Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Cơ sở khoa học của đề tài 1. Cơ sở lý luận Theo đánh giá của Tổ chức Nông Lương Thế giới (FAO), Châu Á sẽ trở thành khu vực sản xuất và tiêu dùng các sản phẩm chăn nuôi lớn nhất. Chăn nuôi Việt Nam, giống như các nước trong khu vực phải duy trì mức tăng trưởng cao nhằm đáp ứng đủ nhu cầu tiêu dùng trong nước và từng bước hướng tới xuất khẩu.
Trong thời gian qua, ngành chăn nuôi của nước ta phát triển với tốc độ nhanh, bình quân giai đoạn 2001 - 2006 đạt 8,9%. Trong số các nước thuộc khối Asean, Việt Nam là nước chịu áp lực về đất đai lớn nhất. Tốc độ tăng dân số và quá trình đô thị hóa đã làm giảm diện tích đất nông nghiệp. Để đảm bảo an toàn về lương thực và thực phẩm, biện pháp duy nhất là thâm canh chăn nuôi trong đó chăn nuôi lợn là một thành phần quan trọng trong định hướng phát triển.
Trong những năm gần đây, ngành chăn nuôi lợn phát triển với tốc độ rất nhanh nhưng chủ yếu là tự phát và chưa đáp ứng được các tiêu chuẩn kỹ thuật về chuồng trại và kỹ thuật chăn nuôi. Do đó, năng suất chăn nuôi thấp và gây ô nhiễm môi trường một cách trầm trọng. Ô nhiễm môi trường không những ảnh hưởng đến sức khỏe vật nuôi, năng suất chăn nuôi mà còn ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe con người và môi trường sống xung quanh. Mỗi năm ngành chăn nuôi gia súc gia cầm thải ra khoảng 75 - 85 triệu tấn phân, với phương thức sử dụng phân chuồng không qua xử lý ổn định và nước thải không qua xử lý xả trực tiếp ra môi trường gây ô nhiễm nghiêm trọng [3].
Cho đến nay, chưa có một báo cáo nào đánh giá chi tiết và đầy đủ về ô nhiễm môi trường do ngành chăn nuôi gây ra. Theo báo cáo tổng kết của Viện Chăn nuôi, hầu hết các hộ chăn nuôi đều để nước thải chảy tự do ra môi n 6 trường xung quanh gây mùi hôi thối nồng nặc, đặc biệt là vào những ngày oi bức. Nồng độ khí H2S và NH3 cao hơn mức cho phép khoảng 30 - 40 lần. Tổng số vi sinh vật và bào tử nấm cũng cao hơn mức cho phép rất nhiều lần.
Ngoài ra nước thải chăn nuôi còn có chứa COD, coliform, e., và trứng giun sán cao hơn rất nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép. Khả năng hấp thụ Nitơ và Photpho của gia súc, gia cầm rất kém, nên khi thức ăn có chứa Nitơ và Photpho vào thì chúng sẽ bị bài tiết theo phân và nước tiểu. Trong nước thải chăn nuôi thường chứa hàm lượng Nitơ và Photpho rất cao. [14] Theo Jongbloed và Lenis (1992), đối với lợn trưởng thành, khi ăn vào 100g Nitơ thì: 30g giữ lại cơ thể, 50g bài tiết ra ngoài theo nước tiểu dưới dạng ure, còn 20g ở dạng phân Nitơ vi sinh khó phân hủy và an toàn cho môi trường.
Nitơ bài tiết ra ngoài theo nước tiểu và phân dưới dạng ure, sau đó ure sẽ tiết ra enzime ureaza chuyển hóa ure thành NH3, NH3 phát tán vào không khí gây mùi hôi hoặc khuếch tán vào nước làm ô nhiễm nguồn nước. Nồng độ NH3 trong nước thải phụ thuộc vào lượng urê trong nước tiểu và pH của nước thải. Khi pH tăng, NH4+ sẽ chuyển thành NH3. Ngược lại, khi pH giảm, NH3 chuyển thành NH4+.
Hợp chất nitơ bền và không có hậu quả xấu với môi trường là khí N2. Xử lý hợp chất Nito trong nước thải với mục tiêu cao nhất về phương diện công nghệ là chuyển chúng về dạng khí nitơ N2. Khả năng loại bỏ N, P qua các quá trình xử lý nước thải: - Trong quá trình xử lý sơ bộ lắng, nồng độ N giảm khoảng 5-10% do hợp chất N được giữ lại ở trong các hợp chất lắng. - Trong quá trình xử lý yếm khí quá trình oxy hóa amoni hầu như không diễn ra chỉ một phần nhỏ tham gia tổng hợp sinh khối.
Trong quá trình yếm khí chỉ chuyển hóa từ dạng N-hữu cơ về dạng N-vô cơ qua quá trình thủy phân. n 7 - Trong quá trình xử lý hiếu khí so với quá trình phân hủy COD thì quá trình oxy hóa N-amoni thành Nitrit và Nitrat diễn ra chậm hơn nhiều. Như vậy đối với nước thải chăn nuôi lợn có hàm lượng N, P cao – thành phần N, P luôn dư so với nhu cầu tổng hợp tế bào. Vậy cần có quá trình thiếu khí để thực hiện quá trình khử nitrat.
Hiệu quả xử lý N bằng các công trình xử lý thông thường Đơn vị công nghệ Hiệu quả xử lý (%) Nhữa cơ N-NH4+ N-NO3- Tổng N Lắng 1 10 – 20 - - 5 – 10 Xử lý bậc 2 10 - 50 <10 ít 10 - 30 Tổng hợp tế bào - 40-70 ít 3-70 Nitrat hóa ít ->NO3- ít 5-20 Khử Nitrat - - 80-90 70-95 Hồ oxy hóa ít Bay hơi ít nitrat 20-90 (Nguồn: Trần Thanh Hải (2009). Giải pháp công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học phù hợp với điều kiện Việt Nam) Trong quá trình xử lý nước thải luôn tồn tại nhiều chủng loại VSV có khả năng cùng sống trong một môi trường. Tỷ lệ của các loại VSV trong quần thể phụ thuộc vào thành phần nước thải. Trong cùng điều kiện hiếu khí, tỷ lệ VSV hiếu khí dị dưỡng (oxy hóa Chữa cơ) và loại VSV hiếu khí tự dưỡng (oxy hóa NH4+), tỷ lệ các VSV trên phụ thuộc vào tỷ lệ BOD/N được thể hiện trong bảng sau: Bảng 1.
Ảnh hưởng của tỷ lệ BOD/T-N đến (%) VSV tự dưỡng trong hệ hiếu khí Tỷ lệ BOD/TKN Vi sinh vật tự Tỷ lệ BOD/TKN Vi sinh vật tự dưỡng (%) dưỡng (%) 0,5 35,0 5 5,4 1 21,0 6 4,3 2 12,0 7 3,7 3 8,3 8 3,3 4 6,4 9 2,9 (Nguồn: Mecalf & Eddy. Wastewater engineering, Treatment, disposal and reuse.) n 8 Cơ sở lý thuyết loại bỏ hợp chất N trong nước thải: Quá trình khử hợp chất N có thể được sơ đồ hóa như sau: NH4+ Nước nước NH4+ ( → NO2- → NO3-) (→ NO2 → N2 ) Amôn Nitrat hóa Khử nitrat hoá N-hữu cơ Hình 1.1: Sơ đồ quá trình khử hợp chất N 1. Quá trình oxy hóa amoni Quá trình oxy hóa NH4+ thành nitrat xảy ra theo 2 bậc: NH4+ + 1,5 O2 → NO2- + 2 H+ + H2O (1-1) NO2- + 0,5 O2 → NO3- (1-2) NH4+ + 2 O2 → NO3- + 2 H+ + H2O (1-3) Phản ứng (1-1), (1-2) được thực hiện do chủng VSV tự dưỡng Nitrosomonas và Nitrobacter. Năng lượng sinh ra từ hai phản ứng trên được VK sử dụng để tổng hợp tế bào, năng lượng thu được từ hai phản ứng trên là rất thấp: phản ứng (1-1) là 57kcal/mol, phản ứng (1-2) là 19 kcal/mol thấp hơn rất nhiều so với quá trình phân hủy các chất hữu cơ do VSV hiếu khí thực hiện [5].
Do đó hiệu suất tăng sinh khối của VSV tự dưỡng thấp. Có khoảng 20-40% NH4+ được tiêu thụ trong quá trình tổng hợp tế bào. Phản ứng tổng hợp sinh khối có thể viết như sau: 4 CO2 + HCO3- + NH4+ + H2O → C5H7O2N(tế bào vi khuẩn) + 5 O2 Công thức tổng hợp mô tả sự oxy hóa và tổng hợp tế bào : 1,02NH4++1,89O2+2,02HCO3- → 0,021C5H7NO2 + 1,06 H2O+ 1,92 H2CO3 + NO3- Oxy hóa amoni bao gồm 2 phản ứng kế tiếp nhau nên tốc độ oxy hóa của quá trình bị khống chế bởi giai đoạn có tốc độ thấp hơn. Tốc độ phát triển của Nitrosomonas chậm hơn Nitrobacter do đó nồng độ NO2- thấp hơn trong giai đoạn ổn định.
Vì vậy trong quá trình động học người ta chỉ sử dụng các thông n 9 số liên quan đến vi khuẩn Nitrosomonas để đặc trưng cho quá trình oxy hóa amoni. Tốc độ phát triển của VSV tự dưỡng tuân theo quy luật động học của Monod. Yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phát triển của VSV tự dưỡng là nồng độ NH4+ và DO. S N + K N DO + K DO Trong đó: µ: hằng số phát triển riêng của VSV tự dưỡng µm: hằng số phát triển cực đại của VSV tự dưỡng SN: nồng độ NH4+ DO: nồng độ oxy hòa tan KN: hằng số bán bão hòa của NH4+ KDO: hằng số bán bão hòa của oxy Phương trình trên có 3 thông số động học (µm, KN, KDO), các thông số (KN, KDO) được xác định bằng thực nghiệm KN=0,256-1,84mgN-NH4+/l, KDO=0,15-2,0 mgO2/l. Tại nhiệt độ 200C nên chọn KN=1,0 mgN-NH4+/l, KDO=0,4mgO2/l [5].
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phát triển của VSV tự dưỡng: + DO: DO cần thiết cho quá trình nitrat hoá xảy ra ít nhất là 0,3 mg/l (Downing và Scragg, 1958). Tốc độ nitrat hoá đối với Nitrosomonas không phụ thuộc vào DO nếu DO>1mg/l và đối với Nitrobacter khi DO>2mg/l (Schoberl và Angel, 1964). Theo Boon và Laudeluot (1962) nghiên cứu tốc độ sinh trưởng của Nitrobacter ở DO=1 mg/l và DO bão hoà ở nhiệt độ 30 - 350C cho thấy: ở DO = 1mg/l tốc độ sinh trưởng bằng 97%, 80%, 70%, 58% ở DO bão hoà; tương ứng với các nhiệt độ 20; 23,7; 29; 350C. Các nghiên cứu trên thể hiện ảnh hưởng của DO đến quá trình nitrat hóa.
n 10 + pH: giá trị pH thích hợp là từ 7,6-8,6; khi pH<6,2 hoặc pH>10 sẽ ức chế hoàn toàn quá trình hoạt động của VSV. Ảnh hưởng của pH lên tốc độ phát triển riêng cực đại của VSV tự dưỡng: µn,pH = µn,7,2. Tốc độ nitrat hoá đối với Nitrobacter ở pH=6,5 bằng 60% tốc độ ở pH=7,5 (Boon và Laudelout, 1962). Khi sử dụng các mẻ vi sinh nuôi cấy chưa thích nghi cho thấy tốc độ nitrat hoá ở pH=6,9 bằng 84% tốc độ ở pH=7,0 ở 200C.
Tốc độ nitrat hoá ở pH=6,8 bằng 42% tốc độ ở pH=7,8 tại 150C, ở nhiệt độ thấp hơn thì ảnh hưởng của pH nhiều hơn (Antoniou và cs. Tốc độ sinh trưởng riêng cực đại được phục hồi sau khi thích nghi với pH thấp hơn và thích nghi hoàn toàn sau 10 ngày khi pH giảm từ 7 – 6 trong các quá trình sinh trưởng dính bám (Stankwich, 1972; Haug và McCathy, 1972). + Nhiệt độ: Tốc độ sinh trưởng riêng cực đại của vi khuẩn nitrat hoá suy giảm khi giảm nhiệt độ. Một số nghiên cứu đề xuất mối quan hệ giữa nhiệt độ và tốc độ sinh trưởng riêng cực đại của VSV tự dưỡng được thể hiện trong bảng sau: Bảng 1.
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật nitrat hóa [5] Nguồn µn,max theo nhiệt µn,max theo nhiệt độ độ 100C 150C 200C Downing (1964) 0,47.e0,0729(T-15) 0,12 0,18 0,26 n 11 Nhiệt độ ảnh hưởng đến hệ số bán bão hòa Kn của quá trình nitrat hóa: - Theo (Knowles và cs,1965) mối quan hệ giữa Kn và nhiệt độ: Kn = 10(0,051.