Tài liệu Đánh giá hiệu quả mô hình xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng công nghệ Saibon Nhật Bản

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM ------------------------------ ĐINH THỊ ĐƯƠNG ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ MÔ HÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN BẰNG CÔNG NGHỆ SAIBON NHẬT BẢN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Thái Nguyên - 2016 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM ------------------------------ ĐINH THỊ ĐƯƠNG ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ MÔ HÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN BẰNG CÔNG NGHỆ SAIBON NHẬT BẢN Chuyên ngành: Khoa học Môi trường Mã số ngành: 60 44 03 01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS. Nguyễn Tuấn Anh 2. PGS.TS. Đỗ Thị Lan Thái Nguyên - 2016 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam, đoan rằng số liệu và kết quả nghiên cứu đã đưa trong luận văn này là trung thực và chưa hề bảo vệ một học vị nào. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ trong việc thực hiện đề tài này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong đề tài đều đã được chỉ rõ nguồn gốc. Thái nguyên, ngày tháng Học viên Đinh Thị Đương năm 2016 ii LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được báo cáo này, tôi xin chân thành cám ơn Trường Đại học Nông Lâm - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện để tôi có cơ hội được học tập và nghiên cứu tại Trường. Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành và sâu sắc đến quý thầy cô Khoa Môi trường, Phòng Quản lý đào tạo sau đại học - Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên đã tận tình truyền đạt kiến thức, hướng dẫn, tạo điều kiện cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Đặc biệt, với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn đến PGS.TS. Nguyễn Tuấn Anh và PGS.TS. Đỗ Thị Lan - giáo viên hướng dẫn khoa học, người đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin gửi lời cám ơn đến Lãnh đạo và cán bộ của Chi cục Bảo vệ môi trường, Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn tỉnh Thái Nguyên, chủ trang trại chăn nuôi lợn sạch siêu nạc Phúc Thịnh đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hỗ trợ thu thập các tài liệu phục vụ cho luận văn. Cuối cùng, tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, người thân và bạn bè đã luôn ủng hộ, động viên và giúp đỡ cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Thái Nguyên, ngày tháng Tác giả Đinh Thị Đương năm 2016 iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH MỤC CÁC TỪ, CỤM TỪ VIẾT TẮT ...........................................................v DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................................ vi DANH MỤC CÁC HÌNH ........................................................................................ vii MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài ..........................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu cùa đề tài ...............................................................................2 2.1. Mục tiêu tổng quát ...............................................................................................2 2.2. Mục tiêu cụ thể .....................................................................................................2 3. Ý nghĩa ....................................................................................................................3 3.1. Ý nghĩa khoa học .................................................................................................3 3.2. Ý nghĩa thực tiễn ..................................................................................................3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ..................................................................4 1.1. Cơ sở khoa học .....................................................................................................4 1.1.1. Tổng quan về chất thải từ chăn nuôi lợn ...........................................................4 1.1.2. Thành phần, tính chất của chất thải chăn nuôi ..................................................4 1.1.3. Một số phương pháp xử lý chất thải chăn nuôi .................................................6 1.1.4. Một số công nghê ̣ thường sử du ̣ng trong xử lý nước thải chăn nuôi ................8 1.2. Cơ sở pháp lý .....................................................................................................12 1.2.1. Cơ sở pháp lý ..................................................................................................12 1.2.2. Cơ sở kỹ thuật .................................................................................................13 1.3. Cơ sở thực tiễn ...................................................................................................14 1.3.1. Tổng quan về tình hình chăn nuôi tại Việt Nam .............................................14 1.3.2. Hiện trạng ô nhiễm môi trường do chất thải chăn nuôi ..................................15 1.3.3. Tổng quan về công nghệ SAIBON .................................................................16 1.3.4. Các nghiên cứu trên thế giới và Viê ̣t Nam liên quan công nghê ̣ Saibon về baĩ lo ̣c trồ ng cây ..............................................................................................................24 CHƯƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................27 2.1. Đố i tươ ̣ng và pha ̣m vi nghiên cứu ......................................................................27 iv 2.1.1. Đố i tươ ̣ng nghiên cứu......................................................................................27 2.1.2. Pha ̣m vi nghiên cứu .........................................................................................27 2.1.3. Điạ điể m nghiên cứu .......................................................................................27 2.1.4. Thời gian nghiên cứu ......................................................................................27 2.2. Nội dung nghiên cứu ..........................................................................................27 2.3. Phương pháp nghiên cứu....................................................................................28 2.3.1. Phương pháp thu thập tài liệu, số liệu thứ cấp ................................................28 2.3.2. Phương pháp thu thập số liệu sơ cấp...............................................................28 2.4. Phương pháp xử lý kết quả.................................................................................31 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ..............................32 3.1. Hiện trạng khu vực nghiên cứu ..........................................................................32 3.1.1. Điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu ..........................................................32 3.1.2. Hiện trạng khu vực nghiên cứu .......................................................................34 3.1.3. Quy mô công suất công nghệ Saibon tại khu vực nghiên cứu ........................36 3.2. Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải của Công nghệ Saibon ................................38 3.2.1. Hiệu quả xử lý tại giai đoạn 1: giai đoạn bắt đầu nuôi cấy thủy sinh .............38 3.2.2. Hiệu quả xử lý tại giai đoạn 2: giai đoạn sau cấy thủy sinh 3 tháng, bắt đầu thả giun ......................................................................................................................41 3.2.3. Hiệu quả xử lý tại giai đoạn 3: giai đoạn sau khi thả giun 3 tháng .................44 3.2.4. Hiệu quả xử lý tại giai đoạn 4: kết thúc vận hành thử nghiệm, đánh giá tính ổn định của hệ thống ......................................................................................................46 3.2.5. Đánh giá hiệu quả xử lý của hệ thống Saibon với một số chỉ tiêu sau 9 tháng vận hành thử nghiệm .................................................................................................49 3.3. Đánh giá khả năng nhân rộng mô hình trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên .............54 3.3.1. Một vài đặc điểm điều kiện tự nhiên của tỉnh Thái Nguyên ...........................54 3.3.2. Hiện trạng chăn nuôi lợn trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên ................................56 3.3.3. Đánh giá sự phù hợp của công nghệ Sai bon ..................................................58 3.3.4. Đánh giá khả năng ứng dụng nhân rộng của mô hình ....................................61 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................63 1. Kết luận .................................................................................................................63 2. Kiến nghị ...............................................................................................................64 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................65 v DANH MỤC CÁC TỪ, CỤM TỪ VIẾT TẮT Kí hiệu viết tắt TT Tên kí hiệu 1. BOD (Biochemical Oxygen Demand) Nhu cầu oxy sinh học 2. COD (Chemical Oxygen Demand) Nhu cầu oxy hóa học 3. DEWATS (Decentralised Wastewater Hệ thống xử lý nước thải phi tập Treatment Systems) trung EPA (The US Environment Protection Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Agency) Kỳ 4. 5. FAO (Food and Agriculture Organization Tổ chức Lương thực và Nông of the United Nations) nghiệp Liên Hiệp Quốc 6. MPN (Most Probable Number) Số vi khuẩn có thể lớn nhất 7. TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam 8. TSS (Total Suspended Solid) Tổng chất rắn lơ lửng 9. T-N (Total Nitrogen) Tổng đạm 10. T-P (Total Phosphorus) Thành phố 11. QCVN Quy chuẩn Việt Nam 12. XLNT Xử lý nước thải 13. VSV Vi sinh vật 14. UASB (Upflow anaerobic sludge blanket) Bể xử lý sinh học dòng chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Lượng phân thải ra hàng ngày ...................................................................5 Bảng 1.2. Lượng nước tiểu thải ra hàng ngày .............................................................5 Bảng 3.1. Kế t quả phân tích các mẫu nước thải tại Trang trại chăn nuôi lợn Phúc Thịnh sau khi qua hệ thống Bioga, trước khi qua hệ thống Saibon ........35 Bảng 3.2. Tổng hợp các hạng mục xây dựng..............................................................37 Bảng 3.3. Hiệu xuất xử lý các chỉ tiêu trong giai đoạn 1 ..........................................38 Bảng 3.4. Hiệu xuất xử lý các chỉ tiêu tại giai đoạn 2 ..............................................41 Bảng 3.5. Hiệu xuất xử lý các chỉ tiêu tại giai đoạn 3 ..............................................44 Bảng 3.6. Hiệu xuất xử lý các chỉ tiêu tại giai đoạn 4 ..............................................47 Bảng 3.7. Thời tiết tỉnh Thái Nguyên năm 2014 ......................................................55 Bảng 3.8. Biể u thố ng kê về quy mô, diê ̣n tić h mô ̣t số trang tra ̣i trên điạ bàn nghiên cứu theo thố ng kê từ phiế u điề u tra .........................................................57 Bảng 3.9. Bảng so sánh so sánh một số tiêu chí của công nghệ Saibon với một số cộng nghệ thường được áp dụng hiện nay ...............................................60 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Sơ đồ hệ thống bãi lọc Saibon...................................................................17 Hình 3.1. Vị trí địa lý của trang trại chăn nuôi lợn Phúc Thịnh ...............................33 Hình 3.2. Hiệu quả xử lý BOD5 ................................................................................50 Hình 3.3. Hiệu quả xử lý COD .................................................................................50 Hình 3.4. Hiệu quả xử lý TSS ...................................................................................51 Hình 3.5. Hiệu quả xử lý S2- .....................................................................................51 Hình 3.6. Hiệu quả xử lý NH4+-N .............................................................................52 Hình 3.7. Hiệu quả xử lý Tổng N..............................................................................52 Hình 3.8. Hiệu quả xử lý Tổng P ..............................................................................53 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam là một nước có tỷ lệ phát triển nông nghiệp cao, chiếm hơn 70% trong tổng sản phẩm thu nhập quốc dân (GDP). Trong đó ngành chăn nuôi cũng đã đem lại nhiều đóng góp to lớn trong nông nghiệp, trong đó chăn nuôi lợn chiếm tỷ lệ lớn nhất. Trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên, theo Báo cáo của Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn những năm gần đây, chăn nuôi của tỉnh phát triển theo hướng tập trung quy mô trang trại, theo thống kê năm 2015 trên địa bàn tỉnh có 280 trang trại chăn nuôi lợn với khoảng 91.599 con, trong đó có gần 20 trang trại có quy mô trên 1000 con tập trung ở các huyện Phổ Yên, Phú Bình, Đồng Hỷ, thị xã Sông Công trên địa hình đồi núi thấp, xa khu dân cư tập trung, diện tích mặt bằng tại các trang trại tương đối lớn. [15] Qua thực khảo sát cho thấy, phần lớn các trang trại chăn nuôi lợn trên địa bàn tỉnh đều chưa có hệ thống xử lý chất thải đảm bảo vệ sinh môi trường. Nước thải chăn nuôi của các trang trại, hộ chăn nuôi chủ yếu thải trực tiếp ra môi trường, các ao, hồ và các khe tự nhiên không qua xử lý. Một số trang trại đã đầu tư hệ thống Biogas để xử lý. Tuy nhiên, hiệu quả xử lý không cao. Theo kết quả khảo sát đánh giá các loại mô hình khí sinh học của Viện Khoa học và Công nghệ môi trường Đại học Bách Khoa năm 2010 cho biết nước thải từ việc chăn nuôi mặc dù đã được xử lý bằng hầm biogas, bể yếm khí, hồ phủ màng HDPE… nhưng nước thải đầu ra xả vào nguồn hầu hết đều chưa đạt được qui chuẩn môi trường (QCVN 40:2011/BTNMT – Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp). Chỉ tính riêng COD, hiệu quả xử lý của các công trình này đạt 39-82% vượt 2-30 lần, tổng N, tổng P, vi khuẩn gây bệnh đều vượt tiêu chuẩn từ 2-6 lần. Ngoài ra phần nước thải chưa được xử lý triệt để này còn phát sinh các khí như CO2, NH3, H2S, CH4, N2 tạo nên mùi hôi thối ảnh hưởng xấu tới môi trường không khí xung quanh, môi trường nước và ảnh hưởng đến sức khỏe người dân. Hiện nay có nhiều biện pháp xử lý nước thải như: công nghệ sinh học, công nghệ hóa sinh, cánh đồng lọc, công nghệ sinh học và chế phẩm hỗ trợ, công nghệ phân tán DEWATS,… Tuy nhiên việc áp dụng các công nghệ trên gặp một số khó 2 khăn như giá thành lắp đặt, vận hành lớn, một số công nghệ có cơ chế hoạt động phụ thuộc thời tiết không vận hành được trong thời tiết lạnh giá… Công nghệ Saibon là công nghệ sử dụng các bãi lọc ngập nước nhân tạo, trồng cây và xử lý vi sinh trong nước thải xuất phát từ Châu Âu, đã được Giáo sư KunihiKo Kato của Nhật Bản nghiên cứu cải tiến để ứng dụng hiệu quả hơn trong xử lý nước thải chăn nuôi. Công nghệ này đã được triển khai ứng dụng rộng rãi tại nhiều trang trại chăn nuôi gia súc ở Nhật Bản. Mô hình xử lý nước thải sau chăn nuôi lợn của SaiBon chủ yếu dựa trên hai nguyên lý; xử lý cơ học (thu nước, tưới nước, bãi lọc..) và kết hợp xử lý sinh học (Giun đất, trồng cây lau sậy…). Theo thực tế đã áp dụng công nghệ tại Nhật Bản thì sau 5 năm hoạt động liên tục rất ổn định gần như không phải thay thế và sửa chữa lớn, hiệu quả xử lý cao chi phí vận hành thấp. Công nghệ này cũng đã được tỉnh Hải dương nghiên cứu áp dụng năm 2012, kết quả áp dụng cho thấy công nghệ Saibon có thể lắp đặt linh hoạt phù hợp với nhiều loại địa hình khác nhau. Do vậy, tôi lựa chọn đề tài “Đánh giá hiệu quả mô hình xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng công nghệ Saibon Nhật Bản” nhằm góp phần nâng cao hiệu quả công tác bảo vệ môi trường trong chăn nuôi, cải tạo cảnh quan xung quanh khu vực chăn nuôi xanh, sạch đẹp, nâng cao chất lượng vật nuôi, đồng thời giảm thiểu những tác động xấu đến môi trường và sức khỏe người dân. 2. Mục tiêu nghiên cứu cùa đề tài 2.1. Mục tiêu tổng quát Nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi của công nghệ Saibon Nhật Bản và khả năng nhân rộng trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên nhằm đảm bảo giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ hoạt động chăn nuôi và cho phép tái sử dụng nước thải sau xử lý phục vụ công tác tưới tiêu nông nghiệp. 2.2. Mục tiêu cụ thể - Đánh giá hiện trạng chăn nuôi và môi trường tại khu vực nghiên cứu. - Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn của công nghệ Saibon Nhật Bản tại khu vực nghiên cứu. - Đánh giá sự phù hợp và khả năng nhân rộng mô hình ứng dụng Công nghệ Saibon Nhật Bản trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên. 3 Từ các kết quả nghiên cứu trên đánh giá sự phù hợp của công nghệ Saibon và khả năng nhân rô ̣ng mô hình công nghê ̣ Saibon trên điạ bàn tin ̉ h Thái Nguyên 3. Ý nghĩa 3.1. Ý nghĩa khoa học Kết quả nghiên cứu sẽ xác định khả năng xử lý nước thải chăn nuôi lợn của công nghệ SaiBon Nhật Bản, khả năng ứng dụng của công nghệ này trong việc xử lý chất thải chăn nuôi của các trang trại trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên nhằm cải thiện chất lượng môi trường, nâng cao hiệu quả kinh tế, xã hội trong chăn nuôi. 3.2. Ý nghĩa thực tiễn Xử lý hiệu quả nước thải chăn nuôi, ngăn ngừa nguy cơ ô nhiễm nguồn nước ngầm, nước mặt, môi trường không khí, đất từ ngành chăn nuôi, giúp ngành chăn nuôi ngày càng phát triển hơn. 4 Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Cơ sở khoa học 1.1.1. Tổng quan về chất thải từ chăn nuôi lợn Chất thải sinh ra do hoạt động chăn nuôi lợn bao gồm các chất thải như phân, nước tiểu, nước rửa chuồng, thức ăn, ổ lót, xác lợn chết…. các chất này là các chất dễ phân hủy sinh học do chúng chứa các chất chính như Carbohydrate, protein, chất béo… Quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ này sẽ sinh ra các chất khí có mùi hôi thối như H2S, NH3… gây ô nhiễm môi trường.[11] Hàng ngày, lượng phân và nước tiểu của lợn thải ra có thể chiếm từ 6-8% khối lượng cơ thể. Các chất thải này chứa hàm lượng cao các chất ô nhiễm. Theo một số nghiên cứu các chỉ tiêu ô nhiễm trong chất thải của gia súc đều cao hơn của người theo tỉ lệ tương ứng BOD5 là 5:1, N tổng là 7:1, TS là 10:1,…[12] Khối lượng chất thải chăn nuôi tùy thuộc vào giống, độ tuổi, giai đoạn phát triển, khẩu phần thức ăn và thể trọng của đàn lợn. Lượng phân và nước tiểu tăng nhanh theo quá trình tăng thể trọng. Nếu tính trung bình theo khối cơ thể thì lượng phân thải ra mỗi ngày của vật nuôi rất cao, nhất là đối với lợn cao sản. Ngoài phân và nước tiểu, lượng thức ăn thừa, ổ lót, xác lợn chết, các vật dụng chăm sóc, nước tắm cho lợn và vệ sinh chuồng nuôi cũng đóng góp đáng kể làm tăng khối lượng chất thải. Đây là nguồn ô nhiễm và lan truyền dịch bệnh rất nguy hiểm, vì vậy chúng cần được xử lý thích hợp trước khi thải ra ngoài môi trường. 1.1.2. Thành phần, tính chất của chất thải chăn nuôi 1.1.2.1. Thành phần rắn từ chất thải chăn nuôi Trong các hệ thống chuồng trại, phân lợn thường tồn tại cả ở dạng phân lỏng hay trung gian giữa lỏng và rắn hay tương đối rắn. Phân gồm các thành phần là những dưỡng chất không tiêu hóa được của quá trình tiêu hóa vi sinh như các chất xơ, protein dư thừa, các khoáng chất dư thừa, chất cặn bã của dịch tiêu hóa, mô tróc ra từ niêm mạc ống tiêu hóa, chất nhờn theo phân ra ngoài, các loại vi sinh vật trong thức ăn ruột bị thải ra ngoài theo phân. Phân lợn chứa các chất dinh dưỡng, đặc biệt 5 là các hợp chất giàu nito và phospho, là nguồn cung cấp thức ăn phong phú cho cây trồng và làm tăng độ màu mỡ của đất. Vì vậy, trong thực tế thường dùng phân để bón cho cây trồng, vừa tận dụng được nguồn dinh dưỡng, vừa làm giảm lượng chất thải phát tán trong môi trường, giảm thiểu ô nhiễm môi trường [5]. Bảng 1.1. Lượng phân thải ra hàng ngày Trọng lượng gia súc Lượng phân (kg/ngày) Dưới 10 kg 0,5 – 1 Từ 15 đến 45 kg 1–3 Từ 45 đến 100 kg 3–5 Từ 100 kg trở lên 5–7 (Nguồn: Hill và Toller, 1974) 1.1.2.2.Thành phần lỏng từ nước thải chăn nuôi - Nước tiểu: Nước tiểu là sản phẩm bài tiết của con vật, chứa đựng nhiều độc tố, là sản phẩm cặn bã từ quá trình sống của lợn, khi phát tán vào môi trường có thể chuyển hoá thành các chất ô nhiễm gây tác hại cho con người và môi trường. Số lượng và thành phần nước tiểu thay đổi tuỳ thuộc độ tuổi, chế độ dinh dưỡng và điều kiện khí hậu. Bảng 1.2. Lượng nước tiểu thải ra hàng ngày Trọng lượng gia súc Lượng nước tiểu (kg/ngày) Dưới 10 kg 0,3 – 0,7 Từ 15 đến 45 kg 0,7 – 2,0 Từ 45 đến 100 kg 2,0 – 4,0 Từ 100 kg trở lên 4,0 – 5,0 (Nguồn: Hill và Toller, 1974) - Nước thải: Nước thải chăn nuôi là hỗn hợp bao gồm cả nước tiểu, nước tắm, nước rửa chuồng, nước phân. Nước thải là dạng chất thải chiếm khối lượng lớn nhất trong chăn nuôi. Nước thải chăn nuôi có khả năng gây ô nhiễm môi trường rất cao, đặc biệt với COD, BOD, N, P, hàm lượng chất hữu cơ, cặn lơ lửng và vi sinh vật gây bệnh 6 + Các chất hữu cơ và vô cơ: Trong nước thải chăn nuôi, các chất vô cơ chiếm 20-30% gồm cát, đất, muối, ammonium…; hợp chất hữu cơ chiếm 70-80% gồm cellulose, protit, acid amin, chất béo, hidratcacrbon các chất dẫn xuất có trong phân và thức ăn thừa. Hầu hết các chất hữu cơ dễ phân hủy [6]. + N và P: Khả năng hấp thụ N và P của các loài gia súc rất kém nên khi thức ăn có chứa N và P thì chúng sẽ bài tiết ra ngoài theo phân và nước tiểu. + Vi sinh vật gây bệnh: Nước thải chăn nuôi chứa nhiều loại vi khuẩn, vi sinh vật như Salmonella, Shigella, Ecoli, Coliform, trứng giun sán … có thể gây bệnh cho người và gia súc 1.1.2.3. Thành phần khí từ chất thải chăn nuôi Chăn nuôi là một ngành sản xuất tạo ra nhiều loại khí thải nhất. Theo Hobbs và cộng sự (1995), có tới trên 170 chất khí có thể sinh ra từ chăn nuôi, điển hình là các khí CO2, CH4, NH3, NO2, N2O, NO, H2S… và hàng loạt các khí gây mùi khác. Hầu hết các khí thải chăn nuôi đều có thể gây độc cho gia súc và con người. Ngoài ra, theo báo cáo của Tổ chức Nông Lương Thế giới (FAO), chất thải của gia súc toàn cầu tạo ra 65% lượng Nitơ oxit (N2O) trong khí quyển. Đây là loại khí có khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời cao gấp 296 lần so với khí CO2. Cùng với các loại khí khác như CO2, CH4,… gây nên hiệu ứng nhà kính làm trái đất nóng lên. 1.1.3. Một số phương pháp xử lý chất thải chăn nuôi Việc xử lý nước thải chăn nuôi nhằm giảm nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải đến một nồng độ cho phép có thể xả vào nguồn tiếp nhận. Việc lựa chọn các phương pháp xử lý phụ thuộc vào các yếu tố: yêu cầu về công nghệ và vệ sinh nước, lưu lượng nước thải, điều kiện của trang trại chăn nuôi, hiệu quả xử lý… Một số phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi thường được áp dụng: phương pháp xử lý cơ học, phương pháp xử lý hóa lý, phương pháp xử lý sinh học. Trong đó các công trình xử lý sinh học thường được đặt sau các công trình xử lý cơ học, hóa lý [16]. 1.1.3.1. Phương pháp cơ học và hóa lý Xử lý cơ học: Mục đích là tách cặn rắn và phân ra khỏi hỗn hợp nước thải bằng cách gom, lắng cặn. Có thể dung song chắn rác, bể lắng sơ bộ để loại bỏ cặn 7 thô, dễ lắng tạo điều kiện thuận lợi và giảm khối tích các công trình xử lý tiếp theo. Ngoài ra có thể dung phương pháp ly tâm hoặc lọc, hàm lượng cặn lơ lửng trong nước thải chăn nuôi khá lớn và dễ lắng nên có thể lắng sơ bộ trước rồi sau đó đưa sang các công trình phía sau. Các chất rắn có thể đem đi ủ phân. Xử lý hóa lý: Nước thải chăn nuôi sau khi được lắng sơ bộ bằng phương pháp cơ học vẫn còn chứa nhiều chất hữu cơ, vô cơ, chất rắn lơ lửng kích thước nhỏ, khó lắng, khó tách. Có thể dung phương pháp keo tụ để loại bỏ chúng. Theo nghiên cứu của Trương Thanh Cảnh (2001) với nước thải chăn nuôi lợn: phương pháp cơ học và keo tụ có thể tách được 80-90% hàm lượng cặn và loại bỏ được hầu hết chất bẩn trong nước thải chăn nuôi. Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi chi phí cao không phù hợp với các cơ sở chăn nuôi. Ngoài ra, phương pháp tuyển nổi cũng là một phương pháp để tách các hạt có khả năng lắng kém nhưng có thể kết dính vào các bọt khí nổi lên. Tuy nhiên, chi phí đầu tư vận hành cho phương pháp này cao do vậy cũng không hiệu quả về mặt kinh tế [5]. 1.1.3.2. Phương pháp xử lý sinh học Phương này dựa trên sự hoạt động của các vi sinh vật có khả năng phân hủy các chất hữu cơ. Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và các chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng. Tùy theo từng nhóm vi khuẩn mà sử dụng là hiếu khí hay kỵ khí và thiết kế các công trình khác nhau tùy theo kinh phí và diện tích đất. * Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học kỵ khí Quá trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp, bao gồm hàng trăm phản ứng và hợp chất trung gian, mỗi phản ứng được xúc tác bởi những enzyme đặc biệt [26]. Những quá trình phân hủy kỵ khí được ứng dụng rộng rãi trong xử lý bùn thải và phân, sau đó phương pháp này được áp dụng cho xử lý nước thải nhờ có những ưu điểm sau: - Khả năng chịu tải trọng cao so với quá trình xử lý hiếu khí; - Thời gian lưu bùn không phụ thuộc vào thời gian lưu nước, một lượng sinh khối lớn được giữ lại trong bể - Tạo ra một nguồn năng lượng mới có thể sử dụng (khí sinh học – Biogas) 8 - Hệ thống công trình xử lý đa dạng: UASB, lọc kỵ khí, kỵ khí xáo trộn hoàn toàn, kỵ khí tiếp xúc Bên cạnh các ưu điểm trên, quá trình xử lý kỵ khí có một số nhược điểm: - Nhạy cảm với môi trường (nhiệt độ, pH, nồng độ kim loại nặng…) - Phát sinh mùi - Tốc độ phát triển sinh khối chậm Do những nhược điểm trên nên khi áp dụng quá trình xử lý kỵ khí cần lưu ý: phải duy trì sinh khối càng nhiều càng tốt, tạo tiếp xúc đủ giữa nước thải và khối vi khuẩn. Một số hệ thống xử lý nhân tạo bằng phương pháp sinh học kỵ khí: Bể xử lý bằng lớp bùn kỵ khí với dòng nước từ dưới lên UASB, bể phản ứng yếm khí tiếp xúc, bể lọc kỵ khí, bể phản ứng có dòng nước đi qua lớp cặn lơ lửng và lọc tiếp qua lớp vật liệu lọc cố định * Xử lý bằng phương pháp sinh học hiếu khí Xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí để loại bỏ chất hữu cơ dễ bị phân hủy ra khỏi nguồn nước. Các chất này được các vi sinh hiếu khí oxy hóa bằng oxy hòa tan trong nước. Quá trình xử lý sinh học hiếu khí nước thải gồm 3 giai đoạn: - Oxy hóa các chất hữu cơ: CxHyOz + O2 => CO2 + H2O + ∆H - Tổng hợp tế bào mới: CxHyOz + O2 + NH3 => Tế bào vi khuẩn (C5H7O2N) + CO2 + H2O - ∆H - Phân hủy nội bào: C5H7O2N + O2 => 5CO2 + 2H2O+ NH3 ± ∆H Một số hệ thống xử lý nhân tạo bằng phương pháp hiếu khí: Bể aeroten, mương oxy hóa, bể hoạt động gián đoạn SBR, Tháp lọc sinh học, bể lọc sinh hoch tiếp xúc quay (RBC)…. 1.1.4. Một số công nghê ̣ thường sử dụng trong xử lý nước thải chăn nuôi Hiện nay, có rất nhiều công nghệ xử lý nước thải chứa hàm lượng cao các hợp chất hữu cơ đã được áp dụng trên Thế giới và Việt Nam như: công nghệ sinh học, công nghệ hóa sinh, công nghệ xử lý nước thải phân tán, công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt Johkasou- Nhật Bản, cánh đồng tưới, bãi lọc trồng cây, công nghệ SAIBON, công nghệ sinh học và chế phẩm hỗ trợ, công nghệ phân tán DEWATS,… 9 1.1.4.1. Bể Biogas Đây là phương pháp xử lý kỵ khí đơn giản, hiện đang được rất nhiều trang trại và hộ chăn nuôi áp dụng. Hoạt động của công nghệ biogas là dựa trên nguyên lý hoạt động của vi sinh vật kỵ khí. Trong điều kiện không có oxy các vi sinh vật phân hủy chất một phần các chất hữu cơ biến thành năng lượng hoạt động và khí mêtan [22]. Ưu điểm của bề Biogas là khống chế ô nhiễm mùi hôi, giảm thiểu ô nhiễm do nước thải và chất thải rắn, đồng thời sử dụng được khí sinh học để làm chất đốt. Chi phí vận hành bảo dưỡng thấp, không tốn kém [24]. Nhược điểm: mặc dù có nhiều ưu điểm trong vấn đề bảo vệ môi trường, nhưng mô hình biogas tại các trại chăn nuôi nói chung không giải quyết triệt để vấn đề ô nhiễm nước thải, cũng như không giảm hoàn toàn vấn đề ô nhiễm mùi hôi. 1.1.4.2. Hồ sinh học kỵ khí Chiều sâu hồ khoảng 3-5m, lớp nước trong hồ được khuấy đảo nhờ các bọt khí sinh ra từ quá trình kỵ khí ở đáy và các yếu tố khác như gió, chuyển động đối lưu… hiệu quả xử lý của hồ kỵ khí phụ thuộc vào thời gian lưu và tải lượng chất hữu cơ. Tải trọng BOD của hồ kỵ khí tương đối cao từ 200 – 500 kgBOD/ha ngày. Hiệu quả xử khử BOD từ 50 – 85%. Hàm lượng chất lơ lửng khi ra khỏi hồ là 80 – 160 mg/l [14]. 1.1.4.3. Lọc sinh học kỵ khí Kỹ thuật lọc yếm khí được sử dụng trong thực tế lần đầu tiên vào năm 1969, kỹ thuật trên phù hợp với nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao. Tải lượng chất hữu cơ của bể lọc yếm khí có thể đạt tới 1-20 kgBOD/m3 ngày đêm [1]. Quá trình lọc kỵ khí bám dính, sử dụng giá thể mang vi sinhg như sỏi, đá, vòng nhựa tổng hợp, tấm nhựa, xơ dừa… để xử lý nước thải trong điều kiện không có oxy. Bể lọc kỵ khí có dòng chảy hướng lên hoặc dòng chảy ngang. Nước thải đi qua và tiếp xúc với toàn bộ lớp vật liệu lọc. Sinh khối bám dính trên bề mặt lớp vật liệu lọc cố định do đó sinh khối được giữ lại trong bể với thời gian lưu bùn có thể lên đến 100 ngày [10]. 10 Quy trình này có ưu điểm: đơn giản trong vận hành, chịu được biến động lớn về tải lượng ô nhiễm, vận hành ở tải trọng cao, không phải kiểm soát lượng bùn nổi, khả năng phân hủy các chất hữu cơ chậm. Nhược điểm là không thể điều khiển được sinh khối của bể lọc này. 1.1.4.4. Quá trình kỵ khí trong UASB Hệ thống này được nghiên cứu và ứng dụng bời Gatze Lettinga và các cộng sự của trường đại học Wageningen ở Hà Lan từ những năm 1970, nó thích hợp cho việc xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu cơ từ thấp tới cao tại các vùng nhiệt đới. Trong quá trình xử lý, UASB làm giảm hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải và sinh ra một lượng khí Biogas đáng kể [23]. Nguyên lý hoạt động của phương pháp này là nước thải được đưa từ dưới lên qua lớp bùn kỵ khí lơ lửng dạng hạt. Quá trình sinh hóa diễn ra khi nước thải tiếp xúc với lớp hạt bùn này. Khí sinh ra sẽ kéo các bông bùn lên lơ lửng trong bể tạo ra sự khuấy trộng đều giữa bùn và nước. Khi lên đến đỉnh các bọt khí sẽ chạm vào các tấm chắn nghiêng, các bọt khí được giải phóng tự do còn bùn được rơi xuống theo trọng lực. Tấm chắn được đặt nghiêng trong vùng tách pha để tăng tiết diện, làm giảm tốc độ lắng của pha rắn tại vùng này, bùn được tích tụ trên bề mặt tấm chắn nghiêng khi đủ lớn tách ra và rơi xuống vùng lắng [13]. 1.1.4.5. Công nghệ Johkasou Công nghệ này có xuất sứ từ Nhật Bản, hiện đã được cải biến một số chi tiết cho phù hợp với điều kiện ở Việt Nam. Johkasou là hệ thống thanh lọc nước thải thông qua quá trình trao đổi chất của các hệ vi sinh vật với môi trường sống xung quanh nhằm loại bỏ các chất hữu cơ trong nước thải [8]. a. Ưu điểm: Công nghệ được cung cấp dưới dạng thiết bị hợp khối, lắp đặt nhanh chóng tại bất kỳ địa điểm nào; xử lý khá tốt các loại nước thải có hàm lượng hữu cơ cao như nước thải chăn nuôi, đặc biệt là nước thải sinh hoạt; không tốn nhân công và nhiên liệu cho vận hành. b. Nhược điểm: Giá thành công nghệ này rất cao nên khó khăn cho việc áp dụng trong điều kiện chăn nuôi của Việt Nam. 11 1.1.4.6. Công nghệ sinh học và chế phẩm sinh học hỗ trợ (AFSB) Đây là công nghệ mới đã được ứng dụng tại nhiều nơi, có hiệu quả xử lý cao, dễ vận hành; Các công đoạn xử lý nước thải chăn nuôi sau biogas gồm: Phản ứng kỵ khí có ngăn lọc kết hợp giá thể vi sinh di động (MBBR) sau đó dẫn ra Bãi lọc ngầm trồng thực vật và kết hợp chế phẩm vi sinh do Viện Công nghệ sinh học cung cấp, được đưa vào xử lý nước thải tại công đoạn nước thải đầu vào và xử lý phản ứng kỵ khí. a. Ưu điểm: - Các kết quả thực nghiệm cho thấy phôtpho, nitrat, nitrit, amonia, BOD5, và các chất rắn lơ lửng có thể được xử lý đạt tới mức có thể chấp nhận, có thể được vận hành quanh năm ngoại trừ khi thời tiết lạnh nhất. - Không sử dụng các thiết bị xử lý phức tạp, giảm đáng kể giá thành đầu tư, có thể lợi dụng các yếu tố địa hình. Chi phí vận hành và bảo dưỡng thấp, yêu cầu kỹ năng vận hành không cao so với các công nghệ thông thường khác: - Duy trì được khả năng xử lý nước thải với tải lượng ô nhiễm không ổn định. - Tuổi thọ dài hơn so với tuổi thọ các công nghệ xử lý có sử dụng các thiết bị điện - cơ khí; - Ít phụ thuộc vào các yếu tố như công tác xây dựng, các thiết bị điện, cơ khí; - Có khả năng tuần hoàn, tái sử dụng tối đa nước sau xử lý và các sản phẩm có ích từ các chất gây ô nhiễm; - Có thiết kế đơn giản, phổ biến với bất cứ quy mô nào từ nhỏ đến lớn. - Tạo cảnh quan. b. Nhược điểm: - Nhu cầu về diện tích xây dựng hệ thống lớn; - Khó vận hành được trong điều kiện thời tiết lạnh, biến động; - Công nghệ cần phải có chế phẩm xử lý kết hợp và các điều kiện về giá thể xử lý. 1.1.4.7. Công nghệ phân tán (DEWATS) Là công nghệ mới được phát triển từ 1993 bởi Hiệp hội Nghiên cứu và phát Là công nghệ mới được áp dụng rất hiệu quả cho nước thải các lò giết mổ, trại chăn