Đề tài Giải pháp công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học phù hợp với điều kiện Việt Nam

Bùn 2 NH4++3 O2+4.8 COD ® N2+2 H++1.8g Bùn + So sánh quá trình Anammox với các quá trình xử lý N truyền thống: - Quá trình diễn ra nhanh hơn do đó giảm thời gian lưu đồng nghĩa với giảm khối tích công trình; - Giảm 62,5% lượng ôxy cung cấp; - Không cần C hữu cơ; - Không có bùn sinh ra; + So sánh quá trình SHARON với các quá trình xử lý nitơ truyền thống: - Quá trình diễn ra nhanh hơn do đó giảm thời gian lưu; - Giảm 25% lượng ôxy cung cấp so với quá trình loại bỏ amoni thông thường; - Giảm 40% lượng C hữu cơ yêu cầu; - Lượng bùn sinh ra chỉ bằng 40% so với phương pháp xử lý thông thường. c. Các giải pháp để tạo sản phẩm oxy hóa amoni là nitrit Có 2 cách tiếp cận khác nhau để tránh oxy hóa hoàn toàn ammoni thành nitrat và ngừng quá trình chuyển hóa ở mức độ nitrit [16]: Dựa vào đặc điểm là ở nhiệt độ cao (trên 300C), các vi khuẩn oxy hoá amôni sẽ sinh trưởng nhanh hơn các vi khuẩn oxy hoá nitrit và giảm thời gian lưu trong hệ thống và không duy trì sinh khối để cho vi khuẩn oxy hoá nitrit bị rửa trôi khỏi bể phản ứng và quá trình oxy hoá amôni chỉ dừng ở nitrit. Không tạo điều kiện tích lũy dạng Nitribacter bằng cách giảm thời gian lưu tế bào ngang bằng với thời gian lưu nước (không hồi lưu bùn), kiểm soát cấp khí trong quá trình oxy hóa (giảm công suất cấp khí, bố trí các điểm cấp khí xa nhau)... như vậy sẽ ngăn cản quá trình hình thành nitrat, tích lũy nitrit trong hệ. d. Nghiên cứu phát triển và ứng dụng công nghệ anammox ở Việt Nam Nghiên cứu về công nghệ anammox và các ứng dụng vào xử lý nitơ vẫn còn là lĩnh vực khá mới mẻ trên thế giới, vì vậy cũng là vấn đề rất mới ở Việt Nam. Hiện ở Việt Nam chưa có công trình nào về ứng dụng công nghệ anamox xử lý nước thải chăn nuôi lợn. Hiện nhóm nghiên cứu ở Viện Sinh học Nhiệt đới tại TP Hồ Chí Minh đã có các kết quả ban đầu về làm giàu vi khuẩn anammox từ bùn kỵ khí của bể biogas nước thải nuôi lợn [9]. Tuy nhiên, kỹ thuật này chỉ áp dụng cho xử lý nước thải giàu nitơ, với yêu cầu nước thải đầu vào công trình: amoni>200mg/l và nồng độ chất hữu cơ thấp (tỷ lệ C/N COD»200*0,15=30mg/l, để giảm nồng độ COD trong nước thải chăn nuôi lợn xuống dưới 30mg/l là không khả thi. Như vậy công nghệ anammox là một hướng mới xử lý N trong nước thải, nhưng hiện tại không phù hợp với xử lý N trong nước thải chăn nuôi lợn với điều kiện Việt Nam. 2.4.4. Phương pháp xử lý P trong nước thải Hợp chất photpho trong nước thải chăn nuôi tồn tại ở các dạng: P hữu cơ, photphat đơn (H2PO4-, HPO42-, PO43-) tan trong nước, poly photphat và photpho trong tế bào. Trong đó hợp chất polyphotphat, hợp chất hữu cơ chứa photphat chiếm tỷ lệ lớn. Bảng 2.11. Hợp chất Photpho và khả năng chuyển hóa Hợp chất Khả năng chuyển hóa Photpho hữu cơ Phân hủy thành photphat đơn và trùng ngưng Photphat đơn Tan, phản ứng tạo muối, tham gia phản ứng sinh hóa Photphat trong tế bào Thành phần của tế bào hoặc lượng dư trong tế bào của một số loại VK Xử lý các hợp chất Photpho dựa trên các nguyên tắc sau: - Kết tủa các ion photphat bằng các ion sắt, nhôm, canxi.. Tuy nhiên phương pháp này có các nhược điểm như làm cho giá thành xử lý nước thải tăng lên. - Phương pháp sinh học: dựa trên đặc điểm của một số loại VK có khả năng tích lũy hợp chất photpho nhiều hơn khả năng tổng hợp tế bào. Thông thường trong tế bào hàm lượng photpho chiếm 1,5-2,5% khối lượng tế bào khô, một số loài có khả năng hấp thụ cao 6-8%. Trong điều kiện yếm khí chúng lại thải ra các phần tích lũy dư thừa. Photpho được tách ra khỏi nước thải qua bùn dư hoặc muối kết tủa. Xử lý photpho bằng phương pháp sinh học thường được kết hợp với oxy hóa BOD và khử hợp chất nitơ. Trong các hệ xử lý N (hệ A2/O, Bardenpho 5 giai đoạn...) nhóm vi khuẩn kỵ khí tùy tiện Acinetobacter – nhóm này có khả năng tích lũy trong sinh khối cao (2-5%). Trong các công trình trên vi khuẩn Acinetobacter được luân chuyển giữa các điều kiện nên khả năng lấy P trong nước thải tăng lên rất nhiều, Photpho được loại bỏ trong bùn lắng. Một nghiên cứu tại Đại học Xây dựng Mát-xcơ-va (MGSU), cho phép loại bỏ P ra khỏi nước thải sinh hoạt bằng hệ vi sinh bám dính dựa trên nguyên tắc ăn mòn sinh học (hình 3.12). Vật liệu bám dính có cốt sắt (Fe) được sử dụng trong bể aeroten. Các màng sinh học bám dính lên bề mặt kim loại thực hiện quá trình ăn mòn sinh học liên tục làm nồng độ sắt Fe trong aeroten tăng đột ngột, tạo điều kiện cho quá trình keo tụ hoá lý phosphate được diễn ra nhanh chóng. Nồng độ bùn hoạt tính lơ lửng tăng, đồng thời chỉ số bùn giảm mạnh, khi đó hiệu quả loại bỏ P đạt 100% cho nước thải sinh hoạt. Số lượng cốt sắt cần thiết được tính theo công thức: AFe = AFe : bề mặt cốt sắt cần thiết (m2) Q: lưu lượng nước thải giờ max (m3/h). : nồng độ phosphate vào và ra khỏi công trình xử lý. D: đường kính sợi cốt thép : tải trọng phosphat trên diện tích sợi thép, 1 Nước thải vào Nước thải sau xử lý 1.Vật liệu bám dính cốt sắt aeroten Bể Lắng Bùn dư Hình 2.12. Sơ đồ xử lý P bằng phương pháp sinh học sử dụng vật liệu bám dính cốt sắt (Fe) không có bùn hoạt tính tuần hoàn 2.4.5. Loại bỏ hợp chất N, P trong nước thải bằng thực vật thủy sinh: Theo nghiªn cøu ®¸nh gi¸ cña Lª V¨n C¸t (2007) vÒ hiÖu qu¶ xö lý dinh d­ìng cña thuû thùc vËt: Ng­ìng chÞu nång ®é amoni cña thùc vËt thuû sinh: Mçi loµi thùc vËt thñy sinh cã thÓ tån t¹i vµ ph¸t triÓn trong m«i tr­êng cã nång ®é chÊt dinh d­ìng nhÊt ®Þnh. Nång ®é chÊt dinh d­ìng qu¸ cao g©y k×m h·m ph¸t triÓn cho c©y trång thËm chÝ cßn bÞ chÕt (hiÖn t­îng kh« l¸). BÌo tÊm nu«i trong m«i tr­êng cã nång ®é amoni 200-350mg/l chØ tån t¹i ®­îc 3 ngµy vµ chÕt hoµn toµn sau 7 ngµy. Rau muèng cã kh¶ n¨ng ph¸t triÓn b×nh th­êng trong vïng nång ®é amoni 50-350 mg/l. Tèc ®é ph¸t triÓn kh«ng kh¸c nhau nhiÒu trong vïng nång ®é kh¶o s¸t. 2.5. Đề xuất và lựa chọn sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn tập trung phù hợp với điều kiện Việt Nam Phương pháp xử lý chất thải chăn nuôi phổ biến hiện nay là sử dụng bể Biogas để cung cấp khí sinh học cho việc đun nấu, thắp sáng và chạy máy phát điện... Việc xử dụng bể Biogas ở các trang trại chăn nuôi nhằm mục đích xử lý chất thải và khai thác nguồn năng lượng mới. Nhưng nước thải sau bể Biogas vẫn còn nhiều chất gây ô nhiễm môi trường cần được xử lý trước khi thải vào môi trường. Việc lựa chọn phương pháp và lựa chọn quy trình xử lý nước phụ thuộc vào các yếu tố như: - Lưu lượng nước thải. - Các điều kiện của trại chăn nuôi (khả năng đầu tư xây dựng, diện tích đất xây dựng hệ thống xử lý nước thải). - Hiệu quả yêu cầu xử lý: áp dụng tiêu chuẩn thải đối với ngành chăn nuôi 10-TCN – 678: 2006. Bảng 2.12. Đặc điểm nước thải chăn nuôi lợn STT Các chỉ tiêu Đơn vị Kết quả phân tích 10-TCN – 678: 2006 Trước Biogas Sau Biogas 1 pH 5.5 – 7.8 6,9 – 8,0 5-9 2 TDS mg/l 2000 - 4000 800 – 1200 - 3 TSS mg/l 800 - 1500 600 – 900 500 4 COD mg/l 1300 – 3500 800 – 1500 400 5 BOD5 mg/l 800 – 1400 600 – 1000 300 6 N-tổng mg/l 200 – 350 150 – 250 150 7 N-NH4+ mg/l 180 - 280 120 – 220 - 8 N-NO2- mg/l 1 – 3 0,5 – 1,5 - 9 N-NO3- mg/l 15 – 60 10 - 50 - 10 P-tổng mg/l 60-100 40-80 20 Nước thải sau bể Biogas có các yếu tố cơ bản: BOD5/COD =0,67; BOD5: N: P = 12: 3,5: 1. Công nghệ lựa chọn để có thể đáp ứng được điều kiện của các trang trại chăn nuôi hiện nay ở Việt Nam cần đáp ứng được các tiêu chí quan trọng là: + Chi phí đầu tư xây dựng không cao; + Chi phí vận hành thường xuyên thấp; + Nước thải ra môi trường đạt tiêu chuẩn (áp dụng mục B - tiêu chuẩn thải đối với ngành chăn nuôi 10-TCN -678: 2006). Trên cơ sở đó đề tài đưa ra 3 sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi tập trung: Dây chuyền công nghệ số 1 được xây dựng thử nghiệm tại trại lợn nhà ông Thanh xã Đông Hưng - Đồng Tâm – Vĩnh Yên – Vĩnh Phúc. Dây chuyền công nghệ số 2 được xây dựng thử nghiệm tại trại lợn Hoàng Liễn – xã Song An – huyện Vũ Thư – tỉnh Thái Bình. Từ đánh giá kết quả của 2 dây chuyền công nghệ xử lý nước thải trên, đề xuất dây chuyền công nghệ số 3, thực hiện xây dựng cơ sở lý thuyết và tính toán các công trình xử lý nước thải theo dây chuyền công nghệ số 3. S¬ ®å d©y chuyÒn c«ng nghÖ 1: Nước thải chăn nuôi Bể Biogas Bể phân hủy thiếu khí Chuçi hå Sinh häc Nguån tiÕp nhËn BÓ läc sinh häc nhá giät M¸y b¬m KhÝ Biogas N­íc tuÇn hoµn BÓ l¾ng 2 Bïn d­ (c¶i t¹o ®Êt, ñ ph©n bãn) S¬ ®å d©y chuyÒn c«ng nghÖ 2: N­íc th¶i ch¨n nu«i BÓ Biogas Bể phân hủy thiếu khí Chuçi hå Sinh häc Nguån tiÕp nhËn BÓ Aerotank BÓ l¾ng M¸y thæi khÝ M¸y b¬m KhÝ Biogas Bïn tuÇn hoµn Bïn d­ (c¶i t¹o ®Êt, ñ ph©n bãn) S¬ ®å d©y chuyÒn c«ng nghÖ 3: N­íc th¶i ch¨n nu«i BÓ Biogas BÓ UASB Chuçi hå Sinh häc Bïn d­ (c¶i t¹o ®Êt, ñ ph©n bãn) KhÝ Biogas M¸y b¬m M­¬ng oxy hãa Nguån tiÕp nhËn BÓ l¾ng 2 Bïn tuÇn hoµn CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả xử lý theo sơ đồ DCCN số 1 Để đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn tập trung theo sơ đồ dây chuyền công nghệ số 1. Xây dựng mô hình xử lý nước thải chăn nuôi lợn công suất 3 – 5 m3/ngày.đêm tại trại lợn nhà ông Thanh xã Đông Hưng – Vĩnh Yên – Vĩnh Phúc. Phân huỷ thiếu khí Läc sinh häc nhá giät Biogas N­íc tuÇn hoµn 1 2 3 Hå sinh häc Th¶i ra MT 4 Ghi chó: 1, 2, 3, 4: C¸c ®iÓm lÊy mÉu BÓ l¾ng 2 3.1.1. Sơ đồ dây chuyền công nghệ Hình 3.1. Sơ đồ công nghệ nghiên cứu theo dây chuyền số 1 - Nước thải từ hệ thống bể Biogas đã có được tách ra một phần (3-5 m3/ngày), đưa về bể thu gom kết hợp bể kỵ khí có ngăn lọc. - Nước sau bể này được bơm lên bể lọc sinh học nhỏ giọt. Nước sau lọc sinh học nhỏ giọt được tuần hoàn khoảng 20-30% lưu lượng về bể kỵ khí với mục đích pha loãng nước thải trước khi vào bể lọc sinh học cũng như tăng cường khả năng xử lý Nitơ và Phốtpho. - Nước thải còn lại sau lọc sinh học nhỏ giọt tự chảy sang ao sinh học và được xử lý bởi các quá trình thuỷ sinh học tự nhiên nhằm giảm thiểu các chất ô nhiễm. 3.1.2. Kích thước các công trình + Bể kỵ khí: bể kỵ khí kết hợp ngăn lắng, kích thước bể 2x2.5x1.5 (m) + Bể lọc sinh học: kích thước 1x1x2,5 (m). Vật liệu mang sử dụng là sỏi nhẹ d=15-30mm, có 4 lớp vật liệu mang mỗi lớp dày dày 25 cm, giữa các lớp có cửa thu khí ở tường bể. Nước thải được tưới lên bề mặt VLL bằng ống xương cá đục lỗ. + Hồ sinh học: Xây dựng hồ sinh học tùy tiện kích thước 10x4x1,2 m. 3.1.3. Kết quả và thảo luận Sau khi hệ thống xử lý hoạt động ổn định (30 ngày sau khi hệ đạt trạng thái làm việc bình thường). Tiến hành lấy mẫu nước thải tại các điểm (theo sơ đồ 3.2) phân tích các thông số cơ bản (pH, COD, BOD, NH4+, ...) để đánh giá hiệu quả xử lý. Kết quả phân tích chất lượng nước thải được thể hiện trong các bảng (Bảng 3.1 đến 4.5). Bảng 3.1: Kết quả phân tích mẫu nước thải sau bể Biogas Stt Chỉ tiêu Đơn vị Kết quả phân tích TCN – 678:2006 11/4/2007 19/5/2007 25/6/2007 Cột B 1 pH 7.15 7.21 7.18 5-9 2 TDS mg/l 2011 1879 1946 - 3 TSS mg/l 1330 1188 1295 500 4 N-NH4+ mg/l 425 398 413 - 5 N-NO2- mg/l 0.51 0.65 0.77 - 6 N-NO3- mg/l 115 94 101 - 7 N_tổng mg/l 568 517 515 150 8 P_tổng mg/l 71 65 69 20 9 PO43- mg/l 0.16 0.19 0.18 - 10 COD mg/l 1267 1195 1211 400 11 BOD5 mg/l 572 525 565 300 Stt Chỉ tiêu Đơn vị Kết quả phân tích TCN – 678:2006 02/7/2007 11/8/2007 19/9/2007 Giá trị TB Cột B 1 pH 7.11 7.19 7.21 7.18 5-9 2 TDS mg/l 1958 2145 1890 1972 - 3 TSS mg/l 1298 1310 948.8 1228 500 4 N-NH4+ mg/l 415 396 385 405 - 5 N-NO2- mg/l 0.85 0.91 1.01 0.78 - 6 N-NO3- mg/l 98 105 113 104 - 7 N_tổng mg/l 539 468 499 518 150 8 P_tổng mg/l 62 70 66 67 20 9 PO43- mg/l 0.21 0.19 0.23 0.2 - 10 COD mg/l 1195 1208 1095 1195 400 11 BOD5 mg/l 538 517 485 534 300 Kết quả trên cho thấy nước thải chứa hàm lượng cao các chất ô nhiễm đặc trưng của nước thải chăn nuôi (COD cao gấp 2.99 lần, BOD gấp 1.78 lần, ∑N cao gấp 3.45 lần, ∑P cao gấp 3.35 lần, TSS cao gấp 2.45 lần, ...) so với tiêu chuẩn ngành. Nếu so với tiêu chuẩn 5945:2005 – cột B (BOD 50, COD 100, SS 100, ∑N 60, ∑P 6) và nguồn tiếp nhận là sông hồ thì các chỉ tiêu này cao hơn rất nhiều lần {Phần lớn các trang trại chăn nuôi ở đồng bằng thì nguồn tiếp nhận thường là sông, ngòi tưới tiêu} Bảng 3.2: Kết quả phân tích mẫu nước tại điểm lấy mẫu số 2 (sau bể thiếu khí) Stt Tên chỉ tiêu Đơn vị Kết quả phân tích 10-TCN- 678:2006 Ngày 12 -18/12/2007 Ngày 19 -25/12/2007 Ngày 26/12/2007 -5/1/2008 1 pH 7.45 7.58 7.62 5-9 2 TSS mg/l 1085 945 830 500 3 N-NH4+ mg/l 385 345 323 - 4 N-NO2- mg/l 4.23 3.65 3.23 - 5 N-NO3- mg/l 145 138 141 - 6 N_tổng mg/l 484 461 431 150 7 P_tổng mg/l 55 48 44 20 8 COD mg/l 1089 921 850 400 9 BOD5 mg/l 485 461 475 300 Bảng 3.3: Kết quả phân tích mẫu nước tại điểm lấy mẫu số 3 (sau bể lọc SH) Stt Tên chỉ tiêu Đơn vị Kết quả phân tích 10-TCN- 678:2006 (cột B) Ngày 12/12/2007 -18/12/2007 Ngày 19/12/2007 -25/12/2007 Ngày 26/12/2007 -5/1/2008 1 pH 7.75 7.65 7.76 5-9 2 TSS mg/l 615 472 465 500 3 N-NH4+ mg/l 305 267 228 - 4 N-NO2- mg/l 25.5 4.6 0.98 - 5 N-NO3- mg/l 215 189 185 - 6 N_tổng mg/l 457 342,20 288,86 150 7 P_tổng mg/l 53,5 42 35 20 8 COD mg/l 684 559 428 400 9 BOD5 mg/l 225 198 201 300 Nhận xét: Kết quả cho thấy sau khoảng 3 tuần hoạt động thì bể hoạt động ổn định, các quá trình diễn ra tại đây là tương đối chậm mặc dù thời gian lưu nước tại đây là khá lớn (ngăn có khuấy trộn- thời gian lưu khoảng 4-6 giờ). Các giá trị ô nhiễm trong nước thải sau bể kỵ khí giảm đáng kể: TSS giảm 32%, COD giảm 28.87%, ∑N giảm 16.7%, ∑P giảm 16.4%, và sau bể lọc sinh học nhỏ giọt các giá trị này giảm lần lượt là 62%, 64%, 44.2% và 48%. Thời điểm đầu (tuần đầu) có sự gia tăng mạnh nồng độ nitrit, sau đó nồng độ nitrit giảm nhanh chóng, là do quá trình nitrat hóa đã diễn ra và nồng độ nitrat đã tăng đột ngột. Ở đây % các giá trị được loại bỏ cho thấy chiều hướng tốt của quá trình xử lý nếu có sự tuần hoàn nước sau xử lý. Bảng 3.4: Kết quả phân tích mẫu nước tại điểm lấy mẫu số 2 (tuần hoàn 20%) Stt Tên chỉ tiêu Đơn vị Kết quả phân tích 10-TCN- 678:2006 Ngày 5-12/01/08 Ngày 13 -19/01/08 Ngày 20-26/1/08 1 pH 7.75 7.68 7.71 5-9 2 TSS mg/l 741 682 665 500 3 N-NH4+ mg/l 325 275 263 - 4 N-NO2- mg/l 2.01 1.89 1.54 - 5 N-NO3- mg/l 175 211 179 - 6 N_tổng mg/l 398 367,13 350,94 150 7 P_tổng mg/l 49 45 46 20 8 COD mg/l 989 921 935 400 9 BOD5 mg/l 415 394 405 300 Bảng 3.5: Kết quả phân tích mẫu nước tại điểm lấy mẫu số 3 (tuần hoàn 20%) Stt Tên chỉ tiêu Đơn vị Kết quả phân tích 10-TCN- 678:2006 (cột B) Ngày 5-12/01/08 Ngày 13 -19/01/08 Ngày 20-26/1/08 1 pH 7.91 7.85 8.01 5-9 2 TSS mg/l 345 298 314 500 3 N-NH4+ mg/l 198 205 189 - 4 N-NO2- mg/l 0.43 0.32 0.21 - 5 N-NO3- mg/l 245 255 238 - 6 N_tổng mg/l 248 235 237 150 7 P_tổng mg/l 35 31 32 20 8 COD mg/l 331 335 322 400 9 BOD5 mg/l 155 138 125 300 Nhận xét: Lượng nước tuần hoàn đã làm quá trình oxy hóa các chất diễn ra tốt hơn, mặc dù chưa khảo sát được chi tiết ảnh hưởng của tỷ lệ tuần hoàn nhưng theo các tài liệu thì đây là một tỷ lệ khá tối ưu. Nồng độ các chất ô nhiễm còn lại là TSS 25%, COD 27%, ∑N 46%, ∑P 47%. Bảng 3.6: Kết quả phân tích mẫu nước tại điểm lấy mẫu số 4 (Sau hồ sinh học) Stt Tên chỉ tiêu Đơn vị Kết quả phân tích TCN – 678: 2006 Ngày 12- 18/12/07 Ngày 19 -25/12/07 Ngày 26/12/07 -5/1/08 Giá trị TB 1 pH 7.89 7.98 8.01 5-9 2 TSS mg/l 165 113 108 500 3 N-NH4+ mg/l 175 138 118 - 4 N-NO2- mg/l 55 11 3 - 5 N-NO3- mg/l 255 131 75 - 6 N_tổng mg/l 265 191 168 150 7 P_tổng mg/l 38,2 36,5 32,4 20 8 COD mg/l 515 458 352 400 9 BOD5 mg/l 165 157 146 300 Bảng 3.7: Kết quả phân tích mẫu nước tại điểm lấy mẫu số 4 (tuần hoàn 20%) Stt Tên chỉ tiêu Đơn vị Kết quả phân tích TCN – 678: 2006 Ngày 5-12/01/08 Ngày 13 -19/01/08 Ngày 20-26/1/08 1 pH 8.02 8.14 8.11 5-9 2 TSS mg/l 165 113 108 500 3 N-NH4+ mg/l 152 138 118 - 4 N-NO2- mg/l 0.25 0.15 0.21 - 5 N-NO3- mg/l 87 69 65 - 6 N_tổng mg/l 222,45 199,93 185,65 150 7 P_tổng mg/l 28,2 26,5 22,4 20 8 COD mg/l 275 298 252 400 9 BOD5 mg/l 135 127 116 300 Bảng 3.8: Đánh giá tổng hợp hiệu quả xử lý và kết quả sau các quá trình Chỉ tiêu Đầu vào (mg/l) Bể thiếu khí có ngăn lắng Bể lọc sinh học nhỏ giọt Hồ sinh học Hiệu suất xử lý (% ) Hiệu suất (%) Còn lại (mg/l) Hiệu suất (%) Còn lại (mg/l) Hiệu suất (%) Còn lại (mg/l) TSS 1228 45.85% 665 52.78% 314 65.61% 108 91.21% N-NH4+ 405 35.06% 263 28.14% 189 37.57% 118 70.86% N_tổng 518 32.25% 350,94 32.47% 237 21.67% 185,65 64.16% P_tổng 67 31.34% 46 30.43% 32 30.00% 22,4 66.57% COD 1195 21.76% 935 65.56% 322 21.74% 252 78.91% BOD5 534 24.16% 405 76.54% 125 7.20% 116 78.28% Hình 3.2. Nồng độ các chất ô nhiễm tại từng giai đoạn thời gian - Chi phí đầu tư xây dựng thấp (tổng chi phí: 27.000.000đ, suất đầu tư khoảng 9triệu/1m3). Chi phí xử lý 1 m3 nước thải là: 1.800đ - Công nghệ không phức tạp, vận hành đơn giản, diện tích xây dựng ít; - Trong thời gian thử nghiệm có lúc nhiệt độ ngoài trời xuống thấp hơn 100C trong một khoảng thời gian khá dài (cuối tháng 12 đến giữa tháng 01/2008) do đó hiệu quả xử lý không cao, với điều kiện thời tiết bình thường có thể cho hiệu quả xử lý cao hơn. - Theo bảng 3.1: cho thấy nước thải sau Biogas chứa nhiều chất hữu cơ và các chất khác có nồng độ cao hơn tiêu chuẩn cho phép nhiều lần. Chất lượng nước thải sau bể Biogas có chất lượng khá ổn định. - Kết quả cho thấy nước thải sau khi xử lý: COD 288,33mg/l (400mg/l); BOD5 102,67mg/l (300mg/l); TSS 128,67mg/l (500mg/l) – (trong ngoặc là giá trị tiêu chuẩn cho phép 10 - TCN- 678:2006). - Đối với các chỉ tiêu về N, P còn vượt xa tiêu chuẩn TCN – 678:2006: Ntổng = 202,68mg/l (150mg/l), P = 35,7mg/l (20mg/l). Kết quả này cũng nằm trong dự đoán khi đưa ra dây chuyền công nghệ, nhưng chi phí đầu tư xây dựng công trình thấp đó cũng là tiêu chí lựa chọn của các trang trại nuôi lợn. 3.2. Kết quả xử lý theo sơ đồ DCCN số 2 Để đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn theo sơ đồ DCCN số 2, thực hiện lấy mẫu, phân tích đánh giá kết hợp với dự án xây dựng hệ thống xử lý nước thải trại lợn công suất 30m3/ngđ tại xã Song An – huyện Vũ Thư – tỉnh Thái Bình. Giới thiệu trang trại: Tổng diện tích 30.000 m2, trong đó khu nuôi lợn 14.000 m2, tổng diện tích các ao 10.000 m2, diện tích còn lại là nhà điều hành, vườn cây, … Hiện tại trại lợn giống có 300 con lợn nái sinh sản, khoảng 1000 con lợn thịt và khoảng 4000 đến 5000 con lợn hậu bị. Hệ thống Biogas hiện tịa gồm 2 hầm, thể tích mỗi hầm 30 m3 Tổng số lao động thường xuyên khoảng 20 người Nước cấp cho sinh hoạt và chăn nuôi là nước giếng khoan lấy trực tiếp tại trại (nước ở đây bị nhiễm mặn, amoni cao, clorua cao) và chỉ được xử lý bằng các hệ thống lọc thông thường. Kết quả phân tích chất lượng nước được thể hiện trong các bảng sau: Bảng 3.9. Kết quả phân tích chất lượng nước thải trước và sau Biogas TT Thông số Đơn vị Kết quả phân tích 10-TCN 678:2006 (Loại B) Trước Biogas Sau Biogas 1 pH 7.1 7.5 5 – 9 2 Tổng N mg/l 684 650 150 3 Tổng P mg/l 109 54 20 4 COD mg/l 3250 1250 400 5 Kiềm toàn phần mg/l 2835 2060 - 6 Hàm lượng SS mg/l 2655 1070 500 7 TDS mg/l 3250 2150 - Nhận xét: Nước thải sau xử lý Biogas ở đây cũng có các chỉ tiêu ô nhiễm đặc trưng của nước thải chăn nuôi, thể hiện qua các chỉ tiêu TSS, COD, BOD, ∑N, ∑P và cần tiếp tục xử lý trước khi có thể thải ra môi trường. 3.2.1. Sơ đồ dây chuyền công nghệ Phân huỷ thiếu khí Aeroten Biogas 1 2 Ao sinh học Thải ra MT 3 Bể lắng 2 Bùn tuần hoàn Sơ đồ công nghệ hệ xử lý Hình 3.3. Sơ đồ công nghệ nghiên cứu theo dây chuyền số 2 Các thông số của hệ thống như sau: + Bể Biogas: Hệ thống bể Biogas hiện có vẫn hoạt động tốt, sử dụng bể hiện có, lượng nước thải trung bình khoảng 50-60 m3/ ngày, và tập trung vào các thời điểm vệ sinh chuồng trại (sáng, trưa, chiều). + Bể thiếu khí: Thể tích bể 12,6 m3; kích thước bể: BxLxH = 2,0 x 1,8 x 3,5 (m) Thời gian lưu nước 4,0 h. + Bể Aeroten: Kích thước bể: BxLxH = 3,6x2,0x3,5m; lớp nước trong bể là 3,1m. Thời gian làm thoáng 7-8 giờ. + Bể lắng: Thời gian lắng 1,5h (trong bể có bố trí bơm bùn tuần hoàn) 3.2.2. Vận hành công trình Quá trình nuôi cấy như sau: - Lấy mầm vi sinh từ nước thải ra sau Biogas của nước cần xử lý. - Cung cấp không khí và các dưỡng chất dựa trên kết quả phân tích nước thải: thành phần dưỡng chất phải tương ứng với thành phần của nước thải. Quá trình cho vi sinh thích nghi với nước thải được tiến hành như sau: - Tuần 1: bơm nước thải với lưu lượng 1 m3/h, chu kỳ bơm: bơm 1h, ngừng 2h. - Tuần 2: bơm nước thải với lưu lượng 1 m3/h, chu kỳ bơm: bơm 1h, ngừng 1h. - Tuần 3: bơm nước thải với lưu lượng 1 m3/h, bơm liên tục. - Sau đó tăng dần lưu lượng nước thải vào hệ lên 1,5 - 2 - 2,5 m3/h và cuối cùng là 3 m3/h ở các tuần thứ 4 và 5. 3.2.3. Kết quả và nhận xét Tổng hợp kết quả phân tích chất lượng nước các tuần thứ 6, 7 và 8 được cho trong các bảng 3.8, bảng 3.9 và 3.10. Bảng 3.10:Hiệu quả xử lý sau các quá trình tuần thứ 6 Chỉ tiêu Sau bể thiếu khí Sau aerotenk Sau ao sinh học Hiệu suất xử lý (% ) TCN: 678: 2006 Hiệu suất (%) Còn lại (mg/l) Hiệu suất (%) Còn lại (mg/l) pH 7.65 7.85 7.41 5-9 TSS 655.00 67.18% 215.00 62.79% 80.00 87.79% 500.00 N-tổng 598.00 29.77% 420.00 70.24% 125.00 79.10% 150.00 P-tổng 47.00 25.53% 35.00 71.43% 10.00 78.72% 20.00 COD 985.00 43.76% 554.00 70.22% 165.00 83.25% 400.00 BOD5 354.00 36.44% 225.00 60.44% 89.00 74.86% 300.00 Ghi chú: 1- sau bể kỵ khí ; 2- sau hệ xử lý; 3-sau hồ sinh học số 3 Bảng 3.11:Hiệu quả xử lý sau các quá trình tuần thứ 7 Chỉ tiêu Sau bể thiếu khí Sau aerotenk Sau ao sinh học Hiệu suất xử lý (% ) TCN: 678: 2006 Hiệu suất (%) Còn lại (mg/l) Hiệu suất (%) Còn lại (mg/l) pH 7.71 7.95 7.51 5-9 TSS 538.00 71.19% 155.00 58.06% 65.00 87.92% 500.00 N-tổng 521.00 26.30% 384.00 65.89% 131.00 74.86% 150.00 P-tổng 42.00 19.05% 34.00 73.53% 9.00 78.57% 20.00 COD 891.00 74.41% 228.00 35.09% 148.00 83.39% 400.00 BOD5 279.00 62.37% 105.00 38.10% 65.00 76.70% 300.00 Ghi chú: 1- sau bể kỵ khí ; 2- sau hệ xử lý; 3-sau hồ sinh học số 3 Bảng 3.12. Hiệu quả xử lý sau các quá trình tuần thứ 8 Chỉ tiêu Sau bể thiếu khí Sau aerotenk Sau ao sinh học Hiệu suất xử lý (% ) TCN: 678: 2006 Hiệu suất (%) Còn lại (mg/l) Hiệu suất (%) Còn lại (mg/l) pH 7.68 8.01 7.65 5-9 TSS 541.00 68.21% 172.00 58.72% 71.00 86.88% 500.00 N-tổng 509.00 57.76% 215.00 32.56% 145.00 71.51% 150.00 P-tổng 43.00 18.60% 35.00 68.57% 11.00 74.42% 20.00 COD 805.00 70.81% 235.00 49.36% 119.00 85.22% 400.00 BOD5 265.00 64.15% 95.00 31.58% 65.00 75.47% 300.00 Ghi chú: 1- sau bể kỵ khí ; 2- sau hệ xử lý; 3-sau hồ sinh học số 3 Dưới đây là đồ thị diễn biến các thông số ô nhiễm theo thời gian, qua từng công đoạn: Hình 3.4. Diễn biến quá trình phân hủy theo thời gian tại bể thiếu khí Hình 3.5. Diễn biến quá trình phân hủy theo thời gian tại bể aerotenk Hình 3.6. Diễn biến quá trình phân hủy theo thời gian tại ao sinh học Nhận xét: - Nước thải sau xử lý theo dây truyền 2 đạt tiêu chuẩn TCN-678:2006. Tuy nhiên do hệ thống ao ở đây rất lớn (15.000m3) so với lượng nước thải ra trong ngày (50-60 m3) nên lượng nước thải ra đã bị pha loãng là chính. Với thời gian trên là chưa đủ để đánh giá khả năng xử lý của hệ thống ao sinh học, cần tiếp tục nghiên cứu đánh giá. - Chi phí xử lý theo dây truyền này cao hơn so với xử theo theo kiểu dây truyền 1, ước tính chi phí xử lý khoảng 3.500 đ/m3. 3.3. Cơ sở lý thuyết và tính toán các công trình theo sơ đồ DCCN số 3 3.3.1. Bể Biogas Theo nghiên cứu của Nguyễn Thị Hoa Lý (1994) nước thải chăn nuôi sau khi qua Biogas, BOD giảm khoảng 79-87%, Coliform giảm 98-99.7%, trứng giun sán giảm 95,6-97%. Phân lợn có tỷ lệ C/N=20¸25 thích hợp cho xử lý kị khí bằng bể biogas. Bảng 3.13. Tính toán lượng thải và xác định dung tích bể Biogas Nội dung thông số ĐVT Số lượng 1. Số lợn nái: Con N1 Nhu cầu thức ăn kg/con/ngày 5 Nhu cầu nước uống, nước tắm, nước rửa chuồng lít/con/ngày 40 Lượng phân tạo ra (30% lượng thức ăn) kg/con/ngày 1,5 Lượng nước thải tạo ra (70% lượng nước sử dụng) lít/con/ngày 28 Tổng lượng phân tạo ra tấn/ngày 1,5*N1 Tổng lượng nước thải tạo ra m3/ ngày 0,028*N1 Tổng lượng chất thải (phân + nước thải) m3/ ngày 1,528*N1 2. Số lợn giống, lợn thịt: Con N2 Nhu cầu thức ăn kg/con/ngày 2,5 Nhu cầu nước uống, nước tắm, nước rửa chuồng lít/con/ngày 40 Lượng phân tạo ra (30% lượng thức ăn) kg/con/ngày 0,75 Lượng nước thải tạo ra (70% lượng nước sử dụng) lít/con/ngày 28 Tổng lượng phân tạo ra tấn/ngày 0,75* N2 Tổng lượng nước thải tạo ra m3/ ngày 0,028* N2 Tổng lượng chất thải (phân + nước thải) m3/ ngày 0,778* N2 Tổng lượng chất thải (1+2) m3/ ngày Q=1,528*N1+0,778*N2 Thời gian lưu trữ trong bể Ngày 15 Tổng thể tích hữu ích bể chứa M3 V=15*Q Vậy dung tích phần chứa nước trong ngăn phân hủy của bể Biogas: Vnước = 15*(1,528. N1 + 0,778. N2) = 22,92. N1 + 11,67.N2 (m3) Trong đó: N1: số lượng lợn nái N2: số lượng lợn giống, lợn thịt Nước trong bể chiếm chỗ khoảng 2/3 chiều cao bể còn lại dung tích để chứa khí. Dung tích của ngăn phân hủy của bể Biogas: Vphân hủy = 3/2*(22,92. N1+11,67. N2) = 34,38. N1 + 17,505. N2 Kiểm tra tải trọng thể tích: (nằm trong khoảng 1-6 kgCOD/m3.ngđ) Trong đó: Qv: lưu lượng nước thải vào bể mỗi ngày, m3/ngđ S0: nồng độ COD đầu vào, mg/l Lượng khí sinh ra mỗi ngày: Thông thường 1m3 nguyên liệu (phân và nước thải) trong bể Biogas có thể sinh ra khoảng 0,45m3 khí Biogas một ngày, trong CH4 chiếm 65% [6]. Lượng khí sinh ra mỗi ngày: (m3/ngày) Lượng khí CH4 sinh ra mỗi ngày: (m3/ngày) Cấu tạo của bể biogas thành 3 vùng chính: - Ngăn tiếp nhận, lắng cát: là nơi tiếp nhận phân và nước thải, đồng thời là ngăn lắng cát. - Ngăn phân huỷ: là nơi mà phân và nước thải được phân hủy kỵ khí và sinh khí Biogas. Ngăn này phải đảm bảo hoàn toàn kín, có vòm cố định thu khí. - Ngăn áp lực: chứa cặn lắng và nước thải sau bể Biogas. Khi sử dụng khí gas, các chất cặn lắng ở dạng lỏng trong ngăn áp lực sẽ chảy ngược lại vào ngăn phân huỷ để đẩy khí Biogas ra. Trong hỗn hợp khí Biogas có lẫn các thành phần: hơi nước, CO2, H2S và một số khí khác. Để sử dụng khí sinh học đạt nhiệt trị cao và tránh ô nhiễm thứ cấp từ đốt khí sinh học cần loại bỏ các tạp chất khí trên (làm giàu khí sinh học). - Loại bỏ hơi nước: hơi nước trong hỗn hợp khí có thể làm tắc ống dẫn khí do ngưng tụ, do đó ống dẫn khí cần tránh điểm tụ nước. Loại bỏ hơi nước bằng cách sục hỗn hợp khí biogas qua bình nước. - Loại bỏ CO2: khí CO2 tan tốt trong nước nên có thể dùng nước để loại bỏ CO2. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là cần một lượng nước lớn (trong khí sinh học chiếm 35% khí CO2 và khối lượng riêng của CO2 là 1,84kg/m3 thì cần một lượng nước là 429l để rửa 1m3 khí sinh học). Khí CO2 được hấp phụ bởi những dung dịch kiềm (NaOH, Ca(OH)2,..) các phương trình phản ứng: 2NaOH + CO2 ---> Na2CO3 + H2O Na2CO3 + CO2 + H2O ---> 2NaHCO3 Ca(OH)2 + CO2 ----> CaCO3 + H2O Dung dịch kiềm thường được sử dụng thường là nước vôi trong, 1kg vôi sống sử dụng có thể loại trừ 300l CO2 tương ứng với 860l hỗn hợp khí biogas. - Loại bỏ H2S: dùng dung dịch Na2CO3 ở quá trình trên có thể dùng để loại H2S trong khí Biogas: H2S + Na2CO3 ---> NaHS + NaHCO3 Có thể cho Biogas đi qua mạt sắt trộn lẫn với dăm bào: Fe2O3 + 3H2S -----> Fe2S3 + 3H2O Sau khi sử dụng oxyt sắt được tái sinh bằng cách đem Fe2S3 phơi nắng trong không khí, ta có: 2Fe2S3 + 3O2 -----> 2Fe2O3 + 3S2 3.3.2. Bể UASB a. Các thông số kỹ thuật tính toán bể UASB: - Vận tốc nước thải đưa vào bể duy trì trong khoảng 0,6-0,9m/h; - pH duy trì trong khoảng 6,6-7,6 (pH<6,2 thì vi khuẩn chuyển hóa methane hoạt động hiệu quả kém); - Thời gian lưu là 6 ngày cho vùng khí hậu nhiệt đới, chiều cao bể 4-6m [22]. b. Tính toán các thông số kỹ thuật bể UASB trong sơ đồ dây chuyền công nghệ Các thông số kích thước bể: - Thể tích phần xử lý yếm khí cần thiết: G: lượng COD cần khử trong ngày Q: lưu lượng nước thải cần xử lý, m3 COD: lượng COD cần khử (mg/l) E%: hiệu quả xử lý của bể UASB L: tải trọng xử lý trong bể UASB, - Diện tích bề mặt cần thiết của bể: v: vận tốc nước dâng trong bể, để giữ cho lớp bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng, tốc độ nước dâng trong bể phải giữ trong khoảng 0,6¸0,9m/h. Hình 3.7. Cấu tạo bể UASB - Tổng chiều cao của bể: H1: chiều cao phần xử lý yếm khí. H2: chiều cao vùng lắng. Để đảm bảo không gian an toàn cho bùn lắng xuống phía dưới thì chiều cao vùng lắng phải lớn hơn 1,0m [2]. Chọn H2=1,1m H3: chiều cao dự trữ, chọn H3=0,5m - Kiểm tra lại thời gian lưu trong bể trong khoảng 4-10h Tính toán ngăn lắng: - Tổng chiều cao của toàn bộ ngăn lắng (kể cả chiều cao vùng lắng và chiều cao dự trữ): > 30% Hbể. a: cạnh của mặt bằng bể UASB hình vuông (m) a: góc nghiêng giữa các tấm chắn khí so với phương ngang, a = 450¸600 - Thời gian lưu trong ngăn lắng phải lớn hơn 1 giờ: Tấm chắn khí: Hình 3.8. Tấm chắn khí trong bể UASB - Khe hở giữa các tấm chắn khí và giữa tấm chắn khí với tấm hướng dòng là bằng nhau. Tổng diện tích giữa các khe hở trên f=(15¸20%) tổng diện tích đơn nguyên. - Diện tích mỗi khe hở (trong bể thường có tổng số n khe hở): - Bề rộng của khe hở: - Tính toán tấm chắn số 1: Chiều dài: ; Chiều rộng:; Chiều cao: - Tấm chắn 2: Chiều dài: ; Chiều rộng: ; ; Tấm hướng dòng : Hình 3.9. Tấm hướng dòng trong bể UASB Tấm hướng dòng cũng được đặt nghiêng một góc a = 40-60o so với phương ngang cách tấm chắn khí một khoảng rkhe. Khoảng cách từ đỉnh tam giác của tấm hướng dòng đến tấm chắn 1: Đoạn nhô ra của tấm hướng dòng nằm bên dưới khe hở từ 10¸20cm. Chọn mỗi bên nhô ra 15cm. Chiều rộng tấm hướng dòng: Chiều dài tấm hướng dòng: c. Tính toán lượng khí và bùn sinh ra trong hệ thống UASB: Tính lượng khí sinh ra trong bể: - Thể tích khí sinh ra đối với 1kgCOD bị khử là 0,5m3 [5]. Tổng thể tích khí sinh ra trong một ngày: (m3/ng) - Tính lượng khí CH4 sinh ra: trong hỗn hợp khí sinh ra CH4 chiếm 70%, vậy thể tích khí CH4 sinh ra: (m3/ng) Tính lượng bùn sinh ra: - Lượng bùn do VSV sinh ra từ 0,1¸0,5kg/kgCOD được loại bỏ. - Bùn được xả định kỳ từ 1¸6 tháng nhờ áp lực thủy tĩnh của nước trong bể. ống thu bùn được đặt dọc theo chiều dài bể và cách đáy 1m. d. Một số đặc điểm khi vận hành bể UASB: - Khởi động bể, bùn nuôi cấy ban đầu phải có độ hoạt tính methane. Độ hoạt tính methane càng cao thì thời gian khởi động càng ngắn. Bùn hạt hoặc bùn lấy từ một bể kị khí đã hoạt động là tốt nhất. Ngoài ra, có thể sử dụng bùn chứa nhiều chất hữu cơ như bùn từ bể tự hoại, phân gia súc hoặc phân chuồng. Bảng 3.14. Các loại bùn nuôi cấy ban đầu bể UASB STT Loại bùn Hoạt tính Methane (kg CH4-COD/kg VSS) Hàm lượng VSS (kg/m3) 1 Bùn hạt 0.80-1.50 15-35 2 Bùn từ các bể kỵ khí khác 0.4-1.20 10-25 3 Bùn cống rãnh 0.02-0.10 8-20 4 Phân chuồng 0.02-0.08 20-80 5 Bùn bể tự hoại 0.01-0.02 15-50 6 Phân gia súc khác 0.001-0.004 30-100 - Nồng độ bùn cung cấp ban đầu cho bể UASB tối thiểu là 10kg VSS/m3. - Lượng bùn cho vào bể không nên nhiều hơn 60% thể tích bể. - Trong giai đoạn khởi động vận tốc vận tốc nước đi lên là rất quan trọng, nếu vận tốc nước dâng quá lớn bùn trong bể sẽ bị cuốn trôi ra ngoài. - Bể phải khởi động ở tải trọng thấp hoặc nồng độ COD thấp. Khi bể hoạt động cần theo dõi lượng khí sinh học sinh ra, hiệu quả xử lý hoặc chất lượng nước đầu ra. Chỉ tăng tải trọng khi mọi thứ hoạt động tốt và không có một trở ngại nào. - Khi có loại bùn nuôi cấy tốt, bể UASB có thể vận hành ở tải trọng 3kg COD/m3/ngày và thời gian lưu nước khoảng 24 giờ. - Ở giai đoạn này cần tạo điều kiện cho vi khuẩn methane phát triển do bùn nuôi cấy ban đầu thường có rất ít lượng vi khuẩn. Vì vậy, giai đoạn khởi động thường mất rất nhiều thời gian. - Lấy mẫu phân tích định kỳ trong quá trình vận hành bể: Để biết được sự hoạt động bên trong bể, dọc theo chiều cao bể ta đặt các van lấy mẫu. Với các mẫu thu được ở cùng một van, ta có thể ước đoán lượng bùn ở độ cao đặt van đó. Sự ước đoán này rất cần thiết khi muốn biết tải trọng thực sự của bùn và thời gian lưu bùn hiện trong bể là bao nhiêu, từ đó mà có sự điều chỉnh thích hợp. Trong điều kiện ổn định, tải trọng của bùn gần như không đổi, do đó mật độ bùn tăng lên đều đặn. Nhưng ngay trong những trường hợp đó, việc lấy mẫu vẫn được đề nghị thực hiện đều đặn. Khi mở van, cần điều chỉnh sao cho bùn ra từ từ để đảm bảo thu được bùn gần giống trong bể vì nếu mở lớn quá thì nước sẽ thoát ra nhiều hơn. Thông thường lấy 50-150 ml mẫu vào 2 lần cách nhau ít nhất 1h. 3.3.3. Mương oxy hóa: Mặt bằng mương oxy hóa hình ôvan, có hệ thống guồng quay trục ngang cung cấp oxy cho quá trình oxy hóa chất hữu cơ. Thể tích mương oxy hóa là tổng thể tích của vùng hiếu khí khử BOD5 và oxy hóa N-NH4+; vùng thiếu khí khử NO3- thành khí N2: Thể tích mương oxy hóa: V = V1 + V2 + Thể tích vùng hiếu khí (V1): Trong đó: Q: lưu lượng nước thải, m3/ngày So: BOD5 đầu vào mương oxy hóa, mg/l F/M: tỷ số hàm lượng BOD5/bùn hoạt tính X: nồng độ bùn hoạt tính lơ lửng, mg/l XN: nồng độ bùn hoạt tính đối với vi khuẩn oxy hóa amoni m: tỷ lệ khử NH4+ thành NO3- (N): tổng hàm lượng nitơ trong nước thải, mg/l rDN: tốc độ khử NO3- thành N2, mgNO3-/mg bùn hoạt tính + Thể tích vùng thiếu khí khử nitrat (V2): Trong đó: n: tỷ lệ khử NO3- thành N2 NO3-: hàm lượng NO3-, mg/l rDN: tốc độ khử NO3- thành N2, mgNO3-/mg bùn hoạt tính Các thông số tính toán cấu tạo mương oxy hóa [17]: Chiều sâu lớp nước trong mương từ 1,0-1,5m; Vận tốc trong mương 0,1-0,4m/s. Lắp đặt hệ thống khuấy trộn dạng guồng quay trục ngang, tốc độ quay n=60-110 vòng/phút. Thời gian lưu nước 24-36giờ, thời gian lưu bùn 15-33 ngày, hệ số tuần hoàn bùn 0,75-1,5. Sau quá trình xử lý bằng mương oxy hóa, hiệu quả xử lý BOD đạt 85-90%, hiệu quả xử lý N đạt 40-80%. 3.3.4. Bể lắng 2 Bể lắng đợt 2 sau mương oxy hóa được thiết kế với các chỉ tiêu [8]: - Tải trọng bề mặt 8-12m3/m3bể.ngày - Chiều sâu bể lắng: 3-4m - Thời gian lắng: 6-12h 3.3.5. Hồ sinh học Theo điều tra đánh giá hiện trạng môi trường tại các cơ sở chăn nuôi (Viện Chăn nuôi, 2006) cho thấy: tại các cơ sở chăn nuôi hầu hết sử dụng hồ sinh học để xử lý nước thải. Mặt khác hồ sinh học còn tạo cảnh quan, dự trữ nước các hoạt động nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản. Nước thải sau các công trình xử lý COD (bể Biogas, UASB, mương oxy hóa) hàm lượng chất hữu cơ có thể đã đạt tiêu chuẩn thải (COD=400mg/l). Vấn đề chính trong nước thải chăn nuôi là các hợp chất N, đối với xử lý nước thải giàu hợp chất N thì xử lý chất hữu cơ là vấn đề thứ yếu. Để xử lý nước thải tiếp theo sử dụng chuỗi hồ sinh học: Hồ tùy tiện -> hồ hiếu khí, ngoài ra tăng cường hiệu quả xử lý nước thải trong hồ sinh học bằng cách kết hợp nuôi trồng một số loài thực vật thủy sinh (mục 3.4.5). Các thông số thiết kế hồ sinh học được thể hiện trong bảng sau [17]. Bảng 3.15. Các thông số thiết kế hồ sinh học Các thông số Đơn vị Hồ hiếu khí Hồ tùy tiện Hồ kỵ khí Chiều sâu m 1,0-1,5 1,0-2,5 2,5-5,0 Thời gian lưu nước ngày 2-6 7-50 30-50 Tải trọng BOD5 g/m2.ngày 10-20 2-10 - Hiệu quả xử lý BOD % 80-95 70-95 50-70 Hàm lượng cặn lơ lửng trong nước thải ra khỏi hồ mg/l 150-350 100-350 - + Hồ tùy tiện: + Thời gian lưu nước trong hồ, theo Mara DD.., 1976 thời gian lưu nước trong hồ tùy tiện được xác định theo công thức: Trong đó: KT = K20.(1,06)T-20 ; K20 = 0,3 ngày-1 + Diện tích xây dựng hồ: (m2) Trong đó: Q – lưu lượng nước thải, m3/ngày H – chiều sâu trung bình của hồ, m a – hệ số phụ thuộc vào chiều rộng (B) và chiều dài hồ (L). Với các tỷ lệ B/L khác nhau thực hiện nội suy theo bảng sau: B/L 1/1 1/3 1/10 1/30 a 2,85 2,50 1,80 1,25 Trên cơ sở xác định trên thực hiện kiểm tra lại các giá trị trong bảng 3.11. + Hồ hiếu khí: trong hồ hiếu khí các quá trình oxy hóa các chất hữu cơ diễn ra theo phản ứng bậc 1: Trong đó: KT = K20.(1,06)T-20 ; K20 = 0,25 ngày t – thời gian lưu nước trong hồ, ngày Từ phương trình trên xác định được thời gian lưu nước trong hồ, sau đó kiểm tra lại các giá trị trong bảng 4.11. 3.4. So sánh lựa chọn công nghệ tối ưu cho xử lý nước thải chăn nuôi lợn Trên cơ sở nghiên cứu và phân tích các sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn, thực hiện so sánh và đánh giá ưu nhược điểm của từng sơ đồ dây chuyền từ đó đề xuất dây chuyền công nghệ phù hợp với điều kiện Việt Nam. Bảng 3.16. So sánh các sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn G.đoạn Dây chuyền 1 Dây chuyền 2 Dây chuyền 3 Xử lý sơ bộ Biogas: Hầu hết các trang trại hiện có và xây dựng mới đều sử dụng bể Biogas, ngoài nhiệm vụ xử lý sơ bộ nước thải nó còn cho một lượng khí gas tương đối lớn (0,45m3khí/1m3nước thải). Do đó Biogas là sự lựa chọn đầu tiên trong xử lý nước thải chăn nuôi. Biogas: (Như dây chuyền 1) Biogas: (Như dây chuyền 1) Xử lý kỵ khí Bể thiếu khí có ngăn lắng: + Ưu điểm: - Tải trọng cao, thời gian lưu bùn lớn. - Đơn giản trong vận hành - Lượng bùn sinh ra ít + Nhược điểm: - Khó kiểm soát lượng bùn - Ngăn lọc dễ tắc, khó kiểm soát. Bể thiếu khí có ngăn lắng: (Như dây chuyền 1) Bể UASB: + Ưu điểm: - Tải trọng cao, có khả năng chịu biến động của nước thải đầu vào. - Có thể thu được một lượng khí Biogas đáng kể. - Lượng bùn sinh ra ít (bằng 20% so với quá trình hiếu khí). - Giảm diện tích xây dựng + Nhược điểm: - Yêu cầu trình độ vận hành cao. - Các yếu tố kiểm soát nghiêm ngặt, Xử lý hiếu khí Bể lọc sinh học nhỏ giọt: + Ưu điểm: - Hiệu quả xử lý cao, có thể cấp khí cho hệ thống bằng thoáng khí tự nhiên + Nhược điểm: - Tải trọng bề mặt thấp, dẫn đến diện tích công trình lớn; - Không chịu được nước thải có hàm lượng BOD cao, do đó cần phải pha loãng dẫn đến tăng dung tích công trình và tăng năng lượng bơm. - Tốn năng lượng cho quá trình bơm nước thải từ bể kỵ khí lên bể lọc sinh học. Bể Aeroten: + Ưu điểm: - Tải trọng chất hữu cơ cao + Nhược điểm: - Không xử lý được N, P (chỉ một lượng nhỏ đi vào sinh khối); - Bùn sau xử lý có tính ổn định thấp, do đó cần có biện pháp xử lý bùn; - Tốn năng lượng cho sục khí (cường độ sục lớn); Mương oxy hóa: + Ưu điểm: - Kết hợp xử lý C, N và P. - Công tác quản lý vận hành đơn giản, phù hợp với xử lý nước thải chăn nuôi. - Thời gian lưu bùn dài do đó bùn sinh ra từ quá trình xử lý có tính ổn định cao. - Năng lượng cần cung cấp ít hơn công trình hiếu khí khác. - Nước từ bể UASB tự chảy sang mương oxy hóa, do đó không cần năng lượng bơm (phương án 1 và phương án 2 cần năng lượng bơm). + Nhược điểm: - Diện tích xây dựng lớn. - Ngăn lọc dễ tắc, khó kiểm soát. Bể lắng 2 Ưu điểm : Sau quá trình lọc sinh học nhỏ giọt, bùn dễ lắng nên dễ kiểm soát và khối tích công trình nhỏ. Nhược điểm: bùn sau aeroten hay bị hiện tượng khó lắng nên bể lắng 2 hoạt động kém hiệu quả, khối tích công trình lớn Ưu điểm : Sau mương oxy hóa, bùn dễ lắng nên dễ kiểm soát và khối tích công trình nhỏ. Xử lý tăng cường Ao sinh học: Sau các quá trình kỵ khí, lọc sinh học hiệu quả xử lý N(21,6%), P(30%), hàm lượng N (186mg/l), P(22,4mg/l) gần đạt đến ngưỡng tiêu chuẩn. Có thể giảm xuống dưới mức tiêu chuẩn nếu ở rộng ao sinh học Ao sinh học: Sau các quá trình xử lý nói chung nước thải đạt tiêu chuẩn TCN-678: 2006. Tuy nhiên cần phải khảo sát thêm. Hồ sinh học: Sau các quá trình UASB, mương oxy hóa. Hiệu quả xử lý N, P cao hơn sơ đồ 1 và sơ đồ 2 (do hiệu quả của các công trình UASB và mương oxy hóa xử lý N, P). Xây dựng hồ kết hợp dự trữ nước, nuôi trồng thủy sản và ổn định nước thải. So sánh các phương án - Hiệu quả xử lý không cao (thấp hơn phương án 3) - Khối tích công trình lớn (bể lọc nhỏ giọt) - Tốn năng lượng trong quá trình vận hành (bơm nước từ bể kỵ khí lên bể lọc, tuần hoàn nước thải) - Hiệu quả xử lý COD cao hơn phương án 1 nhưng thấp hơn phương án 3; hiệu quả xử lý N, P thấp nhất trong 3 phương án. - Tốn năng lượng cấp khí trong bể aeroten. - Bùn sau quá trình xử lý có độ ổn định thấp, nên tốn chi phí cho bể lắng 2 và xử lý ổn định bùn. - Hiệu quả xử lý COD, N, P cao nhất trong cả 3 phương án. - Bể UASB kiểm soát được lượng bùn, hiệu quả xử lý cao do đó giảm được chi phí xây dựng công trình và diện tích đất xây dựng. Trên cơ sở phân tích đánh giá theo bảng trên và qua thực tế tìm hiểu các trang trại chăn nuôi lợn tập trung, dựa trên các yếu tố kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường ở các trại chăn nuôi. Trong luận văn tốt nghiệp, tác giả đề xuất: áp dụng sơ đồ dây chuyền công nghệ số 1 cho xử lý nước thải trại chăn nuôi lợn tập trung ở Việt Nam. Dây chuyền công nghệ xử lý nước thải lựa chọn đáp ứng đầy đủ các yếu tố: chi phí đầu tư xây dựng không cao, công tác quản lý vận hành đơn giản, chi phí vận hành thường xuyên thấp, thỏa mãn các tiêu chuẩn về môi trường đối với ngành chăn nuôi. Tuy nhiên, cần phải có thêm các khảo sát tính toán cho phù hợp với điều kiện của từng trang trại Cũng trên cơ sở các phân tích đánh giá trên tác giả đề xuất nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau Biogas theo dây truyền sau: Nước thải à Bể Biogas à Hồ sinh học à môi trường. Nội dung các tính toán (xem phụ lục 2). Đồng thời đề xuất nghiên cứu tiếp theo hướng mô hình 3. CHƯƠNG IV. KẾT LUẬN Trong những năm gần đây chăn nuôi lợn phát triển rất nhanh: tăng trưởng bình quân 8,9%/năm; số trang trại chăn nuôi lợn năm 2006 (113.730) tăng gấp 2 lần so với năm 2000 (57.069 trang trại). Cùng với sự phát triển trên ngành chăn nuôi lợn thải ra môi trường một lượng lớn chất thải (75-85 triệu tấn phân), trong khi đó công tác quản lý và xử lý môi trường gần như chưa được quan tâm. Hầu hết các trang trại chăn nuôi lợn chưa có hệ thống xử lý nước thải, nếu có thì chỉ là hệ thống xử lý nước thải đơn giản (mục đích chính là thu khí sinh học): Nước thải à Bể Biogas à Hồ sinh học à môi trường. Trong khuôn khổ luận văn thạc sỹ tác giả đã thực hiện được các vấn đề: Đánh giá tổng quan ngành chăn nuôi lợn ở Việt Nam; Hiện trạng môi trường chăn nuôi lợn và ảnh hưởng đến sức khỏe vật nuôi, con người và môi trường; Xây dựng mô hình thực tiễn đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn trên dây chuyền công nghệ số 1 và số 2. 1. Dây truyền công nghệ số 1 Biogas --> Bể thiếu khí --> Lọc sinh học nhỏ giọt --> Hồ sinh học Kết quả nước sau xử lý: TSS- 108 (mg/l); BOD- 116 (mg/l); COD- 252 (mg/l); Tổng N- 186 (mg/l); Tổng P- 22 (mg/l). 2. Dây truyền công nghệ số 2 Biogas --> Bể thiếu khí --> Bể Aeroten --> Hồ sinh học Kết quả nước sau xử lý: TSS- 71 (mg/l); BOD- 65 (mg/l); COD- 119 (mg/l); Tổng N- 145 (mg/l); Tổng P- 11 (mg/l). Trên cơ sở phân tích đánh giá các tiêu chí về kỹ thuật, kinh tế, tiêu chuẩn thải tác giả đề xuất, lựa chọn và xây dựng cơ sở lý thuyết cho sơ đồ dây chuyền công nghệ số 3 phù hợp với điều kiện xử lý nước thải chăn nuôi ở Việt Nam: Nước thải chăn nuôi à Biogas à UASB à Mương ôxy hóa à Hồ sinh học. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Antoine Pouilieute, Bùi Bá Bổng, Cao Đức Phát: Báo cáo “Chăn nuôi Việt Nam và triển vọng 2010”; ấn phẩm của tổ chức PRISE của Pháp; Bùi Xuân An: Nguy cơ tác động đến môi trường và hiện trạng quản lý chất thải trong chăn nuôi vùng Đông Nam Bộ, Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh, 2007; Nguyễn Việt Anh: Bể tự hoại và bể tự hoại cải tiến, NXB Xây dựng – 2007 Lê Văn Cát: Xử lý nước thải giàu hợp chất Nitơ và, Phốtpho – Nhà Xuất bản Khoa học tự nhiên và công nghệ – 2007 Nguyễn Hoài Châu: An toàn sinh học – yếu tố quan trọng hàng đầu trong chăn nuôi tập trung, 2007; Nguyễn Phước Dân: Báo giảng tập huấn Bảo vệ môi trường – Các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi lợn, 2007; Hoàng Kim Giao: Phát triển chăn nuôi với vấn đề bảo vệ môi trường, 2007; Trần Đức Hạ: Tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải đô thị, Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, 2006; Trần Thị Hiền Hoa: Phương pháp mới loại bỏ amoniac khỏi chất thải của động vật bằng vi khuẩn Anammox, 2005. Hồ Thị Kim Hoa, Lê Thanh Hiền, Trần Thị Dân: Tình hình quản lý chất thải chăn nuôi ở một số huyện ở TP.Hồ Chí Minh và 3 tỉnh lân cận, 2005; Lăng Ngọc Huỳnh: Vệ sinh môi trường trong chăn nuôi, 2005; Lương Ngọc Khánh: Xử lý ô nhiễm nước bằng vi khuẩn Anammox, 2005; Đặng Đình Kim: Báo cáo tổng quan”Ứng dụng phương pháp sinh học xử lý chất thải hữu cơ sinh ra từ một số ngành công nghiệp trên thế giới và khả năng ứng dụng tại Việt Nam”, 2002. Trịnh Xuân Lai: Tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải, Nhà xuất bản Xây dựng Hà Nội, 2000; Tôn Thất Lãng: Bùn hạt và những phương pháp đẩy nhanh quá trình tạo bùn hạt, 2004; Tôn Thất Lãng: Mô hình xử lý kỵ khí tốc độ cao và ứng dụng trong xử lý nước thải, 2005; T«n ThÊt L·ng: Bïn h¹t vµ nh÷ng ph­¬ng ph¸p ®Èy nhanh qu¸ tr×nh t¹o bïn h¹t, 2004; Phạm Khắc Liệu, Trần Thị Hiền Hoa, Lê Công Nhất Phương, Lương Ngọc Khánh, Trần Hiếu Nhuệ,  Kenji Furukawa: Oxy hóa kỵ khí amôni ứng dụng xử lý nitơ trong nước thải ở Việt Nam, Tạp chí Xây dựng, năm 2005, số 10, trang 41-45. Nguyễn Thị Hoa Lý: Một số vấn đề liên quan đến việc xử lý nước thải chăn nuôi, lò mổ, Tạp chí khoa học nông nghiệp, năm 2005, số 5; Nguyễn Văn Phước: Các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi heo, 2007; Lê Công Nhất Phương: Nghiên cứu triển khai ứng dụng xử lý ammonium trong nước thải nuôi heo với công suất 20 m3/ngày và nuôi dưỡng sinh khối có nhóm vi khuẩn Anammox, 2007; Tiêu chuẩn xây dựng hầm Biogas, Viện Năng lượng - Bộ Công nghiệp, 2001. Tổng cục thống kê: Báo cáo thống kê số trang trại chăn nuôi theo địa phương, 2007; Phùng Thị Vân: Xây dựng mô hình chăn nuôi lợn trong nông hộ nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường và nâng cao năng suất chăn nuôi, Báo nông nghiệp số 123; Viện chăn nuôi: Điều tra đánh giá hiện trạng môi trường trại chăn nuôi lợn, 2006; Viện chăn nuôi: Báo cáo hiện trạng môi trường chăn nuôi ở một số tỉnh, 2006; Viện Công nghệ môi trường. Báo cáo đề tài “Nghiên cứu đánh giá hiệu quả sử dụng dung dịch hoạt hóa điện hóa phòng chống bệnh và tăng hiệu quả chăn nuôi gia cầm”. 2005. Viện kinh tế nông nghiệp: Báo cáo tổng quan “Các nghiên cứu về ngành chăn nuôi Việt Nam”, tháng 8 – 2005; Tiếng Anh A.C.Van Haandel,G.Lettinga: Anaerobic sewage: established technologies and perspectives. Wat. Sci. Technol. Vol.45.No.10, (2002) pp181-186] Ahn TH, Min KS, Speece RE: Full scale UASB reactor performance in brewery industry, Environ Technol, 2001 Apr, 22(4): 463-76. Bileen Wolmarans and Gideon H de Villiers: Start-up of a UASB effuent treatment plan on distellery wastewater, Water South Africa Vol.28 No.1 January 2002. Greenway M2003:. Water Science and technology Vol 48 No2: 121-128 Joseph F. Malina: Design of Anaerobic Process for the Treatment of Induatual and municipal Jens Rjbye Schmidt and Birgitte Kiar Ahring: Treatment of waste water from a multi product food-processing company, inflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactors: The effect of sesonal variation, Pure & Appl. Chem, Vol.69, No. 11, pp. 2447-2452, 1997. Mecalf & Eddy: Wastewater engineering, 2005; Seabloom R.W.et al., 2003: Constructed Wetland. University of Washington: 1-31 W. Gujer, A. J. B. Zenhnder. Conversion process in anaerobic digestion, Wat. Sci. Technol. Vol. 15. No.1, (1982) pp.127-135. Mark Rice, Assistant Director: Solid Separation/Constructed Wetland System for Swine Wastewater Treatment, 2005 Dr. Leonard S. Bull, PI: “Innovative Sustainable systems Utilizing Economical Solutions (ISSUES)”, 2005 Dr. Leonard S. Bull, PAS: For the NC Attorney General-Smithfield Foods/Premium Standard Farms/Frontline Farmers Agreements, 2004 Viney P. Aneja: An Integrated Study of the Emissions of Ammonia, Odor and Odorants, and Pathogens and Related Contaminants from Potential Environmentally Superior Technologies (ESTs) for Swine Facilities, 10/2004 (EPA) United States Environmental Protection Agency: Managing Manure with Biogas Recovery Systems Improved Performance at Competitive Costs, 2002 EAS - Manure management technologies – Advanced manure treatment techology for Deerboine Colony, 2007 Matias B. Vanotti and Patrick G. Hunt: Amonium removal from swine wasterwater using immobilized nitrifiers, 2008 The Society for engineering in agricultura, food and biological systems: Comparison of Plastic Trickling Filter Media for the Treatment of Swine Lagoon Effluent, 2001 Nicholas P. Cheremisinoff: Handbook of wtare and wastewater treatment technologies N. Cicek: A review of membrane bioreactors and their potential application in the treatment of agricultural wastewater; Volume 45 2003 Greg Johnsona, Dr. Brad Culkin Ph.D. a, Larry Stowella: Membrane Filtration of Manure Wastewater, Vol 45, 2003 S.Y. Sheen, C.M. Hong, M.T. Koh, and C.C. Su: Swine Waste Treatment in Taiwan, 1993 Sebastià PUIG BROCH: Operation and Control of SBR Processes for Enhenced Biological Nutriel Remove from wastewater, 2008 Dr. Arux Chaiyakul: Thailand Country Profile(Agriculture Segment), 2007 Y. Harada: Treatment and utilization of Animal Waster in Japan, 1993 D.I. MASSÉ and L. MASSE: Treatment of slaughterhouse wastewater in anaerobic sequencing batch reactors, 2006 Liangwei Denga,b, Ping Zhenga,*, Ziai Chenb, Qaisar Mahmooda: Improvement in post-treatment of digested swine wastewater, 5/2007 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Một số hình ảnh về hệ thống xử lý áp dụng dây chuyền 1 Phụ lục 2: Một số hình ảnh về hệ thống xử lý áp dụng dây chuyền 2 3 2 1 Phụ lục 3: Một số hình ảnh và bản vẽ hệ thống xử lý áp dụng dây chuyền 3 Mặt cắt bể UASB Mặt cắt bể UASB