Nghiên cứu nâng cao hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi bằng mô hình biogas có bổ sung bã mía

Kỷ yếu hội nghị Khoa học Môi trường và Công nghệ sinh học năm 2011 55 NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƢỚC THẢI CHĂN NUÔI BẰNG MÔ HÌNH BIOGAS CÓ BỔ SUNG BÃ MÍA Lâm Vĩnh Sơn, Nguyễn Trần Ngọc Phƣơng Khoa Môi trƣờng và Công nghệ Sinh học, Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ TP.HCM ABSTRACT According to the statistics in 2009 of the Ministry of Agriculture and Rural Development, Vietnam has about 3 millions of buffaloes, six millions of cows, 28 millions of pigs ... besides hundreds of millions of poultries are being kept nation wide, environmental pressure (the most special is waste water) caused a great challenge to our country's development besides economical development. By building the pilot of biogas (laboratory scale), this paper describes a research to use an traditional combined biological process livestock wastewater (based on this model) is 71-76% SS, 74-76% COD, 74 - 76% BOD5, 65-68% TNK, 41 - 42% TP. And by using bagasse into the pilot of biogas, after 60 days, the research showed a result over 90% SS, COD, BOD5 (higher than the traditional biogas is 8 - 11% ). Beside that, over of 70% Nitrogen, about 50% phosphorus, 99.9% of total coliform in wastewater are treated. The result of this study showed an ability to treat wastewater by anaearobic methods that solve environmental pollution. Keywords: Livestock waste water, bagasse, biogas MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Mục tiêu cụ thể Nghiên cứu hiệu quả xử lý nƣớc thải chăn nuôi heo bằng mô hình Biogas, dựa trên công nghệ sinh học kỵ khí. Nghiên cứu nâng cao hiệu quả xử lý nƣớc thải chăn nuôi heo cũng bằng mô hình Biogas nhƣng có bổ sung bã mía, tạo cơ chất cho quá trình phân hủy. Theo dõi diễn biến các thông số đánh giá mức độ ô nhiễm nƣớc, diễn biến lƣợng khí và thành phần khí Biogas sinh ra, phản ánh tính khả thi của đề tài Mục tiêu lâu dài Hạn chế việc ô nhiễm môi trƣờng do nƣớc hoạt động chăn nuôi gây ra. Tìm nguồn nguyên liệu mới có khả năng xử lý nƣớc ô nhiễm với giá thành rẻ. Xây dựng bộ sƣu tập các loại phế phẩm – phụ phẩm nông nghiệp có khả năng xử lý nƣớc thải. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Nghiên giải pháp công nghệ trong cải tiến hiệu quả hoạt động của bể Biogas truyền thống và giảm thiểu tải lƣợng ô nhiễm trƣớc khi thải ra nguồn tiếp nhận bằng các nội dung nhƣ sau: + Thiết kế 2 mô hình phục vụ nghiên cứu : mô hình thứ nhất là mô hình Biogas vận hành theo nguyên lý truyền thống (nghiệm thức đối chứng Bo); và mô hình Biogas cải tiến bằng cách bổ sung thêm ngăn lọc đầu bể Biogas với vật liệu lọc bằng bã mía (nghiêm thức nâng cao B1). + Phân tích các chỉ tiêu môi trƣờng nƣớc, theo dõi thành phần và thể tích khí Biogas theo các mốc thời gian cụ thể. + Từ những nghiên cứu đó, kết luận tính khả thi của việc nâng cao hiệi quả xử lý nƣớc thải chăn nuôi bằng Biogas kết hợp với việc bổ sung bã mía, thúc đẩy tốc độ và hiệu quả của quá trình phân hủy kỵ khí. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phƣơng pháp luận Nƣớc thải chăn nuôi heo có đặc trƣng ô nhiễm hữu cơ cao, giàu Nitơ, vi sinh vật…khả năng gây ô nhiễm môi trƣờng cao. Nếu không xử lý thích hợp thì nó sẽ đe dọa các thành phần môi trƣờng khác và ảnh hƣởng sức khỏe cộng đồng. Kỷ yếu hội nghị Khoa học Môi trường và Công nghệ sinh học năm 2011 56 Cũng do đặc tính nhƣ vậy mà khả năng áp dụng công nghệ phân hủy kỵ khí bằng bể Biogas thích hợp trong xử lý loại chất thải này. Ít bùn, sinh năng lƣợng, dể vận hành, ít tốn kém...Nhiều công trình Biogas truyền thống làm đƣợc điều đó. Nhận thấy phế phẩm trong nông nghiệp cũng là một loại tài nguyên có thể tái sử dụng, tác giả sử dụng bã mía bổ sung vào ngăn đầu tiên trong bể Biogas nhƣ là một loại vật liệu lọc và còn là nguồn cacbon đầu vào cho vi sinh vật sử dụng. Phƣơng pháp cụ thể Phƣơng pháp thu thập tài liệu: tổng hợp, biên hội những tài liệu, những đề tài, những công trình nghiên cứu có liên quan Phƣơng pháp xây dựng và vận hành mô hình thực nghiệm: xây dựng mô hình thí nghiệm, chạy mô hình và theo dõi các vấn đề phát sinh trong thời gian nghiên cứu Phƣơng pháp phân tích mẫu: phân tích các chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng nƣớc trƣớc, trong, và sau xử lý. Phƣơng pháp phân tích, xử lý, tổng hợp số liệu: thu thập, phân tích và xử lý số liệu có đƣợc từ nghiên cứu bằng phần mềm Microsoft Excel 2007 QUY TRÌNH THÍ NGHIỆM: Thiết kế mô hình: Mô hình đối chứng B0 : là mô hình làm bằng kính, dày 4,5mm, hình hộp chữ nhật, có kích thƣớc là D x R x C = 0,8 x 0,4m x 0,4m Hình 1. Mô hình đối chứng -Bo Mô hình nghiên cứu nâng cao B1: là Mô hình làm bằng kính, dày 4,5mm , hình hộp chữ nhật. Hình 2. Mô hình nghiên cứu nâng cao (bổ sung bã mía) – B1 Kích thƣớc: D x R x C = 1,2m x 0,4m x 0,4m ; Chia làm 3 ngăn, với cấu tạo nhƣ sau:  Ngăn thứ 1có kích thƣớc: D x R x C = 0.3m x 0,4m x 0,4m. Tại ngăn này là nơi tiếp nhận nƣớc thải đầu vào và đƣợc chứa bã mía.  Ngăn thứ 2 có kích thƣớc: D x R x C = 0.6m x 0,4m x 0,4m. Ngăn này tiếp nhận nƣớc thải từ ngăn thứ nhất thông qua ống xả tràn bố trí cách đáy mô hình là 0,32m  Ngăn thứ 3 có kích thƣớc: D x R x C = 0.3m x 0,4m x 0,4m. Đây là ngăn chứa nƣớc sinh ra sau quá trình phân hủy kỵ khí Kỷ yếu hội nghị Khoa học Môi trường và Công nghệ sinh học năm 2011 57  Túi thu khí: có dạng hình trụ đứng, chiều dài là 1m, Bán kính là 0,15m. Thể tích là 70lit, làm bằng nhựa trong suốt. Hình 3. Túi thu khí Biogas Bố trí và trình tự thí nghiệm: Nghiên cứu tiến hành dựa trên 2 nghiệm thức (1 nghiệm thức đối chứng Bo và 1 nghiệm thức nâng cao hiệu quả B1) với số lần lặp lại là 2 lần.  Thu mẫu nước thải chăn nuôi heo tại cơ sở chăn nuôi và phân phối mẫu nước vào các mô hình thí nghiệm Bo, B1: Mẫu nƣớc lấy tại trang trại chăn nuôi của ông Vũ Văn Tâm, Phƣờng An Lợi Đông, Quận 2, Tp. Hồ Chí Minh. Nƣớc thải lấy từ hố gom trƣớc khi cho vào bể Biogas của nông hộ chăn nuôi – mẩu đƣợc đồng hóa nƣớc và phân heo với nhau. Thời gian lấy mẩu: 14h30, ngày 5 tháng 4 năm 2010 Hiện trạng mẩu: màu xám, mùi hôi Điều kiện thời tiết: Trời nắng, đứng gió Mẫu đƣợc test các thông số cơ bản, làm thông số đầu vào của quá trình xử lý: pH, SS, COD, BOD5, Ni – tơ Kjeldahl (TNK), Phospho tổng (TP) , Tổng Coliform. Do thời gian nghiên cứu có hạn, đề tài không đề cập đến các chỉ tiêu quan trọng khác trong nƣớc thải chăn nuôi (ví dụ: N- nitrite, N – nitrate, N – NH4 +…). Sau đó cho thể tích tƣơng ứng vào mô hình Bo và B1 (bổ sung bã mía).  Thu mẫu sau các khoảng thời gian vận hành mô hình: Mẫu nƣớc đƣợc thu và phân tích sau khoảng thời gian định kỳ là 5 ngày, tiến hành liên tục trong 60 ngày.  Thu và phân tích mẫu khí Biogas: Khí biogas sinh ra ở mỗi mô hình B0 và B1 đƣợc thu vào túi thu khí chuyên dùng có tráng bạc mặt trong cùng. Phân tích thành phần và đo thể tích khí bằng máy GA 94  Sau 1 đợt nghiên cứu, tiến hành phân tích tổng hợp số liệu và thực hiện lần nghiên cứu thứ 2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Kết quả phân tích mẩu ban đầu Bảng 1. Kết quả phân tích mẩu nƣớc đầu vào Chỉ tiêu Giá trị pH 7,3 SS (mg/l) 5173 COD (mg/l) 10560 BOD5 (mg/l) 7181 N – Kjeldahl) 166,67 T - P (mg/l) 38,2 T - Coliform (CFU/100ml) 210 x 10 7 Kết quả lần thí nghiệm thứ nhất và bàn luân: Diễn biến pH Kỷ yếu hội nghị Khoa học Môi trường và Công nghệ sinh học năm 2011 58 Hình 4. Diễn biến pH theo thời gian trong 2 nghiệm thức Chênh lệch pH trong hai nghiệm thức không đáng kể. Từ 10 - 15 ngày đầu, pH < 7.0, do đang ở giai đoạn đầu của quá trình phân hủy kỵ khí – giai đoạn thủy phân và sau đó là lên men acid. Sau đó, môi trƣờng dần chuyển sang kiềm. Cuối loạt thí nghiệm, pH tại nghiệm thức B0 và B1 là 8,2 và 8,0. Diễn biến SS (mg/l) Hình 5. Diễn biến SS theo thời gian trong 2 nghiệm thức Khoảng 10 – 15 ngày đầu, SS tăng đáng kể ( từ 5173 mg/l ở thời điểm ban đầu tăng lên 5302 ở nghiệm thức đối chứng B0 và lên đến 6200 mg/l ở nghiệm thức B1 chỉ sau 5 ngày nghiên cứu). Sau 60 ngày nghiên cứu, hiệu quả xử lý SS của nghiệm thức B0 là 74,91% (tƣơng ứng là từ 5173 mg/l giảm xuống còn 1298 mg/l). SS từ 5173 mg/l xuống còn 803 mg/l thì hiệu quả loại bỏ SS trong nƣớc thải của nghiệm thức B1 – có bổ sung bã mía là 84,48%, cao hơn nghiệm thức đối chứng – B0 là 9,57%.. Diễn biến COD (mg/l) Hình 6. Diễn biến COD (mg/l) theo thời gian trong 2 nghiệm thức Trong 20 ngày đầu nghiên cứu, COD ở hai nghiệm thức luôn tăng so với giá trị COD đầu vào (10560 mg/l). Sau 5 ngày, COD tăng lần lƣợt là 11090 và 12400 mg/l tại 2 nghiệm thức B0 và B1. Đến hết ngày thứ 10, COD tăng tiếp tục và cao hơn sau 5 ngày (lần lƣợt đạt 13580 mg/l và 16500 mg/l tại nghiệm thức B0 và B1). Một vấn đề nữa mà kết quả nghiên cứu thể hiện, chính là cùng thời điểm nhƣ trên, COD trong nghiệm thức B1 tăng cao so với nghiệm thức B0, do bã mía còn một phần đƣờng saccharose (2,5% bã mía là đƣờng), giai đoạn đầu đƣợc tiết vào nƣớc thải làm tăng COD của hệ thống. Hiện tƣợng COD gia tăng kết thúc sau ngày thứ 20, sau đó giảm ổn định cho đến cuối quá trình: từ 11304 mg/l và 10400 mg/l tại ngày thứ 20 của nghiệm thức B0 và B1 lần lƣợt giảm còn 2540 mg/l và 1560 mg/l ở ngày thứ 60. Kỷ yếu hội nghị Khoa học Môi trường và Công nghệ sinh học năm 2011 59 Từ những kết quả đó, hiệu quả khử COD trong nghiệm thức B0 đối chứng là 75,95% (tƣơng ứng từ 10560 mg/l giảm còn 2540 mg/l) thấp hơn hiệu quả của nghiệm thức B1 trong cùng thời gian nghiên cứu là 85,23% (tƣơng ứng từ 10560 mg/l xuống còn 1560 mg/l) một khoảng là 9,28%. Diễn biến BOD5 (mg/l) Hình 7. Diễn biến BOD5 (mg/l) theo thời gian trong 2 nghiệm thức Sau 10 ngày nghiên cứu, BOD5 lần lƣợt đạt mức 9234 mg/l và 11220 mg/l tại hai nghiệm thức B0 và B1. Sau 15 ngày, BOD5 vẫn còn cao so với giá trị đầu vào (7942 mg/l và 8704 mg/l lần lƣợt tại 2 nghiệm thức B0 và B1). Sự gia tăng BOD5 đƣợc giải thích tƣơng tự nhƣ sự gia tăng COD trong giai đoạn thủy phân nƣớc thải. Và nghiệm thức B1, BOD5 tăng cao so với nghiệm thức B0 là 1986 mg/l (11220 mg/l so với 9234 mg/l). Tuy nhiên, sau 15 ngày, BOD5 ở hai nghiệm thức bắt đầu giảm nhẹ. Đến ngày thứ 30, tại nghiệm thức B0 hiệu quả khử BOD5 là 47% trong khi cùng với thời điểm đó, hiệu quả khử BOD5 là 66% tại nghiệm thức B1. Sau 30 ngày, BOD5 hầu nhƣ giảm đều đặn sau từng khoảng thời gian. Kết thúc 60 ngày, BOD5 trong nghiệm thức B0 còn lại là 1727 mg/l và B1 là 1061 mg/l, tƣơng ứng với hiệu quả xử lý lần lƣợt là 76% và 85,22% tại hai nghiệm thức. Diễn biến TNK (mg/l) Hình 8. Diễn biến TNK (mg/l) theo thời gian trong 2 nghiệm thức Sau 10 ngày nghiên cứu, Ni-tơ tăng mạnh ở nghiệm thức B1 (tăng hơn 2 lần lƣợng Ni-tơ ban đầu: từ 166,67 mg/l lên đến 326,2 mg/l), và cũng tƣơng tự ở nghiệm thức B0 (lên đến 227,6 mg/l). Quá trình bổ sung bã mía cũng góp phần làm tăng Ni-tơ trong giai đọan này. Kết thúc ngày thứ 15, ở nghiệm thức đối chứng B0, Ni-tơ vẫn cao hơn so với Ni-tơ ban đầu (giá trị phân tích là 208,7mg/l), sau đó giảm nhanh đến giá trị 84,6 mg/l tại ngày thứ 35. Cuối ngày thứ 60, Ni-tơ còn lại là 54,8 mg/l. Hiệu quả khử Ni-tơ sau 60 ngày của mô hình đối chứng là 67,12% Diễn biến Ni-tơ trong nghiệm thức B1 cũng tƣơng tự. Ni-tơ giảm đều đặn, không có hiện tƣợng tăng đột ngột. sau 60 ngày nghiên cứu, Ni-tơ trong nghiệm thức B1 là 43,1 mg/l. Kết thúc thí nghiệm, hiệu quả khử Ni-tơ trong nƣớc thải tại nghiệm thức B0 là 67,12%, trong khi tại nghiệm thức B1 là 74,1%. Diễn biến TP (mg/l) Kỷ yếu hội nghị Khoa học Môi trường và Công nghệ sinh học năm 2011 60 Hình 9. Diễn biến TP (mg/l) theo thời gian trong 2 nghiệm thức Hiệu quả khử Total Coliform (CFU/100ml) Tổng Coliform sau quá trình xử lý là 60 ngày chỉ còn 120 x 104 CFU/100ml ,Đạt 99,94%. Kết quả này thể hiện khả năng loại bỏ vi sinh vật gây bệnh trong nƣớc thải của quá trình phân hủy kỵ khí, sau các quá trình lên men acid, lên men methane. Thể tích khí sinh ra ở hai nghiệm thức sau 60 ngày Bảng 2. Thể tích khí Biogas sinh ra ở hai nghiệm thức Khí V (lít) và %khí trong hỗn hợp NTB0 NTB1 Biogas L 14.805 15.773 % 100 100 CH4 L 8.069 8.754 % 54.5 55.5 CO2 L 5.049 5.552096 % 34.1 35.2 H2S Ppm 4704 1015 % 0.005 0.001 Khác L 1.683 1.466 % 11.395 9.299 Thành phần các khí trong hỗn hợp khí Biogas sinh ra Hình 10. Thành phần hỗn hợp khí Biogas trong NT Bo lần thì nghiệm 1 Hình 11. Thành phần hỗ hợp khí Biogas trong nghiệm thức B1 lần thí nghiệm 2 Kỷ yếu hội nghị Khoa học Môi trường và Công nghệ sinh học năm 2011 61 Nhìn chung, những thành phần khí ― có lợi‖ phát sinh trong nghiệm thức B1 đều nhiều hơn so với nghiệm thức B0. Từ kết quả phân tích khí bằng máy GA94, ta thấy rằng, lƣợng khí sinh ra tại nghiệm thức B1 có phần nhiều hơn lƣợng khí sinh ra tại nghiệm thức B0 (15,778 lít so với 14,805 lít). Về thành phần khí CH4, nghiệm thức B1 cho một lƣợng khí là 55,5% cao hơn 1% so với nghiệm thức B0 đối chứng. Đặc biệt là lƣợng H2S tại nghiệm thức B1 ít hơn nghiệm thức B0 đến 5 lần ( 0,001 % so với 0,005 %). Kết quả thí nghiệm lần thứ 2 và bàn luận Diễn biến pH Hình 12. diễn biến pH theo thời gian 2 nghiệm thức lần thí nghiệm thứ 2 Dựa vào kết quả nghiên cứu, ta thấy chênh lệch pH ở hai nghiệm thức không đáng kể. Ở trong khoảng 15 ngày đầu, giaoi đoạn thủy phân và lên men acid làm môi trƣờng có tính acid. Sau đó, kể từ ngày 15 trở đi, pH tăng dần do chuyển sang giai đoạn lên men rƣợu, lên men methane…Cuối 60 ngày, tại nghiệm thức đối chứng B0, pH là 8,2 không chênh lệch nhiều so với pH ở nghiệm thức B1 là 8,1. Kết quả này không khác biệt nhiều so với kết quả lần nghiên cứu đầu tiên Diễn biến SS (mg/l) theo thời gian lần thí nghiệm thứ 2 Hình 13. Diễn biến SS (mg/l) theo thời gian ở hai nghiệm thức lần thí nghiệm thứ 2 Trong khoảng ngày đầu, SS tăng nhanh so với lƣợng SS ban đầu. Ở nghiệm thức đối chứng – B0, SS cực đại là 6280 mg/l tại thời điểm sau 5 ngày nghiên cứu. Và tại nghiệm thức B1, sau 10 ngày , SS cao nhất là 5406 mg/l. Sau 15 ngày SS bắt đầu giảm do quá thủy phân đã kết thúc, bắt đầu giai đoạn tiếp sau trong tiến trình xử lý . Cuối 50 ngày, SS giảm nhẹ và có xu hƣớng bão hòa. Hiệu quả xử lý cặn của nghiệm thức B0 sau 60 ngày là 71,06%, và ở nghiệm thức B1 là 83,1%. Có thể thấy đƣợc vai trò của việc bổ sung bã mía vào ngăn đầu tiên trong mô hình Biogas, dù thời gian đầu, SS có dấu hiệu tăng rất nhanh trong hệ thống xử lý. Tuy nhiên, sau quá trình thủy phân, acid hóa, acetate hóa và methane hóa, SS trong nghiệm thức B1 giảm rõ rệt. Kết quả ở lần thí nghiệm này có hiệu quả xử lý SS cao hơn lần thí nghiệm thứ nhất. Tuy nhiên, về bản chất, nghiệm thức B1 đều thế hiện kết quả cao hơn nghiệm thức đối chứng B0. Diễn biến COD (mg/l) theo thời gian ở lần thí nghiệm thứ 2 Kỷ yếu hội nghị Khoa học Môi trường và Công nghệ sinh học năm 2011 62 Hình 14. Diễn biến COD (mg/l) theo thời gian ở hai nghiệm thức lần thí nghiệm thứ 2 Tƣơng tự nhƣ lần thí nghiệm thứ nhất, diễn biến COD ở hai nghiệm thức cũng tăng cao so với COD vào trong khoảng 10 – 15 ngày đầu. Tại ngày thứ 10, nghiệm thức B1 có COD tăng vƣợt mức ban đầu là 6500 mg/l, có nghĩa là đạt 17060 mg/l so với 10560 mg/l ngày đầu, cao hơn cả sự tăng COD củng thời điểm tại nghiệm thức B0 ( B0 tăng, nhƣng chỉ đạt 13674 mg/l – tăng 3114 mg/l so với ngày đầu tại nghiệm thức này). Thời điểm này chính là lúc quá trình thủy phân diễn ra mạnh mẽ, cộng với việc vi sinh vật kỵ khí chƣa thích nghi với môi trƣờng , chƣa kể đến sự sống sót của một bộ phận nhỏ các loài vi sinh vật hiếu khí, thiếu khí có trong nƣớc thải đầu vào chƣa kịp mất đi…Tất cả các nguyên nhân đó, làm COD của nƣớc thải tăng đáng kể. Kể từ sau 15 ngày đến 20 ngày, COD có dấu hiệu giảm, tuy nhiên, vẫn còn cao so với lƣợng COD ban đầu. Cuối ngày thí nghiệm 20, tại nghiệm thức B0, COD là 10905 mg/l, giảm dần còn lại 4305 mg/l vào cuối ngày thứ 30. Từ ngày thứ 30 trở đi, đồ thị diễn biến COD không giảm đột biến nữa. Quá trình giảm COD diễn ra chậm chạp, đạt 2768 mg.l vào ngày thứ 60. Hiệu quả khử COD ở nghiệm thức B0 là 73,79%. Quá trình diễn ra tƣơng tự, tại nghiệm thức B1, cuối thời điểm 60 ngày sau nghiên cứu, COD chỉ còn lại 1656 mg/l. Hiệu suất khử COD tại nghiệm thức B1 do bổ sung bã mía là 84,32 %. Nhìn chung, biến thiên COD theo thời gian tại 2 nghiệm thức tại lần nghiên cứu thứ hai này cũng tƣơng tự so với lần thí nghiệm thứ nhất. Có thể thấy vai trò của việc bổ sung thêm bã mía vào hệ thống xử lý nƣớc thải chăn nuôi này. Diễn biến BOD5 (mg/l) theo thời gian ở lần thí nghiệm thứ 2 Hình 15. Diễn biến BOD5 (mg/l) theo thời gian ở hai nghiệm thức lần thí nghiệm thứ 2 Tƣơng tự nhƣ diễn biến BOD5 trong lần nghiên cứu thứ nhất, BOD5 lần lƣợt biến thiên theo chiều hƣớng: tăng trong khoảng 10 ngày đầu do ảnh hƣởng quả quá trình thủy phân, giảm trong những ngày tiếp theo do quá trình lên men acid, lên men methane…có nghĩa là lƣợng BOD5 đã đƣợc chuyển hóa thành những dạng sản phẩm khác trong quá trình chuyển hóa. Tại nghiệm thức đối chứng B0, BOD5 giảm nhanh đến ngày thứ 45 (2064mg/l). Từ ngày 45 về sau, BOD5 tiếp tục giảm nhƣng giảm rất nhẹ so với tốc độ giảm trƣớc đó. Hiệu quả khử BOD5 của nghiệm thức B0 là 73,79%. Còn tại nghiệm thức B1, BOD5 tăng cao nhất tại ngày thứ 10 (11601 mg/l). Sau đó, từ sau ngày thứ 10 trở đi, BOD5 giảm nhanh đến cuối ngày 30 (2479 mg/l). Từ ngày 30 đến ngày thứ 45, BOD5 Kỷ yếu hội nghị Khoa học Môi trường và Công nghệ sinh học năm 2011 63 giảm rất nhẹ, trong khoảng ban đầu là 2118 mg/l xuống còn 1863 mg/l. Ngày thứ 50, BOD5 giảm nhanh so với giai đoạn trƣớc nó (còn 1231 mg/l). Sau 60 ngày nghiên cứu, BOD5 trong nghiệm thức B1 còn lại là 1126 mg/l. Hiệu quả khử BOD5 của nghiệm thức B1 là 81,32%. Kết thúc 60 ngày nghiên cứu, hiệu quả khử BOD5 tại nghiệm thức B0 thấp hơn tại nghiệm thức B1 là 7,53%. Diễn biến T-NK (mg/l) theo thời gian ở lần thí nghiệm thứ 2 Hình 16. Diễn biến T-Nk (mg/l) theo thời gian ở hai nghiệm thức lần thí nghiệm thứ 2 Nhận thấy, trong 10 ngày đầu tại nghiệm thức B1, Ni-tơ gia tăng nhanh so với giá trị 166,67 mg/l, đạt 334,1 mg/l. Sau đó, giảm nhanh và đạt giá trị 168,3 mg/l vào cuối ngày nghiên cứu thứ 15. Kể từ ngày thứ 20 trở đi, từ giá trị Ni-tơ là 117,8 mg/l giảm đều đặn về giá trị 47,4 mg/l vào cuối ngày thứ 60. Hiệu quả khử Ni-tơ trong nghiệm thức B1 là 71,56%. Trong nghiệm thức B0, Ni-tơ cũng tăng trong khoảng thời gian đầu – lúc xảy ra quá trình thủy phân. Tuy nhiên, Ni-tơ tăng cao nhất vào cuối 15 ngày, đạt giá trị 217,5 mg/l – thấp hơn mƣớc tăng cao nhất của Ni-tơ tại nghiệm thức B1 (là 334,1 mg/l – đạt tại ngày thứ 10). Cuối 60 ngày nghiên cứu, hiệu quả khử Ni-tơ tại nghiệm thức B0 là 64,9%. So sánh với hiệu quả khử Ni-tơ trong nghiệm thức B1, ta thấy ban đầu, bã mía tiết ra một lƣợng Ni-tơ vào hệ thống xử lý, nhƣng sau đó, cơ chế dung hòa và hấp thu Ni-tơ của vi sinh vật đã góp phần làm giảm Ni-tơ trong nghiệm thức B1 này. Diễn biến T-P (mg/l) theo thời gian ở lần thí nghiệm thứ 2 Hình 17. Diễn biến T-Nk (mg/l) theo thời gian ở hai nghiệm thức lần thí nghiệm thứ 2 Ở nghiệm thức B0, trong 15 ngày đầu của nghiên cứu, T-P tăng so với giá trị ban đầu (giá trị cao nhất là 40,1 mg/l tại ngày thứ 5 nghiên cứu). T-P tại nghiệm thức B0 này giảm rõ rệt nhất trong 35 ngày đầu (từ 38,2 mg/l vào ngày đầu – còn 26,8 mg/l vào ngày thứ 35). Sau đó, từ ngày 40 trở đi, tốc độ tiêu thụ Phospho của vi sinh vật trong hệ thống xử lý chậm lại, từ 24,7 mg/l vào ngày thứ 40 , chỉ giảm xuống còn 22,8 mg/l vào ngày thứ 60. Hiệu quả xử lý T-P ở nghiệm thức B0 là 40,31%. Đối với nghiệm thức B1, trong 30 ngày đầu, sau quá trình tăng Phospho lên giá trị 40,2 tại thời điểm sau 5 ngày nghiên cứu, T-P trong nƣớc thải tiếp tục giảm đạt giá trị 22,4 mg/l tại thời điểm sau 25 ngày. Tại ngày 30, T-P có biểu hiện tăng nhẹ - đạt 23,8 mg/l. Từ ngày thứ 40 trở đi, T-P bắt đầu giảm dần và đạt giá trị 20,4 mg/l vào ngày thứ 55. Hiệu suất xử lý T –P lớn nhất tại thời điểm này (46,34%) vì ngày thứ 60, T-P lại tăng trở lại (20,5 mg/l). Thành phần khí Biogas sinh ra trong 2 nghiệm thức Kỷ yếu hội nghị Khoa học Môi trường và Công nghệ sinh học năm 2011 64 Bảng 3. V khí trong hổn hợp khí Biogas trong 2 nghiệm thức Khí V (lít) và % khí trong hỗn hợp NTB0 NTB1 Biogas L 9.895 10.352 % 100 100 CH4 L 5.601 6.087 % 56.6 58.8 CO2 L 3.800 3.571 % 38.4 34.5 H2S ppm 4976 2120 % 0.005 0.00212 Khác L 0.490 0.691 % 5.00 6.7 Thành phần khí trong hổn hợp khí Biogas sinh ra Hinh 18. Thành phần hỗn hợp khí Biogas trong NT Bo lần thì nghiệm 1 Hinh 19. Thành phần hỗn hợp khí Biogas trong NT Bo lần thì nghiệm 2 Nhận thấy, thành phần khí Methane sinh ra trong 2 nghiệm thức đều cao hơn 50%, kết quả này, phù hợp với những kết luận lý thuyết về thành phần khí trong hỗn hợp khí Biogas. Tại nghiệm thức B0, methane sinh ra là 56,6% trong khi tại nghiệm thức B1 là 58,8%. Tƣơng tự tỷ trọng các khí thành phần trong hỗn hợp khí Biogas tại lần thí nghiệm thứ nhất, phần trăm khí H2S tại nghiệm thức B1 bé hơn tại nghiệm thức B0. Hai lần thí nghiệm không chênh lệch nhiều về mặt số liệu. Chứng tỏ,khả năng xử lý của mô hình Biogas có bổ sung bã mía, đã cung cấp những điều kiện thuận lợi cho hệ vi sinh vật trong nƣớc thải phân hủy các chất hữu cơ một cách thuận lợi nhất. So sánh đối chiếu kết quả và bàn luận: Về hiệu quả xử lý của mô hình Biogas truyền thống Khả năng xử lý của mô hình Biogas truyền thống tại hai nghiệm thức B0 sau 2 lần thí nghiệm là cơ sở để kết luận về khả năng xử lý của mô hình Biogas truyền thống. Kỷ yếu hội nghị Khoa học Môi trường và Công nghệ sinh học năm 2011 65 Hiệu quả xử lý SS lần thí nghiệm thứ nhất đạt 74,91% và lần thứ hai đạt 71,06% thời gian, đều là giá trị hiệu suất tối ƣu sau 60 ngày nghiên cứu. Hiệu quả khử SS của mô hình truyền thống đạt từ 70 – 75%. Đối với hiệu suất xử lý COD, sau 60 ngày xử lý, hai lần thí nghiệm lần lƣợt cho kết quả là 75,95% và 73,79%. Vậy, hiệu quả khử COD của mô hình truyền thống là từ 73 – 76%. Tƣơng tự, hiệu quả khử BOD5 cũng nằm trong khoảng từ 70 – 71% ở sau 2 lần nghiên cứu. Quá trình khử Ni-tơ đạt hiệu quả cao nhất sau 60 ngày lần lƣợt là 67,12% và 64,9% sau 2 lần nghiên cứu. Nhƣ vậy, mô hình Biogas truyền thống có khả năng loại bỏ từ 64 – 68% Ni-tơ trong nƣớc thải chăn nuôi trong quá trình xử lý. Hiệu quả khử P là thấp nhất so với hiệu quả khử các thong số ô nhiễm khác, chỉ đạt 41,62 tại lần thí nghiệm thứ nhất và 40,31% tại lần thí nghiệm thứ 2, giá trị tối ƣu đó ghi nhận trong thời gian 45 – 50 ngày. Điều này chứng tỏ, sự tiêu thụ P của hệ vi sinh vật kỵ ký ít hơn nhiều so với tiêu thụ nguồn cơ chất khác cho hoạt động sống của nó. Về khả năng loại bỏ vi khuẩn gây bệnh, Tổng Coliform sau quá trình xử lý là 60 ngày chỉ còn 120 x 10 4 CFU/100ml tại lần 1 và 220 x104 CFU/100ml tại lần 2. Đạt 99,94% và 99,89%. Kết quả này thể hiện khả năng loại bỏ vi sinh vật gây bệnh trong nƣớc thải của quá trình phân hủy kỵ khí, sau các quá trình lên men acid, lên men methane, trên 99% vi sinh vật gây bệnh đƣợc loại bỏ khỏi nƣớc thải. Về khả năng sinh khí, sau 2 lần nghiên cứu, lƣợng khí Methane sinh ra từ 2 thí nghiệm lần lƣợt là 54,5% và 56,6% so với tống lƣợng khí sinh ra sau 60 ngày nghiên cứu. Thành phần khí H2S (sản phẩm có hại trong quá trình lên men kỵ khí) chỉ chiếm 0,005% trong tổng lƣợng khí sinh ra. Nhìn chung, hiệu quả xử lý sau 60 ngày của mô hình Biogas truyền thống còn khá cao so với tiêu chuẩn, nếu dòng thải này đƣợc thải ra môi trƣờng, thì vấn đề ô nhiễm môi trƣờng vẫn xảy ra Về hiệu quả xử lý của mô hình Biogas bổ sung ngăn lọc bằng bã mía nâng cao hiệu quả xử lý Về cơ chế xử lý chất thải trong nƣớc thải chăn nuôi, mô hình Biogas cải tiến bằng cách thêm vật liệu bã mía vào ngăn đầu của bể phân hủy tƣơng tự nhƣ mô hình Biogas truyền thống. Trong thời gian xử lý, bã mía tiết ra một phần chất hữu cơ (đƣờng saccharose, lignin,…) làm tải trọng các thông số ô nhiễm gia tăng. Tuy nhiên, sau quá trình thích nghi của vi sinh vật, tỷ lệ C/N đƣợc cân bằng, thì hiệu quả xử lý tăng cao so với mô hình truyền thống. Qua 2 lần nghiên cứu, tổng hợp kết quả ở hai nghiệm thứ B1 cho kết quả nhƣ sau Hiệu quả xử lý SS lần thí nghiệm thứ nhất đạt 84,77% và lần thứ hai đạt 83,11% thời gian, đều là giá trị hiệu suất tối ƣu sau 60 ngày nghiên cứu. Hiệu quả khử SS của mô hình nghiên cứu nâng cao đạt từ 83 - 85%. Đối với hiệu suất xử lý COD, sau 60 ngày xử lý, hai lần thí nghiệm lần lƣợt cho kết quả là 85,23% và 84,32%. Hiệu quả khử COD tại đây là từ 84 – 86%. Tƣơng tự, hiệu quả khử BOD5 cũng nằm trong khoảng từ 83 – 86% ở sau 2 lần nghiên cứu. Quá trình khử Ni-tơ đạt hiệu quả cao nhất sau 60 ngày lần lƣợt là 74,14% và 71,56% sau 2 lần nghiên cứu. Nhƣ vậy, mô hình Biogas cải tiến có khả năng loại bỏ từ 70 – 75 % Ni-tơ trong nƣớc thải chăn nuôi trong quá trình xử lý. Hiệu quả khử P là thấp nhất so với hiệu quả khử các thông số ô nhiễm khác, Sau 50 ngày xử lý, hiệu quả đạt tối ƣu là 48% tại hai nghiệm thức B1. Về khả năng loại bỏ vi khuẩn gây bệnh, Tổng Coliform sau quá trình xử lý là 60 ngày chỉ còn 220 x 10 4 CFU/100ml và 340x10 4 CFU/100ml. Đạt 99,89% và 99,83%. Về khả năng sinh khí, sau 2 lần nghiên cứu, lƣợng khí Methane sinh ra từ 2 thí nghiệm lần lƣợt là 55,5% và 58,8% so với tống lƣợng khí sinh ra sau 60 ngày nghiên cứu. Thành phần khí H2S (sản phẩm có hại trong quá trình lên men kỵ khí) chỉ chiếm 0,001% và 0,00212%trong tổng lƣợng khí sinh ra. Từ đó, ta thấy hiệu quả xử lý của mô hình Biogas nghiên cứu nâng cao hiệu quả xử lý nƣớc thải chăn nuôi heo bằng cách bổ sung vật liệu bã mía luôn cho kết quả về khả năng loại bỏ chất ô nhiễm cao hơn mô hình Biogas truyền thống từ 8 – 11%. Điều đó, ta thấy rằng, bổ sung bã mía là cần thiết về ý nghĩa môi trƣờng lẫn ý nghĩa kinh tế. Lƣợng khí methane sinh ra nhiều hơn (từ 1 -2%), H2S sinh ra ít hơn so với mô hình truyền thống (từ 3 Kỷ yếu hội nghị Khoa học Môi trường và Công nghệ sinh học năm 2011 66 – 5 lần), tận dụng đƣợc lƣợng phế phẩm nông nghiệp làm vật liệu trong quá trình xử lý..là những thành công mà kết quả nghiên cứu của đề tài thể hiện đƣợc Bảng 4. Đối chiếu trung bình hiệu quả xử lý hai lần thí nghiệm Chỉ tiêu SS COD BOD5 T-N T-P Coliform Hiệu quả nâng cao(%) 83 -85 84 - 86 84 - 86 71-75 48 -49 99,89% Hiệu quả đối chứng(%) 71 - 76 74 - 76 74 - 76 65 – 68 41 - 42 99,94% KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ Kết luận: Việc bổ sung bã mía vào nghiên cứu là cần thiết vì tạo đƣợc tỉ lệ C/N thích hợp cho quá trình phân hủy kỵ khí diễn ra trong mô hình biogas. Lƣợng khí biogas sinh ra có thành phần khí methane vƣợt trội hơn khi sử dụng mô hình biogas có bổ sung bã mía (cao hơn từ 1 – 2%), lƣợng khí H2S giảm từ 2 – 3 lần so với mô hình truyền thống (sau 60 ngày nghiên cứu). Sau 60 ngày, hiệu quả xử lý SS, COD, BOD5 của mô hình biogas cải tiến có bổ sung bã mía đều đạt trên 90%, cao hơn từ 8 – 11% so với mô hình truyền thống. Loại bỏ trên 70% Ni-tơ, tƣơng đƣơng 50% Phosphore, 99,9% Tổng Coliform trong nƣớc thải. Thời gian xử lý khá lâu, thành phần chất ô nhiễm còn khá cao trong dòng thải sau xử lý là những tồn tại của nghiên cứu. Nhƣ vậy, có thể ứng dụng việc bổ sung bã mía vào ngăn đầu tiên của mô hình biogas với lƣợng nƣớc thải mà nông hộ hiện có để nâng cao khả năng sinh khí và thu đƣợc lƣợng khí nhiều hơn phục vụ cho những nhu cầu khác nhau của nông hộ. Kết luận cuối cùng nhìn nhận lại tính khả thi của việc bổ sung bã mía vào mô hình biogas và việc áp dụng hồ thực vật để xử lý nƣớc thải chăn nuôi hoàn toàn bằng công nghệ sinh học, không tiêu thụ hóa chất hay bất cứ chế phẩm sinh học thị trƣờng nào cả. Kết quả của đề tài giúp ta nhìn nhận lại ý nghĩa khoa học của một công nghệ xử lý chất thải không mới nhƣng mang tính thực tiễn, tính kinh tế, tính thân thiện môi trƣờng và tính nhân văn của đề tài. Từ đó, góp phần khắc phục tình trạng ô nhiễm môi trƣờng do chăn nuôi tại các nông hộ chăn nuôi. Kiến nghị Từ những tồn tại của đề tài, tác giả kiến nghị những vấn đề khi vận hành mô hình nhƣ sau: Chú trọng chế độ khuấy trộn trong mô hình một cách thƣờng xuyên, đảm bảo chất hữu cơ và vi sinh vật trộn đều vào nhau, tăng cƣờng hiệu quả xử lý. Có thể nghiên cứu bổ sung thêm một vài chế phẩm sinh học phân hủy kỵ khí nƣớc thải vào mô hình để tăng cƣờng hiệu quả xử lý. Cũng có thể sử dụng chất mồi, là hỗn hợp bùn của các công trình xử lý kỵ khí khác, tạo điều kiện cho vi sinh vật nhanh thích nghi và đồng thời cũng nâng cao hiệu quả xử lý. Do điều kiện vận chuyển, đề tài còn hạn chế nên không thể theo dõi thƣờng xuyên thành phần % các khí (nhất là khí Methane) theo thời gian. Các nghiên cứu tiếp sau nên chia nhỏ các thời điểm khảo sát thành phần % các khí biogas (nhất là khí Methane) để thấy rõ hơn sự thay đổi. Cần tăng cƣờng số lần lặp lại cho mỗi thí nghiệm. Có thể lặp lại ba lần theo thời gian hay mở rộng nghiên cứu lặp lại ba lần theo nghiệm thức. Trong áp dụng thực tiễn, cần tăng cƣờng khâu hƣớng dẫn quy trình, chuyển giao công nghệ cho nông hộ chăn nuôi khi xây lắp, vận hành mô hình. Tăng cƣờng các giải pháp quản lý (tuyên truyền, giáo dục, cƣỡng chế…) trong quản lý dòng thải. Hƣớng nghiên cứu tiếp theo: triển khai nghiên cứu thực tiễn trên quy mô lớn hơn, có thể nghiên cứu phối trộn thêm thân lục bình thay thế bã mía vào bể Biogas làm chất độn trong quá trình xử lý, nghiên cứu thời gian thay đổi bã mía trong quá trình xử lý để đảm bảo hiệu quả của cả quá trình, phân tích thêm một số chỉ tiêu quan trọng khác ( N – nitrite, N – nitrate, N – Amonia…) để đánh giá sâu sắc và toàn diện hiệu quả của đề tài. TÀI LIỆU THAM KHẢO Doãn Thái Hoà. Giáo Trình Bảo Vệ Môi Trường Trong Công Nghiệp Bột Giấy và Giấy. NXB Khoa Học Kỹ Thuật Hà Nội, 2005. Kỷ yếu hội nghị Khoa học Môi trường và Công nghệ sinh học năm 2011 67 Lâm Vĩnh Sơn. Giáo trình Kỹ thuật xử lý nước thải. Đại học Kỹ Thuật Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh Lƣơng Đức Phẩm. Công nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học. NXB Giáo Dục, 2003. Trần Đức Hạ - Đỗ Văn Hải. Cơ Sở Hoá Học Quá Trình Xử Lý Nước Cấp Và Nước Thải. NXB Khoa Học Kỹ Thuật Hà Nội, 2002. Trịnh Xuân Lai. Thiết Kế Các Công Trình Xử Lý Nước Thải - Công ty tư vấn cấp thoát nước số 2. NXB Xây Dựng Hà Nội, 2000