Đang tải... (xem toàn văn)
Mục tiêu của đề tài là phân tích, đánh giá các đặc tính ô nhiễm của nước thải chăn nuôi lợn lấy tại địa chỉ xóm Múi – Xã Bích Hòa – huyện Thanh Oai – thành phố Hà Nội. Trên cơ sở đó, khảo sát một số các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý chất ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi lợn bằng các phương pháp hóa lý, sinh học và đề xuất sơ đồ dây chuyền công nghệ đảm bảo chất lượng nước sau xử lý đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp (QCVN 40:2013/BTNMT, cột B).
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN QUANG NAM NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NI LỢN BẰNG PHƯƠNG PHÁP HĨA LÝ KẾT HỢP SINH HỌC Chun ngành: Khoa học Mơi trường Mã số: 60440301 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Trần Văn Quy TS. Trần Hùng Thuận Hà Nội – 2015 Cơng trình được hồn thành tại Trường đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Trần Văn Quy TS. Trần Hùng Thuận Phản biện 1: PGS.TS. Nguyễn Thị Hà Phản biện 2: PGS.TS. Đỗ Khắc Uẩn Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ họp tại Khoa Mơi trường, Trường đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học quốc gia Hà Nội Vào hồi 17 giờ 00 ngày 22 tháng 12 năm 2015 Có thể tìm hiểu luận văn tại: Thư viện Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN Trung tâm thơng tin – Thư viện, ĐHQGHN MỞ ĐẦU Nước thải chăn ni lợn chứa hàm lượng COD, tổng nitơ, tổng phốtpho, cao hơn rất nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép. Các mơ hình xử lý nước thải chăn ni hiện nay tại nước ta mới đạt ở mức làm giảm tải trọng ơ nhiễm chứ chưa đạt được các tiêu chuẩn thải theo quy định của tiêu chuẩn ngành chăn ni Chính vì vậy, việc chọn và thực hiện đề tài: “Nghiên cứu nâng cao hiệu xử lý nước thải chăn ni lợn bằng phương pháp hóa lý kết hợp sinh học” sẽ góp phần phát triển hướng ứng dụng cơng nghệ xử lý nước thải tiên tiến trong lĩnh vực bảo vệ mơi trường tại Việt Nam Mục tiêu của đê tài: Mục tiêu của đề tài là phân tích, đánh giá các đặc tính ơ nhiễm của nước thải chăn ni lợn lấy tại địa chỉ xóm Múi – Xã Bích Hòa – huyện Thanh Oai – thành phố Hà Nội. Trên cơ sở đó, khảo sát một số các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý chất ơ nhiễm trong nước thải chăn ni lợn bằng các phương pháp hóa lý, sinh học và đề xuất sơ đồ dây chuyền công nghệ đảm bảo chất lượng nước sau xử lý đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia nước thải công nghiệp (QCVN 40:2013/BTNMT, cột B) Nội dung nghiên cứu bao gồm: Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả tiền xử lý nước thải chăn ni lợn bằng phương pháp hóa lý; Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý nước thải chăn ni lợn sau tiền xử lý bằng phương pháp hợp sinh học kết hợp lọc màng polyme; Khảo sát một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý tăng cường nước thải sau xử lý sinh học kết hợp lọc màng polyme bằng phương pháp keo tụ Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Nước thải chăn ni và ảnh hưởng đến mơi trường 1.1.1. Đặc tính nước thải chăn ni Nước thải chăn ni bao gồm nước tiểu, nước rửa chuồng, nước tắm vật ni với khối lượng nước thải rất lớn Nước thải chăn ni là một loại nước thải rất đặc trưng và có khả năng gây ơ nhiễm mơi trường cao do có chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ, cặn lơ lửng, nitơ, ph ốtpho và vi sinh vật gây bệnh. Cụ thể: Chất hữu cơ: Trong thành phần chất rắn của nước thải thì thành phần hữu cơ chiếm 70 80% gồm các hợp chất hydrocacbon, proxit, axit amin, chất béo và các dẫn xuất của chúng có trong phân và thức ăn thừa. Chất vơ cơ chiếm 20 30% gồm cát, đất, muối clorua, SO42… Nitơ và phốtpho: Hàm lượng nitơ, phốtpho trong nước thải tương đối cao do khả năng hấp thụ kém của vật ni. Khi ăn thức ăn có chứa N và P thì chúng sẽ bài tiết ra ngồi theo phân và nước tiểu. Theo thời gian và sự có mặt của oxy mà lượng nitơ trong nước tồn tại ở các dạng khác nhau NH4+, NO2, NO3 Vi sinh vật: Vi khuẩn điển hình như: E.coli, Streptococcus sp, Salmonella sp, Shigenla sp, Proteus, Clostridium sp…đây là các vi khuẩn gây bệnh tả, lỵ, thương hàn, kiết lỵ. Các loại virus có thể tìm thấy trong nước thải như: corona virus, poio virus, aphtovirus…và ký sinh trùng trong nước gồm các loại trứng và ấu trùng, ký sinh trùng đều được thải qua phân, nước tiểu và dễ dàng hòa nhập vào nguồn nước 1.1.2. Ảnh hưởng của nước thải chăn ni đến mơi trường Nước thải chăn ni có khả năng gây ơ nhiễm mơi trường cao do có chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ, cặn lơ lửng, N, P và VSV gây bệnh [3]. Nitơ, phốtpho trong nước thải chăn nuôi cao chưa qua xử lý chảy vào sông, hồ sẽ làm tăng hàm lượng chất dinh dưỡng, gây phú dưỡng nguồn nước Khi xử lý nitơ trong nước thải khơng tốt, để hợp chất nitơ đi vào trong chuỗi thức ăn hay trong nước cấp có thể gây nên một số bệnh nguy hiểm Kháng sinh, hc mơn tăng trọng mặc dù được trộn vào thức ăn gia súc ở liều lượng thấp nhưng có thể gây ơ nhiễm Kim loại nặng như đồng, kẽm, coban, sắt, mangan có trong thức ăn gia súc. Các động vật chỉ hấp thụ chúng rất ít, từ 5 15%, còn lại thải ra ngồi. Các kim loại ấy đều có hại cho sức khỏe con người khi uống phải nước ơ nhiễm hay ăn thịt động vật 1.2 Hiện trạng xử lý nước thải chăn ni Ở nước ta việc xử lý chất thải chăn ni còn nhỏ lẻ theo phương pháp truyền thống đơn giản như: phân được ủ hoặc dùng tươi làm thức ăn ni cá hoặc làm phân bón cho cây trồng, chất thải lỏng được xử lý qua biogas và chảy thẳng ra ngồi mơi trường hoặc dùng để tưới cây. Theo kết quả điều tra đánh giá hiện trạng mơi trường của Viện chăn ni tại các cơ sở chăn ni lợn có quy mơ 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 ni lợn bao gồm nước tiểu, rửa chuồng, máng ăn, máng uống và nước tắm rửa cho lợn. Tất cả các cơ sở chăn ni lợn được điều tra đều chỉ có hệ thống xử lý chất thải lỏng bằng cơng nghệ biogas và theo quy trình: Nước thải Bể Biogas Hồ sinh học thải ra mơi trường (Hình 1.1) . Hầu hết các trang trại chăn ni lợn khác trên tồn quốc hiện nay cũng có sơ đồ xử lý chất thải như trên. (A) quy mơ nhỏ, (B) quy mơ vừa và lớn Hình 1.1. Quy trình xử lý nước thải chăn ni phổ biến ở Việt Nam hiện nay đối với cơ sở chăn ni 1.3 Các phương pháp xử lý nước thải chăn ni Nghiên cứu xử lý nitơ trong nước thải chăn ni: Một vài q trình xử lý loại bỏ nitơ trong cùng một bể bùn được phát triển bởi Ludzack – Ettinger (MLE) (1962) và Bardenpho (1975) (Hình 1.2 và 1.3). Các q trình làm việc tách biệt sục khí và khơng sục khí. Trong MLE, nước thải tuần hồn từ bể hiếu khí quay trở lại bể thiếu khí. Trong Bardenpho có thêm 2 bể (1 bể thiếu khí và 1 bể hiếu khí) lắp sau bể thiếu khí và hiếu khí đầu tiên, do đó ở bể thiếu khí thứ 2 xảy ra q trình khử nitrat nhiều hơn bởi phân hủy nội sinh và cơ chất chậm, đóng vai trò như một nguồn cacbon cho q trình khử nitrat. Hình 1.2. Mơ hình Ludzack – Ettinger loại bỏ nitơ sinh học Hình 1.3. Mơ hình Bardenpho loại bỏ nitơ sinh học Nghiên cứu xử lý phốtpho: Xử lý hóa lý làm giảm hầu hết TP bởi làm giảm số lượng các hạt rắn lơ lửng trong nước thải và làm kết tủa TP bằng các hợp chất của sắt, nhơm và canxi Nghiên cứu của D. M. Weaver & G. S. P. Ritchie v ề lo ại b ỏ ph ốtpho từ nước thải chuồng lợn cho thấy , hiệu quả loại bỏ TP bằng vơi tơi và hóa lý đạt 95% và khơng ảnh hưởng bởi chất lượng nước thải. Nghiên cứu về keo tụ: Các nghiên cứu keo tụ cũng đã được ứng dụng trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn. Việc loại bỏ phốtpho được thực hiện bằng phương pháp kết tủa bởi những hóa chất phổ biến như phèn nhơm, vơi tơi, phèn sắt và các chất trợ keo tụ. Kết tủa struvite MgNH4PO4.6H2O đã được cải tiến và có thể loại bỏ cả phốtpho và nitơ. Các yếu tố ảnh hưởng như pH và liều lượng hóa chất đã được nhóm tác giả P.H. Liao, Y. Gao và K.V. Lo nghiên cứu. Kết quả cho thấy, hiệu quả loại bỏ phốtpho cao nhất ở pH= 9, trong khi đó hiệu quả loại bỏ amoni cao nhất ở pH= 11. Polyme PERCOL 728 đã được sử dụng làm chất trợ keo tụ Nghiên cứu tiền xử lý hóa lý bằng keo tụ kết hợp với MBR để nâng cao hiệu quả xử lý và giảm hiện tượng tắc màng trong xử lý nước thải chăn ni lợn đã được H.Kim và các cộng sự (2005) thực hiện trong 5 tháng. Hiệu suất trung bình loại bỏ BOD, COD, NH3N trong q trình keo tụ tương ứng là 64,3; 77,3 và 40,4%, trong đó hiệu suất loại bỏ nitơ thấp hơn các thơng số khác. Hiệu suất loại bỏ độ đục bởi hóa chất keo tụ đạt 96,4% chủ yếu là do trung hòa điện tích. Nước thải sau q trình xử lý keo tụ được thu gom lại và là đầu vào của MBR với tải lượng COD trung bình là 0,57 kg COD/m3 ngày. Độ đục đầu vào biến động từ 1,7 – 56,0 NTU khơng làm ảnh hưởng đến đầu ra độ đục, vẫn duy trì dưới 2,0 NTU. Chất hữu cơ và nitơ được loại bỏ đáng kể trong MBR. Hiệu suất loại bỏ BOD, COD, độ đục và NH3N trong q trình MBR đạt tương ứng 99,5; 99,4; 99,8 và 98,2% Do sự xuất hiện của vi tảo và các sinh vật lơ lửng gây cản trở q trình xử lý COD và nitơ, phốtpho nên nhóm tác giả Ignacio de Godos, Hector O. Guzman, Roberto Soto (2010) đã tiến hành đánh giá khả năng loại bỏ sinh khối tảo và vi khuẩn từ nước thải lợn bằng các hóa chất keo tụ phổ biến là sắt chorua và sắt sunfat và các polyme như: Drewfloc 447; Flocudex CS/5000; Glocusol CM/78; Chmifloc CV/300 và Chitosan. Các thí nghiệm được thực hiện trong các cốc 100 ml, trong đó có 40 ml vi khuẩn tảo và khuấy ở 300 vòng/phút trong 1 phút và để lắng 10 phút Hiệu loại bỏ sinh khối S.obliquus, Chlorella, C sorokiniana, Chlorococcum sp cao nhất của muối sắt (FeCl 3 và Fe2(SO4)3) đạt được là 66 – 98% khi nồng độ 150 – 250 mg/L. Với nồng độ muối sắt thấp hơn 50 mg/L hiệu quả loại bỏ tảo thấp. Khi thêm các chất keo tụ thường làm giảm pH từ 10 – 10,5 xuống 3 – 3,7 nồng độ muối sắt 250 mg/L. Bên cạnh đấy, hiệu quả keo tụ giảm khi sử dụng nồng độ polyme keo tụ q liều. Trong thí nghiệm với Chitosan, mặc dù Chitosan có hiệu quả keo tụ tốt nhất trong việc loại bỏ các vi tảo thường được ghi nhận ở mức nồng độ 25 mg/L, tuy nhiên kết đạt được trong các thí nghiệm này thấp hơn so với các lần trước, cụ thể hiệu loại bỏ dưới 40% đối với C. sorokiniana, Chlorococcum sp. S. obliquus, và chỉ đạt 58 ± 8% đối với Chlorella Consortium. Kết quả thấp này có thể do các hạt keo hữu cơ tương tác với Chitosan. Thí nghiệm với Chitosan với nồng độ từ 50 – 250 mg/L khơng thấy làm tăng khả năng loại bỏ sinh khối vi tảo pH giảm xuống 3,7 khi tăng liều lượng Chitosan do xuất hiện axit acetic ấ )ệ (% lý stx iu H 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 COD SS Độ đục Độ màu PO4 200 400 600 800 1000 1200 Nồng độ phèn sắt (mg/l) Hình 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ phèn sắt đến hiệu suất xử lý Kết quả trên đồ thị hình 3.2 nhận thấy, ở pH 8 phèn sắt đạt hiệu quả xử lý cao nhất khi nồng độ 1000 1200 mg/L. Tại khoảng nồng độ này, hiệu suất xử lý COD, SS, độ đục, độ màu tương ứng là 6 4,5; 87,5; 80,6 và 87,2%. Ngồi ra, q trình keo tụ bằng phèn sắt còn xử lý được một phần phốtpho trong nước thải chăn ni. Hiệu suất xử lý phốtpho đạt lớn nhất 40,1% tại nồng độ chất keo tụ là 1000 mg/L 3.3. Khả năng xử lý trong các giai đoạn sinh học của hệ sinh học 3.3.1. Khảo sát hiệu quả xử lý COD trong giai đoạn xử lý sinh học Hình 3.3. Sự biến thiên COD và hiệu suất xử lý của giai đoạn sinh học 16 Kết quả cho thấy COD đầu vào dao động trong khoảng lớn, từ 2140 6880 mg/L. Nước thải đầu vào có khoảng dao động lớn như vậy bởi vì nước thải chăn ni khơng đồng nhất giữa các thời gian xả thải và các ngày. Nước thải bao gồm phân và nước tiểu của lợn có giá trị COD cao hơn nước thải phần lớn là nước rửa chuồng, nước tắm cho lợn. Mặt khác, giá trị COD khơng chỉ xác định qua nước thải ra hàng ngày của lợn mà bao gồm cả lượng cơ chất sinh ra trong q trình phân hủy xác các VSV chết lắng đọng trong nước thải Nhìn chung, các thơng số đầu vào biến thiên nhưng hiệu suất xử lý của hệ tương đối ổn dịnh và khơng dao động q lớn. Hiệu suất xử lý COD đạt mức từ 85 – 92,8 %. Như vậy mặc dù đặc tính nước thải đầu vào ảnh hưởng đến q trình xử lý sinh học nhưng nếu lựa chọn các thơng số vận hành hệ xử lý phù hợp thì hiệu quả xử lý trong q trình xử lý sinh học sẽ khơng bị ảnh hưởng nhiều. 3.3.2. Hiệu suất xử lý Amoni Hinh 3.4. Sự biến thiên NH4+ N và hiệu suất xử lý của giai đoạn sinh học Từ kết quả thể hiện trên đồ thị Hình 3.4 nhận thấy, sau khi qua bể yếm khí, nồng độ amoni có xu hướng tăng lên do trong bể yếm khí, các vi khuẩn sẽ phân giải các chất hữu cơ và sinh ra NH 3N, và với pH trong bể khoảng 7,9 8,5 nên chuyển thành dạng NH4+N. Tại bể yếm khí hiệu suất xử lý NH4+ đạt tỷ lệ 17 thấp khoảng 20% chủ yếu là do vi sinh sinh trưởng xây dựng tế bào, đồng thời cũng xảy ra hiện tự phân hủy tế bào chết Hiệu suất xử lý amoni của hệ sinh học nghiên cứu là tương đối cao 93,0% đến 96,5%. Amoni được xử lý chủ yếu bể hiếu khí. Ngun nhân là do trong bể hiếu khí có hàm lượng bùn hoạt tính rất lớn (9000 mg/L) nên làm tăng số lượng vi khuẩn Nitrosomonas Nitrobacter, làm tăng khả chuyển hóa amoni. Ngồi ra, amoni còn có thể bị loại bỏ nhờ khả năng lọc rất tốt của màng lọc. Mặc dù hiệu suất chuyển hóa amoni cao nhưng nồng độ NH 4+ N đầu ra còn cao (7,16 – 22,11 mg/L), điều này là do thời gian lưu chưa đủ dài để hệ vi sinh có thể chuyển hóa hồn tồn lượng amoni 3.3.3. Hiệu suất xử lý nitrat Hàm lượng nitrat và nitrit trong nước thải đầu vào rất nhỏ, chỉ khoảng 5. Kết quả cho thấy, nước thải chăn ni lợn sau khi tiền xử lý bằng chất keo tụ phèn sắt Fe2(SO4)3, nồng độ 600 mg/L, pH 8 đưa vào hệ sinh kết hợp màng lọc MBR cho hiệu quả loại bỏ COD cao hơn là 92,7 97,9% 3. Việc bố trí hệ xử lý sinh học nhiều giai đoạn: yếm khí, thiếu khí, hiếu khí kết hợp màng lọc để xử lý nước thải chăn ni lợn giàu chất dinh dưỡng cho hiệu quả rất khả quan. Hiệu quả xử lý COD, NH4+N, NO3N, PO43P và Coliform lần lượt là: 85 92,8%; 93,0 96,5%; 40 72,5%; 79 91% và 99,97 99,98% 4. Xử lý tăng cường bằng phương pháp keo tụ với phèn nhơm và phèn sắt ở nồng độ 2000 mg/L, nước thải đầu ra đã đáp ứng được các tiêu chuẩn độ màu và COD theo QCVN 40:2011/BTNMT, cột B. Lựa chọn phèn nhơm cho giai đoạn xử lý tăng cường do đáp ứng được tiêu chuẩn nước thải đầu ra và tiết kiệm chi phí hóa chất 28 5. Đã đề xuất dây chuyền cơng nghệ xử lý nước thải chăn ni lợn: Nước thải chăn ni lợn Keo tụ với phèn sắt nồng độ 600 mg/L, pH ~ 8 Yếm khí Thiếu khí Hiếu khí kết hợp lọc màng Keo tụ với phèn nhơm nồng độ 2000 mg/L, pH ~ 6 mơi trường 29 KHUYẾN NGHỊ Cần nghiên cứu thêm hiệu quả xử lý nước thải chăn ni bằng các chất keo tụ khác. Ảnh hưởng cụ thể của từng chất keo tụ đến giai đoạn sinh học Cần nghiên cứu cụ thể sâu hơn đánh giá đặc tính nước thải đầu vào đến q trình xử lý sinh học: nồng độ chất ơ nhiễm trong nước thải đầu vào ảnh hưởng tới thời gian lưu; nhiệt độ, pH, hóa chất…ảnh hưởng đến q trình xử lý sinh học Nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải chăn ni trong giai đoạn sinh học với các kỹ thuật phản ứng khác nhau 30 ... Chính vì vậy, việc chọn và thực hiện đề tài: Nghiên cứu nâng cao hiệu xử lý nước thải chăn ni lợn bằng phương pháp hóa lý kết hợp sinh học sẽ góp phần phát triển hướng ứng dụng cơng nghệ xử lý nước thải tiên tiến trong lĩnh vực bảo vệ mơi trường tại Việt Nam... ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý COD và nitơ trong giai đoạn xử lý sinh học kết hợp mang vi loc polyme ̀ ̣ 2.3.2.1. Hệ thống xử lý sinh học kết hợp màng vi lọc polyme Hệ xử lý nước thải chăn ni lợn bằng phương pháp sinh học kết hợp với... PO43 để đánh giá hiệu quả xử lý Thí nghiệm 4: khảo sát hiệu quả xử lý COD và nitơ trong nước thải chăn ni bằng phương pháp hóa lý kết hợp hệ sinh học Nước thải đưa vào hệ lấy từ trang trại chăn ni lợn, được l