BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO
BẰNG CÔNG NGHỆ KỴ KHÍ KẾT HỢP
HIẾU KHÍ SỬ DỤNG VẬT LIỆU ĐỆM PUMICE
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: T2010 - 73

S KC 0 0 2 9 3 9


MÃ SÔ: T2010-73

THAM GIA ĐỀ TÀI: Hoàng Thị Tuyết Nhung
Trần Quang Khải
Phạm Thị Thùy An

Tp. Hồ Chí Minh, 2011


TÓM TẮT

Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo bằng bể kỵ khí bám dính ngược
dòng được rất nhiều nhà nghiên cứu quan tâm tìm hiểu do những ưu điểm như khả
năng xử lý đạt hiệu quả cao, chịu được tải trọng cao, ổn định và có khả năng chịu
được mức độ chất độc hại cao hơn. Tuy nhiên, vật liệu bám dính chính là vấn đề cần
nghiên cứu, rất nhiều nhà nghiên cứu đưa ra các loại vật liệu bám dính khác nhau
dựa trên đặc tính bền, nhẹ, nhiều lỗ rỗng xốp, bề mặt nhám để vi sinh vật cót thể dễ
dàng bám tạo màng. Do vậy, đề tài nghiên cứu việc sử dụng vật liệu đá pumice
trong bể kỵ khí ngược dòng để nâng cao hiệu quả xử lý nước thải hàm lượng hữu cơ
cao.
Mô hình vận hành xử lý nước thải chăn nuôi heo COD 2000 - 4000 mg/l trong
mô hình pilot 10 lít ở các tải trọng 1.5 ; 2 ; 3, 4 và 5 kgCOD/m3/ngày đạt kết trên
90% ở tải trọng 1,5 và 2 kgCOD/m3/ngày. Đồng thời đạt hiệu quả trên 87% ở tải
trọng 3; 82% ở tải trọng 4 và tải trọng 5 hiệu quả khử COD 80%. Ngoài ta, hiệu quả
khử SS và VSS rất cao, với SS đạt trên 90% và VSS đạt trên 70-80%. N-NH4 tăng
trong mô hình đến 50%.
Ngoài ra đề tài còn đánh giá khả năng xả thải của nước thải chăn nuôi heo
bằng việc kết hợp mô hình kỵ khí có vật liệu bám dính pumice và mô hình hiếu khí
cho thấy các chỉ tiêu COD, SS đầu đạt mức xả thải, chỉ riêng chỉ tiêu Nito hiệu quả
chưa tốt.

3.1.1. Cách tiếp cận .................................................................................... 17
3.1.2. Phương pháp nghiên cứu ................................................................... 17
3.1.3. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu................................................... 17
3.2. Mô tả mô hình và nguyên vật liệu sử dụng................................................. 18
3.2.1. Nguyên vật liệu sử dụng .................................................................... 18
3.2.2. Tiến trình thực hiện ........................................................................... 19
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, BÀN LUẬN
4.1. Kết quả thí nghiệm .................................................................................... 22
4.1.1. Giai đoạn thích nghi .......................................................................... 22
4.1.2. Giai đoạn vận hành mô hình.............................................................. 25
4.1.3. Giai đoạn kết hợp hiếu khí.....................................................................
4.2. Nhận xét .................................................................................................... 32
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
5.1. Kết luận ..................................................................................................... 33
5.2. Kiến nghị ................................................................................................... 33
Tài liệu tham khảo


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình

Tên hình

Trang

2.1

Các bước phân hủy kỵ khí tự nhiên của phức chất hữu cơ

6


4.2

Đồ thị biểu diễn pH trong giai đoạn khởi động

23

4.3

Đồ thị biểu diễn N-NH4 trong giai đoạn khởi động

24

4.4

Đồ thị biễu diễn pH đầu vào/ra theo thời gian

25

4.5

Đồ thị biểu diễn hiệu quả khử COD theo thời gian

26

4.6

Đồ thị biễu diễn biến thiên SS theo thời gian

27


4.12

Biểu diễn pH vào ra 2 mô hình

33

4.13

Biểu diễn SS vào ra 2 mô hình

34

4.14

Biểu diễn COD vào ra 2 mô hình

35

4.15

Biểu diễn NH3 vào ra 2 mô hình

36

4.16

Nitrate

36

Tính chất nước thải chăn nuôi heo

19

4.1

Tỷ lệ VSS/TS nước thải chăn nuôi heo

26


DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Anaerobic

Quá trình kị khí/điều kiện kị khí/bể xử lý kị khí

Anammox

Oxi hóa ammonia trong điều kiện kị khí

BOD

Nhu cầu oxy sinh hóa

COD

Nhu cầu oxy hóa học

F/M


TDS

Tổng chất rắn hòa tan

TKN

Tổng nitơ Kjedahl

TS

Tổng chất rắn hòa tan

UASB

Bể phản ứng có lớp bùn lơ lửng dòng chảy ngược

VFA

Acid béo bay hơi


1

CHƯƠNG 1

PHẦN MỞ ĐẦU
1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong những năm gần đây, tình hình chăn nuôi heo tại thành phố Hồ Chí
Minh cũng như các tỉnh thành phát triển mạnh mẽ cả hình thức chăn nuôi nhỏ lẻ
từng hộ gia đình cũng như những cơ sở chăn nuôi quy mô lớn. Song song đó, chất


-

Khảo sát tính chất nước thải chăn nuôi heo.

-

Khảo sát, đánh giá khả năng xử lý dựa trên một số chỉ tiêu như pH, COD,
MLSS, MLVSS, NH3, độ kiềm.

-

Tổng hợp số liệu, đánh giá khả năng xử lý khi ứng dụng vật liệu đệm
pumice

-

Đánh giá khả năng xả thải khi kết hợp công nghệ kỵ khí có pumice với
hiếu khí

1.2.3. Phương pháp nghiên cứu
1.2.3.1. Phương pháp tổng quan tài liệu
Đây là phương pháp tiếp cận với nhiều tài liệu khác nhau nhằm tiếp thu
kiến thức lý thuyết, khai thác thông tin hay học tập kinh nghiệm của những công
trình nghiên cứu, những ứng dụng thực tiễn đã triển khai, những ưu nhược điểm,…
có liên quan đến vấn đề ta đang nghiên cứu. Các kiến thức này có thể khai thác từ
các nguồn: sách vở, báo chí, kinh nghiệm, internet, nghiên cứu của những người đi
trước,…
1.2.3.2. Phương pháp phân tích hệ thống
Phương pháp phân tích hệ thống là xem xét đối tượng trong một không

về một số loại nước thải có nồng độ ô nhiễm cao hơn để xét hết tính hiệu quả vật
liệu đệm pumice.
3.1.3. Ý nghĩa khoa học và tính mới của đề tài
1.2.5.1.

Ý nghĩa khoa học

Công nghệ sử dụng vật liệu đệm hiện nay rất được quan tâm. Ngoài ra,
pumice là vật liệu hoàn toàn tự nhiên và thân thiện với môi trường, giá thành thấp
và có rất nhiều ở Việt Nam. Do đó, nghiên cứu sử dụng pumice trong xử lý nước
thải là một hướng mới cần quan tâm ở Việt Nam.
1.2.5.2.

Luận văn thạc sĩ

Tính mới của đề tài


4

Sử dụng vật liệu mang tính tự nhiên, không tác động đến môi trường là
ưu tiên trong việc xử lý môi trường. Đá pumice là loại đá núi lửa tự nhiên, có rất
nhiều ở Việt Nam nên ứng dụng pumice trong xử lý nước thải là loại vật liệu bám
dính mới, chưa được sử dụng trong thực tiễn ở Việt Nam. Vì vậy, nghiên cứu hiệu
quả xử lý nước thải có sử dung pumice làm vật liệu bám dính trong xử lý kỵ khí cần
được triển khai nghiên cứu

Luận văn thạc sĩ





6

c. Aceton hóa
Vi khuẩn aceton bẻ gãy các acid bay hơi và rượu thành acetate, hydro và
carbon dioxide.

Hình 2.1: Các bước phân hủy kỵ khí tự nhiên của phức chất hữu cơ. Năng
lượng tạo ra tương đối thấp vì hợp chất hữu cơ sử dụng cho vừa là electron cho và
nhận (Giraldo and Eugenio, 1993)

Luận văn thạc sĩ


7

d. Metan hóa
Trong giai đoạn này, vi khuẩn metan hóa như

Methanobacillus,

Methanococcus, Methanobacterium và Methanosarcina chịu trách nhiệm chuyển
hóa sản phẩm cuối cùng của phản ứng aceton hóa thành khí metan và carbon
dioxide (Metcalf and Eddy, 1991).
Một số phương trình phản ứng diễn ra trong quá trình phân hủy kỵ khí:
4H2 + CO2  CH4 +2H2O4
HCOO- + 4H+ 

CH4 + 3CO2 + 2H2O

Acid này là một trong những acid bay hơi quan trọng được hình thành từ quá
trình phân hủy của chất hữu cơ phức tạp và là nguồn chính tạo metan trong kỵ khí.
Carbon metyl của acid acetic được đánh dấu * cùng với 3 nguyên tử H chuyển hóa
thành khí metan. Carbonyl carbon (không có *) chuyển hóa thành CO2.
Hầu hết carbon còn dư trong quá trình kỵ khí được tạo thành từ quá trình
khử CO2. Hydro, được tạo ra từ hợp chất hữu cơ bởi các enzym, sẽ khử CO2 thành
CH4. CO2 ở đây đóng vai trò như là chất nhận điện tử, giống như vai trò của oxy
trong quá trình hiếu khí. Luôn luôn có một lượng CO2 dư lớn cho xử lý kỵ khí, do
đó, CO2 cho quá trình khử này không bao giờ là yếu tố giới hạn của quá trình xử lý
phức chất.
Quá trình khử carbon dioxide:
CO2 + 8H  CH4 + 2H2O
Acid hữu cơ bay hơi
Có hai loại acid hữu cơ bay hơi chủ yếu được tạo thành từ quá trình kỵ khí là
acetic acid và propionic acid. Hai loại acid này là tiền thân của metan, chúng
chuyển hóa thành metan như trong hình 2.2. Phần trăm chuyển hóa được thể hiện
qua sự chuyển hóa COD và qua quá trình lên men metan của phức chất. Phần trăm
chuyển hóa thay đổi phụ thuộc vào bản chất của chất thải.
Điều kiện trong quá trình kỵ khí

Luận văn thạc sĩ


9

Vi khuẩn metan, vi khuẩn chịu trách nhiệm chính trong quá trình ổn định
chất thải xử lý kỵ khí, phát triển rất chậm so với vi khuẩn hiếu khí và do đó nó cần
nhiều thời gian để thích nghi với sự biến đổi tải trọng, nhiệt độ, và những điều kiện
khác. Chính vì thế, các giải pháp thiết kế và vận hành cần phải được xem xét trong
các điều kiện môi trường tối ưu để đạt hiệu quả xử lý cao và nhanh.


Giai đoạn 3
Metan hóa

Hình 2.2: Các bước chuyển hóa phức chất hữu cơ thành metan
Ở nhiệt độ cao, tốc độ phản ứng nhanh hơn nên vận hành hiệu quả hơn và
kích thước bể nhỏ hơn. Hai mức nhiệt độ tối ưu cho xử lý kỵ khí là ở mức
mesophilic nhiệt độ từ 85-100 oF và ở mức thermophilic nhiệt độ từ 120-135 oF. Mặc
dù ở mức thermophilic đạt hiệu quả cao hơn nhưng phải bổ sung thêm nhiệt độ nên
có thể làm phức tạp thêm quá trình. Do đó, hệ thống thường thiết kế theo mức
mesophilic hoặc thấp hơn.
Một yêu cầu khác trong quá trình kỵ khí là phải duy trì điều kiện không có
oxy. Một lượng nhỏ oxy có thể làm ảnh hưởng đến vi khuẩn sinh metan và những
loại sinh vật kỵ khí khác.Chính vì thế, bể thường phải được đóng kín và khí metan
sinh ra được thu lại để làm nguồn nhiệt.

Luận văn thạc sĩ


10

Vi khuẩn trong quá trình kỵ khí đòi hỏi phải có nitơ, phospho và một số
nguyên tố khác cho sự phát triển tối ưu. Tuy nhiên, một số nước thải không đáp ứng
được điều này, do đó cần thiết phải bổ sung dinh dưỡng. Trong một số trường hợp,
cần phải bổ sung 30-60mg/l sắt dưới dạng FeCl3.
pH cũng là một yêu cầu quan trọng trong quá trình kỵ khí, quá trình kỵ khí
hoạt động tốt ở pH từ 6.6 – 7.6 nhưng tối ưu là 7.0-7.2. Khi pH dưới 6.2, môi
trường acid trong bể có thể làm nguy hại đối với vi khuẩn metan.
Một yêu cầu cuối cùng đối với quá trình này là về việc chất độc hại như
muối vô cơ, chất hữu cơ độc hại hoặc các kim loại nặng. Nước thải công nghiệp

tấm nhựa, vòng sứ,…Dòng nước thải phân bố đều, đi từ dưới lên, tiếp xúc với màng
vi sinh bám dính trên bề mât giá thể. Do khả năng bám dính tốt của màng vi sinh
dẫn đến lượng sinh khối trong bể tăng lên và thời gian lưu bùn kéo dài. Vì vậy thời
gian lưu nước nhỏ nên có thể vận hành ở tải trọng rất cao. Bể kỵ khí có sữ dụng vật
liệu bám dính là đá, sỏ thường bị bít tắc do các chất lơ lửng và màng vi sinh không
bám dính giữ lại ở các khe rỗng giữa các viên đá và sỏi. Giá thể là vật liệu nhựa
tổng hợp có cấu trúc thoáng, độ rỗng cao (95%) vi sinh dể bám dính, thay thế dần
đá sỏi. Tỉ lệ riêng diện tích bề mặt/thể tích của vật liệu thông thường dao động trong
khoảng 100-220m2/m3.Do dòng chảy quanh co đồng thời do tích lũy sinh khối, vì
vậy rất dể gây ra các vùng chết và dòng chảy ngắn. Để khắc phục nhược điểm này,
có thể bố trí thêm HT xáo trộn bằng khí biogas sinh ra thông qua HT phân phối khí
đặt dưới lớp vật liệu và máy nén khí biogas. Chất rắn không bám dính có thể lấy ra
khỏi bể bằng xã đáy và rữa ngược.
2.2. LÝ THUYẾT VỀ ĐÁ PUMICE
2.2.1 Khái niệm đá pumice
Pumice là loại đá núi lửa phun trào, được tạo ra khi dung nham núi lửa với
nồng độ nước và khí cao. Các bọt khí bay hơi khỏi dung nham thì tạo thành những
lỗ trống và dung nham nguội lạnh đông cứng lại, kết quả là tạo thành loại đá nhẹ và
có nhiều lổ rỗng xốp chứa khí. Pumice là loại đá duy nhất nổi trên nước, tuy nhiên
khi bỏ vào nước, nước sẽ xâm nhập vào trong các lỗ rỗng và kéo đá chìm xuống.

Luận văn thạc sĩ


12

Hình 2.3: Đá pumice
Đá có màu sáng do có hàm lượng silic cao và ít sắt và magie. Khi dung nham
đông đặc lại quá nhanh không cho các chất bay hơi thoát ra ngoài thì sẽ tạo thành đá
núi lửa obsidian. Độ rỗng xốp khoảng 60 – 70%

nghiên cứu trước đây. Vậ liệu bọt biển rỗng xốp polyurethane thích hợp hơn vòng
sứ.
2.4.3. Oscar Umaña, Svetlana Nikolaeva, Enrique Sánchez, Rafael Borjaand
Francisco Raposo, Treatment of screened dairy manure by upflow anaerobic fixed
bed reactors packed with waste tyre rubber and a combination of waste tyre
rubber and zeolite: Effect of the hydraulic retention time, Bioresource
Technology, Volume 99, Issue 15, October 2008, Pages 7412-7417
Hai mô hình thí nghiệm bể kỵ khí sử dụng vật liệu đệm bám dính sử lý nước
thải chăn nuôi bò sữa ngược dòng và bán liên tục. Một được cho vật liệu đệm là vò
xe cao su và zeolite (R1) trong khí cái còn lại chỉ cho vỏ xe cao su (R2). Chất lượng

Luận văn thạc sĩ


14

đầu ra được cải thiện khi chỉnh thời gian lưu dao động từ 1 – 5,5 ngày. Hiệu quả
khử COD, BOD5, TS, VS cao hơn ở R1. Không có hiện tượng nghẹt trong suốt quá
trình vận hành. Sản lượng Methane ở R1 cao hơn R2 12.5% và 40% ở HRTs 5.5 và
1.0 ngày.
2.4. TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO TẠI TP HỒ CHÍ
MINH
2.4.1. Hiện trạng nước thải chăn nuôi heo tại thành phố Hồ Chí Minh
Chăn nuôi heo là một trong những nghề truyền thống của Việt Nam. Cùng với
sự phát triển của đất nước, ngành chăn nuôi heo tại thành phố Hồ Chí Minh phát
triển mạnh mẽ, phát triển thành những cơ sở chăn nuôi có quy mô lớn, đáp ứng
phần nào nhu cầu tiêu dùng cho khu vực.
Tuy nhiên, kèm theo sự phát triển đó là những hạn chế về mặt bảo vệ môi
trường. Ngành chăn nuôi heo gây ra ô nhiễm môi trường khí, đất và nước nặng nề.
Tại những khu vực chăn nuôi heo, mùi hôi sinh ra do quá trình phân hủy chất thải

Virus FMD tồn tại trong nước thải 23 tháng. Các loại vi trùng có nha bào như
Bacillus anthracis tồn tại 10 năm (gần đây có tài liệu đến 20 năm), B.tetani tồn tại
có khả năng gây bệnh 34 năm.
Trứng giun sán trong nước thải với những loại điển hình là Fasiola hepatica,
Fasiolagigantiac,

Fasiolosis

buski,

Ascasis

suum,

Oesophagostomum

và

Trichocephalus dentatus, . . . có thể phát triển đến giai đoạn gây nhiễm sau 628
ngày ở nhiệt độ và khí hậu nước ta và có thể tồn tại được 25 tháng.
Nhiều loại mầm bệnh có khả năng xâm nhập vào mạch nước ngầm như
B.anthracis, Salmonella, E.Coli, . . .
Tuy nhiên, nước thải chăn nuôi heo có những ưu điểm như sau:
- Thành phần các chất thải hữu cơ (chất rắn, bùn, nước) tương đối ổn định
- Có thể thu nhận được khí sinh học dùng làm nguồn cung cấp năng lượng
- Chất thải rắn thu gom được là nguồn nguyên liệu tốt để sản xuất phân bón
chất hữu cơ
- Tuyệt đại đa số mầm bệnh: vi khuẩn, nấm mốc, trứng giun sán bị tiêu diệt
gần như hoàn toàn


3

DO

mg/l

0-0.2

4

SS

mg/l

1500-4200

5

pH

6

Tổng Nitơ

mg/l

220-860

7


11

Escherichia coli

MPN/100ml

1.5  106-6.8  10 8

12

Steptococcus faecalis

MPN/100ml

3  10 2-3.5  103

13

Clostridium ferfringens

Tế bào/100ml

50-1.6  102

6.8-8.5

Nguồn: Lê Công Nhất Phương, 2007
2.4.3. Một số phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi heo
Tính chất nước thải đóng vai trò quan trọng trong việc lựa chọn công nghệ
xử lý và thiết kế đạt yêu cầu đầu ra. Khoảng dao động của thành phần và lưu lượng