5 Tình hình nghiên cứu trong nƣớc về xử lý nƣớc thải chăn nuôi bằng kỹ thuật tầng vi sinh chuyển động

2020 lượng ô nhiễm do công nghiệp có thể tăng lên gấp 2,4 lần so với bây giờ,

lượng ô nhiễm do nông nghiệp và sinh hoạt cũng có thể gấp đôi mức hiện nay [19].

Để giảm thải ô nhiễm, các nhà doanh nghiệp sản xuất trong và ngoài nước ta

hiện thường bỏ tiền ra để nhập khẩu công nghệ. Các hộ cá thể, làng nghề thường ít

quan tâm đến việc xử lý nước thải. Khả năng phát triển và cải tiến cũng như vận

hành công nghệ xử lý nước thải của các doanh nghiệp trong nước không nhiều.

Nhiều công nghệ nhập phù hợp với điều kiện nước ngoài nhưng không phù hợp với

điều kiện trong nước. Về sản xuất vật liệu mang trước đây tại Hà Nội có tới 6 – 8

công ty sản xuất vật liệu mang vi sinh (dạng tổ ong, diện tích bề mặt 180 – 220

m2/m3, dạng quả cầu…) để cung cấp cho thị trường [4]. Tuy nhiên hiện nay số công

ty sản xuất sản phẩm trên đang tiếp tục hoạt động chỉ còn lại rất ít. Công ty ECO

(Thành phố Hồ Chí Minh) đã nhập khẩu và sử dụng một lượng nhất định chất mang

vi sinh tại một số công trình ở cả miền Nam và miền Bắc (nhập từ Hà Lan). Trạm

nuôi giống thủy sản Cửa Hội (Nghệ An) mua công nghệ xử lý nước thải của Na Uy,

sử dụng vật liệu mang vi sinh tầng tĩnh. Tại một số công ty của nước ngoài đang

hoạt động sản xuất tại Việt Nam (Nhật Bản, Hàn Quốc) hay một số trạm xử lý nước

thải sử dụng vốn ODA đang sử dụng công nghệ màng vi sinh chuyển động với vật

liệu mang dạng xốp [4].

Những nghiên cứu mang tính chất “phát triển công nghệ” ở nước ta thường

được thực hiện tại nước ngoài dưới dạng đào tạo học viên cao học, nghiên cứu sinh.

Ví dụ trường Đại học Kumamoto (Nhật Bản) cho đến nay đã đào tạo (hoặc phối hợp

đào tạo) cho Việt Nam 3 – 4 nghiên cứu sinh về xử lý hợp chất nitơ sử dụng vi sinh

thuộc loại mới với tên ANAMOX, sử dụng chất mang do họ tự chế tạo. Nghiên cứu

sinh của Viện Hóa học (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) được đào tạo tại

Bỉ (Đại học Arlon) về xử lý nitơ trong nước rác với kỹ thuật mẻ kế tiếp giai đoạn

(không sử dụng chất mang vi sinh) và kỹ thuật tầng vi sinh chuyển động hướng đến

mục tiêu xử lý xử lý và tái sử dụng nước thải trong các trạm nuôi giống thủy sản [4].



29



Nhìn chung, các nghiên cứu thực hiện tại nước ngoài mang tính chiều sâu và

chỉ là một phần nhỏ của nội dung phát triển công nghệ tại các cơ sở nghiên cứu

trong nước. Nghiên cứu công nghệ phân huỷ photpho bằng phương pháp sinh học ít

được nghiên cứu áp dụng và thực hiện. Nhiều công trình nghiên cứu riêng lẻ về việc

phân lập các chủng vi sinh nhưng chưa có đề cập đến khả năng tạo biofilm và việc

phối hợp chúng với chất mang nhằm xử lý nước thải ô nhiễm N, P.

Các nghiên cứu thực hiện ở trong nước được thực hiện dưới dạng các đề tài

khoa học cấp Nhà nước và cấp Bộ khá phong phú: xử lý nước thải của bãi rác, xử lý

nước ngầm để cấp cho sinh hoạt, xử lý nước thải trong công nghệ chế biến thực

phẩm. Màng vi sinh ít được sử dụng vì khó kiếm được nguồn vật liệu thích hợp nên

thường sử dụng loại thấp cấp: sơ dừa, đá bazan, tre nứa, san hô... Sau các công trình

nghiên cứu, việc tiêu chuẩn hóa vật liệu và công nghệ sử dụng chúng thường bị bỏ

ngỏ.

Vật liệu mang vi sinh cao cấp thường có giá thành cao, theo thông báo của

các nhà khoa học Đức tại hội thảo 28/3/2011 tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên,

Đại học Quốc Gia Hà Nội thì giá thành tính theo m2 vào khoảng 1 USD, chưa kể

đến tính chất tương hợp của công nghệ xử lý đối với từng vật liệu cụ thể (phải mua

cả công nghệ). Đó là một trong những nguyên nhân hạn chế việc phát triển công

nghệ tầng vi sinh.

Viện Công nghệ sinh học (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã tiến

hành nghiên cứu và chế tạo thiết bị nitrat hóa (oxy hóa amoni thành nitrat) trong

nguồn nước ngầm, phục vụ cấp nước cho sinh hoạt theo kỹ thuật màng vi sinh. Vật

liệu sử dụng là đất sét nung (keramsit), dạng tầng tĩnh. Viện Công nghệ sinh học

cũng đang tiến hành xây dựng hệ thống xử lý nước nuôi giống thủy sản (Quý Kim,

Hải Phòng) tuy nhiên trạm xử lý đã không được đưa vào hoạt động [4].

Trung tâm Công nghệ môi trường và Phát triển bền vững (CETASD, Trường

Đại học Khoa học Tự nhiên), phối hợp với sở giao thông công chính Hà Nội và thực

hiện đề tài của Sở Khoa học và Công nghệ Hà Nội đã nghiên cứu quá trình nitrat



30



hóa và khử nitrat hóa trong nước ngầm. Vật liệu sử dụng làm chất mang vi sinh là

đá bazan.

Viện Hóa học (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) thực hiện đề tài

nghiên cứu cấp nhà nước vễ xử lý nước thải giàu nitơ và photpho (1999 – 2002) tập

trung vào nước thải chế biến thủy sản; phối hợp với Viện Vật liệu (Viện Khoa học

và Công nghệ Việt Nam) thực hiện đề tài cấp nhà nước (2003 – 2005) về xử lý nước

rác (thực chất là xử lý hợp chất giàu nitơ). Các nghiên cứu trên sử dụng kỹ thuật

huyền phù (mẻ kế tiếp giai đoạn) [4].

Nhìn chung, các nghiên cứu xử lý nước thải giàu nitơ và photpho sử dụng

tầng vi sinh đã thực hiện tại Việt Nam nhằm phát triển công nghệ là không nhiều.

Một số nghiên cứu theo xu hướng trên xuất phát từ nhu cầu thực tế (không thuộc

phạm vi của các đề tài) cũng lẻ tẻ được thực hiện. Ví dụ, tại Viện Hóa học (Viện

Khoa học và Công nghệ Việt Nam) từ ba năm trở lại đây đang nghiên cứu phát

triển công nghệ màng vi sinh chuyển động (sử dụng vật liệu mang xốp) nhằm xử lý

và tái sử dụng nước nuôi giống thủy sản và xử lý nước thải sinh hoạt dạng phân tán

[3]. Ngoài ra có một số nghiên cứu mới chỉ tập trung vào nghiên cứu vật liệu mang

(nhóm nghiên cứu GS.TS Lê Văn Cát-Viện Khoa học Việt Nam: Nghiên cứu vật liệu

mang xử lý nước thải). Chưa có nhiều những chương trình, đề tài nghiên cứu lớn

phát triển theo hướng nghiên cứu áp dụng công nghệ tầng vi sinh chuyển động

trong lĩnh vực xử lý nước thải đặc biệt là các loại nước thải xử lý ô nhiễm giàu chất

hữu cơ (COD), nitơ và photpho.



31



Chƣơng 2 ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1. Đối tƣợng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là chất lượng nước thải chăn nuôi trong và sau khi qua

xử lý bằng kỹ thuật bùn hoạt tính sử dụng hệ thống SBR và kỹ thuật tầng vi sinh

chuyển động sử dụng vật liệu mang Polyuretan. 02 hệ được thiết kế, lắp đặt tại

phòng công nghệ, trung tâm nghiên cứu công nghệ môi trường và phát triển bền

vững (CETASD). Diễn biến của các quá trình trong hệ được đánh giá qua các thông

số DO, pH, độ kiềm, COD, N-NO3-, N-NO2-, N-NH4+, SS, tổng N, tổng P, PO4…của nước thải. Từ đó đưa ra kết luận khả năng xử lý nước thải chăn nuôi bằng kỹ

thuật tầng vi sinh chuyển động sử dụng vật liệu mang Polyuretan so với kỹ thuật

bùn hoạt tính truyền thống.

Nước thải chăn nuôi phục vụ thí nghiệm là nước thải chăn nuôi lợn sau bể

Biogas-Viện nghiên cứu giống lợn, Viện Chăn nuôi, Thụy Phương, huyện Từ Liêm,

thành phố Hà Nội.

2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu

a) Kỹ thuật bùn hoạt tính lơ lửng sử dụng hệ thống SBR

Mô hình đầy đủ của hệ thống SBR quy mô thí nghiệm được trình bày trên

hình 2.1.

Theo sơ đồ hình 2.1 nước thải được chứa vào bồn có trang bị máy khấy để

đồng nhất hoá. Từ đây nước thải được bơm định lượng tự động hẹn giờ vào bể phản

ứng.



32



Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống SBR phòng thí nghiệm

Tuy nhiên, do điều kiện phòng thí nghiệm chưa cho phép nên hệ thống được

đơn giản hoá theo nguyên lý “gọn hơn nhưng đủ”. Bể phản ứng là hình hộp chữ

nhật không có nắp, được làm bằng plexiglass trong suốt có kích thước 21 x 19 x

40 cm (tương ứng với thể tích phản ứng < 16 Lít). Trong thí nghiệm này, chúng tôi

tiến hành với thể tích nước thải + bùn còn là 9,2 lít với thể tích nước thải bổ sung

cho mỗi mẻ gần 5,2 lít. Trong bể có lắp sẵn các đầu phân tán khí nối với máy nén

khí để cấp khí oxi cho quá trình hiếu khí. Bể được lắp máy khuấy cơ khí để khuấy

đều hỗn hợp phản ứng trong giai đoạn nạp và phản ứng. Các máy khuấy, máy cấp

khí đều được gắn với hệ tự động hoá theo nguyên lý hẹn giờ (tuỳ theo yêu cầu thí

nghiệm). Đáy bể được bố trí van xả để xả bùn dư khi cần.

Vận hành hệ thống SBR

Nước thải đầu vào ( nước thải chăn nuôi lợn) được làm đầy vào bể phản ứng.

Chu trình hoạt động được chọn cho bể SBR như sau:

Làm đầy: cho mẫu vào trực tiếp

Khuấy thêm: 25% thời gian mỗi mẻ

Sục khí : 50% thời gian mỗi mẻ



33



Lắng: 25% thời gian mỗi mẻ

Gạn nước ra khỏi hệ bằng tay.

Không kể thời gian chuẩn bị và phân tích mẫu xen kẽ. Thời gian còn lại

trong ngày hệ sẽ được vận hành theo chế độ khấy, sau đó ngừng khuấy trong 1,0 giờ

để tiến hành mẻ thí nghiệm mới.

- Lấy mẫu phân tích

Hệ thống SBR được chạy hàng ngày. Trong mỗi thời gian lưu tổng, mẫu

được lấy ở cuối mỗi giai đoạn. Các mẫu cần lấy mỗi mẻ là: mẫu đầu vào, mẫu bùn

lưu trong bể, mẫu sau giai đoạn nạp, sau giai đoạn khuấy, sau giai đoạn sục khí, sau

giai đoạn lắng; mẫu được lấy vào cốc thuỷ tinh để lắng, lọc qua giấy lọc bằng máy

và phân tích các chỉ tiêu COD, N-NH4+, N-NO2-, N-NO3-, tổng N, tổng P. Độ kiềm,

pH, nhiệt độ. Chỉ tiêu TSS phân tích bằng cách hút mẫu trực tiếp trong cốc đựng

(khuấy đều) sau đó cho qua máy lọc.

- Xử lý kết quả

Các số liệu phân tích được đưa vào bảng Excel và xử lý bằng Excel.

b) Kỹ thuật tầng vi sinh chuyển động sử dụng vật liệu mang Polyuretan

Cấu tạo hệ thống

* Thiết bị phản ứng vật liệu thủy tinh với thông tin như sau:

- Thể tích tổng V = 0,432 m3; LxWxH = 1,2x0,3x1,2 m

- Thể tích ngăn yếm khí V = 0,108 m3; LxWxH = 0,3x0,3x1,2 m

- Thể tích ngăn thiếu khí V = 0,108 m3; LxWxH = 0,3x0,3x1,2 m

- Thể tích ngăn hiếu khí V = 0,216 m3; LxWxH = 0,6x0,3x1,2 m

* Thiết bị động lực gồm

01 máy bơm chìm (Q = 6 -10m3/h; H = 6 mH2O; N = 0,25kw) đặt trong ngăn

xử lý thiếu khí có chức năng bơm tuần hoàn hỗn hợp bùn nước từ ngăn thiếu khí

sang ngăn hiếu khí. Trên đường bơm từ ngăn thiếu khí sang ngăn hiếu khí có đặt

thiết bị hút khí dạng Injector và đồng hồ đo áp suất. Trên đường bơm từ ngăn thiếu

khí về ngăn yếm khí đặt 01 van nhằm điều chỉnh lưu lượng tuần hoàn hỗn hợp bùn

và nước cho cả 02 dòng trên.



34



Mô tả nguyên lý hoạt động của hệ thống



Hình 2.2 Sơ đồ cấu tạo của hệ thống thí nghiệm yếm khí-thiếu khí-hiếu khí

theo mẻ.

* Ngăn yếm khí:

- Nhận nước thải thô; nhận bùn và nước tuần hoàn từ ngăn thiếu khí.

- Thực hiện các chức năng: phân hủy hữu cơ (BOD/COD); phân hủy bùngiải phóng P-PO43- nuôi dưỡng vi khuẩn tạo biofilm có khả năng hấp thu P ở các

ngăn sau; khử nitrat-nitrit ở dòng tuần hoàn.

- Lưu giữ/phân hủy/xả bùn dư, cho phép hoạt động tới 6 tháng/1 năm mới

phải xả bùn dư; Cho phép giảm ít nhất 50% bùn thải (theo nghiên cứu của TS Lê

Văn Chiều-Trung tâm Công nghệ Môi trường và Phát triển bền vững-Đại học Khoa

học tự nhiên-Đại học Quốc gia Hà Nội).

* Ngăn thiếu khí:

- Nhận nước lắng từ ngăn kị khí; hỗn hợp phản ứng từ ngăn hiếu khí

- Các chức năng: là nơi vi khuẩn thực hiện các quá trình thiếu khí khử nitritnitrat; trung chuyển/ tuần hoàn hỗn hợp phản ứng một phần về ngăn kị khí, tuần

hoàn phần lớn về ngăn hiếu khí.

- Là ngăn điều hòa lưu lượng giờ cao điểm .

Đây là phần quan tâm của chuyên đề này.



35



* Ngăn hiếu khí:

- Nhận hỗn hợp phản ứng từ ngăn thiếu khí nhờ bơm kết hợp bổ sung cung

cấp khí cho quá trình, giảm chi phí thiết bị/bảo trì hệ cấp-phân tán khí; cơ cấu cho

phép giảm ~50% chi phí năng lượng.

- Có cơ cấu tuần hoàn hỗn hợp bùn nước, đồng thời chống váng

- Có cơ cấu lắng/xả linh hoạt, cho phép chạy theo bất kì chế độ nào (liên tục

hay gián đoạn) tùy đặc trưng nước thải

- Các chức năng xử lí chính: khuấy trộn và thực hiện các quá trình

nitrat/nitrit hóa (xử lí nitơ tổng số); nuôi dưỡng phát triển vi khuẩn PAO (xử lí

photpho hòa tan); lắng bùn làm trong nước.

Cả ba ngăn trong hệ thống pilot đều có vật liệu mang polyuretan kích thước

như nhau; các ngăn trong hệ thống pilot đều có các chủng vi khuẩn ngoài khả năng

phân hủy N, P cao còn được tối ưu hóa các điều kiện tạo biofilm để nâng cao hiệu

quả xử lý để thực hiện kĩ thuật tầng vi sinh (vật liệu mang chuyển động).

Quá trình khởi động và vận hành hệ thống

Quá trình khởi động của hệ thống

Vi sinh được cấp từ nhà máy xử lý nước thải bia Hà Nội từ công đoạn xử lý

yếm khí vào đều 03 ngăn pilot nghiên cứu với nồng độ duy trì ban đầu từ 3000 –

3500 mg/l. Nước thải chứa N,C cao là nước thải chăn nuôi lợn. Do nước thải chăn

nuôi thực có hàm lượng các chất tương đối cao (COD ≈ 8000 mgO2/L, N-NH4+ ≈

1200 mg N/L) nên phải tiến hành pha loãng nước thải chăn nuôi nhằm giúp vi sinh

vật dễ dàng ổn định và thích nghi với nguồn nước thải mới. Ưu điểm của hệ thống

là chuyển hoá N-NH4+, vì vậy cần khống chế đầu vào dựa vào nồng độ N-NH4+.

Mỗi chế độ vận hành được thực hiện đến khi hiệu suất chuyển hóa N-NH4+ ổn định

và lặp lại 3 lần (thời gian khoảng 1 tuần/1 chế độ). Các số liệu nhận được là số liệu

trung bình của các lần thí nghiệm.



36



Nước thải được bơm tuần hoàn theo chế độ chạy của bơm cấp nước thải đầu

vào và phụ thuộc vào thời gian đặt lắng vi sinh trong ngăn thiếu khí. Trong quá

trình khởi động các thông số nghiên cứu xử lý chính như chất hữu cơ (COD), N, P

được lấy tại các điểm đầu vào và đầu ra sau công đoạn lắng trong ngăn hiếu khí với

tần suất trung bình 1 lần/ ngày. Hàm lượng vi sinh phân tích trung bình trong 03

ngăn xác định với tần suất 1 lần/ 7 ngày (để kiểm tra mật độ vi sinh). Thời gian chạy

khởi động dao động từ 10 – 30 ngày. Trong quá trình khởi động cần kiểm soát các

thông số cơ học khác như lưu lượng tuần hoàn bùn – nước từ ngăn khử nitrat về

ngăn hiếu khí và ngăn yếm khí. Kiểm soát và ghi chép đầy đủ thông tin giá trị áp

suất đo được trên đồng hồ đặt trước thiết bị injector, đồng thời quan sát khả năng

khuấy trộn trong ngăn hiếu khí và khả năng tuần hoàn từ ngăn hiếu khí về ngăn khử

nitrat.

Quá trình vận hành hệ thống

Sau thời gian vận hành khởi động hệ thống nước thải sẽ được nâng cao nồng

độ các chất ô nhiễm nhằm khảo sát đánh giá khả năng xử lý chất hữu cơ (COD), N,

P của từng quá trình và của cả hệ thống. Các thông số nghiên cứu xử lý chính như

chất hữu cơ (COD), N, P được lấy tại các điểm đầu vào và đầu ra sau công đoạn

lắng trong ngăn hiếu khí với tần suất trung bình 1 lần/ ngày. Mật độ vi sinh phân

tích trung bình trong 03 ngăn xác định với tần suất 1 lần/ 7 ngày.

Vật liệu được lựa chọn là vật liệu mang vi sinh phân tán dạng đệm mút kích

thước LxWxH = 10x10x10mm, thể tích vật liệu chiếm 20% thể tích bể phản ứng

(Theo kết quả nghiên cứu GS.TS Lê Văn Cát-Viện Khoa học Việt Nam).



37



Chƣơng 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Nghiên cứu khả năng xử lý chất hữu cơ (COD), N và P trong nƣớc thải

chăn nuôi bằng kỹ thuật bùn hoạt tính lơ lửng sử dụng hệ thống SBR

Mục đích nghiên cứu: nhằm tìm ra các thông số tối ưu như: thời gian lưu

tổng, nồng độ cơ chất đầu vào từ đó đánh giá khả năng xử lý nước thải chăn nuôi

bằng kỹ thuật bùn hoạt tính lơ lửng sử dụng hệ thống SBR so sánh với kỹ thuật tầng

vi sinh chuyển động (sử dụng vật liệu mang Polyuretan).

Bảng dưới đây tóm tắt các thông số chung của hệ thống SBR:

Bảng 3.1. Tóm tắt các thông số chung hệ thống SBR

Thông số



Giá trị



Đơn vị



V tổng



9,2



l



V nước thải + bùn



5,2



l



Thời gian khuấy



25



%



Thời gian sục khí



25



%



Thời gian lắng



25



%



4



g/l



Mật độ bùn



Các giá trị thành phần N và P đo được đều tính theo N hoặc P.

3.1.1. Khả năng xử lý chất hữu cơ (COD), N, P bằng hệ thống SBR khi thay đổi

theo thời gian

Chế độ 1: Thời gian lƣu tổng 06 giờ.

Nồng độ N-NH4+ trong nước đầu vào  100mg/l

Với chế độ chạy đầu tiên chúng tôi tiến hành chạy hệ với thời gian lưu tổng

của mỗi mẻ là 06h, pha loãng nước thải sao cho nồng độ N-NH4+  100 mgN/l với

mong muốn vi sinh sẽ ổn định thích nghi và phát triển tốt. Nhằm đánh giá sự tăng

trưởng của vi sinh chúng tôi đã tiến hành kiểm tra mật độ vi sinh và mật độ bùn khi

tiến hành chạy hệ, cũng như các hệ bùn hoạt tính thông thường có mật độ sinh khối

khoảng 4g/L.



38



Bảng dưới đây tóm tắt chế độ thí nghiệm và các giá trị trung bình của nước

thải đầu vào:

Bảng 3.2. Tóm tắt chế độ thí nghiệm và các giá trị trung bình của nước thải đầu vào

hệ thống SBR với thời gian lưu tổng 06 giờ.

Thông số



Giá trị



Đơn vị



Thông số



Giá trị



Đơn vị



V tổng



9,2



l



Thời gian khuấy



1,5



h



V nước thải + bùn



5,2



l



Thời gian sục khí



3,0



h



Thời gian lắng



1,5



h



Mật độ vi sinh



4



g/l



Giá trị trung bình thành phần nước thải chăn nuôi được pha loãng đến nồng độ cần khảo sát

pH



7,7-8,2



COD, t



130



mg/l



COD, ht



105



mg/l



T-N, t



125,5



mgN/l



N-NH4+



93,7



mg/l



N-NO2-



10,4



mg/l



N-NO3-



3,9



mg/l



mgP/l



P-PO43-, ht



6,1



mg/l



T-P, t



7,1



Kết quả của chế độ 1 thu được trình bày ở hình 3.1a ; hình 3.1b.

Hệ 6h



mgHCO3-//l



amoni, nitrit, nitrat (mgN/l)



120



350



100



300

250



80



200



amoni



150



nitrit



100



nitrat



50



Độ Kiềm



60

40

20

0



0

Bắt đầu (0h)



Khuấy

(1.5h)



Sục khí (3h) Lắng (1.5h)



Thời gian



Hình 3.1a: Diễn biến các chỉ tiêu N, độ kiềm theo thời gian lưu tổng 6h

Trong giai đoạn khuấy ban đầu N-NO2- đã giảm xuống từ 10,4mg/l đến



39