TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
******* NGUYỄN THỊ NGA NGHIÊN CỨU XỬ LÝ
NƢỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN
BẰNG PHƢƠNG PHÁP LỌC SINH HỌC
THIẾU-HIẾU KHÍ KẾT HỢP
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
Chuyên ngành: Hóa Công nghệ - Môi trƣờng
HÀ NỘI - 2014
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA HÓA HỌC
******* NGUYỄN THỊ NGA
quá trình thực hiện khóa luận.
Trong quá trình nghiên cứu và làm đề tài không tránh khỏi những thiếu
sót. Vì vậy em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các Thầy giáo, Cô
giáo và các bạn để đề tài được hoàn thiện và mang lại hiệu quả cao hơn.
Hà Nội, ngày 15 tháng 5 năm 2014
Sinh viên
Nguyễn Thị Nga LỜI CAM ĐOAN
Khóa luận tốt nghiệp với đề tài:
“Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp lọc
sinh học thiếu - hiếu khí kết hợp” được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của
thầy giáo - TS. Phan Đỗ Hùng. Tôi xin cam đoan những kết quả trong khóa
luận là kết quả nghiên cứu của bản thân, không trùng với kết quả nghiên cứu
của tác giả khác. Nếu sai tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Hà Nội, tháng 05 năm 2014
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Thị Nga
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
: Sequencing Batch Reactor - Bể phản ứng theo mẻ.
VSV
: Vi sinh vật.
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 3
1.1. Hiện trạng chăn nuôi lợn ở Việt Nam và định hƣớng phát triển 3
1.2. Đặc trƣng về nƣớc thải chăn nuôi lợn và hiện trạng quản lý
nƣớc thải chăn nuôi 5
1.2.1. Đặc trưng về nước thải chăn nuôi lợn 5
1.2.2. Thực trạng quản lý và hiện trạng xử lý nước thải chăn nuôi 6
1.3. Một số phƣơng pháp xử lý nƣớc thải chăn nuôi lợn 9
1.3.1. Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng biogas 9
1.3.2. Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học hiếu
khí 11
1.3.3. Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học
thiếu khí - hiếu khí 13
1.4. Giới thiệu về phƣơng pháp lọc sinh học ngập nƣớc thiếu khí -
hiếu khí 15
CHƢƠNG 2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 18
2.1. Đối tƣợng và mục đích nghiên cứu 18
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu 18
2.1.2. Mục đích và nội dung nghiên cứu 20
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu 21
2.2.1. Phương pháp thu thập và xử lý số liệu 21
2.2.2. Phương pháp khảo sát hiện trường 22
2.2.3. Phương pháp thực nghiệm 22
2.2.4. Phương pháp phân tích 22
26
Hình 3.3. Ảnh hưởng của thời gian sục khí - ngừng sục khí đến sự
chuyển hóa NO
2
-
và NO
3
-
28
Hình 3.4. Ảnh hưởng của thời gian sục khí - ngừng sục khí đến hiệu quả
xử lý T - N 29
Sơ đồ 1.1. Các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi lợn đang áp dụng
tại các trang trại 8
Sơ đồ 2.1. Hệ thống thiết bị thực nghiệm 19
1
MỞ ĐẦU
Nền kinh tế việt nam là nền kinh tế nhiều thành phần nhưng vẫn lấy
phát trển nông nghiệp làm căn bản. Trong đó ngành chăn nuôi nói chung và
chăn nuôi lợn nói riêng đang phát triển với tốc độ rất cao nhằm đáp ứng nhu
cầu về thực phẩm ngày càng tăng. Với những đặc tính riêng như tăng trọng
nhanh, vòng đời ngắn chăn nuôi lợn được quan tâm đặc biệt vì nhu cầu thịt
lợn ngày một tăng cả về số lượng và chất lượng đã thúc đẩy ngành chăn nuôi
chuyển sang một bước phát triển mới. Định hướng phát triển chăn nuôi tập
trung, chăn nuôi lợn quy mô trang trại công nghiệp đang được phát triển
nhanh ở Việt Nam trong những năm gần đây. Số lượng trang trại trong giai
đoạn 2001 - 2008 tăng trên 50% năm 2009 - 2010 tăng 13,2%. Hiện nay cả
nước có khoảng 8500 trang trại chăn nuôi lợn tập trung, cung cấp khoảng
3
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Hiện trạng về chăn nuôi lợn ở Việt Nam và định hƣớng phát triển
Theo thống kê năm 2013, tổng đàn lợn cả nước đạt 26,3 triệu con, ngành
chăn nuôi lợn trong những năm gần đây phát triển với tốc độ nhanh nhưng
chủ yếu là tự phát và chưa đáp ứng được các tiêu chuẩn kỹ thuật về chuồng
trại và kỹ thuật chăn nuôi. Do đó năng suất chăn nuôi thấp và gây ô nhiễm
môi trường một cách trầm trọng. Mỗi năm ngành chăn nuôi gia súc gia cầm
thải ra khoảng 75 - 85 triệu tấn chất thải, với phương thức sử dụng phân
chuồng không qua xử lý ổn định và nước thải không qua xử lý xả trực tiếp ra
môi trường gây ô nhiễm nghiêm trọng.
Theo báo cáo của cục chăn nuôi, lượng chất thải từ chăn nuôi lợn thải
ra môi trường đang tăng lên nhanh chóng trong những năm gần đây. Nếu như
năm 2008, tổng lượng chất thải rắn chăn nuôi thải ra môi trường là 80,4 triệu
tấn, thì tới năm 2010 đã tăng lên nhiều, với tổng đàn 300 triệu con gia cầm và
hơn 37 triệu con gia súc, nguồn chất thải từ chăn nuôi ra môi trường lên tới
84,45 triệu tấn. Trong đó, nhiều nhất là chất thải từ lợn (24,96 triệu tấn), tiếp
đến gia cầm (21,96 triệu tấn) và bò (21,61 triệu tấn).
Ước tính, hiện có tới 80% các bệnh nhiễm trùng ở nông thôn có liên
+ Đảm bảo an toàn dịch bệnh và vệ sinh an toàn thực phẩm, khống chế
có hiệu quả các bệnh nguy hiểm trong chăn nuôi.
5
+ Các cơ sở chăn nuôi, nhất là chăn nuôi theo phương thức trang trại,
công nghiệp và cơ sở giết mổ, chế biến gia súc, gia cầm phải có hệ thống xử
lý chất thải, bảo vệ và giảm ô nhiễm môi trường.
+ Mức tăng trưởng bình quân: giai đoạn 2008 - 2010 đạt khoảng 8 - 9%
năm, giai đoạn 2010 - 2015 đạt khoảng 6 - 7% năm và giai đoạn 2015 - 2020
đạt khoảng 5 - 6% năm.
1.2. Đặc trƣng về nƣớc thải chăn nuôi lợn và hiện trạng quản lý nƣớc thải
chăn nuôi
1.2.1. Đặc trưng về nước thải chăn nuôi lợn
Nước thải chăn nuôi lợn là một trong những loại nước thải rất đặc
trưng, có khả năng gây ô nhiễm môi trường cao do có chứa hàm lượng chất
hữu cơ, cặn lơ lửng, Nitơ, Photpho và sinh vật gây bệnh. Do đó, nước thải
chăn nuôi, nhất thiết phải được xử lý trước khi thải ra ngoài môi trường. Các
thành phần chính trong nước thải chăn nuôi lợn gồm có:
a. Các chất hữu cơ
Trong nước thải chăn nuôi lợn, hợp chất hữu cơ chiếm 70 - 80% bao
gồm cellulose, protit, acid amin, chất béo, hidratcarbon và các dẫn xuất của
chúng có trong phân, thức ăn thừa. Hầu hết các chất hữu cơ dễ phân hủy, ngoài
ra còn có các chất khó phân hủy sinh học như các hợp chất hydrat cacbon hợp
chất vòng thơm, hợp chất đa vòng, hợp chất chứa clo hữu cơ. Các chất vô cơ
chiếm 20 - 30% gồm cát, đất, muối, ure, ammonium, muối clorua, SO
4
2-
,…
b. Tổng Nitơ và Photpho
Khả năng hấp thụ nitơ và photpho của các loài gia súc, gia cầm rất kém,
nên khi ăn thức ăn có chứa nitơ và photpho thì chúng sẽ bài tiết ra ngoài theo
lợn
Tam
Điệp
Trại
Hồng
Điệp
Trại
Gia
Nam
QCVN
40:2011/BT
NMT(cột B)
pH
7,15
7,26
7,08
6,83
6,78
5,5 - 9
BOD
5
mg/l
2.339
2.080
1.882
2.221
1.783
chuồng và tắm cho lợn là 30 - 50 lít nước/1con/ngày đêm.
- Nước thải có mùi hôi thối, khó vận chuyển đi xa để sử dụng cho các
mục đích nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản.
7
- Lượng nước thải quá lớn, không thể sử dụng hết cho diện tích đất
canh tác xung quanh.
Việc quản lý nước thải trong chăn nuôi lợn là vấn đề nan giải, nước thải
chăn nuôi lợn chứa chất hữu cơ và nitơ cao. Lưu lượng nước thải khá cao do số
lượng lợn nuôi nhiều và lợn được tắm nhiều lần trong ngày, nhất là lúc trời nóng.
Theo điều tra tình hình quản lý nước thải chăn nuôi ở một số huyện
thuộc TP. HCM và một số tỉnh lân cận cho thấy nước thải dùng cho mục đích
nông nghiệp (15%). Đối với các trang trại không có đất trồng trọt thì nước
thải phần lớn chỉ xử lý sơ bộ sau đó thải ra môi trường (45%). Có khoảng
40% số trang trại sử dụng bể Biogas để xử lý nước thải (Hình1.2).
Hình 1.2. Mục đích sử dụng nước thải trong quá trình chăn nuôi lợn theo
điều tra tại một số huyện thuộc TP. Hồ Chí Minh
Kết quả điều tra đánh giá hiện trạng môi trường của Viện chăn nuôi
(2006) tại các cơ sở chăn nuôi lợn có quy mô tập trung thuộc Hà Nội, Hà Tây,
Ninh Bình, Nam Định, Quảng Nam, Bình Dương, Đồng Nai cho thấy: nước
thải của các cơ sở chăn nuôi lợn bao gồm nước tiểu, rửa chuồng, máng ăn,
máng uống và nước tắm rửa cho lợn. Cả 10 cơ sở chăn nuôi lợn được điều tra
đều có chỉ có hệ thống xử lý chất thải lỏng bằng công nghệ biogas. Kết quả
điều tra của cho thấy hệ thống xử lý nước thải tại các trang trại trên là: Nước
thải bể Biogas hồ sinh học thải ra môi trường, hầu hết các trang trại
chăn nuôi lợn khác cũng có sơ đồ xử lý chất thải như trên.
8
Nhìn chung, việc quản lý chất thải chăn nuôi lợn đang gặp nhiều khó
khăn. Nhu cầu sử dụng chất thải chăn nuôi lợn trong nông nghiệp còn rất
thấp. Vì vậy cần có nhiều biện pháp tích cực kết hợp để giải quyết vấn đề
Bể Biogas
(3)
Thải ra kênh mương
Tách phân
Nước thải, phân
Hồ kị khí có phủ bạt
(2)
Thải
Tách phân
Ao sinh thái
Nước thải,
phân
(5)
Ổn định kị
khí
Lọc sinh học
hiếu khí/aeroten
Hồ thực vật
thủy sinh
Thải
Nước thải, phân
Bể Biogas
(4)
Ao hồ sinh học
Thải ra kênh mương
Tách phân
9
Ở nước ta hiện có 5 loại công nghệ điển hình được các trang trại áp
dụng để xử lý nước thải chăn nuôi. Thứ nhất nước thải chăn nuôi được thải
các hầm biogas có thể tích tới hàng trăm, hàng ngàn mét khối kết hợp với các
hồ sinh học để xử lý nước thải. Hoặc nước thải sau biogas được tiếp tục qua
hệ xử lý sinh học (biofiml, aeroten, UASB, hồ sinh học ).
Nước thải từ hệ thống chuồng trại được dẫn trực tiếp vào bể kín với
thời gian lưu nước trong bể khoảng 15 - 30 ngày, tận dụng hoạt động của các
vi sinh vật kỵ khí trong bể và trong lớp bùn đáy để khoáng hóa các chất hữu
cơ. Mực nước trong bể, thông thường được thiết kế chiếm 2/3 chiều cao bể,
còn 1/3 chiều cao ở phía trên bể bị khí CH
4
, CO
2
và các khí khác sinh ra do
phân hủy kỵ khí chiếm chỗ. Phía trên có đặt hệ thống thu khí để thu hồi các
khí sinh ra (khí biogas) tận dụng làm khí đốt hoặc chạy máy phát điện dưới
cùng là lớp bùn đáy tương đối ổn định. Qua hầm biogas, chất hữu cơ giảm
đáng kể, do đó sau biogas nước thải có hàm lượng chất hữu cơ thấp và ít mùi
hơn. Hiệu suất khử chất hữu cơ (COD, BOD
5
…) đạt 75 - 85%. Các chất dinh
dưỡng nitơ, photpho giảm 27 - 60%.
Bùn cặn trong bể biogas có thể sử dụng để cải tạo đất nông nghiệp.
Cùng với việc có nguồn năng lượng mới để sử dụng, còn góp phần giảm thiểu
hiện tượng chặt phá rừng và bảo vệ môi trường.
Khí biogas là một hỗn hợp bao gồm CH
4
, CO
2
, N
2
, H
Enzyme
CO
2
+ H
2
O + H
- Tổng hợp tế bào mới:
C
x
H
y
O
z
+ O
2
+ NH
3
Enzyme
Tế bào vi khuẩn (C
5
H
7
O
2
N)+CO
2
bùn lớn dần lên do hấp phụ các chất rắn lơ lửng, tế bào VSV, động vật
nguyên sinh qua đó nước thải được làm sạch.
Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng bể Aerotank có ưu điểm:
- Tiết kiệm được diện tích.
- Hiệu quả xử lý cao.
- Xử lý được lưu lượng lớn.
12
Những nhược điểm của phương pháp:
- Chi phí đầu tư xây dựng và chi phí vận hành khá lớn so với các
phương pháp xử lý hiếu khí khác như: ao hồ sinh học, mương oxy hóa Do
đó tùy điều kiện kinh tế, quỹ đất mà lựa chọn hình thức xử lý phù hợp.
- Vận hành tốn năng lượng.
1.3.2.2. Lọc sinh học hiếu khí
Sử dụng hệ vi sinh vật dính bám trên các vật liệu lọc để xử lý các chất
hữu cơ trong nước thải. Vi sinh vật có thể dính bám lên giá thể vì có nhiều
loại VSV có khả năng tiết ra các polyme sinh học giống như keo dính vào giá
thể, tạo thành màng. Lớp màng này dày lên và có khả năng oxy hóa, hấp phụ
chất hữu cơ, cặn lơ lửng hoặc trứng giun sán.
Các hợp chất hữu cơ trong nước thải đầu tiên bị oxi hóa bởi vi khuẩn
hiếu khí, sau khi thấm sâu vào trong màng, nuốt hết oxi thì vi khuẩn hiếu khí
phân hủy hết. Khi hợp chất hữu cơ trong nước cạn kiệt thì vi sinh vật trong
lớp màng chuyển sang hô hấp nội bào, khả năng bám dính giảm dần, dần bị
bông ra và cuốn theo lớp vật liệu lọc.
1.3.2.3. Hồ sinh học
Các quá trình diễn ra trong hồ sinh học tương tự như quá trình tự làm
sạch ở sông hồ nhưng tốc độ nhanh hơn và hiệu quả cao hơn. Trong hồ có thể
nuôi trồng thủy thực vật, tảo, vi sinh vật, cá để tăng hiệu quả xử lý. Quần
thể động thực vật trong hồ đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình chuyển
hóa các hợp chất hữu cơ của nước thải. Đầu tiên vi sinh vật phân hủy các chất
hữu cơ phức tạp thành các chất đơn giản, đồng thời trong quá trình quang hợp
ra thấp. Bể điều hòa, bể lắng sơ cấp, xử lý sinh học, bể lắng thứ cấp và khử
dinh dưỡng có thể kết hợp lại thành 1, hiệu quả khử photpho, nitrat hóa và
khử nitrat cao. Tuy nhiên, do hệ thống hoạt động theo mẻ, nên cần phải có
14
nhiều thiết bị hoạt động đồng thời với nhau, công suất xử lý thấp, người công
nhân vận hành hệ thống phải có kỹ thuật cao. [3]
1.3.3.2. Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp lọc sinh học thiếu -
hiếu khí kết hợp
Nguyên lý của quá trình xử lý tương tự phương pháp bùn hoạt tính hiếu
khí - thiếu khí kết hợp, nhưng ở đây các quá trình nitrat hóa và khử nitrat
được thực hiện ở trong các thiết bị lọc sinh học chứa vật liệu mang vi sinh.
Ưu điểm của quá trình này là thiết bị gọn nhẹ do có thể vận hành ở tải trọng
cao (tải trọng BOD có thể lên đến 2 - 3 kg BOD/m
3
/ngày), quá trình ổn định,
vận hành đơn giản, tiêu hao ít năng lượng. Tuy nhiên chí phí đầu tư lớn cho
xây dựng và mua màng. [5]
1.3.3.3 Phương pháp mương ôxy hóa
Mương ôxy hóa là một dạng thiết bị sục khí kéo dài. Phương pháp này
có ưu điểm là có thể xử lý hiệu quả đồng thời hữu cơ và nitơ, vận hành đơn
giản, tốn ít năng lượng, tạo ra ít bùn. Tuy nhiên, phương pháp này cần diện
tích xây dựng lớn. Phương pháp này được sử dụng khá phổ biến đối với quy
mô nhỏ. Do hiệu quả xử lý nitơ cao, vận hành đơn giản nên đây có thể là một
phương pháp phù hợp đối với một số trang trại chăn nuôi có diện tích lớn. [5]
1.3.3.4. Phương pháp Anamox
Ngoài quá trình hiếu khí - thiếu khí truyền thống, gần đây quá trình
Anamox (Anaerobic Ammonium Oxidation, oxy hóa amoni yếm khí), một
quá trình sinh học mới được phát hiện hơn 10 năm trước, được quan tâm
nghiên cứu và phát triển ứng dụng trong xử lý nước thải giàu nitơ. Trong điều
kiện yếm khí, amoni được oxy hóa với nitrit (NO
động của vi sinh vật trên màng sinh học, oxy hóa các chất bẩn có trong nước.
Các màng sinh học, là tập thể các vi sinh vật hiếu khí, kị khí và thiếu khí. Các
vi khuẩn hiếu khí tập trung ở phần lớp ngoài của màng sinh học, ở đây chúng
phát triển và gắn với giá màng là các vật liệu lọc. Chất hữu cơ nhiễm bẩn
16
trong nước thải bị oxy hóa bởi quần thể vi sinh vật ở màng sinh học, màng
này thường dầy khoảng từ 0,1 - 0,4 mm. Các chất hữu cơ trước hết bị phân
hủy bởi vi sinh vật hiếu khí, sau khi thấm sâu vào màng, sẽ bị phân hủy bởi vi
sinh vật kị khí. Khi các chất hữu cơ có trong nước thải cạn kiệt, vi sinh vật ở
màng sinh học sẽ chuyển sang hô hấp nội bào và khả năng kết dính cũng
giảm, dần dần bị vỡ cuốn theo nước lọc. Lọc sinh học ngập nước có thể khử
được BOD và chuyển hóa NH
4
+
thành NO
3
-
, lớp vật liệu lọc có khả năng giữ
lại cặn lơ lửng, để khử được tiếp BOD, NO
3
-
, P người ta có thể đặt hai bể lọc
nối tiếp hoặc tạo ra vùng thiếu khí để xử lý được triệt để N, P.
Các quá trình nitrat hoá và khử nitrat có thể được thực hiện bằng các
quá trình sinh trưởng lơ lửng mà đại diện là quá trình bùn hoạt tính, hoặc quá
trình sinh trưởng bám dính trong đó vi sinh vật được cố định trên chất màng
(cố định hoặc lơ lửng), ví dụ quá trình lọc sinh học ngập nước.
Vi sinh vật nitrat hóa có tốc độ sinh trưởng chậm, do đó để tăng nồng độ
vi sinh vật trong thiết bị xử lý nhằm nâng cao tốc độ nitrat hóa người ta thường
áp dụng quá trình sinh trưởng bám dính cho quá trình này. Các nghiên cứu ứng
2
+ n(y-4)/2 H
2
O
17
• Tự oxy hóa vật liệu tế bào (phân hủy nội bào):
(C
5
H
7
NO
2
)
n
+ 5n O
2
→ 5n CO
2
+ 2n H
2
O + n NH
3
• Quá trình nitrat hóa:
2 NH
4
+
+ 3 O
2
→ 2 NO
2
NO
3
-
→NO
2
-
→ N
2
Copyright: Tài liệu đại học ©