phức tạp khác thành các monomer đơn giản cĩ thể là bước giới hạn tốc độ trong quá trình phân huỷ kị khí, khi những phản ứng này xãy ra chậm hơn rất nhiều trong giai đoạn 1 cũng như ở các giai đoạn sau. Tốc độ thuỷ phân phụ thuộc vào nồng độ chất nền, lượng vi khuẩn và các yếu tố mơi trường như pH, nhiệt độ. 9 Giai đoạn 2: giai đoạn acid hố Những hợp chất đơn giản được giải phĩng từ phản ứng thuỷ phân ở giai đoạn 1 sẽ được chuyển hố xa hơn thành acid acetic (acetate), H2 và CO2 nhờ vi khuẩn acetogenic (acetogenic bacterial). Các axit hữu cơ dễ bay hơi sinh ra như là những sản phẩm cuối cùng của sự trao đổi chất của vi khuẩn với prơtêin, chất béo, carbon hydrat, trong đĩ acid acetic, acid propionic, axit lactic là những sản phẩm chính. Chất nền ỈCO2 + H2 + acetate ,(1) : phản ứng Acetogenic dehydrogenation Chất nền Ỉ propionate + butyrate + ethanol, (2). Sau đĩ, các propionate, butyrate sẽ tiếp tục được các vi khuẩn acetogenic chuyển hố xa hơn thành acetate. CO2 và H2 cũng được giải phĩng trong suốt quá trình dị hố cacbon hyđrat. Ngồi ra, quá trình dị hố carbon hydrat cĩ thể sinh ra methanol và các rượu đơn chức khác. Một số lồi vi khuẩn acetogenic cịn chuyển hố H2 và CO2 thành acetate. Các sản phẩm ở giai đoạn này phụ thuộc và sự hiện diện của hệ vi sinh và các yếu tố mơi trường. 9 Giai đoạn 3: Giai đoạn methane hố Những sản phẩm của giai đoạn 2 cuối cùng được chuyển hố thành khí methane và những sản phẩm cuối khác bởi các vi khuẩn methane (methanogenic bacteria). Nhìn chung tốc độ phát triển của vi khuẩn methane chậm hơn các lồi vi khuẩn ở giai đoạn thuỷ phân và acid hố. Vi khuẩn mêtan sử dụng acid actic, methanol hay CO2 và H2 để sản xuất ra CH4. Trong đĩ axit acetic là chất nền sản sinh CH4 quan trọng nhất, khoảng 70% CH4 được sinh ra từacid acetic. Lượng CH4 cịn lại được tạo ra từ CO2 và H2. Một vài chất nền khác cũng Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 27 Tiếp xúc kị khí Cơng nghệ xử lý kị khí Sinh trưởng lơ lửng Sinh trưởng bám dính Xáo trộn hồn tồn Tầng lơ lửng Lọc kị khí UASB Vách ngăn được sử dụng cho việc tạo khí CH4 như acit formic, methanol…. nhưng những chất này khơng quan trọng vì chúng khơng thường xuất hiện trong quá trình lên men kị khí. - Phản ứng tạo CH4 từ acetate: CH3COO- + H2O Ỉ CH4 + HCO3- + Năng lượng , (3) :phản ứng Acetate decarboxylation - Phản ứng tạo CH4 từ H2 và CO2: 4H2 + HCO3- + H+ Ỉ CH4 + H2O + Năng lượng , (4) 3.1.3 Phân loại Hình 3.2: Sơ đồ phân loại các cơng nghệ xử lý kị khí Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 28 3.2 Tổng quan quá trình màng vi sinh vật 3.2.1 Giới thiệu: Quá trình màng vi sinh vật bám dính là một quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học. Trong quá trình màng, vi sinh vật cố định dính bám và phát triển trên bề mặt vật liệu đệm dạng rắn và tạo thành các lớp màng sinh học (biofilms). Trong quá trình hoạt độngvi sinh vật tiếp xúc với nước thải và tiêu thụ cơ chất (chất hữu cơ, dinh dưỡng, khống chất) cĩ trong nước thải và làm sạch nước. 3.2.2 Cấu tạo và hoạt động của màng vi sinh vật 3.2.2.1 Cấu tạo màng vi sinh vật Hình 3.3: Cấu tạo màng vi sinh vật Màng vi sinh vật cĩ cấu trúc rất phức tạp, cả về cấu trúc vật lý và vi sinh. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống màng vi sinh vật bao gồm: 1. Vật liệu đệm (đá sỏi, chất dẻo, than, xơ dừa… với nhiều loại kích thước và hình dạng khác nhau) cĩ bề mặt rắn làm mơi trường dính bám cho vi sinh vật. BiofilmBề mặt vật liệu đệm Màng nền Chất lỏng Màng bề mặt Khí Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 29 2. Lớp màng vi sinh vật phát triển dính bám trên bề mặt vật liệu đệm. Lớp màng vi sinh (microbial films) được chia thành hai lớp: lớp màng nền (base film) và lớp màng bề mặt (surface film). Cấu tạo của lớp màng vi sinh vật hiếu khí bao gồm những đám vi sinh vật và một số vật chất khác liên kết trong ma trận cấu tạo bởi các polymer ngoại tế bào (gelatin) do vi sinh vật (cả protozoa và vi khuẩn) sản sinh trong quá trình trao đổi chất và quá trình tiêu huỷ tế bào và do cĩ sẵn trong nước thải. Thành phần chủ yếu của các loại polymer ngoại tế bào nay là polysaccharides, proteins. Trong khi đĩ quá trình tạo màng trong điều kiện kỵ khí như sau: đầu tiên một số vi khuẩn như methane hố sẽ liên kết với giá thể theo cơ chế giống như phẩy khuẩn, sau quá trình đĩ sẽ tạo thành một lớp vi khuẩn filamentous bám dính trên bề mặt và cuối cùng hình thành một ma trận filamentous. Với cấu trúc lỗ xốp cĩ khả năng lưu giữ các vi sinh kỵ khí cĩ khả năng dính bám kém bên trong tốt hơn. Hầu hết các mơ hình tốn về hệ thống màng vi sinh vật chỉ chú ý tới lớp màng nền mà khơng quan tâm tới lớp màng bề mặt. Nhưng nhờ sự phát triển của các cơng cụ mới nhằm nghiên cứu màng vi sinh, những hình ảnh mới về các cấu trúc nội tại của lớp màng nền dần dần dược đưa ra. Phát hiện mới cho thấy màng vi sinh vật là một cấu trúc khơng đồng nhất bao gồm những cụm tế bào rời rạc bám dính với nhau trên bề mặt đệm, bên trong ma trận polymer ngoại tế bào, tồn tại những khoảng trống giữa những cụm tế bào theo chiều ngang và chiều đứng. Những khoảng trống này cĩ vai trị như những lỗ trống theo chiều đứng và như những kênh vận chuyển theo chiều ngang. Kết quả là sự phân bố sinh khối trong màng vi sinh vật khơng đồng nhất.Và quan trọng hơn là sự vận chuyển cơ chất từ chất lỏng ngồi vào màng và giữa các vùng bên trong màng khơng chỉ bị chi phối bởi sự khuếch tán đơn thuần như những quan niệm cũ. Chất lỏng cĩ thể lưu chuyển qua những lỗ rỗng bởi cả quá trình khuếch tán và thẩm thấu; quá trình thẩm thấu và khuếch tán đem vật chất tới cụm sinh khối và quá trình khuếch tán cĩ thể xảy ra theo mọi hướng trong đĩ. Do đĩ, hệ số khuếch tán hiệu quả mơ tả quá trình vận chuyển cơ chất, chất nhận điện tử (chất oxy hố)… giữa pha lỏng và màng vi sinh thay đổi theo chiều sâu của màng, và quan điểm cho rằng chỉ tồn tại một hằng số hệ số khuếch tán hiệu quả là khơng hợp lý. Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 30 3.2.2.2 Hoạt động của màng Hình 3.4: Hoạt động của màng vi sinh vật a. Quá trình tiêu thụ cơ chất làm sạch nước Lớp màng vi sinh vật phát triển trên bề mặt đệm tiêu thụ cơ chất như chất hữu cơ, oxy, nguyên tố vết (các chất vi lượng)… cần thiết cho hoạt động của vi sinh vật từ nước thải tiếp xúc với màng. Quá trình tiêu thụ cơ chất như sau: đầu tiên cơ chất từ chất lỏng tiếp xúc với bề mặt màng và tiếp đĩ chuyển vận vào màng vi sinh vật theo cơ chất khuếch tán phân tử. Trong màng vi sinh vật diễn ra quá trình tiêu thụ cơ chất và quá trình trao đổi chất của vi sinh vật trong màng. Đối với những loại cơ chất ở thể rắn, dạng lơ lửng hoặc cĩ phân tử khối lớn khơng thể khuếch tán vào màng được, chúng sẽ bị phân huỷ thành dạng cĩ phân tử khối nhỏ hơn tại bề mặt màng và sau đĩ mới tiếp tục quá trình vận chuyển và tiêu thụ trong màng vi sinh như trên. Sản phẩm cuối cùng của quá trình trao đổi được vận chuyển ra khỏi màng vào trong chất lỏng. Quá trình tiêu thụ cơ chất được mơ tả bởi cơng thức chung như sau: Màng hiếu khí: Chất hữu cơ + O2 + nguyên tố vết sinh khối vi sinh vật + sản phẩm cuối Màng kị khí: Bề mặt vật liệu đệm Acid hữu cơ H2S NO3- NO2- O2 NH4+ BOD Lớp kị khí Biofilm Nước thải Lớp hiếu khí Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 31 Chất hữu cơ + nguyên tố vết sinh khối vi sinh vật + sản phẩm cuối b. Quá trình sinh trưởng, phát triển và suy thối của màng vi sinh vật Quy luật chung trong sự phát triển của màng vi sinh vật bởi quá trình tiêu thụ cơ chất cĩ trong nước thải và làm sạch nước thải như sau: quá trình vi sinh vật phát triển bám dính trên bề mặt đệm được chia làm 3 giai đoạn: Giai đoạn thứ nhất cĩ dạng logarithm, khi màng vi sinh vật cịn mỏng và chưa bao phủ hết bề mặt rắn. Trong điều kiện này, tất cả vi sinh vật phát triển như nhau, cùng điều kiện, sự phát triển giống như quá trình vi sinh vật lơ lửng. Giai đoạn thứ hai, độ dày màng trở nên lớn hơn bề dày hiệu quả. Trong giai đoạn hai,tốc độ phát triển là hằng số, bởi vì bề dày lớp màng hiêụ quả khơng thay đổi bất chấp sự thay đổi của tồn bộ lớp màng, và tổng lượng vi sinh đang phát triển cũng khơng đổi trong suốt quá trình này. Lượng cơ chất tiêu thụ chỉ dùng để duy trì sự trao đổi chất của vi sinh vật, và khơng cĩ sự gia tăng sinh khối. Lượng cơ chất đưa vào phải đủ cho quá trình trao đổi chất, nếu khơng sẽ cĩ sự suy giảm sinh khối và lớp màng sẽ bị mỏng dần đi nhằm đạt tới cân bằng mới giữa cơ chất và sinh khối. Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 32 Hình 3.5: Chuỗi các vi sinh vật tạo thành màng vi sinh Trong giai đoạn thứ ba, bề dày lớp màng trở nên ổn định, khi đĩ tốc độ phát triển màng cân bằng với tốc độ suy giảm bởi sự phân huỷ nội bào, phân huỷ theo dây chuyền thực phẩm, hoặc bị rửa bởi lực cắt của dịng chảy. Bảng 3.2.3 cho thấy sự tích luỹ của lớp màng vi sinh vật. Trong quá trình phát triển của màng vi sinh, vi sinh vật thay đổi cả về chủng loại và số lượng (hình 3.2.3). Lúc đầu, hầu hết sinh khối là vi khuẩn, sau đĩ protozoas và tiếp đến là metazoas phát triển hình thành nên một hệ sinh thái. Protozoas và metazoas ăn màng vi sinh vật và làm giảm lượng bùn dư. Tuy nhiên, trong một điều kiện mơi trường nào đĩ, chẳng hạn điều kiện nhiệt độ nước hay chất lượng nước, metazoas phát triển quá mạnh và ăn quá nhiều màng vi sinh làm ảnh hưởng tới khả năng làm sạch nước. Nghiên cứu của Inamori cho thấy cĩ hai lồi thực dưỡng sống trong màng vi sinh vật. Một lồi ăn vi khuẩn lơ lửng thải ra chất kết dính. Kết quả là làm tăng tốc độ làm sạch nước. Lồi kia ăn vi khuẩn trong màng vi sinh và do đĩ thúc đẩy sự phân tán sinh khối. Và nếu hai lồi này cĩ sự cân bằng hợp lý thì hiệu quả khống hố chất hữu cơ và làm sạch nước sẽ cao. Thời gian, ngày metazoa So á lư ợn g bacteria algae protozoa Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 33 3.2.3 Tính chất của màng vi sinh vật 3.2.3.1 Đặc tính sinh học của màng Sinh khối trong thiết bị xử lý và sự đa dạng sinh học: Nĩi chung, sinh khối trong các thiết bị xử lý ứng dụng quá trình màng vi sinh vật tương đối lớn. Nồng độ sinh khối (giống như MLSS) khoảng 20 – 40 kg/m3 trong thiết bị tiếp xúc quay, 10 – 20 kg/m3 trong thiết bị lọc ngập nước, và 5 – 7 kg/m3 trong thiết bị lọc nhỏ giọt. Mặt khác, quá trình màng vi sinh vật sản sinh ra ít bùn dư hơn quá trình bùn hoạt tính vì chuỗi thức ăn dài hơn. Thương số của tổng chất rắn sinh học (S) và lượng bùn dư hàng ngày (DS) cho ta thời gian lưu bùn ( hay tuổi bùn AS): S SAS Δ= ; Tuổi bùn AS cho biết thời gian tồn tại của bùn trong hệ thống xử lý. Trong trạng thái tĩnh, bùn dư trong hệ thống cân bằng với lượng bùn lấy ra khỏi hệ thống. Trong hệ thống như vậy, sự thay đổi về số lượng của một loại vi sinh vật (n) trong bùn sinh học được cho bởi phương trình: n AA nn dt dn S ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −=−= S 1μμ ; Trong đĩ: m = tốc độ phát triển của vi sinh vật. t = thời gian Từ phương trình trên cho thấy, nếu m < 1/AS, n sẽ giảm theo thời gian tới khi lồi đĩ biến mất. Nĩi cách khác, đối với những lồi vi sinh vật với tốc độ phát triển nhỏ, để cĩ thể phát triển, tuổi bùn, hay thời gian lưu bùn AS phải đủ lớn. Trong quá trình màng vi sinh vật, lượng chất rắn sinh học trong thiết bị xử lý lớn, và nếu lượng bùn dư nhỏ thì AS sẽ rất lớn. Do đĩ, số lượng lồi vi sinh vật trong màng trở nên phong phú, và vi sinh vật chiếm vai trị cao hơn trong chuỗi thức ăn. Hơn nữa, một hệ sinh thái với hệ vi sinh vật đa dạng cao là một hệ thống ổn định với hiệu quả xử lý ổn định. Những lồi vi khuẩn sử dụng cơ chất đồng hố chậm hay cơ chất cĩ giá trị phát triển sinh khối thấp sẽ cĩ tốc độ phát triển nhỏ tương ứng. Như vậy, quá trình màng vi sinh vật cĩ những ưu điểm lớn trong quá trình loại bỏ những cơ chất như vậy. Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 34 3.2.3.2 Đặc tính về sự loại bỏ cơ chất Những tính chất về sự loại bỏ cơ chất trong quá trình màng vi sinh vật khác xa với quá trình vi sinh vật lơ lửng như bùn hoạt tính. Sự khác biệt chủ yếu ở 2 quan điểm: Một quan điểm cho rằng phản ứng sinh học được điều chỉnh bởi 2 yếu tố : sự khuyếch tán và sự tiêu thụ cơ chất trong màng. Quá trình khuếch tán sẽ là quá trình hạn chế tốc độ nếu bề dày màng đạt tới 1 giá trị đủ lớn. Quá trình khuếch tán là 1 quá trình hố lý, ít chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ hơn là những hoạt động sinh học như trao đổi chất hay tiêu thụ cơ chất trong quá trình màng vi sinh vật, do dĩ sự phụ thuộc của tốc độ loại bỏ cơ chất vào nhiệt độ ít hơn so với quá trình vi sinh vật lơ lửng và khả năng xử lý ổn định hơn. Quan điểm thứ 2 liên quan đến quá trình loại bỏ các hạt rắn, các hạt lơ lửng, cũng như vấn đề liên quan đến sự vận chuyển cơ chất bởi quá trình khuyếch tán. Trong quá trình xử lý dùng vi sinh vật lơ lửng, các hạt rắn và các hạt lơ lửng rất dễ hồ trộn với vi sinh vật và được tiêu thụ trao đổi chất ngay lập tức. Trong quá trình màng vi sinh vật, các chất rắn hầu như khơng thể xâm nhập vào trong màng vì hệ số khuyếch tán phân tử của cơ chất tỉ lệ nghịch với khối lượng phân tử của chúng, hệ số khuyếch tán phân tử của những hợp chất lớn với khối lượng phân tử lên đến hàng ngàn đvC nhỏ hơn nhiều so với những hợp chất cĩ khối lượng phân tử nhỏ. Các chất rắn này bị giữ lại trên bề mặt màng, và trước khi cĩ thể xâm nhập vào màng, quá trình thuỷ phân phải được diễn ra trước để bẽ gãy các phân tử lớn thành các phân tử nhỏ hơn. 3.2.3.3 Một số đặc tính khác a. Vận hành hoạt động của thiết bị xử lý Ưu điểm quan trọng nhất của qúa màng vi sinh vật so với qúa trình vi sinh vật lơ lửng là sự dễ dàng trong vận hành hệ thống xử lý .Trong việc vận hành hệ thống bùn hoạt tính ,cĩ rất nhiều những điều kiện vận hành phải duy trì như ổn định nồng độ vào, khả năng lắng của bùn, khả năng nén ép của bùn, bơng bùn cho những tình trạng thích hợp, cho hoạt động của bể lắng, nhằm điều khiển dịng nước xử lý, tuần hồn bùn và loại bỏ bùn dư….Đặc biệt, sự phát triển quá mức của vi khuẩn filamentous như Sphaelotius natans,beggiatoa…làm khả năng lắng của bùn và gây khĩ khăn cho quá trìng vận hành hệ thống .Trái lại, trong quá trình màng vi sinh vật, những điều kiện vận hành như trên hầu như khơng cần phải quan tâm tới. Trong khi bể lắng sau thiết bị xử lý bằng bùn hoạt tính cịn cĩ nhiệm vụ duy trì nồng độ bùn hoạt tính thì bể lắng sau thiết bị màng vi sinh vật chỉ cĩ tác dụng loại bỏ chất rắn sinh học - lớp màng bị bong ra trong nước thải ra khỏi thiết bị xử lý, mà khơng cĩ ảnh hưởng gì tới hoạt động của thiết bị màng vi sinh vật. Lượng bùn Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 35 dư nhỏ như đã đề cập tới ở những phần trên, do tác dụng của chuỗi thức ăn tồn tại trong quá trình màng vi sinh, cĩ tác dụng làm giảm rắc rối trong quá trình vận hành hệ thống ,và cịn làm cho hệ thống xử lý nhỏ hơn . Tuy nhiên, sự đơn giản trong vận hành dẫn tới khả năng điều chỉnh tình trạng của cơng trình sử lý trong quá trình vận hành thấp. Thí dụ, đối trong cơng trình bùn hoạt tính, nồng độ bùn trong cơng trình xử lý cĩ thể được điều chỉnh thơng qua lượng bùn tuần hồn từ bể lắng, thời gian lưu bùn cĩ thể tăng lên trong quá trình loại bỏ nitơ ,và các điều kiện vận hành cĩ thể được điều chỉnh thích hợp cho sự phát triển của vi khuẩn nitơ. Thế nhưng đối với quá trình màng vi sinh vật khơng thể điều khiển chính xác sinh khối trong hệ thống, các chủng vi sinh vật bởi vì khơng cĩ một phưong pháp hiệu quả nào được phát triển nhằm điều khiển quá trình này. Và cĩ thể nĩi rằng, những điều kiện để điều khiển vận hành hệ thống vi sinh vật duy nhất là chỉ lượng nước đầu vào và cường độ sục khí (nếu cĩ) b. Khởi động nhanh chĩng Trong quá trình bùn hoạt tính ,thời gian khởi động: khoảng thời gian cần thiết để đạt được hiệu quả ổn định, cần tối thiểu là 1 tháng, và thơng thường là 2 tháng. So sánh với quá trình màng vi sinh vật, thời gian khởi động khoảng 2 tuần đối với lọc sinh học nước và thiết bị tiếp xúc quay, và cần một thời gian hơi dài hơn đối với thiết bị lọc nhỏ giọt. Nguyên nhân làm cho thời gian khởi động của quá trình màng vi sinh vật ngắn hơn là: hầu hết sinh khối sinh ra tích luỹ lại mà khơng bị tiêu thụ sớm trong quá trình khởi động, khi màng vi sinh vật cịn mỏng. Cũng vì vậy mà việc khơi phục vận hành cũng rất nhanh ngay cả khi một lượng lớn sinh khối bị suy giảm do một ly do nào đĩ. Quá trình cũng chịu đựng sự thay đổi lớn bất thường về tải trọng hữu cơ. c. Khả năng loại bỏ những cơ chất phân huỷ chậm Cĩ thể giải thích trên hai quan điểm về khả năng loại bỏ nhưng cơ chất phân huỷ chậm của quá trình màng vi sinh vật. Những cơ chấtcĩ chứa các loại hợp chất hưu cơ như Polyvinyl Alcohol (PCA), Linear Alkylbenzene Sulfonate (LAS), ligin,các hợp chất clo hữu cơ …,hay các chất vơ cơ như nitrat,tuy cyanid,…Những hợp chất này đều là các chất cĩ thể phân huỷ sinh học, tuy nhiên tốc độ phân huỷ rất chậm, và tốc độ tăng trưởng của các loại vi sinh vật sử dụng các hợp chất đĩ làm cơ chất chính rất thấp .Thí dụ như tốc độ tăng trưởng của vi khuẩn nitơ Nitosomons chỉ bằng 1/10 tốc độ phát triển của Escherichia coli. Các loại vi sinh vật cĩ tốc độ tăng trưởng nhỏ ncĩ khả năng phát triển trong màng vi sinh vật. Vì vậy, đây là một nguyên nhân mà quá trình màng cĩ khả năng loại bỏ các loại cơ chất phân huỷ chậm. Nguyên nhân thứ hai liên quan đến tỉ lệ của bề dày màng hiệu Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 36 quả với bề dày tổng của màng. Nĩi chung, tốc độ tiêu thụ một cơ chất chậm liên quan so sánh với sự vận chuyển bởi quá trình khuếnh tán phân tử của nĩ, độ sâu nĩ cĩ thể vào trong màng vi sinh vật, tương ứng với độ sâu của lớp màng hiệu quả. Nĩi cách khác, thậm chí nếu tốc độ tiêu thụ một cơ chất nhỏ thì lượng vi sinh cần thiết sẽ lớn tương ứng, và ngược lại. Vì vậy, sự khác biệt về khả năng phân huỷ sinh học sẽ khơng ảnh hưởng trực tiếp tới tốc độ tiêu thụ của màng vi sinh vật. Vì vậy, màng vi sinh vật thích hợp để sử lý những loại nước thải cĩ chứa những cơ chất phân hửy sinh học chậm d. Khả năng chịu biến động về nhiệt độ và tải lượng ơ nhiễm Cả tốc độ khuếch tán và phản ứng sinh học đều giảm khi nhiệt độ giảm, và mức độ phụ thuộc của phản ứng sinh học quan trọng hơn sự khuếch tán. Năng lượng hoạt hố được dùng để đánh giá mức độ phụ thuộc của phản ứng sinh học vào nhiệt độ , năng lượng càng lớn, sự phụ thuộc càng cao. Năng lượng hoạt hố của khuếch tán phân tử chừng vài kcal/mol trong khi đĩ năng lượng hoạt hố của phản ứng sinh học khoảng20-30 kcal/mol. Do đĩ, ngay cả khi nhiệt độ nước thải xuống thâp tốc độ tiêu thụ cơ chất bởi màng vi sinh vật cũng khơng ảnh hưởng lớn bằng bản thân tốc độ phản ứng sinh học nội tại, với động lực phản ứng giống như đối với cơ chất phân huỷ sinh học chậm. Bởi vì tốc độ khuếch tán phân tử giảm chậm hơn nhiều tốc độ phản ứng – theo nhiệt độ. Ngược lại, khi nhiệt độ nước thải tăng, tốc độ tiêu thụ cơ chất cũng khơng tăng nhiều như phản ứng sinh học nội. Vậy hiệu quả xử lý của màng vi sinh vật ổn định, ít phụ thuộc vào sự biến thiên nhiệt độ. Tương tự như vậy, hiệu quả xử lý cũng ổn định khi tải lượng ơ nhiễm biến đổi. Khi tải lượng đầu vào tăng lên, nồng độ cơ chất trên bề mặt màng tăng tương ứng dẫn tới bề dày của lớp màng hiệu quả tăng theo. Kết quả là hiệu xuất xử lý được giữ ổn định. e. Hiệu quả cao đối với nước thải cĩ nồng độ ơ nhiễm thấp Thực nghiệm cho thấy khơng thể xử lý nước thải cĩ nồng độ BOD thấp hơn 20 mg/l bằng bùn hoạt tính, vì rất khĩ duy trì giá trị MLSS và hiệu quả xử lý. Tuy nhiên, đối với quá trình màng vi sinh vật, chỉ cần nồng độ cơ chất cao hơn giá trị cần thiết để duy trì sự trao đổi chất (giá trị rất thấp), nước thải với nồng độ cơ chất thay đổi trong khoảng rộng được xử lý hiệu quả. Hơn nữa, nước thải với nồng độ càng thấp càng dễ xử lý. f. Thiết bị xử lý đa dạng Mặc dù cĩ tên chung, hay cùng những đặc tính làm sạch nước, quá trình màng vi sinh vật cĩ sự đa dạng về thiết bị. Trong mỗi loại thiết bị lọc ngập nước, tiếp xúc quay hay lọc nhỏ giọt, hình dạng, kích thước, vật liệu, phương pháp sắp xếp bố trí vật liệu đệm cũng rất đa dạng. Mặc dù khơng cĩ sự khác biệt nhiều về diện tích bề mặt riêng (diện tích Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 37 màng/thể tích thiết bị) giữa các loại thiết bị trên, nhưng đối với thiết bị sử dụng vật liệu lơ lửng cĩ diện tích bề mặt màng lớn hơn nhiều, và tương ứng là tải trọng hữu cơ cũng lớn hơn. Hơn nữa, những loại thiết bị trên cĩ thể áp dụng được cho cả quá trình hiếu khí và kị khí, trừ thiết bị lọc nhỏ giọt. Vì vậy, quá trình màng vi sinh vật cĩ thể dùng để xử lý nhiều loại nước thải khác nhau.Cụ thể, thiết bị sử dụng vật liệu đệm dùng để lý nước thải cĩ nồng độ hữu cơ từ vài trăm tới vài nghìn mg/l vì chúng thích hợp với tải lượng cao, lọc sinh học ngập nước thiết bị tiếp xúc quay và lọc nhỏ giọt thích hợp xử lý nước thải nồng độ thấp, từ vài chục tới vài trăm mg/l, hay dùng làm thiết bị xử lý bậc hai. Quá trình màng vi sinh vật khơng những đa dạng về chủng loại, phương cách áp dụng, điều kiện vận hành như đã đề cập ở trên, mà cịn cĩ nhiều ưu điểm về cấu tạo và vận hành khác.Tuy nhiên quá trình màng vi sinh vật cịn cĩ những nhược điểm như sau: g. Khơng cĩ khả năng điều khiển sinh khối Thơng thường khơng dễ dàng để điều khiển sinh khối trong màng vi sinh vật. Hơn nữa, sự tăng bề dày màng vựơt quá một gía trị bề dày hiệu quả khơng đĩng gĩp gì vào việc sử lý ơ nhiễm, mà cịn làm giảm diện tích hiệu quả của màng vi sinh vật và thời gian lưu nước trong thiết bị xử lý. Khơng cĩ khả năng kiểm sốt được sinh khối do khơng thể kiểm sốt được thời gian lưu bùn và do đĩ cũng khơng thể kiểm sốt được các lồi vi sinh vật cĩ trong màng. Trong quá trình bùn hoạt tính để ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn nitơ hố, nhằm kìm hãm quá trình nitrat hố, thời gian lưu bùn chỉ cần rút ngắn lại. Ngược lại, để thúc đẩy quá trình nitrat hố hay phát triển protozoa và metazoa chỉ cần tăng thời gian lưu bùn bằng cách giảm lượng bùn dư lấy ra.Vì vậy hồn tồn cĩ thể điều khiển được các lồi vi sinh trong bùn. Đối với quá trình màng vi sinh vật ,sự đa dạng sinh học cao, dẫn tới chuỗi thức ăn được kéo dài và làm giảm lượng bùn dư. Khơng cĩ phương pháp nào được phát triển để kiểm sốt lượng vi sinh trong màng, và do đĩ, sự phát triển quá mức của một số vi sinh vật cỡ lớn như Daphnia hay Nais sẽ xâm chiếm bậc cao trong chuỗi thức ăn và làm giảm khả năng xử lý của hệ thống vì chúng ăn một lượng lớn các vi sinh khác và sản sinh ra các sản phẩm bền, khĩ lắng trong nước đầu ra. Do vậy, quá trình màng vi sinh vật cĩ rất ít các yếu tố điều khiển, cĩ nghĩa là dễ vận hành, nhưng cũng khĩ để vận hành trong một điều kiện tốt. h. Tốc độ làm sạch bị hạn chế bởi quá trình khuyếch tán Trong quá trình màng vi sinh vật, các yếu tố điều khiển quá trình làm sạch nước là sự vận chuyển cơ chất và oxy vaị màng vi sinh vật và tốc độ phản ứng sinh học của vi sinh. Trong đa số trường hợp, sự vận chuyển cơ chất bởi quá trình khuếch tán trở thành yếu tố Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 38 hạn chế tốc độ phản ứng (sự hạn chế khuếch tán), nồng độ cơ chất trở thành yếu tố điều khiển phản ứng làm sạch. Màng vi sinh vật càng dày, nồng độ oxy trong nước thải càng cao thì tốc độ phản ứng càng cao. Nồng độ oxy hồ tan phải được duy trì cao trong nước thải trong thiết bị lọc sinh học, do đĩ năng lượng sục khí cũng phải cao tương ứng. Do đĩ, để hạn chế ảnh hưởng của quá trình khuếch tán, diện tích màng vi sinh phải đủ lớn, tương ứng với lượng sinh khối đủ lớn. Như vậy cần phải sử dụng vật liệu lọc cĩ diện tích bề mặt riêng lớn. Thêm vào đĩ vận tốc nước chảy trên bề mặt màng phải đủ lớn để duy trì bề dày lớp màng đủ nhỏ để tăng cường khả năng khuếch tán của cơ chất và oxy vào trong lớp màng, tương ứng với năng lượng để bơm nước tiêu tốn hơn. Hơn nữa, cần phải thiết kế thiết bị xử lý sao cho vận tốc nước chảy đều mọi nơi trong khối vật liệu đệm. Với những thuận lợi như trên việc ứng dụng phương pháp xủ lý bằng màng sinh vật vào quá trình xử lý nước thải chăn nuơi là rất phù hợp. 3.3 Ảnh hưởng của amonia trong quá trình lọc kị khí Trong nước thải chăn nuơi, hàm lượng NH3 khá cao, cụ thể ở trại heo Xuân Thọ III, từ 300-400 mg/l. Amonia được sinh ra trong suốt quá trình phân huỷ kị khí các hợp chất hữu cơ chứa N như protein, acid amin. Đồng thời một lượng amonia được vi khuẩn sử dụng trực tiếp để tổng hợp tế bào và tăng sinh khối. Sự chuyển đổi giữa NH4+ và NH3 thể hiện trong phương trình sau: NH4+ ⇔ NH3 + H+ , pKa = 9.27 ở 35o C Khi pH tăng lên, cân bằng dịch chuyển về bên phải, NH3 tăng lên Cũng như acid béo bay hơi, amonia cịn tạo nên khả năng đệm cho nước vì chúng là các acid yếu và baz yếu. Do đĩ ta cĩ mối quan hệ giữa độ kiềm và acid béo bay hơi như sau: Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 39 S T ` Hình 3.6: Cân bằng acid – baz và khả năng đệm của quá trình biến đổi kị khí Điều này làm thay đổi pH của nước. Đây là cơ sở để giải thích các kết quả thí nghiệm ở chương sau 3.4. Động học phản ứng trong quá trình lọc sinh học kị khí Mơ hình động học hình thức: Khơng quan tâm đến bùn ở dạng màng sinh học hay bùn hoạt tính. Đơn thuần xem phản ứng phân huỷ cơ chất như như một phản ứng hố học cĩ vận tốc phản ứng như sau: r = - m V dt dS = kSn Cơng thức trên đúng khi S >> E cĩ nghĩa là cơng thức chỉ sử dụng được cho khoảng thời gian đầu của quá trình xử lý. Trong đĩ: S: Nồng độ cơ chất tham gia phản ứng E: Nồng độ của men vi sinh V: Thể tích nước trong mơ hình m: Khối lượng vật liệu lọc trong mơ hình n: Bậc phản ứng k: Hằng số tốc độ phản ứng CHONS Chất hữu cơ RCOOH Acid béo bay hơi CO2, H2O, NH3, H2S H2CO3 ⇔ NH4+ + HCO3- RCOO- + NH4+ + H2O + CO2 Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 40 t ln 0S S V m k t k m V S 1 9 n = 1 Phương trình vận tốc trở thành: r = - m V dt dS = kS Lấy tích phân 2 vế: - m V ∫ S dS = ∫kdt ⇔ - m V lnS = kt + C Điều kiện biên: t = 0, S = S0 ⇒ C = - m V lnS0 Suy ra: - m V lnS = kt - m V lnS0 ln 0S S = V m kt Từ thực nghiệm, ta xác định được S(t), vẽ đồ thị ln 0S S theo t, suy ra hệ số gĩc V m k. Từ đây, tính được k 9 n = 2: Phương trình vận tốc trở thành: r = - m V dt dS = kS2 Tích phân 2 vế: - m V ∫ 2S dS = ∫kdt ⇔ m V S 1 = kt + C Điều kiện biên: t = 0, S = S0, được C = m V 0 1 S Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 41 Suy ra m V S 1 = kt + m V 0 1 S Vẽ đồ thị với trục hồnh là t, trục tung là m V S 1 , suy ra được hệ số gĩc k. 9 Với phản ứng bậc n r = - m V dt dS = kSn - m V ∫ nS dS = ∫kdt ⇔ - m V n−1 1 S1-n = kt +C Điều kiện biên: t = 0, S = S0, ta được C = - m V n−1 1 S01-n Suy ra: - m V n−1 1 S1-n = kt - m V n−1 1 S01-n m V 1 1 −n S 1-n = kt + m V 1 1 −n nS S 0 0 m V 1 1 −n S 1-n = n n Snm VSnmktS 0 00 )1( )1( − +− VS1-n = [ ] nn SSVnmktS 0010 )1( +−− VS1-n = [ ] nn SVnmktS −− +− 1010 )1( S = S 0 1 1 1 0 )1( − − ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +− nn V VnmktS Chương 3 Cơ sở lý thuyết của quá trình lọc sinh học kị khí 42 0S S = 1 1 1 0 )1( − − ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +− nn V VnmktS Độ chuyển hố cơ chất X = 0 0 S SS − Thay vào trên ta được: (1-X) n−1 = V nmktSV n )1(10 −− − ⇒ kt = [ ] )1( )1(1 110 nm XVS nn − −− −− Để xác định bậc phản ứng n, ta tiến hành đo nồng độ cơ chất theo thời gian để cĩ S0 , S(t1) , S(t2). Trong đĩ phải thỗ điều kiện vi sinh vật ở thời điểm t1, t2 đang nằm trong pha log, để phù hợp với điểu kiện của phương trình là S >> E. Lập tỉ lệ: 2 1 kt kt = [ ][ ]nn nn XS XS −− −− −− −− 1 2 1 0 1 1 1 0 )1(1 )1(1 ⇔ 2 1 t t = [ ][ ]n n X X − − −− −− 1 2 1 1 )1(1 )1(1 Cĩ t1, t2 và X1, X2 ta suy ra được bậc phản ứng n. Từ đĩ tính được k bằng cơng thức: k = [ ] tnm XVS nn )1( )1(1 110 − −− −− Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 43 4.1 Sơ lược nội dung và phương pháp nghiên cứu Nước thải sau bể biogas được lấy về. Để lắng 2 giờ để loại bỏ cặn lơ lửng dễ lắng. ¾ Xác định thành phần tính chất nước thải sau lắng. ¾ Tiến hành chạy trên mơ hình thí nghiệm lọc sinh học kị khí tĩnh. - Xác định khả năng xử lý đối với nước thải chăn nuơi sau bể biogas. - Xác định đặc tính xử lý theo thời gian của mơ hình thí nghiệm. - Xác định các thơng số động học ¾ Tiến hành chạy trên mơ hình thí nghiêm lọc sinh học kị khí động. - Xác định hiệu quả xử lý ứng với các thời gian lưu nước khác nhau. Từ đĩ chọn ra thời gian lưu nước tốt nhất. - Xác định tải trọng tối ưu ứng với thời gian lưu nước tốt nhất Từ các kết quả thu được, ứng dụng các lý thuyết đã biết để giải thích và rút ra kết luận. Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 44 4.2 Xác định thành phần tính chất nước thải Bảng 4.1: Thành phần tính chất nước thải sau lắng Chỉ tiêu Kết quả phân tích Đơn vị pH 7.23 - 8.07 COD 1300 - 1700 mg/l BOD5 845 - 1190 mg/l SS 200 - 400 mg/l N-NH3 304 - 471 mg/l N-tổng 512 - 594 mg/l P-tổng 13.8 - 62 mg/l 4.3 Mơ hình thí nghiệm và nguyên tắc hoạt động 4.3.1 Mơ hình thí nghiệm Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 45 Hình 4.1: Mơ hình lọc kị khí tĩnh Hình 4.2: Mơ hình lọc kị khí động Bơm định lượng Nước ra Lớp vật liệu lọc sơ dừa Nước vào Van xả đáy Van lấy nước Van xả đáy Bơm Lớp vật liệu lọc sơ dừa Van lấy mẫu Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 46 Mơ hình tĩnh và động được làm từ các bình nhựa trong, cĩ kích thước: • Đường kính: 330 mm • Chiều cao bình: 450 mm • Thể tích bình: 20 lít Các thơng số ban đầu của mơ hình lọc kị khí tĩnh và động: • Vật liệu lọc: sơ dừa, dạng sợi • Đăc tính của sơ dừa: 9 Đường kính một sợi: 0.435 mm 9 Khối lượng riêng của sơ dừa đã nén chặt: 234.3 kg/m3 • Tổng chiều cao lớp lọc sơ dừa: 350 mm • Tổng thể tích sơ dừa trong nước: 4 lít • Khối lượng sơ dừa: 1kg • Tổng thể tích chứa nước: 14 lít. • Tổng thể tích sơ dừa và nước trong mơ hình: 18 lít 4.3.2 Nguyên tắc hoạt động 9 Mơ hình lọc kị khí tĩnh: Ban đầu nước thải được bơm vào mơ hình thơng qua van xả đáy. Sau đĩ nước được bơm tuần hồn từ đỉnh xuống đáy mơ hình trong suốt thời gian khảo sát. Khi hiệu quả xử lý đạt mức ổn định, nước được tháo ra ngồi qua van xả đáy. Tại vị trí van lấy mẫu, tiến hành lấy mẫu phân tích. 9 Mơ hình lọc kị khí động: Nước được bơm xuống đáy mơ hình thơng qua bơm định lượng. Khi hết thời gian lưu nước trong mơ hình, nước tràn ra ngồi theo van lấy nước. Tiến hành lấy mẫu đầu vào hệ thống ngay tại vị trí đầu ra của bơm, và đầu ra hệ thống ngay tại vị trí van lấy nước. 4.4 Phương pháp thí nghiệm 4.4.1 Thí nghiệm trên mơ hình tĩnh 9 Giai đoạn thích nghi Mục đích là tạo ra lớp màng vi sinh dính bám lên lớp vật liệu lọc để xử lý nước thải. Giai đoạn thích nghi bắt đầu với nồng độ COD = 600mg/l. Nước thải được bơm tuần hồn trong suốt thời gian thích nghi.Để đẩy nhanh quá trình thích nghi, thúc đẩy quá Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 47 trình hình thành màng vi sinh dính bám lên sơ dừa, tiến hành bổ sung bùn lấy từ hệ thống phân huỷ khị khí. Bùn lấy về, rây qua lưới lọc, loại bỏ rác và sạn sau đĩ cho vào mơ hình sao cho hàm lượng VSS ban đầu là 10-12g VSS/1 lít nước thải. Giai đoạn thích nghi kết thúc khi hiệu quả xử lý ổn định và hình thành lớp màng vi sinh dính bám trên sơ dừa. Giai đoạn thích nghi của mơ hình thí nghiệm kéo dài trong 2 tuần, 1 tuần cho 1 lần thay nước với nồng độ COD = 600 mg/l. Trong giai đoạn thích nghi, tiến hành đo các chỉ tiêu COD, pH. 9 Giai đoạn tăng nồng độ Sau khi thích nghi, tiến hành tăng nồng độ và theo dõi hiệu quả xử lý ở các nồng độ COD = 600 mg/l , 1200 mg/l, 1500 mg/l. Thời gian theo dõi là 2 ngày. Mỗi nồng độ chạy trong 2 tuần. Cuối mỗi nồng độ, tiến hành theo dõi đặc tính xử lý của mơ hình theo thời gian. Ở mỗi nồng độ, tiến hành phân tích các chỉ tiêu COD, BOD5, pH, N-NH3 ,PO43-, N tổng. Nhưng do điều kiện thí nghiệm khơng cho phép để thực hiện phân tích các chỉ tiêu BOD5 ,PO43-, N tổng một cách thường xuyên nên các thơng số kiểm sốt thường xuyên cho cả mơ hình tĩnh và động là COD, N-NH3, pH. 4.4.2 Thí nghiệm trên mơ hình động 9 Giai đoạn thích nghi: Tương tự như mơ hình tĩnh. Nước thải được bơm tuần hồn trong suốt quá trình thích nghi bằng bơm định lượng với lưu lượng 28.8 lít/ngày đến khi hình thành lớp màng vi sinh và hiệu quả xử lý ổn định. 9 Giai đoạn ổn định: Tiến hành khảo sát hiệu quả xử lý của mơ hình ở các thời gian lưu nước khác nhau, theo thứ tự giảm dần thời gian lưu: HRT = 24giờ, 12giờ, 8giờ và 4 giờ. Với HRT = 24 giờ, tiến hành tăng dần nồng độ đến khi đạt được nồng độ thực COD = 1500 mg/l và hiệu quả xử lý ổn định thì giảm dần thời gian lưu nước. Trong quá trình thí nghiệm, thực hiện phân tích thường xuyên các chỉ tiêu: COD, pH, NH3. 4.5 Kết quả thí nghiệm và thảo luận 4.5.1 Mơ hình tĩnh 4.5.1.1 Theo dõi hiệu quả xử lý ứng với các nồng độ COD khác nhau Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 48 H N - N H 3 (% ) -9 .3 17 .2 15 .1 18 .0 -6 .8 -1 9. 4 15 .9 - 4 .7 10 .1 39 .3 16 .9 -3 .7 -1 0. 8 22 .8 12 .1 11 .7 -1 5. 6 12 .8 8. 7 8. 9 2. 6 N -N H 3r m g/ l (H RT = 2 ng ày ) 22 3. 0 21 3. 0 26 0. 5 17 4. 0 18 9. 0 28 9. 0 22 4. 5 32 6. 0 32 0. 0 25 3. 0 24 7. 0 32 0. 0 21 0. 0 23 7. 0 29 1. 0 32 1. 0 36 7. 0 34 4. 5 39 6. 0 36 4. 0 35 2. 0 N -N H 3v m g/ l 2 04 .0 25 8. 0 30 7. 0 21 2. 5 11 7. 0 24 2. 0 20 9. 0 31 1. 5 35 6. 0 27 9. 0 29 8. 0 34 9. 0 19 0. 0 30 7. 0 32 7. 5 36 3. 5 31 7. 5 39 5. 0 43 3. 5 39 9. 5 36 1. 5 pH r (H RT = 2 ng ày ) 7. 85 7. 88 7. 48 7. 66 7. 58 7. 86 7. 68 7. 94 7. 84 7. 73 7. 73 8. 10 7. 75 7. 51 7. 70 7. 51 7. 68 7. 57 7. 68 7. 93 7. 64 pH r (H RT = 1 ng ày ) 7. 84 7. 65 7. 58 7. 58 7. 84 7. 65 7. 45 7. 84 8. 06 8. 02 7. 85 8. 09 7. 89 7. 30 7. 61 7. 55 7. 60 7. 60 7. 52 7. 87 7. 57 pH V 7. 77 7. 38 7. 62 7. 52 7. 21 7. 74 7. 42 7. 81 7. 57 7. 68 7. 92 7. 59 7. 57 7. 42 7. 52 7. 30 7. 62 7. 73 7. 41 7. 82 7. 62 H C O D (% ) (H RT = 2 ng ày ) 29 .5 40 .3 68 .0 68 .1 65 .9 67 .1 68 .9 68 .0 69 .6 69 .7 71 .3 78 .5 71 .4 70 .3 63 .7 67 .0 67 .5 67 .8 68 .5 70 .0 67 .8 H C O D (% ) (H RT = 1 ng ày ) 15 .7 34 .2 66 .0 66 .3 65 .9 67 .1 68 .9 68 .0 65 .0 68 .2 62 .7 78 .5 71 .4 70 .3 64 .0 62 .0 65 .0 66 .9 66 .1 68 .1 67 .8 C O D r (H RT = 2 ng ày ) 47 0 39 8 19 2 20 8 25 0 22 4 20 4 33 9 34 3 34 0 31 5 20 6 32 4 30 2 52 3 50 4 52 0 47 6 48 3 44 5 50 2 C O D r (H RT = 1 ng ày ) 56 2 43 9 20 4 22 0 25 0 23 8 20 4 33 9 39 5 35 7 40 9 20 6 32 4 30 2 51 8 58 0 56 0 49 0 52 0 47 4 50 2 C O D v 66 7 66 7 60 0 65 2 73 3 68 0 65 5 10 59 11 29 11 23 10 97 96 0 11 34 10 18 14 40 15 27 16 00 14 80 15 32 14 84 15 57 B ản g 4. 2: K ết q uả c hạ y m ơ hì nh tĩ nh ở c ác n ồn g độ C O D k há c nh au C O D = 60 0 m g/ l C O D = 10 00 m g/ l C O D = 15 00 m g/ l Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 49 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 C O D (m g/ l) COD vào COD ra (HRT=1 ngày) COD ra (HRT=2 ngày) 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 C O D (m g/ l) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 H iệ u qu ả xử lý (% ) COD vào Hiệu quả xử lý (HRT=1 ngày) Hiệu quả xử lý (HRT=2 ngày) HRT: thời gian lưu nước. Đồ thị 4.1: Sự biến đổi COD ở các nồng độ khác nhau Đồ thị 4.2: Hiệu quả xử lý COD ở các nồng độ khác nhau Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 50 0 100 200 300 400 500 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 N -N H 3 ( m g/ l) N-NH3 vào N-NH3 ra (HRT=2 ngày) 0 100 200 300 400 500 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 N -N H 3 (m g/ l) -30 -20 -10 0 10 20 30 H iệ u qu ả xử lý (% ) N-NH3 vào Hiệu quả xử lý (%) Đồ thị 4.3: Sự biến đổi N-NH3 ở các nồng độ khác nhau Đồ thị 4.4: Hiệu quả xử lý N-NH3 ở các nồng độ khác nhau Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 51 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 pH pH vào pH ra (HRT=2ngày) Đồ thị 4.5: Sự biến đổi pH ở các nồng độ COD khác nhau Nhận xét: Trong giai đoạn thích nghi ban đầu, tại COD = 600 mg/l, hiệu quả xử lý COD sau 1 ngày lưu nước chỉ đạt 15-34%, sau 2 ngày lưu nước chỉ đạt 35-40%. Hiệu quả xử lý thấp do vi sinh vật chưa thích nghi và chưa dính bám tốt. Sau giai đoạn thích nghi, hiệu quả xử lý tăng lên và đạt ổn định . 9 Tại nồng độ COD = 600 mg/l, hiệu quả xử lý COD sau 1 ngày lưu nước 1 khoảng 65-69%, sau 2 ngày lưu nước khoảng 65-68%. 9 Tại nồng độ COD = 1000 mg/l, hiệu quả xử lý COD sau 1 ngày lưu nước khoảng 65-71%, sau 2 ngày lưu nước khoảng 68%-71%. 9 Tại nồng độ COD = 1500 mg/l, hiệu quả xử lý COD sau 1 ngày lưu nước: 64-67%, sau 2 ngày lưu nước: 66-68%. Nhìn trên đồ thị, ta thấy rõ sự ổn định về hiệu suất xử lý khi tăng COD từ 600 mg/l lên 1000 mg/l và 1500 mg/l. Hiệu quả xử lý COD ở cả 3 nồng độ khá cao 65-70% (sau khi đã qua 1 bậc xử lý kị khí trong bể biogas). Ở mỗi nồng độ, khơng cĩ sự khác biệt đáng kể về hiệu xuất xử lý COD sau 1 ngày lưu nước và 2 ngày lưu nước. Điều này cĩ thể giải thích do nước thải chăn nuơi là loại nước thải dễ phân hủy sinh học; hơn nữa, sau khi qua bể biogas, một phần các chất hữu cơ đã bị phân hủy, những chất khĩ phân huỷ cũng đã được vi khuẩn thuỷ phân, lên men và vi khuẩn acid hố chuyển thành các hợp chất đơn giản, dễ phân Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 52 hủy, thuận lợi cho hoạt động phân huỷ của hệ vi sinh kị khí trong quá trình lọc kị khí. Do đĩ tốc độ methane hố trong quá trình lọc kị khí xãy ra nhanh hơn, hiệu quả xử lý ở các nồng độ khá cao và ổn định sau thời gian xử lý là 1 ngày. Vậy ta cĩ thể chọn thời gian lưu nước là 1 ngày. pH tăng ít từ 0.03 đến 0.3 đơn vị. N-NH3 ứng với thời gian lưu nước 2 ngày biến động (tăng hoặc giảm) 20-40 mg/l. Sự biến động này là do ảnh hưởng của NH3 sinh ra trong quá trình kị khí và NH3 do vi khuẩn sử dụng để tổng hợp tế bào. 4.5.1.2.Theo dõi sự biến đổi các thơng số theo thời gian ứng với các nồng độ COD khác nhau a. Nồng độ COD = 600 mg/l Bảng 4.3: Sự biến đổi các thơng số theo thời gian tại COD = 600 mg/l Giờ COD (mg/l) Hiệu quả xử lý HCOD (%) pH N-NH3 (mg/l) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 776 565 426 353 311 345 334 353 338 310 296 310 310 268 240 240 240 240 240 0 27.2 45.1 54.5 59.9 55.5 57.0 54.5 56.4 60.1 60.1 65.5 69.1 69.1 69.1 69.1 69.1 69.1 69.1 7.98 - 7.71 - 7.77 - 8.00 - 8.07 - 7.95 - 7.98 - 8.08 - 8.04 - 8.07 250 - 275 - 263 - 242 - 225 - 210 - 222 - 231 - 216 - 222 Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 53 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Giờ C O D (m g/ l) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 H iệ u qu ả xử lý (% ) COD Hiệu quả xử lý pH 6.00 6.50 7.00 7.50 8.00 8.50 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Giờ Đồ thị 4.6: Sự biến đổi COD theo thời gian tại nồng độ 600mg/l Đồ thị 4.7: Sự biến đổi pH theo thời gian tại nồng độ COD = 600 mg/l Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 54 0 50 100 150 200 250 300 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Giờ N -N H 3 (m g/ l) N-NH3 Đồ thị 4.8: Sự biến đổi N-NH3 theo thời gian tại nồng độ COD = 600 mg/l Nhận xét: Hiệu quả xử lý COD khá cao, gần 70%. Trong 4 giờ đầu, COD giảm nhanh từ 776 mg/l xuống cịn 311 mg/l, hiệu quả xử lý đạt 60%. Sau đĩ, COD giảm chậm hơn ở các giờ tiếp theo. Sau 14 giờ lưu nước, COD chỉ cịn 240 mg/l, ứng với hiệu suất xử lý là 69% và đạt ổn định ở các giờ cịn lại. Trong 4 giờ đầu pH giảm đồng thời COD cũng giảm. pH đầu vào là 7.98, pH sau 4 giờ lưu nước giảm cịn 7.77 (giảm 0.2 đơn vị), sau đĩ pH tăng lên và dao động nhẹ xung quanh giá trị pH = 8. N-NH3 trong vài giờ đầu tăng 10 – 20 mg/l, sau đĩ giảm dần ở thời gian tiếp theo. Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 55 b. Nồng độ COD = 1000 mg/l Bảng 4.4: Sự biến đổi các thơng số theo thời gian tại COD = 1000 mg/l 0 200 400 600 800 1000 1200 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Giờ C O D (m g/ l) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 H iệ u qu ả xử lý (% ) COD Hiệu quả xử lý (%) Đồ thị 4.9: Sự biến đổi COD theo thời gian tại nồng độ 1000mg/l Giờ COD (mg/l) Hiệu quả xử lý HCOD (%) pH N-NH3 (mg/l) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 1017 870 732 514 423 440 294 321 294 283 294 0 14.5 28.0 49.5 58.4 56.7 71.1 68.4 71.1 72.2 71.1 7.68 7.35 7.50 7.58 7.77 7.78 7.82 7.80 7.75 7.84 7.76 307 322 337.5 324 308 288 292 282 287.5 290 297 Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 56 6.0 6.3 6.6 6.9 7.2 7.5 7.8 8.1 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Giờ pH 100 150 200 250 300 350 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Giờ N -N H 3 ( m g/ l) Đồ thị 4.10: Sự biến đổi pH theo thời gian tại nồng độ COD = 1000 mg/l Đồ thị 4.11: Sự biến đổi N-NH3 theo thời gian tại nồng độ COD = 1000 mg/l Nhận xét: Trong trường hợp COD = 1000 mg/l, COD giảm từ 1017 mg/l xuống cịn 294 mg/l sau 12 giờ lưu nước, và đạt hiệu quả xử lý 71%. COD giảm nhanh trong 6 giờ đầu, sau 6 giờ lưu COD chỉ cịn 514 mg/l, hiệu quả xử lý cơ chất đạt 50%. Sau đĩ COD giảm chậm hơn trong các giờ kế tiếp và đạt ổn định với hiệu suất khử COD 71-72% Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 57 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Giờ C O D (m g/ l) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 H iệ u qu ả xử lý (% ) COD Hiệu quả xử lý Tương tự như tại COD = 600 mg/l, ở COD = 1000 mg/l, pH cũng giảm trong vài giờ đầu. pH đầu vào là 7.68 nhưng sau 2 giờ giảm cịn 7.35 (giảm 0.33 đơn vị). Sau đĩ pH tăng chậm, pH sau 10 giờ lưu là 7.78, và dao động nhẹ 0.04-0.06 đơn vị trong các giờ tiếp theo. N-NH3 tăng ở 4 giờ đầu, từ 307 mg/l lên 337 mg/l sau 4 giờ lưu (tăng 30 mg/l). Sau đĩ NH3 giảm chậm, sau 10 giờ lưu cịn 288 mg/l. a. Nồng độ COD = 1500 mg/l: Bảng 4.5: Sự biến đổi các thơng số theo thời gian tại COD = 1500 mg/l Đồ thị 4.12: Sự biến đổi COD theo thời gian tại nồng độ 1500mg/l Giờ COD (mg/l) Hiệu quả xử lý HCOD (%) pH N-NH3 (mg/l) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 1533 1220 992 824 757 642 593 642 513 513 542 0 20.4 35.3 46.2 50.6 58.1 61.3 58.1 66.5 66.5 64.6 7.92 7.58 7.48 7.66 7.67 7.80 7.82 7.80 7.90 7.79 7.86 395 421 425 434 426 414 419 406 404 409 407 Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 58 6 6.5 7 7.5 8 8.5 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Giờ pH 200 250 300 350 400 450 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Giờ N -N H 3 ( m g/ l) Đồ thị 4.13: Sự biến đổi pH theo thời gian tại nồng độ COD = 1500 mg/l Đồ thị 4.14: Sự biến đổi N-NH3 theo thời gian tại nồng độ COD = 1500 mg/l Nhận xét: Trong trường hợp COD = 1500 mg/l, hiệu quả xử lý COD đạt 66.5% sau 18 giờ lưu nước; thấp hơn so với tại nồng độ 600 mg/l và 1000 mg/l trong cùng thời gian. COD giảm nhanh trong 10 giờ đầu, COD vào = 1533 mg/l, sau 10 giờ lưu hiệu quả xử lý đạt 58% ứng với COD = 642 mg/l. Tương tự như ở COD = 600 mg/l và COD = 1000 mg/l, sau thời gian đầu giảm nhanh, COD giảm chậm hơn ở các giờ kế tiếp và đạt ổn định với hiệu quả xử lý 66.5%. Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 59 pH vào = 7.92, sau 4 giờ giảm cịn 7.48 (giảm 0.44 đơn vị), sau đĩ tăng chậm 0.2- 0.4 đơn vị. Sau 20 giờ pH là 7.86 NH3 tăng dần trong 6 giờ đầu, NH3 đầu vào = 395 mg/l, sau 6 giờ là 434 mg/l (tăng 39 mg/l). Sau đĩ giảm dần và dao động nhẹ trong khoảng 404-409 mg/l. Sau 20 giờ NH3 khơng giảm mà cịn tăng 12 mg/l so với đầu vào. Kết luận: Hiệu quả xử lý COD ở cả 3 nồng độ khá cao 66-70% sau thời gian 20 giờ lưu nước. Nhìn chung, COD giảm nhanh trong vài giờ đầu ứng với sinh trưởng của vi sinh vật đang nằm trong pha log, sau đĩ giảm chậm ở các giờ tiếp theo và dần ổn định. 9 Tại COD = 600 mg/l, COD giảm nhanh trong 4 giờ đầu với hiệu suất xử lý COD là 60% 9 Tại COD = 1000 mg/l, COD giảm nhanh trong 8 giờ đầu với hiệu suất xử lý COD là 58% 9 Tại COD = 1500 mg/l, COD giảm nhanh trong 10 giờ đầu với hiệu suất xử lý COD là 58% Ta thấy rõ, hàm lượng chất hữu cơ càng cao, thời gian phân huỷ càng dài Trong 3 trường hợp, ta thấy cĩ sự tương tự nhau: pH giảm trong vài giờ đầu, đồng thời COD cũng giảm đáng kể. Điều này cĩ thể giải thích do: Trong thành phần nước thải sau quá trình biogas vẫn cịn chứa 1 số chất hữu cơ ở dạng phức tạp, chưa được phân huỷ như cellulose, protit, chất béo…;ở pH = 7-8, vi khuẩn acid hố hoạt động, song song đĩ, vi khuẩn methane hố cũng hoạt động. Vi khuẩn acid hố hoạt động chuyển hố các hợp chất này thành các acid acetic, propionic, butyric… làm giảm pH của nước, vi khuẩn methane hố hoạt động chuyển hố các acid này thành CH4 và CO2 làm giảm COD trong nước. Ứng với COD càng cao, pH giảm càng nhiều vì lượng acid sinh ra nhiều hơn so với ở COD thấp. pH sau đĩ tăng chậm lên do quá trình giải phĩng độ kiềm bicarbonate HCO- ;đồng thời do trong quá trình vi sinh vật sử dụng cơ chất để tổng hợp tế bào, đã lấy đi H+ trong nước. Trong các trường hợp trên, NH3 tăng trong vài giờ đầu do quá trình do quá trình phân huỷ các chợp chất hữu cơ chứa N như protein, acid amin sinh ra NH3 tự do, sau đĩ giảm ở các giờ tiếp theo do vi khuẩn sử dụng để tổng hợp tế bào và 1 phần NH3 thốt ra ngồi mơ hình. Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 60 Trong quá trình lọc kị khí, hiệu quả xử lý N-NH3 khơng đáng kể. Ở nồng độ càng cao, hiệu quả xử lý N-NH3 càng kém. kết quả theo dõi ở COD = 1500 mg/l cho thấy NH3 tăng 12 mg/l sau 20 giờ lưu nước. 4.5.2 Mơ hình động Bảng 4.6: Kết quả chạy mơ hình động Thời gian lưu nước HRT CODv (mg/l) CODr (mg/l) Tải trọng ( kgCOD/ m3.ngày) Hiệu quả xử lý (%) pHv pHr COD = 600 mg/l 600 600 733 655 667 565 847 204 192 218 209 215 164 320 0.34 0.34 0.42 0.37 0.38 0.32 0.48 66.0 68.0 70.3 68.1 67.8 71.0 62.2 7.85 7.49 7.71 7.56 7.62 7.52 7.58 7.82 7.47 7.68 7.75 7.68 7.71 7.76 COD =1000 mg/l 1059 988 1091 1018 988 988 1129 305 320 22 284 273 301 400 0.61 0.56 0.62 0.58 0.56 0.56 0.65 71.2 67.6 76.0 72.1 72.4 69.5 64.6 7.75 7.79 7.81 7.73 7.66 7.53 7.62 7.91 7.78 7.53 7.61 7.84 7.91 7.84 HRT = 24 giờ COD =1200 mg/l 1200 1200 1200 1200 1200 1167 381 381 438 329 351 329 0.69 0.69 0.69 0.69 0.69 0.67 68.3 68.3 63.5 72.6 70.8 71.8 7.73 7.87 8.01 7.69 8.03 7.64 7.93 8.03 7.71 7.67 8.08 7.75 Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 61 COD = 1500 mg/l 1509 1371 1645 1571 1440 1400 357 425 494 494 520 466 0.86 0.78 0.94 0.90 0.82 0.80 76.3 69.0 70.0 68.6 63.9 66.7 7.52 7.67 8.07 7.80 7.60 7.75 7.75 7.90 8.32 8.08 7.71 7.73 HRT = 12 giờ COD = 1500 mg/l 1577 1600 1509 1645 1518 773 747 600 690 686 3.24 3.29 3.10 3.38 3.12 51.0 53.3 60.2 58.1 54.8 8.03 7.85 7.79 7.81 8.02 7.94 7.71 8.03 8.11 8.07 HRT = 8 giờ COD = 1500 mg/l 1600 1600 1533 1570 1545 1133 1000 933 800 757 5.49 5.49 5.26 5.38 5.30 29.2 37.5 39.1 49.0 51.0 7.39 7.53 7.36 7.60 7.57 782 7.71 7.78 7.46 7.59 HRT = 4 giờ COD = 1500 mg/l 1545 1564 1628 1600 1600 1600 1220 1145 1256 1218 1064 1064 10.59 10.72 11.16 10.97 10.97 10.97 21.0 26.8 22.9 23.9 33.5 33.5 7.53 7.67 7.45 7.83 7.72 7.71 7.41 7.60 7.53 7.61 7.63 7.64 Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 62 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1112 13 1415 1617 1819 2021 2223 2425 26 Ngày C O D (m g/ l) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 H iệ u qu ả xử lý (% ) COD vào COD ra Hiệu quả xử lý 6.0 6.3 6.6 6.9 7.2 7.5 7.8 8.1 8.4 8.7 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 Ngày pH pH vào pH ra a. Thời gian lưu nước HRT = 24 giờ Đồ thị 4.15: Sự biến đổi COD ứng với thời gian lưu nước 24 giờ Đồ thị 4.16: Sự biến đổi pH ứng với thời gian lưu nước 24 giờ Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 63 Nhận xét: Ứng với thời gian lưu nước HRT = 24 giờ, hiệu quả xử lý ổn định ở các nồng độ COD khác nhau. Hiệu quả xử lý khá cao, 70%. Kết quả này tương tự như kết quả thu được trong mơ hình tĩnh khi khảo sát ở thời gian lưu nước 1 ngày. Hiệu quả xử lý cao và ổn định tại các nồng độ khác nhau cĩ thể được giải thích do: bản thân nước thải chăn nuơi sau hệ thống biogas cĩ tính chất dễ phân huỷ sinh học; đồng thời đối với tải trọng hữu cơ thấp (từ 0.3 – 1.5 kgCOD/m3.ngày) ứng với thời gian lưu nước dài (24 giờ) và lưu lượng nhỏ (0.58 lit/giờ), thì vận tốc nước chảy qua màng chậm, tăng cường khả năng tiếp xúc giữa màng vi sinh với nước thải , do đĩ tăng cường khả năng khuyếch tán và hấp phụ cơ chất vào màng, kết quả là nước thải được làm sạch hơn. Nhìn trên đồ thị ta thấy rõ sự ổn định hiệu suất xử lý khi tăng nồng độ từ 600 lên 1500 mg/l ứng với HRT = 24 giờ. Hiệu quả xử lý COD cao đồng thời với pH đầu ra tăng 0.2-0.4 đơn vị. pH tăng do quá trình vi sinh vật sử dụng cơ chất để tổng hợp tế bào, lấy đi H+ trong nước và do quá trình giải phĩng độ kiềm bicarbonate. Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 64 0 400 800 1200 1600 2000 0 1 2 3 4 5 6 C O D (m g/ l) 0 10 20 30 40 50 60 70 H iệ u qu ả xử lý (% ) COD vào COD ra Hiệu quả xử lý 6.0 6.3 6.6 6.9 7.2 7.5 7.8 8.1 8.4 0 1 2 3 4 5 6 pH pH vào pH ra b. Thời gian lưu nước HRT = 12 giờ Đồ thị 4.17: Sự biến đổi COD ứng với thời gian lưu nước 12 giờ Đồ thị 4.18: Sự biến đổi pH ứng với thời gian lưu nước 12 giờ Nhận xét: Với thời gian lưu nước HRT = 12 giờ, hiệu quả xử lý COD ở nồng độ 1500 mg/l tương đối cao, 55-60% nhưng thấp hơn so với ở thời gian lưu nước 24 giờ (hiệu quả xử lý đạt 66-70%). Tương tự như trên, pH đầu ra tăng 0.2 – 0.3 đơn vị. Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 65 0 300 600 900 1200 1500 1800 0 1 2 3 4 5 6 C O D (m g/ l) 0 10 20 30 40 50 60 H iệ u qu ả xử lý (% ) COD vào COD ra Hiệu quả xử lý 6.0 6.3 6.6 6.9 7.2 7.5 7.8 8.1 0 1 2 3 4 5 6 pH pH vào pH ra c. Thời gian lưu nước HRT = 8 giờ Đồ thị 4.19: Sự biến đổi COD ứng với thời gian lưu nước 8 giờ Đồ thị 4.20: Sự biến đổi pH ứng với thời gian lưu nước 8 giờ Nhận xét: Hiệu quả xử lý COD giảm cịn 50-53% và pH đầu ra tăng 0.2-0.4 đơn vị Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 66 6.0 6.3 6.6 6.9 7.2 7.5 7.8 8.1 0 2 4 6 8 pH pH vào pH ra 0 300 600 900 1200 1500 1800 0 1 2 3 4 5 6 7 C O D (m g/ l) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 H iệ u qu ả xử lý (% ) COD vào COD ra Hiệu quả xử lý d. Thời gian lưu nước HRT = 4 giờ Đồ thị 4.21: Sự biến đổi COD ứng với thời gian lưu nước 4 giờ Đồ thị 4.22: Sự biến đổi pH ứng với thời gian lưu nước 4 giờ Nhận xét: Ứng với thời gian lưu nước HRT = 4 giờ, hiệu quả xử lý COD giảm đáng kể, ở nồng độ COD = 1500 mg/l, hiệu suất xử lý chỉ cịn 25-35%. Điều này cĩ thể giải thích: ở thời gian lưu thấp, vận tốc nước đi qua màng lớn, thời gian tiếp xúc giữa màng vi sinh và Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 67 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 HRT (giờ) H iệ u qu ả xử lý (% ) 0 4 8 12 24 24 24 24 cơ chất giảm, do đĩ khả năng khuyếch tán và hấp phụ cơ chất cũng giảm làm cho hiệu quả xử lý COD thấp xuống. Hiệu quả xử lý COD giảm đồng thời pH đầu ra cũng giảm. Chứng tỏ các acid hữu cơ được tạo thành trong quá trình lên men và acid hố chưa được chuyển hố hồn tồn thành CH4 và CO2. Cĩ thể giải thích cho điều này: do vi khuẩn methane hố cĩ tốc độ phát triển chậm hơn vi khuẩn acid hố nên với thời gian lưu nước quá ngắn thì khơng đủ cho hoạt động chuyển hố acid của vi khuẩn methane hố. Đồ thị 4.23: Tổng hợp hiệu quả xử lý COD theo thời gian lưu nước Nhìn chung, thời gian lưu nước càng dài, hiệu quả xử lý COD càng cao. Ở thời gian lưu nước 24 giờ, hiệu quả xử lý COD cao hơn các thời gian lưu 12 giờ, 8 giờ và 4 giờ. Hiệu quả xử lý COD ở thời gian lưu 24 giờ đạt khoảng 70% và khá ổn định khi tăng COD từ 600 mg/l dần đến 1500 mg/l. Hiệu quả xử lý giảm dần ứng với việc giảm thời gian lưu nước (tức tăng tải trọng chất hữu cơ). Ở thời gian lưu nước 4 giờ, hiệu quả khử COD rất thấp, chỉ cịn khoảng 20-30%. Từ kết quả thí nghiệm trên mơ hình động, kết hợp với kết quả thu được trên mơ hình tĩnh (khi theo dõi hiệu quả xử lý sau 1 ngày lưu nước và 2 ngày lưu nước), ta cĩ thể chọn thời gian lưu nước để xử lý nước thải chăn nuơi sau quá trình biogas cho trại Xuân Thọ III là 1 ngày. Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 68 50 55 60 65 70 75 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 kgCOD/m3.ngày H iệ u qu ả xử lý (% ) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 kgCOD/m3.ngày H iệ u qu ả xử lý (% ) Đồ thị 4.24: Tổng hợp hiệu quả xử lý COD theo tải trọng Đồ thị 4.25: Hiệu quả xử lý COD theo tải trọng ứng với thời gian lưu nước HRT = 24 giờ Theo đồ thị, tải trọng tối ưu của mơ hình ứng với thời gian lưu nước 24 giờ là 1-1.2 kg COD/m3.ngày, khi đĩ hiệu quả xử lý đạt 71-72%. Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 69 4.5.3 Xác định thơng số động học và so sánh kết quả thực nghiệm với kết quả tính tốn từ phương trình động học 4.5.3.1 Xác định thơng số động học Để xác định bậc phản ứng n, ta tiến hành đo nồng độ cơ chất theo thời gian để cĩ S0 , S(t1) , S(t2). Trong đĩ phải thỗ điều kiện vi sinh vật ở thời điểm t1, t2 đang nằm trong pha log, để phù hợp với điểu kiện của phương trình là S >> E. Lập tỉ lệ: 2 1 kt kt = [ ][ ]nn nn XS XS −− −− −− −− 1 2 1 0 1 1 1 0 )1(1 )1(1 ⇔ 2 1 t t = [ ][ ]n n X X − − −− −− 1 2 1 1 )1(1 )1(1 Cĩ t1, t2 và X1, X2 ta suy ra được bậc phản ứng n. Từ đĩ tính được k bằng cơng thức: k = [ ] tnm XVS nn )1( )1(1 110 − −− −− Từ kết quả theo dõi hiệu quả xử lý của mơ hình tĩnh theo thời gian ở nồng độ thực COD = 1500 mg/l, chọn X1 = 30%, X2 = 50% vì ứng với 2 độ chuyển hĩa này, vi sinh vật đang nằm trong pha log. Từ đĩ ta lập được bảng sau: n ….. 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 ….. 2 1 t t ….. 0.489 0.480 0.471 0.463 0.454 0.446 0.437 0.429 ….. Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 70 Biễu diễn quan hệ này trên đồ thị ta được: y = -0.086x + 0.6005 R2 = 1 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 2.2 n t1/ t 2 Đồ thị 4.26: Quan hệ giữa t1/t2 và n Quan hệ giữa t1/t2 và n cĩ dạng : t1/t2 = - 0.086n + 0.6005 với độ lệch R2 = 1.Kết quả này đáng tin cậy và cĩ thể dùng phương trình trên để suy ra bậc phản ứng n khi đã cĩ t1 và t2. Nồng độ COD = 1500 mg/l Từ đồ kết quả theo dõi hiệu quả xử lý theo thời gian tại nồng độ COD = 1500 mg/l, ta cĩ: S0 = 1533 mg/l Ứng với X1 = 30%, X2 = 50%, suy ra t1 = 3.17giờ , t2 = 7.28gi 2 1 t t = 28.7 17.3 = 0.435 Từ phương trình t1/t2 = - 0.086n + 0.6005, suy ra n = 1.92 k = [ ] 1 1 1 1 0 )1( )1(1 tnm XVS nn − −− −− =0.00219 (mg/l)-0.92.l/kg.giờ Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 71 4.5.3.2 So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả tính tốn từ phương trình động học Phương trình động học biễu diễn nồng độ cơ chất theo thời gian S = S 0 1 1 1 0 )1( − − ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +− nn V VnmktS Với n = 1.92 và k = 0.00219 (mg/l)-0.92.l/kg.giờ, ta được: S = S 0 192.1 1 192.1 0 )192.1(00219.0 − − ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +− V VmtS Ở tải thực COD = 1533 mg/l (S0 = 1533mg/l) và các thơng số của mơ hình thí nghiệm: 9 Khối lượng xơ dừa m = 1kg 9 V chứa nước V = 14 lit ,phương trình động học biễu diễn nồng độ cơ chất theo thời gian cĩ dạng S = 1533 192.1 1 192.1 0 14 14)192.1(*1*00219.0 −− ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +−tS Bảng 4.7: So sánh kết quả thực nghiệm và kết quả tính tốn từ phương trình động học Giờ Kết quả thực nghiệm Kết quả tính tốn từ phương trình động học 0 1533 1533 2 1220 1186 4 992 963 6 824 809 8 757 696 10 642 610 12 593 542 Chương 4 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuơi heo ở trại Xuân Thọ III bằng quá trình lọc sinh học kị khí 72 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 0 2 4 6 8 10 12 14 Giờ C O D (m g/ l) Kết quả thực nghiệm Kết quả tính từ phương trình động học Đồ thị 4.27: So sánh kết quả thực nghiệm và kết quả tính tốn từ phương trình động học ộ lệch chuẩn σ = 1 )( 2 − −∑ n SS tttn rong đĩ: Stn: Nồng độ COD đo được từ thực nghiệm Stt: Nồng độ COD tính tốn từ phương trình động học n: số điểm khảo sát , ở đây n = 7 Thay các thơng số vào cơng thức, ta tìm được σ = 39.7 mg/l Nhìn trên đồ thị, kết hợp với kết quả độ lệch chuẩn σ khá nhỏ so với nồng độ COD , ta thấy phương trình động học xác định được là đáng tin cậy. Chương 5 Kết luận và kiến nghị 73 5.1 Kết luận 5.1.1 Một số kết quả thu được sau khi khảo sát thực tế hệ thống xử lý nước thải chăn nuơi heo của trại 9 Hiệu quả loại bỏ COD và cặn lơ lửng trong bể biogas khá cao: loại được 59% COD và 79% cặn lơ lửng 9 Nước thải sau biogas cĩ COD từ 2561-5028 mg/l, dễ phân huỷ sinh học (BOD/COD ≈ 0.65-0.7), hàm lượng cặn lơ lửng cịn cao (1664-3268 mg/l), đồng thời N-NH3 cũng cao (304-471 mg/l) 9 Ao kị khí sơ dừa hoạt động chưa đạt hiệu quả vì lượng xơ dừa quá ít