Tổng quan nghiên cứu

Ngành chăn nuôi lợn tại Việt Nam phát triển nhanh chóng, đóng góp quan trọng vào kinh tế quốc gia, tuy nhiên cũng gây ra ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước do nước thải chăn nuôi chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ, nitơ, phốtpho và vi sinh vật gây bệnh. Theo ước tính, mỗi năm ngành chăn nuôi thải ra khoảng 75 - 85 triệu tấn phân, trong đó nước thải chưa qua xử lý hoặc xử lý không hiệu quả được xả trực tiếp ra môi trường, làm tăng nồng độ khí H2S và NH3 vượt mức cho phép 30 - 40 lần, cùng với các chỉ tiêu ô nhiễm như COD, tổng nitơ, tổng phốtpho vượt xa tiêu chuẩn quốc gia. Hiện trạng xử lý nước thải chăn nuôi tại Việt Nam chủ yếu dựa trên công nghệ biogas kết hợp hồ sinh học, tuy nhiên hiệu quả xử lý chưa đạt chuẩn, đặc biệt với các chỉ tiêu COD, BOD, T-N, T-P và vi sinh vật. Mô hình xử lý hiện tại còn hạn chế về công suất, diện tích và chi phí vận hành, chưa đáp ứng được yêu cầu xử lý nước thải có tải trọng ô nhiễm cao.

Mục tiêu nghiên cứu là phân tích đặc tính ô nhiễm nước thải chăn nuôi lợn tại xóm Múi, xã Bích Hòa, huyện Thanh Oai, Hà Nội; khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý nước thải bằng phương pháp hóa lý kết hợp sinh học; đề xuất sơ đồ công nghệ xử lý đảm bảo đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp (QCVN 40:2013/BTNMT, cột B). Nghiên cứu tập trung vào ba nội dung chính: khảo sát hiệu quả tiền xử lý bằng phương pháp keo tụ hóa lý; khảo sát hiệu quả xử lý sinh học kết hợp màng vi lọc polyme; khảo sát hiệu quả xử lý tăng cường sau xử lý sinh học bằng phương pháp keo tụ. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi tiên tiến, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình xử lý nước thải chăn nuôi, bao gồm:

  • Lý thuyết keo tụ hóa lý: Sử dụng các chất keo tụ như phèn sắt (Fe2(SO4)3), phèn nhôm (Al2(SO4)3) để tạo bông cặn, loại bỏ các hạt keo bền vững trong nước thải, giảm COD, SS, độ đục, độ màu và phốtpho. Yếu tố pH và nồng độ chất keo tụ ảnh hưởng lớn đến hiệu quả keo tụ.

  • Mô hình xử lý sinh học kết hợp màng vi lọc polyme (MBR): Kết hợp quá trình sinh học hiếu khí, thiếu khí, yếm khí với màng vi lọc polyme để xử lý các chất hữu cơ, nitơ, phốtpho và vi sinh vật trong nước thải. Màng vi lọc giúp loại bỏ chất rắn lơ lửng và sinh khối vi sinh, nâng cao hiệu quả xử lý và giảm diện tích công trình.

  • Khái niệm chính: COD (Nhu cầu ôxy hóa học), BOD (Nhu cầu ôxy sinh hóa), T-N (Tổng nitơ), T-P (Tổng phốtpho), SS (Chất rắn lơ lửng), pH, hiệu suất xử lý (%), thời gian lưu thủy lực (HRT), thời gian lưu bùn (SRT), vi sinh vật Nitrosomonas và Nitrobacter trong quá trình nitrat hóa.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Mẫu nước thải chăn nuôi lợn được lấy tại xóm Múi, xã Bích Hòa, huyện Thanh Oai, Hà Nội, bao gồm nước rửa chuồng, phân và nước tiểu. Mẫu được lọc sơ bộ loại bỏ cặn thô trước khi xử lý.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng các thiết bị đo pH, điện cực đo NH4+, NO3-, NO2-, máy đo quang UV, thiết bị chuẩn độ, máy đo độ màu, độ đục, bộ kit vi sinh theo tiêu chuẩn TCVN để xác định các chỉ tiêu COD, BOD, T-N, T-P, SS, Coliforms.

  • Phương pháp thực nghiệm:

    • Thí nghiệm keo tụ hóa lý với phèn sắt và phèn nhôm, khảo sát ảnh hưởng của pH (từ 3 đến 9) và nồng độ chất keo tụ (từ 400 đến 2000 mg/L) đến hiệu quả xử lý COD, SS, độ đục, độ màu, phốtpho.

    • Hệ thống xử lý sinh học kết hợp màng vi lọc polyme gồm bể yếm khí, bể thiếu khí, bể hiếu khí có màng lọc polyme PVDF với diện tích màng 0,065 m2, năng suất lọc 12 L/m2.giờ, nồng độ bùn hoạt tính 9000 mg/L, thời gian lưu thủy lực 4 ngày, thời gian lưu bùn 30-60 ngày, dòng tuần hoàn 3:1.

    • Khảo sát hiệu quả xử lý COD, nitơ, phốtpho qua các giai đoạn xử lý, lấy mẫu phân tích định kỳ 1 lần/ngày tại các vị trí đầu vào, sau bể yếm khí, bể thiếu khí và sau bể hiếu khí.

  • Timeline nghiên cứu: Thí nghiệm kéo dài trên 30 ngày để hệ thống ổn định, tiến hành lấy mẫu và phân tích liên tục trong giai đoạn vận hành.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc tính nước thải chăn nuôi lợn: Các chỉ tiêu ô nhiễm vượt xa tiêu chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT, cột B, cụ thể:

    • TSS dao động 800 - 3000 mg/L, cao gấp 8 - 30 lần tiêu chuẩn 100 mg/L.

    • COD dao động 2100 - 7000 mg O2/L, cao gấp 14 - 47 lần tiêu chuẩn 150 mg/L.

    • BOD5 dao động 1000 - 3500 mg O2/L, cao gấp 20 - 70 lần tiêu chuẩn 50 mg/L.

    • NH4+ dao động 140 - 538 mg/L, cao gấp 14 - 54 lần tiêu chuẩn 10 mg/L.

    • T-P dao động 20 - 75 mg/L, cao gấp 3 - 12 lần tiêu chuẩn 6 mg/L.

    • Coliforms đạt 0,95×10^6 MPN/100 mL, cao gấp 190 - 250 lần tiêu chuẩn 5000 MPN/100 mL.

  2. Ảnh hưởng của pH đến hiệu quả keo tụ bằng phèn sắt: pH tối ưu khoảng 8, đạt hiệu suất xử lý COD 57%, SS 69%, độ đục và độ màu trên 66%. Hiệu suất xử lý amoni thấp, chỉ khoảng 17 - 20%.

  3. Ảnh hưởng của nồng độ phèn sắt: Nồng độ tối ưu 1000 - 1200 mg/L, đạt hiệu suất xử lý COD 64,5%, SS 87,5%, độ đục 80,6%, độ màu 87,2%, phốtpho 40,1%. So sánh với nghiên cứu quốc tế cho thấy kết quả tương đồng, hiệu quả xử lý cao.

  4. Hiệu quả xử lý sinh học kết hợp màng vi lọc polyme:

    • COD giảm từ 2140 - 6880 mg/L xuống còn 202 - 509 mg/L, hiệu suất xử lý đạt 85 - 92,8%.

    • Amoni (NH4+) tăng nhẹ sau bể yếm khí do phân hủy chất hữu cơ, giảm mạnh ở bể thiếu khí và hiếu khí, hiệu suất xử lý amoni đạt 93 - 96,5%, chủ yếu xử lý tại bể hiếu khí.

    • Nồng độ amoni đầu ra còn 7,16 - 22,11 mg/L do thời gian lưu chưa đủ dài để chuyển hóa hoàn toàn.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy nước thải chăn nuôi lợn có tải trọng ô nhiễm rất cao, vượt nhiều lần tiêu chuẩn quốc gia, gây nguy cơ ô nhiễm môi trường nghiêm trọng nếu không được xử lý hiệu quả. Phương pháp keo tụ hóa lý với phèn sắt và phèn nhôm có thể loại bỏ hiệu quả các chất rắn lơ lửng, COD, độ đục, độ màu và phốtpho, tuy nhiên khả năng xử lý amoni còn hạn chế. pH và nồng độ chất keo tụ là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả keo tụ, với pH tối ưu khoảng 8 và nồng độ phèn sắt 1000 mg/L cho hiệu quả cao nhất.

Hệ thống xử lý sinh học kết hợp màng vi lọc polyme (MBR) thể hiện hiệu quả cao trong việc xử lý các chất hữu cơ và amoni, nhờ sự kết hợp giữa quá trình sinh học và khả năng loại bỏ vật lý của màng lọc. Hiệu suất xử lý COD đạt trên 85%, amoni đạt trên 90%, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế. Việc sử dụng màng vi lọc giúp giảm thời gian lưu thủy lực và diện tích công trình so với các phương pháp truyền thống, đồng thời nâng cao chất lượng nước đầu ra.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện sự biến thiên COD, NH4+ qua các giai đoạn xử lý, bảng tổng hợp hiệu suất xử lý các chỉ tiêu chính theo từng giai đoạn. So sánh với các nghiên cứu khác cho thấy kết quả nghiên cứu phù hợp và có tính ứng dụng cao trong thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng phương pháp keo tụ hóa lý với phèn sắt ở pH ~8 và nồng độ 1000 mg/L để tiền xử lý nước thải chăn nuôi, nhằm giảm tải trọng ô nhiễm trước khi xử lý sinh học. Thời gian thực hiện: 1-2 tháng; Chủ thể: các trang trại chăn nuôi quy mô vừa và lớn.

  2. Triển khai hệ thống xử lý sinh học kết hợp màng vi lọc polyme (MBR) với các thông số vận hành như nghiên cứu (nồng độ bùn 9000 mg/L, HRT 4 ngày, SRT 30-60 ngày) để xử lý nước thải sau keo tụ, đảm bảo đạt tiêu chuẩn QCVN 40:2013/BTNMT. Thời gian đầu tư và vận hành thử nghiệm: 3-6 tháng; Chủ thể: doanh nghiệp công nghệ môi trường, trang trại quy mô lớn.

  3. Kiểm soát chặt chẽ các yếu tố vận hành như pH, nhiệt độ, nồng độ oxy hòa tan (DO > 2 mg/L) trong bể sinh học để duy trì hiệu quả xử lý ổn định, tránh ức chế vi sinh vật nitrat hóa. Thời gian thực hiện: liên tục trong quá trình vận hành; Chủ thể: kỹ thuật viên vận hành hệ thống.

  4. Nâng cao nhận thức và đào tạo kỹ thuật cho người chăn nuôi về quản lý và xử lý nước thải, khuyến khích áp dụng công nghệ xử lý tiên tiến, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Thời gian: dài hạn; Chủ thể: cơ quan quản lý nhà nước, tổ chức đào tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Khoa học Môi trường: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm, phương pháp và kết quả xử lý nước thải chăn nuôi, làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về công nghệ xử lý nước thải.

  2. Chuyên gia và kỹ sư môi trường trong lĩnh vực xử lý nước thải: Tham khảo quy trình, thiết kế hệ thống MBR kết hợp keo tụ, các thông số vận hành và hiệu quả xử lý để ứng dụng và tối ưu hóa công nghệ trong thực tế.

  3. Chủ trang trại chăn nuôi quy mô vừa và lớn: Hiểu rõ đặc tính nước thải, các phương pháp xử lý hiệu quả, từ đó lựa chọn giải pháp phù hợp nhằm giảm thiểu ô nhiễm và tuân thủ quy định môi trường.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước và tổ chức bảo vệ môi trường: Sử dụng kết quả nghiên cứu làm cơ sở khoa học để xây dựng chính sách, quy chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn thực hiện xử lý nước thải chăn nuôi hiệu quả, bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao nước thải chăn nuôi lợn lại có mức ô nhiễm cao?
    Nước thải chứa nhiều chất hữu cơ, nitơ, phốtpho và vi sinh vật gây bệnh do phân, nước tiểu và nước rửa chuồng, với nồng độ COD, BOD, NH4+, T-P vượt xa tiêu chuẩn quốc gia, gây ô nhiễm nghiêm trọng nếu không xử lý đúng cách.

  2. Phương pháp keo tụ hóa lý có ưu điểm gì trong xử lý nước thải chăn nuôi?
    Keo tụ giúp loại bỏ hiệu quả các hạt keo bền vững, giảm COD, SS, độ đục, độ màu và phốtpho, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình xử lý sinh học tiếp theo, tuy nhiên khả năng xử lý amoni còn hạn chế.

  3. Màng vi lọc polyme trong hệ MBR có vai trò gì?
    Màng vi lọc giúp loại bỏ chất rắn lơ lửng và sinh khối vi sinh, nâng cao hiệu quả xử lý, giảm thời gian lưu thủy lực và diện tích công trình, đồng thời cải thiện chất lượng nước đầu ra.

  4. Yếu tố nào ảnh hưởng lớn đến hiệu quả xử lý sinh học?
    Các yếu tố như pH (7-8,5), nhiệt độ (~35°C), nồng độ oxy hòa tan (DO > 2 mg/L), nồng độ bùn hoạt tính và thời gian lưu thủy lực ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động vi sinh vật và hiệu quả xử lý.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
    Cần thiết kế hệ thống xử lý phù hợp với quy mô trang trại, vận hành theo các thông số nghiên cứu, kết hợp đào tạo kỹ thuật và nâng cao nhận thức người chăn nuôi để đảm bảo hiệu quả và bền vững.

Kết luận

  • Nước thải chăn nuôi lợn tại Hà Nội có tải trọng ô nhiễm rất cao, vượt nhiều lần tiêu chuẩn quốc gia về COD, BOD, NH4+, T-P và vi sinh vật gây bệnh.
  • Phương pháp keo tụ hóa lý với phèn sắt ở pH ~8 và nồng độ 1000 mg/L đạt hiệu quả xử lý cao các chỉ tiêu COD, SS, độ đục, độ màu và phốtpho, nhưng xử lý amoni còn hạn chế.
  • Hệ thống xử lý sinh học kết hợp màng vi lọc polyme (MBR) đạt hiệu suất xử lý COD trên 85% và amoni trên 90%, cải thiện đáng kể chất lượng nước thải sau keo tụ.
  • Kiểm soát các yếu tố vận hành như pH, DO, nhiệt độ và thời gian lưu thủy lực là yếu tố then chốt để duy trì hiệu quả xử lý ổn định.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp công nghệ phù hợp để nâng cao hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

Hành động tiếp theo: Triển khai thử nghiệm quy mô lớn hệ thống xử lý kết hợp keo tụ và MBR tại các trang trại chăn nuôi; đào tạo kỹ thuật viên vận hành; xây dựng hướng dẫn kỹ thuật và chính sách hỗ trợ áp dụng công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi tiên tiến.