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% BOD
5
, 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


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 B
0
: 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 B
1
: 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

đề tài không đề cập đến các chỉ tiêu quan trọng khác trong nƣớc thải chăn nuôi (ví dụ: N- nitrite, N –
nitrate, N – NH
4
+
…). 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 B
0
và B
1
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
BOD
5

0
và lên đến 6200 mg/l ở nghiệm thức B
1
chỉ sau 5 ngày nghiên cứu).
Sau 60 ngày nghiên cứu, hiệu quả xử lý SS của nghiệm thức B
0
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 B
1
– có bổ sung bã mía là 84,48%, cao hơn nghiệm thức đối chứng – B
0
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 B
0
và B
1
. 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 B
0
và B
1
).
Một vấn đề nữa mà kết quả nghiên cứu thể hiện, chính là cùng thời điểm nhƣ trên, COD trong

B
0
và B
1
. Sau 15 ngày, BOD
5
vẫn còn cao so với giá trị đầu vào (7942 mg/l và 8704 mg/l lần lƣợt tại 2
nghiệm thức B
0
và B
1
). Sự gia tăng BOD
5
đƣợc giải thích tƣơng tự nhƣ sự gia tăng COD trong giai
đoạn thủy phân nƣớc thải. Và nghiệm thức B
1
, BOD
5
tăng cao so với nghiệm thức B
0
là 1986 mg/l
(11220 mg/l so với 9234 mg/l). Tuy nhiên, sau 15 ngày, BOD
5
ở hai nghiệm thức bắt đầu giảm nhẹ.
Đến ngày thứ 30, tại nghiệm thức B
0
hiệu quả khử BOD
5
là 47% trong khi cùng với thời điểm đó, hiệu
quả khử BOD

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 B
1
là 43,1 mg/l. Kết thúc thí nghiệm,
hiệu quả khử Ni-tơ trong nƣớc thải tại nghiệm thức B
0
là 67,12%, trong khi tại nghiệm thức B
1
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 10
4
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
NTB
0


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 B
1
đều nhiều hơn so
với nghiệm thức B
0
. Từ kết quả phân tích khí bằng máy GA94, ta thấy rằng, lƣợng khí sinh ra tại
nghiệm thức B
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 –
B
0
, SS cực đại là 6280 mg/l tại thời điểm sau 5 ngày nghiên cứu. Và tại nghiệm thức B
1
, 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 B
0
sau 60 ngày là 71,06%, và ở nghiệm thức B
1
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 B
1
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 B
1
đều thế hiện kết quả cao hơn nghiệm thức đối chứng B
0
.
Diễn biến COD (mg/l) theo thời gian ở lần thí nghiệm thứ 2

, cuối thời điểm 60 ngày sau nghiên cứu, COD chỉ
còn lại 1656 mg/l. Hiệu suất khử COD tại nghiệm thức B
1
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 BOD
5
trong lần nghiên cứu thứ nhất, BOD
5
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 BOD
5
đã đƣợc chuyển
hóa thành những dạng sản phẩm khác trong quá trình chuyển hóa.
Tại nghiệm thức đối chứng B
0
, BOD
5
giảm nhanh đến ngày thứ 45 (2064mg/l). Từ ngày 45 về
sau, BOD
5
tiếp tục giảm nhƣng giảm rất nhẹ so với tốc độ giảm trƣớc đó. Hiệu quả khử BOD
5
của

thấp hơn tại nghiệm thức
B
1
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 B
1
, 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 B
1
là 71,56%.
Trong nghiệm thức B
0
, 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 B
1
(là 334,1 mg/l – đạt tại ngày thứ 10). Cuối 60 ngày nghiên cứu,
hiệu quả khử Ni-tơ tại nghiệm thức B
0
là 64,9%. So sánh với hiệu quả khử Ni-tơ trong nghiệm thức
B
1
, 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 B
1

Bảng 3. V khí trong hổn hợp khí Biogas trong 2 nghiệm thức
Khí
V (lít) và % khí trong hỗn hợp
NTB
0

NTB
1

Biogas
L
9.895
10.352
%
100
100
CH
4
L
5.601
6.087
%
56.6
58.8
CO
2
L
3.800
3.571
%

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 H
2
S
tại nghiệm thức B
1
bé hơn tại nghiệm thức B
0
.
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 B
0
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 BOD
5
cũng nằm trong khoảng từ 70 – 71% ở sau 2 lần nghiên cứu.

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 BOD
5
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 B
1
.
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 H
2
S (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.

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 H
2
S 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, BOD
5
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:

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