Tài liệu Nghiên cứu phát triển hệ yếm khí trong xử lý nước thải giàu hàm lượng hữu cơ luận văn ths. khoa học môi trường và bảo vệ môi trường

  • Số trang: 93 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 135 |
  • Lượt tải: 1
nguyetha

Đã đăng 8490 tài liệu

Mô tả:

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN THỊ TRANG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ YẾM KHÍ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIÀU HÀM LƯỢNG HỮU CƠ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - Năm 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- NGUYỄN THỊ TRANG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ YẾM KHÍ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIÀU HÀM LƯỢNG HỮU CƠ Chuyên ngành: Khoa học môi trường Mã số: 06440301 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Cao Thế Hà Hà Nội – Năm 2014 Lời cảm ơn Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS. Cao Thế Hà đã tận tình hướng dẫn, truyền đạt những kinh nghiệm quý báu cho em trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn này. Trong quá trình thực hiện, ngoài sự cố gắng nỗ lực của bản thân, em đã nhận được sự giúp đỡ tận tình, những ý kiến đóng góp, chỉ bảo quý báu của các anh chị ở phòng Công Nghệ - Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ môi trường và Phát triển bền vững (CETASD), đặc biệt Thạc sĩ Nguyễn Trường Quân . Em xin bày tỏ lòng biết ơn đến các anh chị đã dành cho em sự giúp đỡ quý báu đó. Ðồng thời, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến tập thể thầy cô giáo Khoa Môi trường, Trường Ðại học Khoa học Tự nhiên – Ðại học Quốc gia Hà Nội đã truyền thụ những kiến thức quý báu cho em trong suốt quá trình học tập. Cuối cùng em xin cảm ơn sự cổ vũ, động viên và giúp đỡ của gia đình và bạn bè trong quá trình học tập và thực hiện đề tài này. Công trình này được thực hiện trong khuôn khổ Đề tài KC 08.04/11-15, tác giả xin chân thành cảm ơn Chương trình KC08, Bộ KH&CN tài trợ cho đề tài nhánh này. Hà Nội, tháng 12 năm 2014 Học viên Nguyễn Thị Trang MỤC LỤC DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN ...................................................... 1 MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 2 CHUƠNG 1. TỔNG QUAN ............................................................................................... 3 1.1 Hiện trạng hệ thống xử lý nuớc thải giàu hữu cơ trên thế giới và ở Việt Nam ............ 3 1.1.1. Các nước trên thế giới ............................................................................................... 3 1.2.2. Ở Việt Nam ............................................................................................................... 5 1.2 Các kỹ thuật trong xử lý nước thải chăn nuôi ............................................................... 6 1.2.1. Phương pháp xử lý cơ học ........................................................................................ 7 1.2.2. Phương pháp xử lý hóa lý ......................................................................................... 7 1.2.3. Phương pháp xử lý sinh học ...................................................................................... 8 1.2.3.1. Phương pháp xử lý hiếu khí ................................................................................... 8 1.2.3.2 Các kĩ thuật xử lý yếm khí ..................................................................................... 9 1.2.3.3 Các quá trình trong xử lý yếm khí ....................................................................... 13 1.2.3.4. Ưu nhược điểm của công nghệ yếm khí so với công nghệ hiếu khí .................... 14 1.3 Các kĩ thuật yếm khí cao tải trong xử lý nước thải ..................................................... 14 1.3.1.Kỹ thuật phản ứng ngược dòng với vi sinh dạng hạt (UASB) ................................. 14 1.3.2.Kỹ thuật phản ứng với lớp vi sinh dạng lưu thể BFB (Biofilm Fluidized Bed) ...... 15 1.3.3.Kỹ thuật phản ứng với lớp vi sinh dạng hạt dãn nở EGSB (Expanded Granular Sludge Bed) ....................................................................................................................... 16 1.3.4.Kỹ thuật phản ứng tuần hoàn nội IC (Internal Circulation) ..................................... 17 1.3.5. Kỹ thuật ABR .......................................................................................................... 22 CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .......... 30 2.1. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................................ 30 2.2 Nội dung nghiên cứu ................................................................................................... 32 2.3 Phuơng pháp nghiên cứu ............................................................................................. 32 2.3.1 Phương pháp thu thập tài liệu .................................................................................. 32 2.3.2. Phương pháp thực nghiệm ...................................................................................... 33 2.3.2.1 Thiết kế hệ IC ........................................................................................................ 33 2.3.2.2 Thiết kế hệ ABR.................................................................................................... 36 2.4. Phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm ........................................................ 39 2.4.1. Hóa chất .................................................................................................................. 40 2.4.2. Thiết bị và dụng cụ.................................................................................................. 40 2.4.3. Các quy trình phân tích ........................................................................................... 40 2.5. Xử lý số liệu (Các số liệu phân tích được đưa vào và xử lý trong bảng excel) ......... 40 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................................... 42 3.1 Đánh giá ảnh hưởng của yếu tố tăng dần tải lượng đến khả năng xử lý chất hữu cơ trong giai đoạn khởi động của 2 hệ ABR và IC ........................................................... 42 3.1.1 Chạy khởi động hệ ABR (HRT=30h), IC(HRT=24h) ( thời gian khảo sát 30 ngày) .................................................................................................................................. 43 3.1.2 Chạy khởi động hệ ABR (HRT=25h), IC(HRT=20h) ( thời gian khảo sát 30 ngày) .................................................................................................................................. 45 3.1.3 Chạy hệ ABR (HRT=20h), IC(HRT=16h) (thời gian khảo sát 30 ngày) ................ 47 3.1.4 Chạy hệ ABR (HRT=15h), IC(HRT=12h) (thời gian khảo sát 30 ngày) ................ 49 3.1.5 Chạy hệ ABR (HRT=10h), IC(HRT=10h) (thời gian khảo sát 45 ngày) ............... 51 3.1.6 Chạy hệ ABR (HRT=6h), IC(HRT=6h)( thời gian khảo sát 45 ngày) .................... 53 3.1.7 Đánh giá mối quan hệ giữa TL và NSXL COD ...................................................... 56 3.2 Đánh giá khả năng xử lý COD, TSS qua các cột hệ ABR .......................................... 58 3.3 Đánh giá khả năng giảm SS khi có và không có vật liệu mang ................................. 61 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ ................................................................................... 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................. 69 PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 72 DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Sự phụ thuộc thành phần biogas và dự trữ năng lượng biogas vào nước thải..... 13 Bảng 2: tải hữu cơ cho ba hệ thống xử lý kỵ khí phổ biến [25]........................................ 19 Bảng 3. Tóm tắt về các đặc trưng của các hệ sử dụng bùn vi sinh dạng hạt có tăng cường khuấy trộn .............................................................................................................. 20 Bảng 4. Tải lượng xử lí thường gặp đối với ba hệ xử lý yếm khí cao tải mới [14] .......... 21 Bảng 5: Thông số nước thải đầu vào ................................................................................ 42 Bảng 6. Tổng hợp chế độ vận hành hai hệ yếm khí .......................................................... 43 DANH MỤC HÌNH Hình 1. Bể phản ứng kiểu túi mềm ................................................................................... 10 Hình 2. Loại phản ứng kiểu ống dòng .............................................................................. 10 Hình 3. Sơ đồ bể xử lí yếm khí kiểu UASB và hình hạt bùn ............................................ 11 Hình 4. So sánh hai loại bồn phản ứng ............................................................................. 12 Hình 5: sơ đồ hệ xử lý UASB ........................................................................................... 15 Hình 6: sơ đồ thiết bị phản ứng BFB ................................................................................ 16 Hình 7: hạt bùn sinh học ................................................................................................... 16 Hình 8: sơ đồ hệ xử lý tuần hoàn nội bộ ........................................................................... 18 Hình 9: tải lượng hữu cơ áp dụng trong kỹ thuật IC theo thời gian .................................. 22 Hình 10. Cấu hình bể xử lý ABR ...................................................................................... 24 Hình 11. Bình phản ứng dạng IC khi hoàn chỉnh ............................................................. 34 Hình 12: Hình ảnh bộ tách 3 pha ...................................................................................... 36 Hình 13. Hình ảnh nón phân phối bùn .............................................................................. 36 Hình 14.Sơ đồ công nghệ hệ ABR quy mô phòng thí nghiệm ( Q =50 L/ngày ) ............. 37 Hình 15 : hình ảnh hệ ABR hoàn chỉnh ............................................................................ 39 Hình 16. Đồ thị diễn biến xử lý CODt hệ ABR 30h, IC 24h ........................................... 44 Hình 17. Đồ thị diễn biến xử lý CODht hệ ABR 30h, IC 24h ......................................... 44 Hình 18. Đồ thị hiệu suất xử lý COD hệ ABR 30h, IC 24h ............................................ 45 Hình 19. Đồ thị diễn biến xử lý CODt hệ ABR 25h, IC 20h ............................................ 46 Hình 20. Đồ thị diễn biến xử lý CODht hệ ABR 25h, IC 20h .......................................... 46 Hình 21. Đồ thị hiệu suất xử lý COD hệ ABR 25h, IC 20h ............................................. 47 Hình 22. Đồ thị diễn biến xử lý CODt hệ ABR 20h, IC 16h ............................................ 48 Hình 23 .Đồ thị diễn biến xử lý CODht hệ ABR 20h, IC 16h .......................................... 48 Hình 24. Đồ thị hiệu suất xử lý COD hệ ABR 20h, IC 16h ............................................. 49 Hình 25 .Đồ thị diễn biến xử lý CODt hệ ABR 15h, IC 12h ............................................ 50 Hình 26. Đồ thị diễn biến xử lý CODht hệ ABR 15h, IC 12h .......................................... 50 Hình 27. Đồ thị hiệu suất xử lý COD hệ ABR 15h, IC 12h ............................................. 51 Hình 28. Đồ thị diễn biến xử lý CODt hệ ABR 10h, IC 10h ............................................ 52 Hình 29. Đồ thị diễn biến xử lý CODht hệ ABR 10h, IC 10h ......................................... 52 Hình 30. Đồ thị hiệu suất xử lý COD hệ ABR 10h, IC 10h ............................................. 53 Hình 31. Đồ thị diễn biến xử lý CODt hệ ABR 6h, IC 6h ................................................ 54 Hình 32. Đồ thị diễn biến xử lý CODht hệ ABR 6h, IC 6h .............................................. 54 Hình 33. Đồ thị hiệu suất xử lý COD hệ ABR 6h, IC 6h ................................................. 55 Hình 34. Mối quan hệ giữa TL và NSXL COD tổng hệ ABR và IC qua các HRT .......... 56 Hình 35. Mối quan hệ giữa TL và NSXL CODht hệ ABR và IC qua các HRT ............... 58 Hình 36. Diễn biến CODt , Hiệu suất xử lý CODt theo giảm dần HRT của hệ ABR qua các cột ......................................................................................................................... 59 Hình 37. Diễn biến CODht , Hiệu suất xử lý CODht theo giảm dần HRT của hệ ABR qua các cột................................................................................................................ 60 Hình 38. Hình ảnh lọc cặn đầu vào ................................................................................... 62 Hình 39. So sánh hiệu suất xử lý CODht khi có và không có lọc cặn hệ IC .................... 62 Hình 40. So sánh hiệu suất xử lý COD hệ ABR khi có và không có lọc cặn ................... 63 Hình 41. Đồ thị so sánh TSS trước và sau khi lọc cặn đầu vào ........................................ 63 Hình 42. Đồ thị mối quan hệ TL và NSXL COD khi có lọc cặn đầu vào(HRT 6h) ........ 64 Hình 43 : Tổng hợp khả năng loại bỏ TSS khi có và không có lọc cặn đầu vào .............. 65 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN Chữ viết tắt tiếng anh ABR : Anaerobic Baffled Reactor - Hệ phản ứng yếm khí với vách ngăn đảo chiều COD : Chemical oxygen demand - Nhu cầu ôxi hóa học EGSB : Expanded Granular Sludge Bed- Hệ phản ứng với lớp bùn giãn nở IC : Internal Circulation – Hệ tuần hoàn nội HRT : Hydraulic retention time – Thời gian lưu thủy lực UASB :Upflow anaerobic sludge blanket - Kỹ thuật phản ứng ngược dòng với vi sinh dạng hạt Chữ viết tắt tiếng việt CODht : Nhu cầu oxi hóa dạng hòa tan CODt : Nhu cầu oxi hóa dạng tổng số NSXL : Năng suất xử lý H% : Hiệu suất Tb : trung bình TL : Tải lượng Vd : Vận tốc dâng nước 1 MỞ ĐẦU Xử lý nước thải bằng các công nghệ vi sinh ngày càng được ứng dụng hiệu quả và rộng rãi trên thế giới và cũng như Việt Nam bởi nhẽ, đây là giải pháp xử lý với chi phí thấp, thân thiện với môi trường do không phải sử dụng nhiều hóa chất. Phương pháp vi sinh bao gồm phương pháp yếm khí, hiếu khí,..các phương pháp này có thể được sử dụng riêng rẽ hoặc xử lý kết hơp với nhau nhằm xử lý triệt để các chất ô nhiễm sinh học trong nước thải. Đối với các công nghệ yếm khí thì có nhiều lựa chọn, trước hết là lựa chọn kĩ thuật phản ứng. Loại đơn giản và chi phí thấp như hầm biogas phủ bạt nhưng gặp nhiều khó khăn. Trong trường hợp này thì rõ ràng là các hệ phản ứng kiểu các kĩ thuật lọc ngập nước (Submerged Biotrickling Filter), UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), EGSB (Extended Granule Sludge Blanket),… sẽ là sự lựa chọn. Lựa chọn của chúng tôi là nếu cần năng suất cao thì chọn kĩ thuật cho khả năng xử lý cao nhất. Nếu coi kĩ thuật đời đầu- bồn phản ứng khuấy trộn hoàn toàn có công suất trên đơn vị thể tích là 1 thì bồn tiếp xúc là 5, hệ UASB là 25 và hệ EGSB, IC là 75 như hình dưới đây. Vậy theo các tài liệu trên thế giới cho biết kĩ thuật IC cho năng suất và hiệu quả cao nhất và ở Việt Nam chưa có nhóm nghiên cứu nào quan tâm. NS tương đối 1 5 25 75 Một trong những mục tiêu của đề tài là phát triển các kỹ thuật yếm khí cao tải sao cho với thời gian lưu ngắn nhất có thể xử lý được nước thải giàu hữu cơ sao cho hiệu xuất theo COD ở mức 70% trở lên. Để đạt được mục tiêu này chúng tôi thử nghiệm hai kĩ thuật: IC và ABR (Anaerobic Buffle Reactor – Bồn yếm khí có vách ngăn đảo dòng) có cải tiến. 2 CHUƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1 Hiện trạng hệ thống xử lý nuớc thải giàu hữu cơ trên thế giới và ở Việt Nam 1.1.1. Các nước trên thế giới Năm 1992 International Development Research Centre (IDRC), Canada xuất bản cuốn [23] một tài liệu rất đầy đủ về lĩnh vực quản lí và xử lý chất thải chăn nuôi lợn. Đây là sản phẩm của một chương trình lớn (từ 1975 đến 1990) của Chính phủ Singapore, được quốc tế tài trợ (Australian Development Assistance Bureau, FAO, German Technical Assistance Agency (GTZ), IDRC (Canada), UNDP, ASEAN), được điều hành trực tiếp bởi TS. Ngiam Tong Tau – 1984 trở thành Giám đốc the Primary Production Department of Singapore có sự tham gia của hàng trăm chuyên gia quốc tế, bao trùm mọi lĩnh vực, yếu tố liên quan đến bảo vệ môi trường ngành chăn nuôi lợn, từ khâu giống, thức ăn chuồng trại tới chính sách liên quan. Về khía cạnh các kĩ thuật tài liệu trình bày chi tiết về công nghệ xử lý chất thải, nước thải, các kĩ thuật áp dụng. Tài liệu bao trùm gồm cả vấn đề thu hồi năng lượng và tái sử dụng nước (thu hồi biogas, tuần hoàn nước tiền xử lí rửa chuồng, dùng nước thải nuôi tảo làm thức ăn chăn nuôi giàu đạm …). Cuốn sách này là tập hợp kết quả của 167 báo cáo, nội dung rất chi tiết, nhiều dữ liệu có thể sử dụng ngay, trừ một số hạn chế kĩ thuật (do thời điểm đó chưa có): ví dụ kĩ thuật yếm khí chỉ là ao hồ yếm khí, bồn yếm khí cổ điển (có khuấy, điều nhiệt); kĩ thuật hiếu khí là mương ôxi hóa, chưa quan tâm đầy đủ đến xử lí N, P. Ở Châu Á, các nước như: Trung Quốc, Thái Lan,… là những nước có ngành chăn nuôi công nghiệp lớn trong khu vực nên rất quan tâm đến vấn đề xử lý nước thải chăn nuôi. Nhiều nhà nghiên cứu Trung Quốc đã tìm ra nhiều công nghệ xử lý nước thải thích hợp như là:  Kỹ thuật lọc yếm khí  Kỹ thuật phân hủy yếm khí hai giai đoạn  Bể Biogas tự hoại 3 Hiện nay ở Trung Quốc các bể Biogas tự hoại đã sử dụng rộng rãi như phần phụ trợ cho các hệ thống xử lý trung tâm. Bể Biogas là một phần không thể thiếu trong các hộ gia đình chăn nuôi heo vừa và nhỏ ở các vùng nông thôn, nó vừa xử lý được nước thải và giảm mùi hôi thối mà còn tạo ra năng lượng để sử dụng. Trong lĩnh vực nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo tại Thái Lan thì trường đại học Chiang Mai đã có nhiều đóng góp rất lớn. - HYPHI (hệ thống xử lý tốc độ cao kết hợp với hệ thống chảy nút): hệ thống HYPHI gồm có thùng lắng, bể chảy nút và bể UASB. Phân heo được tách làm 2 đường, đường thứ nhất là chất lỏng có ít chất rắn tổng số, còn đường thứ hai là phần chất rắn với nồng độ chất rắn tổng số cao, kỹ thuật này đã được xây dựng cho các trại heo trung bình và lớn. Một số tác giả Úc cho rằng chiến lược giải quyết vấn đề xử lý nước thải chăn nuôi heo là sử dụng kỹ thuật SBR (sequencing batch reactor). Ở Ý đối với các loại nước thải giàu Nitơ và Phospho như nước thải chăn nuôi heo thì các phương pháp xử lý thông thường không thể đạt được các tiêu chuẩn cho phép về hàm lượng về Nitơ và Phospho trong nước ra sau xử lý. Công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi giàu chất hữu cơ ở Ý đưa ra là SBR có thể giảm trên 97% nồng độ COD, Nitơ, Phospho. Một trong những nghiên cứu, phát hiện đặt 1 dấu mốc mới cho ngành xử lý nước thải - bảo vệ môi trường sống là nghiên cứu của GS.Lettinga.Ông đã khởi động những nghiên cứu biến công nghệ yếm khí vốn được coi là công nghệ “phân hủy” bùn cặn năng suất thấp thành công nghệ xử lí nước thải giàu hữu cơ có năng suất rất cao. Đó là công nghệ xử lí yếm khí với lớp bùn vi sinh dạng hạt, theo cách thức hoạt động được gọi là công nghệ UASB – Upflow Anaerobic Sludge Blanket.Vi sinh trong hệ UASB là vi sinh dạng hạt kích thước lớn, mật độ cao nên quá trình lắng rất hiệu quả và cơ cấu lắng trở nên rất đơn giản, chỉ cần tách được khí ra khỏi hạt là hạt lắng rất nhanh. Theo sự phát triển, kỹ thuật yếm khí UASB tiếp tục được nghiên cứu và cải tiến tạo ra những bước tiến mới trong công nghệ xử lý yếm khí. 4 Các phương pháp lọc sinh học ngập nước cũng là một lựa chọn trong xử lí yếm khí. Nhiều tác giả đã quan tâm đến kĩ thuật này. Ví dụ, Lomas và ctv. ở Trường tổng hợp del País Vasco Tây Ban Nha đã nghiên cứu xử lý nước thải nuôi lợn trên pilot sử dụng kĩ thuật lọc sinh học ngập nước ở 35oC. Kết quả cho thấy, với HRT từ 0,9 đến 6 ngày, với tải đầu vào trung bình thì hiệu suất xử lý theo COD đạt trên 60%, với VS đạt trên 50% khi HRT lớn hơn 3 ngày, tốc độ sinh khí đạt 4,5m3/m3/ngày. 1.2.2. Ở Việt Nam Ở Việt Nam, nước thải chăn nuôi heo được coi là một trong những nguồn nước thải gây ô nhiễm nghiêm trọng. Việc mở rộng các khu dân cư xung quanh các xí nghiệp chăn nuôi heo nếu không được giải quyết thỏa đáng sẽ gây ra ô nhiễm môi trường ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng và gây ra những vấn đề mang tính chất xã hội phức tạp. Hiện nay trên cả nước ta đã xây dựng nhiều mô hình chăn trại chăn nuôi heo với quy mô lớn, chủ yếu phân bố tại 5 vùng trọng điểm là Mộc Châu (Sơn La), Hà Nội và các vùng phụ cận, khu vực TPHCM và các tỉnh xung quanh, Lâm Đồng và một số tỉnh duyên hải miền Trung. Vấn đề phát triển chăn nuôi và chất thải chăn nuôi được xã hội và nhà nước VN rất quan tâm và được các tổ chức quốc tế như FAO, GEF, … với các nước như Hà Lan, Đan Mạch, Đức, Pháp, Bỉ, … hỗ trợ mạnh mẽ. Đã xuất hiện nhiều doanh nghiệp cung cấp các dịch vụ xử lý chất thải chăn nuôi. Đáng kể nhất là Chương trình khí sinh học cho chăn nuôi do Cục Chăn nuôi, thuộc Bộ NN & PTNT và Tổ chức hợp tác phát triển Hà Lan (SNV) thực hiện khởi động từ 2003. “Chương trình Khí sinh học cho Ngành Chăn nuôi Việt Nam 2007-2011” là giai đoạn II, (http://www.biogas.org.vn). Nhiều nguyên cứu trong lĩnh vực xử lý nước thải chăn nuôi heo đang được hết sức quan tâm vì mục tiêu giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường, đồng thời với việc tạo ra năng lượng mới. Các nghiên cứu về xử lý nước thải chăn nuôi heo ở Việt Nam đang tập trung vào hai hướng chính, hướng thứ nhất là sử dụng các thiết bị 5 yếm khí tốc độ thấp như bể lên mem tạo khí Biogas kiểu Trung Quốc, Ấn độ, Việt Nam, hoặc dùng các túi PE. Phương hướng thứ nhất nhằm mục đích xây dựng kỹ thuật xử lý yếm khí nước thải chăn nuôi heo trong các hộ gia đình chăn nuôi heo với số đầu heo không nhiều. Hướng thứ hai là xây dựng quy trình công nghệ và thiết bị tương đối hoàn chỉnh, đồng bộ nhằm áp dụng trong các xí nghiệp chăn nuôi mang tính chất công nghiệp. Trong các nghiên cứu về quy trình công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi heo công nghiệp đã đưa ra một số kiến nghị sau: Công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi công nghiệp có thể tiến hành như sau: (1) xử lý cơ học: lắng 1; (2) xử lý sinh học: bắt đầu bằng sinh học kị khí UASB, tiếp theo là sinh học hiếu khí (Aerotank hoặc hồ sinh học); (3) khử trùng trước khi thải ra ngoài môi trường. Nhìn chung những nghiên cứu của chúng ta đã đi đúng hướng, tiếp cận được công nghệ thế giới đang quan tâm nhiều. Tuy nhiên số lượng nghiên cứu và chất lượng các nghiên cứu của chúng ta còn cần được nâng cao hơn, nhằm nhanh chóng được áp dụng trong thực tế sản xuất 1.2 Các kỹ thuật trong xử lý nước thải chăn nuôi Việc xử lý nước thải chăn nuôi heo 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 phương pháp làm sạch và lựa chọn quy trình xử lý nước phụ thuộc vào các yếu tố như :  Các yêu cầu về công nghệ và vệ sinh nước.  Lưu lượng nước thải.  Các điều kiện của trại chăn nuôi.  Hiệu quả xử lý. Đối với nước thải chăn nuôi, có thể áp dụng các phương pháp sau :  Phương pháp cơ học. 6  Phương pháp hóa lý.  Phương pháp sinh học. Trong các phương pháp trên ta chọn xử lý sinh học là phương pháp chính. Công trình xử lý sinh học thường được đặt sau các công trình xử lý cơ học, hóa lý. 1.2.1. Phương pháp xử lý cơ học Mục đích là tách chất rắn, cặn, phân ra khỏi hỗn hợp nước thải bằng cách thu gom, phân riêng. Có thể dùng song chắn rác, bể lắng sơ bộ để loại bỏ cặn thô, dễ lắng tạo điều kiện thuận lợi và giảm khối tích của các công trình xử lý tiếp theo. Ngoài ra có thể dùng phương pháp ly tâm hoặc lọc. Hàm lượng cặn lơ lửng trong nước thải chăn nuôi khá lớn (khoảng vài ngàn mg/L) và dễ lắng nên có thể lắng sơ bộ trước rồi đưa sang các công trình xử lý phía sau. Sau khi tách, nước thải được đưa sang các công trình phía sau, còn phần chất rắn được đem đi ủ để làm phân bón. 1.2.2. Phương pháp xử lý hóa lý Nước thải chăn nuôi còn chứa nhiều chất hữu cơ, chất vô cơ dạng hạt có kích thước nhỏ, khó lắng, khó có thể tách ra bằng các phương pháp cơ học thông thường vì tốn nhiều thời gian và hiệu quả không cao. Ta có thể áp dụng phương pháp keo tụ để loại bỏ chúng. Các chất keo tụ thường sử dụng là phèn nhôm, phèn sắt, phèn bùn,… kết hợp với polymer trợ keo tụ để tăng quá trình keo tụ. Nguyên tắc của phương pháp này là : cho vào trong nước thải các hạt keo mang điện tích trái dấu với các hạt lơ lửng có trong nước thải (các hạt có nguồn gốc silic và chất hữu cơ có trong nước thải mang điện tích âm, còn các hạt nhôm hidroxid và sắt hidroxi được đưa vào mang điện tích dương). Khi thế điện động của nước bị phá vỡ, các hạt mang điện trái dấu này sẽ liên kết lại thành các bông cặn có kích thước lớn hơn và dễ lắng hơn. 7 Theo nghiên cứu của Trương Thanh Cảnh (2001) tại trại chăn nuôi heo 2/9: phương pháp keo tụ có thể tách được 80-90% hàm lượng chất lơ lửng có trong nước thải chăn nuôi heo. Ngoài keo tụ còn loại bỏ được P tồn tại ở dạng PO43- do tạo thành kết tủa AlPO4 và FePO4. Phương pháp này loại bỏ được hầu hết các chất bẩn có trong nước thải chăn nuôi. Tuy nhiên chi phí xử lý cao. Áp dụng phương pháp này để xử lý nước thải chăn nuôi là không hiệu quả về mặt kinh tế. Ngoài ra, 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, cũng không hiệu quả về mặt kinh tế đối với các trại chăn nuôi. 1.2.3. Phương pháp xử lý sinh học Phương pháp 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 một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng. Tùy theo nhóm vi khuẩn sử dụng là hiếu khí hay kỵ khí mà người ta thiết kế các công trình khác nhau. Và tùy theo khả năng về tài chính, diện tích đất mà người ta có thể dùng hồ sinh học hoặc xây dựng các bể nhân tạo để xử lý. 1.2.3.1. Phương pháp xử lý hiếu khí Sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện có oxy. Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí gồm 3 giai đoạn : Oxy hóa các chất hữu cơ : Enzyme CxHyOz + O2  CO2 + H2O + OH Tổng hợp tế bào mới : 8 Enzyme CxHyOz + O2 + NH3  Tế bào vi khuẩn (C5H7O2N) + CO2 + H2O OH Phân hủy nội bào : Enzyme C5H7O2N + O2  5CO2 + 2H2O + NH3 + OH 1.2.3.2 Các kĩ thuật xử lý yếm khí Sử dụng vi sinh vật kỵ khí, hoạt động trong điều kiện yếm khí không hoặc có lượng O2 hòa tan trong môi trường rất thấp, để phân hủy các chất hữu cơ. Bốn giai đoạn xảy ra đồng thời trong quá trình phân hủy kỵ khí : a. Thủy phân : Trong giai đoạn này, dưới tác dụng của enzyme do vi khuẩn tiết ra, các phức chất và các chất không tan (như polysaccharide, protein, lipid) chuyển hóa thành các phức chất đơn giản hơn hoặc chất hòa tan (như đường, các acid amin, acid béo). b. Acid hóa : Trong giai đoạn này, vi khuẩn lên men chuyển hóa các chất hòa tan thành chất đơn giản như acid béo dễ bay hơi, rượu, acid lactic, methanol, CO2, H2, NH3, H2S và sinh khối mới. c. Acetic hóa : Vi khuẩn acetic chuyển hóa các sản phẩm của giai đoạn acid hóa thành acetat, H2, CO2 và sinh khối mới. d. Methane hóa : Đây là giai đoạn cuối của quá trình phân hủy kỵ khí. Acid acetic, H2, CO2, acid formic và methanol chuyển hóa thành methane, CO2 và sinh khối mới. Để đánh giá khả năng ảnh hưởng của tốc độ dâng hỗn hợp vi sinh – nước thì các kĩ thuật yếm khí cần được tổng quan đầy đủ như ở dưới đây 9 Bồn biogas kiều Túi mềm (Đài Loan) Hình 1. Bể phản ứng kiểu túi mềm Bồn phản ứng kiểu túi là một cái ống bằng nhựa PVC mềm dài (chiều dài:đường kính = 14:3), vật liệu còn có thể là vải nylon phủ cao su Neopren hoặc "red mud plastic" (RMP), một dạng PVC trộn bùn đỏ từ công nghiệp sản xuất alumina từ boxit. Ống nhựa khổng lồ này được nối với đầu vào, đầu ra ở hai đầu ống và ống thu khí (Hình 2). Ống dẫn nước vào được đặt sao cho áp suất trong ống tối đa được duy trì ở mức xung quanh 40cm. Với cấu hình này, ống nhựa hoạt động như một bồn phản ứng kiểu ống dòng (plug-flow), khí thường được chứa ở túi riêng [Park, Y.D., Park, J.J. and Lim, J.H. (1979) Research Reports of the Office of Rural Development, Suweon, Korea]. Bồn phản ứng kiểu ống dòng (plug – flow reactor) Bồn phản ứng kiểu ống dòng có nguyên lí gần như bồn phản ứng dạng túi. Hình 2. Loại phản ứng kiểu ống dòng Tài liệu đầu tiên nói về bồn phản ứng kiểu ống dòng được biên soạn ở châu phi năm 1957[Fry, L.J. (1975) Practical Building of Methane Power Plants for 10 Rural Energy Independence, D.A. Knox, Andover, Hamsphire, USA] cho rằng châu phi là nơi nhiệt độ trung bình trong năm cao lên tới 35oC. Hiệu suất riêng (tính theo thể tích khí biogas sinh ra/ 1m3 bồn xử lý/ 1 ngày) có thể đạt được từ 1-1.5, với thời gian lưu 40 ngày và tải lượng là 3.4 kg tổng chất rắn/ 1m3/ ngày. Khí sinh học CH4, CO2 Nước ra Nước vào Hình 3. Sơ đồ bể xử lí yếm khí kiểu UASB và hình hạt bùn Bồn phản ứng dòng liên tục khuấy trộn đều Các hệ đã nêu có thiết kế rất đơn giản, cơ cấu cơ khí không có, vận hành chỉ nhờ dòng nước tự chảy nên chi phí rất thấp. Yếu điểm lớn nhất của các hệ xử lý kiểu này là tốc độ phân hủy các chất tan rất chậm, thực chất chúng chỉ đóng vai trò của một hệ lắng sơ cấp và phân hủy một phần bùn.Do các hệ cổ điển không có khuấy trộn sinh khối vi khuẩn hoạt động không thể tiếp xúc tốt với nước thải để thực hiện quá trình chuyển hóa, hơn nữa, vùng hoạt động thực trong các bể cổ điển chỉ là một phần nhỏ thể tích thiết bị (Hình 4), vì vậy hiệu quả xử lí của các hệ đơn giảnchỉ được thể hiện chủ yếu là đối với phần bùn cặn lắng được, do đó thời gian lưu nước trong các hệ thụ động phải tính bằng vài chục ngày. 11 Bồn phân hủy cổ điển Bồn khuấy trộn đều Hình 4. So sánh hai loại bồn phản ứng Để khắc phục các nhược điểm này, các bồn phân hủy yếm khí hiện đại thường được trang bị các cơ cấu khuấy trộn và điều nhiệt ở gần 35oC để tận dụng pic hoạt tính của vi khuẩn ưa ấm (mesophylic) (Hinh 4, bên phải). Dạng thiết bị phản ứng dòng liên tục khuấy trộn đều không đặt ra mục đích giữ lại sinh khối trong thiết bị phản ứng. Thiết bị phản ứng bao gồm một bể phản ứng kín, bộ khuấy trộn cơ học, đường nước vào và ra và đường thu khí (hình 3, hình bên phải). Thời gian lưu tế bào của hệ trên bằng thời gian lưu thủy lực. Để hệ thống hoạt động được thì lượng sinh khối sinh ra (từ tiêu hao cơ chất) phải ngang bằng với lượng sinh khối trôi ra ngoài theo dòng nước, tức là giá trị nghịch đảo của thời gian lưu thủy lực hay của thời gian lưu tế bào phải lớn hơn hệ số tốc độ phát triển riêng của vi sinh [μ’, phương trình ]. Lấy ví dụ, vi sinh metan hóa có hệ số tốc độ phát triển riêng tối đa μ’ = 0,1 [1/d], nếu bỏ qua tỷ lệ chết của chúng thì để sinh ra một thế hệ mới cần thời gian lưu = 1/0,1 = 10 ngày. Để đảm bảo an toàn, thời gian trên theo qui định của tiêu chuẩn ATV – Arbeitblatt A (ATVDVWK 2000, Đức) cần hệ số 1,6, vậy thời gian lưu thủy lực cần có là 16 ngày để có thể duy trì mật độ vi sinh metan hóa [W. Bischofberger, N, 12
- Xem thêm -