4 Công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi

hai cực trên: ảnh hưởng tới chính nơi phát thải và vùng lân cận xung quanh.

Thành phần gây ô nhiễm trong nước thải, xét về khía cạnh tác động gây hại và

giải pháp công nghệ xử lý, có thể chia thành ba nhóm chính: chất hữu cơ có khả

năng phân hủy, thành phần dinh dưỡng và loại hợp chất hóa học cần đặc biệt quan

tâm. Chất hữu cơ có khả năng phân hủy khi thâm nhập vào trong nước sẽ tiếp tục bị

vi sinh vật sống trong môi trường tự nhiên phân hủy làm mất, suy giảm lượng oxy

hòa tan trong nước, gây ra mùi hôi, thúc đẩy nhiều loại vi sinh vật gây bệnh phát

triển. Môi trường đó không phù hợp với điều kiện sống của phần lớn các loài thủy

động vật. Thành phần dinh dưỡng (cho thực vật) được quan tâm hơn cả là hợp chất

nitơ và photpho. Sự thâm nhập của các hợp chất này vào khu vực nhận nước gây ra

hiện tượng phú dưỡng (giàu dinh dưỡng), thúc đẩy tảo và các loại thủy thực vật phát

triển mạnh khó kiểm soát về mật độ. Khi thủy thực vật, đặc biệt là tảo phát triển

mạnh thì môi trường nước tại đó có sự dao động rất lớn về pH, oxy hòa tan, thế oxy

hóa khử theo Thời gian lưu tổng ngày/đêm. Trong môi trường đó xuất hiện hiện

tượng bùng nổ tảo (nước nở hoa), khi đó tảo chết hàng loạt trong thời gian ngắn,

chìm xuống đáy, tiếp tục bị phân hủy trong tình trạng yếm khí và chu trình được tái

diễn liên tục. Trong môi trường phú dưỡng, điều kiện sống (pH, oxy tan) biến động

liên tục và mạnh là những tác nhân gây khó khăn, thậm chí là môi trường không thể

sống đối với nhiều loài thuỷ, động vật.

Rất nhiều các giải pháp kỹ thuật được sử dụng để xử lý nước thải đã và đang

được sử dụng trong các điều kiện khác nhau như kỹ thuật huyền phù, cố định vi

sinh trên chất mang, kỹ thuật bùn hoạt tính, đĩa quay, lọc nhỏ giọt, tầng cố định,

tầng giãn nở, tầng linh động (lưu thể) hoặc tổ hợp (lai ghép) của các kỹ thuật trên.

Mỗi phương pháp kỹ thuật đều có những ưu, nhược điểm riêng. Xử lý các thành

phần gây ô nhiễm trong nước thải đòi hỏi mức độ phát triển công nghệ khác nhau.

Việc xử lý mức độ khó và chi phí tốn kém đối với việc xử lý các chất thải chứa

thành phần chứa chất dinh dưỡng hay các hợp chất hoá học đặc biệt nêu trên [12].

Công nghệ xử lý nước thải luôn được phát triển và hoàn thiện trên cơ sở những

thành tựu mới về khoa học, kỹ thuật nhằm hạ giá thành xây dựng và vận hành hệ



16



thống xử lý nước thải cũng như nâng cao chất lượng nước sau khi xử lý. Một số

công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi hiện nay:

a) Bể phản ứng Aerotank (bể bùn hoạt tính hiếu khí)

Quá trình chuyển hóa vật chất trong bể dựa trên hoạt động sống của các vi

sinh vật hiếu khí. Các vi sinh vật trong bể aerotank tồn tại ở dạng huyền phù, các

huyền phù vi sinh vật có xu hướng lắng đọng xuống đáy, do đó việc khuấy trộn các

dung dịch trong bể là điều cần thiết, có thể cung cấp khí cho bể aerotank bằng nhiều

cách: thổi khí, nén khí, làm thoáng cơ học, thổi-nén khí với hệ thống cơ học.

Có nhiều loại bể aerotank khác nhau tùy theo yêu cầu xử lý, tính kinh tế, diện

tích đất sử dụng mà chọn loại bể nào cho phù hợp: bể aerotank truyền thống, bể

aerotank với sơ đồ nạp nước thải theo bậc, bể aerotank tải trọng cao, bể aerotank có

ngăn tiếp xúc với bùn hoạt tính đã ổn định, bể aerotank làm thoáng kéo dài, bể

aerotank khấy trộn hoàn chỉnh,…

- Ưu điểm của bể Aerotank: đạt được mức độ xử lý cao, ít tạo mùi hôi, có

tính ổn định cao trong quá trình xử lý.

- Nhược điểm: tốn nhiều diện tích và năng lượng.

b) Bể lọc kị khí

Là loại bể kín, phía trong chứa vật liệu lọc đóng vai trò như giá thể của vi

sinh vật dính bám nhờ đó vi sinh vật sẽ không bị rửa trôi theo dòng chảy.

Vật liệu lọc của bể lọc kị khí là các loại cuội, sỏi, than đá, xỉ, ống nhựa, tấm

nhựa hình dạng khác nhau. Kích thước và chủng loại vật liệu lọc được xác định dựa

vào công suất của công trình, hiệu quả xử lý chất hữu cơ (COD), tổn thất áp lực

nước cho phép, điều kiện nguyên vật liệu tại chỗ.

Nước thải có thể được cung cấp từ trên xuống hoặc từ dưới lên.

- Ưu điểm: có khả năng khử được 70 ÷ 90 % BOD, thời gian lọc ngắn, vận

hành đơn giản, ít tốn năng lượng.

- Nhược điểm: Thường hay bị tắc nghẽn, hàm lượng căn lơ lửng ra khỏi bể

lớn. Chưa xử lý được N, P.



17



c) Công nghệ chảy ngược qua lớp bùn yếm khí UASB

- Ưu điểm : Xử lý được tải lượng ô nhiễm cao, không cần vật liệu mang. Dễ

vận hành, ít tốn diện tích. Thu được khí metan. .

- Nhược điểm :

Nhược điểm lớn nhất của hệ là thời gian khởi động (tạo hạt bùn vi sinh) rất

lâu (tới 6 tháng) [4].

Khó kiểm soát trạng thái và kích thước hạt bùn

Các hạt bùn thường không ổn định và rất dễ bị phá vỡ khi có sự thay đổi môi

trường đặc biệt là khi chịu tác động cơ học

Hỗn hợp vi sinh vật yếm khí tham gia phân hủy chất hữu cơ trong bể thường

tồn tại lẫn trong pha khí, pha lỏng và pha rắn.

Chưa xử lý được N, P.

d) Bể khí sinh học (Biogas)

Đây là loại bể thích hợp và đang được sử dụng rộng rãi để xử lý nước thải

chăn nuôi lợn ở các vùng nông thôn ở Việt Nam và trên thế giới.

- Ưu điểm:

Kích thước bể có thể thay đổi, sinh ra khí metan, sử dụng các chất thải và

phụ phẩm trong nông nghiệp.

Tạo ra lượng phân bón phục vụ cho nông nghiệp.

- Nhược điểm:

Tuổi thọ bể ngắn, hiệu quả xử lý chất hữu cơ (COD) thấp, dễ cháy nổ.

Không xử lý được các thành phần P.

e) Kỹ thuật SBR

SBR (sequencing batch reactor): Kĩ thuật phản ứng theo mẻ luân phiên là

dạng công trình xử lý nước thải dựa trên phương pháp bùn hoạt tính với ý nghĩa là

cùng sử dụng vi sinh để xử lý chất ô nhiễm trong nước thải, nhưng khác bùn hoạt

tính ở điểm hai giai đoạn sục khí và lắng diễn ra trong cùng một bể phản ứng

(không có bể lắng riêng).



18



Tương tự hệ bùn hoạt tính nâng cao, hệ thống SBR là hệ thống dùng để xử lý

nước thải sinh hoạt có chứa các chất hữu cơ và nitơ cao. Hệ thống hoạt động theo

chu kì, mỗi chu kì gồm các công đoạn nối tiếp nhau: bơm nước thải đầu vào - phản

ứng - lắng – hút/xả nước thải ra; trong đó công đoạn phản ứng bao gồm khử nitơrat

và nitơrit (nếu có) trong điều kiện thiếu khí (DO ~ 0, nếu có yêu cầu khử N) và ôxy

hoá COD và N-amoni (nitrat, nitrit hoá) trong điều kiện hiếu khí (DO ~ 2mg/l), quá

trình này phụ thuộc vào khả năng cấp khí, mật độ vi sinh và đặc điểm các chất bẩn

có trong nước thải đầu vào. Về nguyên tắc, quá trình vi sinh là quá trình hai mặt

nên một mặt sẽ là các quá trình chuyển hoá (xử lý các chất bẩn), mặt khác sẽ là tổng

hợp sinh khối vi sinh [7].

Các giai đoạn trong một Thời gian lưu tổng xử lý của hệ thống SBR bao gồm:

1. Giai đoạn làm đầy:

Nước thải được đưa vào hệ thống SBR với lượng nước đã định trước. Việc

đưa nước thải vào bể có thể được thực hiện ở 3 chế độ: làm đầy tĩnh, vừa làm đầy

vừa khuấy trộn (khi cần khử nitrat), làm đầy kèm sục khí (khi cần kéo dài thời gian

các phản ứng ôxy hoá hữu cơ, nitrat hóa amoni). Nước thải được cấp vào và trộn lẫn

với bùn để lại từ mẻ trước [4].



Hình 1.3 Hệ thống SBR, giai đoạn nạp (có thể khuấy)

2. Giai đoạn phản ứng

Nước nạp và sau khi khuấy trộn (khử nitrat/nitrit), sẽ được sục khí nhằm thực

hiện quá trình oxi hóa các hợp chất hữu cơ, giảm thiểu nồng độ chất hữu cơ, đồng

thời oxi hóa NH4+ thành NO2- và NO3- phục vụ cho quá trình khử nitrat diễn ra

trong giai đoạn nạp và khuấy trước đó [4].



19



Hình 1.4 Hệ thống SBR, giai đoạn phản ứng (sục khí, có thể khuấy)

3. Giai đoạn lắng:

Nước sau giai đoạn sục khí được để lắng trong thời gian khoảng 1 giờ. Trong

giai đoạn này, quá trình oxi hóa vẫn được diễn ra nhưng với tốc độ chậm, chủ yếu

xảy ra quá trình lắng và cuối quá trình này nước thải và bùn sẽ được tách làm 2 pha:

nước trong ở phía trên được gạn xả ra ngoài. Lớp bùn và nước lắng ở phía dưới là

nguồn cung cấp NO3- để thực hiện quá trình khử nitrat ở giai đoạn cấp mẫu tiếp theo

[4].



Hình 1.5 Hệ thống SBR, giai đoạn lắng (máy khuấy, máy khí tắt)

4. Giai đoạn xả nước ra

Nước đã lắng trong (nước thải đã xử lý) sẽ được qua hệ thống thu nước xả ra

khỏi bể SBR; đồng thời trong quá trình này lượng bùn dư cũng có thể được xả ra ngoài.



20



Nước sau xử lý thường được xả qua hệ khử trùng (nếu thải ra môi trường), hoặc bỏ qua

khử trùng đi xử lý tiếp bằng hệ thủy thực vật nhằm ổn định trước khi xả [4].



Hình 1.6 Hệ thống SBR, giai đoạn xả (mở van xả nước, có thể xả bùn)

Ƣu điểm kỹ thuật SBR:

- Khi thiết kế hệ thống SBR không cần xây dựng bể điều hòa, bể lắng, vì

các quá trình đã được rút gọn trong một bể.

- Thiết kế đơn giản, giảm diện tích và chi phí.

- Vận hành đơn giản.

Nhƣợc điểm:

-



Không áp dụng được trong trường hợp chạy cao tải.



-



Bùn sinh ra tương đối nhiều.



-



Không xử lý được hàm lượng P.



-



Hiệu suất khử nitrat, nitrit thấp.



Các thông số cần xác định khi áp dụng kỹ thuật SBR:

-



Dung tích hữu ích của bể



-



Lượng bùn tích lũy trong bể.



21



-



Chiều cao an toàn từ lớp bùn đến mực nước phải xả.



-



Lượng oxi cần cung cấp.



-



Nồng độ đầu vào các chất ô nhiễm.



-



Thời gian cho từng giai đoạn trong bể.



f) Kỹ thuật tầng vi sinh chuyển động

Thuật ngữ tầng vi sinh là một tập hợp gồm nhiều tế bào vi sinh vật gắn kết với

nhau trên bề mặt tạo thành. Tầng vi sinh hay còn gọi là Biofilm có thể gồm một hay

nhiều chủng vi sinh vật khác nhau, có thể được tạo ra ở trên bề mặt của nhiều loại

vật liệu khác nhau: nhựa, kim loại, kính, gỗ, dụng cụ y tế, đồ ăn… Biofilm có tác

dụng bảo vệ vi sinh vật chống lại tác động của các yếu tố bất lợi của môi trường

sống. Biofilm được hình thành từ các loài vi sinh vật khác nhau bao gồm cả vi

khuẩn Gram dương và Gram âm như Escheriachia coli, Pseudomonas aeruginosa,

Vibrio cholera, Streptococcus sp., Bacillus subtilis…[15].

Tính chất và vai trò của tầng vi sinh:

- Bảo vệ cơ thể vi sinh vật khỏi hệ thống phòng thủ của chính vật chủ hay vi

sinh vật kẻ thù. Các vi sinh vật sống trên biofilm khi liên kết với nhau thường có

khả năng chống chịu cao với các chất kháng khuẩn so với tế bào sống tự do trong

môi trường nuôi cấy (độ chống chịu có thể cao hơn tới 1000 lần).



Hình 1.7 Một số cấu trúc điển hình của màng vi sinh (dạng xếp lớp, dạng

hình nấm, dạng hợp lưu và dạng lông mao; kể từ trên xuống, từ trái sang phải)

- Chống lại sự mất nước.



22



- Chống lại các chất kháng khuẩn thông qua việc tạo kiểu hình mới có tốc độ

sinh trưởng giảm, hạn chế sự tiếp xúc và có khả năng bất hoạt, trung hòa với các

chất kháng khuẩn.

- Nồng độ các chất dinh dưỡng trong biofilm thường tăng cao hơn so với môi

trường xung quanh.

Trong môi trường nước, vi sinh vật tồn tại ở hai trạng thái chính là dạng

huyền phù và dạng tầng vi sinh. Trong dạng huyền phù, vi sinh vật tập hợp lại với

nhau thành các tập hợp keo tụ nhỏ có cấu trúc khá lỏng lẻo và các tập hợp keo tụ đó

phân bố khá đều trong môi trường nước. Tầng sinh vật là một tập hợp của vi sinh

vật bám trên một chất mang với cấu trúc khá đặc, có độ dày nhất định (ví dụ 0,1 –

0,3 mm) [4].

Vi sinh vật hoạt động trong các hệ xử lý nước thải tồn tại ở hai trạng thái kết

khối: tập hợp keo tụ (flocs) và dạng màng (biofilm). Tập hợp keo tụ của vi sinh có

cấu trúc xốp, mật độ vi sinh thấp (ít khi vượt quá 4000 kg/m3) [2], các tập hợp đó

được phân bố khá đều trong môi trường nước. Kỹ thuật sử dụng vi sinh trong trạng

thái tập hợp keo tụ là dạng kỹ thuật huyền phù. Do mật độ vi sinh thấp nên hiệu suất

xử lý của các hệ huyền phù không cao và khó tăng mật độ vi sinh vì nó liên quan

đến các yếu tố vận hành khác. Điển hình của kỹ thuật huyền phù là các quá trình xử

lý bùn hoạt tính.

Tăng mật độ vi sinh (trên một dơn vị thể tích), đồng nghĩa với tăng hiệu quả

xử lý luôn là mong muốn của phát triển công nghệ xử lý nước thải. Kỹ thuật tầng vi

sinh đáp ứng được tiêu chí đó.

So sánh với kỹ thuật huyền phù, tầng vi sinh trong hệ thống xử lý nƣớc

thải có những đặc trƣng sau:

 Khả năng tích lũy vi sinh cao. Đặc điểm nổi bật của màng vi sinh là mức độ

tập trung vi sinh vật rất cao so với dạng vi sinh trong trạng thái huyền phù, ví dụ

cao hơn 3 – 4 ngàn lần trong các dòng suối bần dưỡng chảy trên núi cao và 200 lần

cao hơn trong nhiều nguồn nước thải. Trong hệ thống xử lý nước thải theo kỹ thuật

bùn hoạt tính, mật độ vi sinh vật được duy trì trong khoảng 700 – 2500 mg/l, trong



23



khi mật độ vi sinh trong kỹ thuật lọc nhỏ giọt đạt 2000 – 10000 mg trong một lít của

bể lọc [4].

 Hoạt tính trao đổi chất lớn. Trong nhiều trường hợp quan sát được hoạt tính

vi sinh của màng vi sinh cao hơn nhiều so với vi sinh trong trạng thái huyền phù.

Hiện tượng trên được giải thích là do trong tập đoàn vi sinh đó tỷ lệ loại vi sinh vật

có hoạt tính cao chiếm số đông, cũng như mức độ tập trung dinh dưỡng cao (do hấp

phụ) của các thành phần dinh dưỡng trên màng vi sinh. Do tính chất nhầy của màng

nên nó có thể bắt giữ cả các thành phần thức ăn ở dạng không tan. Mức độ tập trung

dinh dưỡng cao thúc đẩy sự phát triển của vi sinh và do đó có hoạt tính cao. Cũng

có ý kiến giải thích khả năng tăng hoạt tính nhờ quá trình biến đổi gien của vi sinh

vật trong trạng thái kết khối trong màng.

 Khả năng chống chịu độc tố cao. So với vi sinh vật trong trạng thái huyền

phù, vi sinh vật trong màng có khả năng chống chịu độc tố tốt hơn. Nguyên nhân

của hiện tượng trên cũng được giải thích nhờ sự biến đổi gen hay nhờ nồng độ chất

dinh dưỡng cao là điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật sống sót khi phải tiếp xúc với

độc tố.

 Bùn dễ lắng. So với bùn hoạt tính, bùn (sinh khối) bong ra từ màng vi sinh

có khả năng lắng tốt hơn nhiều do tính đặc của màng (khối lượng riêng biểu kiến

lớn) do mật độ vi sinh dạng sợi trong đó thấp.

Tuy có nhiều lợi thế của kỹ thuật tầng vi sinh đã liệt kê như trên so với dạng

huyền phù, nhưng nó có những điểm bất lợi là quá trình cung cấp thức ăn cho chúng

xảy ra khó khăn hơn do tính chất khuếch tán khó và mức độ tiêu thụ thức ăn cao (do

mật độ cao).

Ƣu điểm kỹ thuật tầng vi sinh:

 Nhu cầu diện tích mặt bằng thấp.

 Giá thành duy trì hoạt động thấp về phương diện công lao động.

 Tính linh hoạt cao.



24



Chất mang vi sinh:

Để có được mật độ vi sinh cao yếu tố cần có đầu tiên là diện tích của chất

mang phải lớn. Sự phát triển của chất mang vi sinh cũng trải qua nhiều giai đoạn.

Vào thời kỳ đầu tiên, chất mang vi sinh là các loại vật liệu gỗ, đá, xỉ than có

diện tích 10- 30 m2/m3, sau đó sử dụng các loại nhựa tổng hợp tấm phẳng có cấu

trúc hình học khác nhau (dạng tổ ong, dạng cuộn) với diện tích khoảng 200 – 300

m2/m3. Giai đoạn phát triển tiếp theo là loại chế tạo từ nhựa tổng hợp với cấu trúc

hình học phức tạp hơn , ví dụ dạng bánh xe (hình 3) với diện tích bề mặt 500 – 700

m2/m3 với những dạng thương phẩm đang lưu hành rộng rãi trên thị trường thế giới

(Kadles Hà Lan, hình 1.8) [15].



Hình 1.8 Chất mang vi sinh dạng cuộn (BIOPAC, Đức)

Cát thạch anh có kích thước nhỏ 0,15 – 0,3 mm với diện tích bề mặt tới 20000

m /m cũng được sử dụng làm chất mang trong kỹ thuật tầng lưu thể (fluidized bed).

2



3



Thế hệ vật liệu chất mang mới nhất là loại có cấu trúc xốp chế tạo từ polymer

với diện tích bề mặt (bên trong) tới 10000 – 15000 m2/m3, độ xốp 85 – 98 % [2]. Đi

đầu trong nghiên cứu và sử dụng vật liệu mang xốp là Nhật và Hàn Quốc (Công ty

EBRA của Nhật sử dụng vật liệu trên tại các trạm xử lý nước thải Kim Liên, Trúc

Bạch, Bắc Thăng Long, Hồ Bảy Mẫu, Hà Nội) [3].



25



Hình 1.9 Chất mang vi sinh có cấu trúc hình học phức tạp

Với những ưu điểm nổi trội của kỹ thuật tầng vi sinh trong công nghệ xử lý

nước thải, nhưng sẽ xuất hiện một số thách thức cần được giải quyết xuất phát từ

hai đặc điểm căn bản của vật liệu xốp có diện tích bề mặt cao là mật độ vi sinh lớn.

Tổng lượng sinh khối tỷ lệ thuận với diện tích chất mang và độ dày của lớp màng.

Chiều dày của lớp màng lớn không phát huy được tác dụng vì thức ăn khó thẩm

thấu sâu vào bên trong (nếu chiều dày >200 μm kể từ phía ngoài) [15]. Vậy muốn

có hiệu quả cần tạo chất mang có diện tích lớn để tích lũy được lượng sinh khối lớn

nhưng chiều dày của lớp vi sinh vẫn đủ mỏng. Vật liệu xốp chứa các mao quản,

kích thước mao quản càng nhỏ thì diện tích càng lớn, tuy nhiên kích thước mao

quản nhỏ hạn chế sự phát triển của vi sinh trong đó, nhất là khi để ý đến đặc điểm

tính chất đa dạng về chủng loại và kích thước của tập đoàn vi sinh trong màng. Tìm

kiếm loại vật liệu thích hợp cho từng quá trình (xử lý BOD, nitrat hóa, khử nitrat)

phù hợp với điều kiện thực tế đòi hỏi nhiếu nghiên cứu chi tiết.

Mật độ vi sinh cao đòi hỏi nguồn cung cấp thức ăn lớn để chúng phát triển.

Màng vi sinh khá đặc do đó hạn chế quá trình vận chuyển (khuyếch tán) thức ăn cho

vi sinh. Đó là hai hiệu ứng trái chiều nhau và là một trong những điểm cốt lõi cần

được giải quyết để tận dụng được các lợi thế của kỹ thuật màng sinh vật.

Tăng cường quá trình chuyển khối là vấn đề cần được thúc đẩy và được giải

quyết theo phương hướng:

 Giảm độ dày của lớp màng vi sinh (giảm quãng đường khuếch tán) mà vần

duy trì mật độ sinh khối cao bằng cách sử dụng chất mang có diện tích lớn.

 Sử dụng loại vật liệu xốp có kích thước mao quản phù hợp để khống chế

độ dày của màng vi sinh và chống quá trình bong màng.



26