Nghiên Cứu Xử Lý Nước Thải Giết Mổ và Chế Biến Thịt Gia Súc Bằng Mô Hình EGSB Sử Dụng Polyvinyl Alcohol

• Tác giả: Nguyễn Đăng Chính
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Tấn Phong
• Trường học: Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Công nghệ Môi trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Xử Lý Nước Thải Giết Mổ và Chế Biến Thịt Gia Súc Bằng Mô Hình EGSB Sử Dụng Polyvinyl Alcohol
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 1.2. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.3. MỤC TIỂU NGHIÊN CỨU
• 1.4. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
• 2.1. TỔNG QUAN VỀ NGÀNH CÔNG NGHIỆP GIẾT MỔ VÀ CHẾ BIẾN THỊT GIA SÚC
• 2.2. TỔNG QUAN VỀ BỂ PHẢN ỨNG BÙN HẠT GIÃN NỞ (EGSB) VÀ BÙN HẠT KỴ KHÍ
• 2.2.1. Giới thiệu về bể phản ứng Upflow Anaerobic Sludge Bed (UASB)
• 2.2.2. Giới thiệu về bể phản ứng bùn kỵ khí giãn nở (EGSB)
• 2.2.3. Quá trình phân hủy kỵ khí. Lý thuyết bùn hạt kỵ khí
• 3. CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.1. Mô hình thí nghiệm. Bùn nuôi cây ban đầu
• 3.2. Giá thể
• 3.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 3.3.1. Quy trình vận hành thí nghiệm
• 3.3.2. Phương pháp lấy mẫu và phân tích mẫu
• 3.3.3. Phương pháp xác định sinh khối
• 3.3.4. Phương pháp tính toán và xử lý số liệu
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH
• 4.2. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA HAI MÔ HÌNH EGSB
• 4.2.1. Hiệu quả loại bỏ COD
• 4.2.2. Đánh giá sự ổn định của mô hình
• 4.2.3. Đánh giá sinh khối trong quá trình vận hành
• 4.2.4. Đánh giá vận tốc lắng của 2 mô hình EGSB
• 4.2.5. Đánh giá vận tốc dòng chảy ngược đối với lúc khởi động chạy thích nghi và tải trong ban đầu đối với mô hình có giá thể PVA
• 4.2.6. Đánh giá các yếu tố khác ảnh hưởng đến quá trình xử lý của mô hình
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Xử Lý Nước Thải Giết Mổ EGSB PVA

Nghiên cứu xử lý nước thải giết mổ và chế biến thịt gia súc là một vấn đề cấp thiết, đặc biệt tại các nước đang phát triển. Lượng nước tiêu thụ lớn và nước thải ô nhiễm cao từ các lò mổ gây áp lực lên môi trường. Các phương pháp xử lý kỵ khí, đặc biệt là mô hình EGSB, đang được xem là giải pháp hiệu quả về chi phí. Nghiên cứu này tập trung vào việc tăng cường hiệu quả của EGSB bằng cách sử dụng polyvinyl alcohol (PVA) làm giá thể, nhằm nâng cao khả năng xử lý chất hữu cơ. Mục tiêu là đánh giá khả năng chịu tải và hiệu quả của mô hình trong điều kiện thực tế, so sánh với các công nghệ hiện có. Đề tài có ý nghĩa khoa học và thực tiễn, góp phần vào việc giải quyết vấn đề ô nhiễm nước thải từ ngành công nghiệp chế biến thịt.

1.1. Tầm Quan Trọng của Xử Lý Nước Thải Giết Mổ Gia Súc

Ngành công nghiệp giết mổ gia súc tạo ra lượng nước thải lớn, chứa nhiều chất ô nhiễm như chất hữu cơ (COD, BOD), nitơ, phospho và chất rắn lơ lửng (SS). Theo FAO (1993), thịt gia súc và gia cầm chiếm gần 93% tổng sản lượng thịt toàn cầu, cho thấy quy mô lớn của ngành. Nước thải này nếu không được xử lý đúng cách sẽ gây ra các vấn đề nghiêm trọng cho môi trường và sức khỏe cộng đồng, bao gồm ô nhiễm nguồn nước và lây lan dịch bệnh.

1.2. Giới Thiệu Công Nghệ EGSB và Ưu Điểm Vượt Trội

Công nghệ EGSB (Expanded Granular Sludge Bed) là một cải tiến của công nghệ UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), được phát triển bởi Giáo sư Lettinga vào năm 1983. EGSB có ưu điểm vượt trội so với UASB như giảm thiểu vùng chết, tăng cường tiếp xúc giữa nước thải và bùn, và khả năng xử lý tải trọng cao hơn. Quá trình này đặc biệt phù hợp cho việc xử lý nước thải có nồng độ chất hữu cơ cao, như nước thải chế biến thịt gia súc.

1.3. Vai Trò của Polyvinyl Alcohol PVA trong Xử Lý EGSB

Polyvinyl alcohol (PVA) được sử dụng làm giá thể trong hệ thống EGSB để tăng cường sự hình thành bùn hạt và cải thiện hiệu quả xử lý. PVA có cấu trúc lỗ rỗng, cung cấp diện tích bề mặt lớn cho vi sinh vật bám dính và phát triển. Trọng lượng riêng của PVA gần với nước, giúp bùn hạt dễ dàng lơ lửng và tiếp xúc với nước thải, đồng thời ngăn ngừa hiện tượng rửa trôi bùn. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá hiệu quả của EGSB-PVA trong việc xử lý nước thải lò mổ.

II. Thách Thức Ô Nhiễm Nước Thải Giết Mổ Chế Biến Thịt

Ngành công nghiệp giết mổ và chế biến thịt tạo ra lượng lớn nước thải với đặc trưng ô nhiễm cao, bao gồm hàm lượng chất hữu cơ (COD, BOD) lớn, chất rắn lơ lửng (SS), dầu mỡ và các chất dinh dưỡng như nitơ và phospho. Sự hiện diện của máu, protein và các chất thải từ động vật làm tăng tải trọng hữu cơ và gây khó khăn cho quá trình xử lý. Nếu không được xử lý hiệu quả, nước thải giết mổ sẽ gây ra ô nhiễm nguồn nước, ảnh hưởng đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Vấn đề này đặc biệt nghiêm trọng ở các cơ sở giết mổ nhỏ lẻ và các nhà máy chưa có hệ thống xử lý nước thải hoàn chỉnh.

2.1. Đặc Tính Nước Thải Giết Mổ và Chế Biến Thịt Gia Súc

Nước thải từ các nhà máy giết mổ và chế biến thịt gia súc có các đặc tính ô nhiễm đặc trưng. Theo tài liệu, nước thải này có hàm lượng BOD và COD cao, thường vượt quá tiêu chuẩn cho phép. Nồng độ chất rắn lơ lửng (SS) và dầu mỡ cũng rất đáng kể. Ngoài ra, nước thải còn chứa các chất dinh dưỡng như nitơ và phospho, có thể gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa nguồn nước. Bảng 2-2 trong tài liệu gốc thể hiện tính chất nước thải công ty giết mổ VISSAN.

2.2. Các Nguồn Gây Ô Nhiễm Trong Quá Trình Giết Mổ Chế Biến

Các nguồn gây ô nhiễm nước thải trong quá trình giết mổ và chế biến thịt rất đa dạng. Quá trình làm sạch và sơ chế thịt tạo ra nước thải chứa máu, lông, và các chất thải rắn khác. Quá trình chế biến thực phẩm như làm xúc xích, thịt nguội và đồ hộp cũng thải ra nước thải chứa các chất phụ gia, gia vị và các thành phần hữu cơ khác. Việc vệ sinh nhà xưởng và thiết bị cũng đóng góp vào lượng nước thải ô nhiễm.

2.3. Tác Động Môi Trường và Y Tế Do Nước Thải Chưa Xử Lý

Nước thải giết mổ chưa qua xử lý gây ra nhiều tác động tiêu cực đến môi trường và sức khỏe cộng đồng. Ô nhiễm nguồn nước có thể dẫn đến suy thoái hệ sinh thái, giảm đa dạng sinh học và ảnh hưởng đến chất lượng nước sinh hoạt. Các chất ô nhiễm trong nước thải cũng có thể gây ra các bệnh truyền nhiễm và các vấn đề sức khỏe khác cho con người. Việc xử lý hiệu quả nước thải là cần thiết để bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.

III. Phương Pháp EGSB PVA Giải Pháp Xử Lý Nước Thải Ưu Việt

Việc áp dụng mô hình EGSB kết hợp với giá thể PVA mang lại giải pháp hiệu quả cho việc xử lý nước thải giết mổ. EGSB tạo điều kiện tối ưu cho quá trình phân hủy kỵ khí chất hữu cơ, trong khi PVA tăng cường sự hình thành bùn hạt và khả năng bám dính của vi sinh vật. Sự kết hợp này giúp tăng hiệu quả xử lý COD, giảm thời gian lưu nước và ổn định hệ thống. EGSB-PVA có tiềm năng lớn trong việc thay thế các phương pháp xử lý nước thải truyền thống, đặc biệt ở các cơ sở giết mổ và chế biến thịt.

3.1. Cơ Chế Hoạt Động của Mô Hình EGSB với Giá Thể PVA

Trong mô hình EGSB, nước thải được đưa vào từ đáy bể và chảy ngược lên trên qua lớp bùn hạt. Các vi sinh vật kỵ khí trong bùn hạt phân hủy chất hữu cơ thành biogas (chủ yếu là methane và carbon dioxide). Giá thể PVA cung cấp bề mặt cho vi sinh vật bám dính và phát triển, tạo thành bùn hạt lớn hơn và nặng hơn. Vận tốc dòng chảy ngược giữ cho bùn hạt lơ lửng, tăng cường tiếp xúc giữa vi sinh vật và chất ô nhiễm. Cơ chế này giúp tối ưu hóa quá trình phân hủy kỵ khí và tăng hiệu quả xử lý.

3.2. Ưu Điểm của PVA so với Các Giá Thể Sinh Học Khác

PVA có nhiều ưu điểm so với các giá thể sinh học khác trong xử lý nước thải. PVA có cấu trúc lỗ rỗng, cung cấp diện tích bề mặt lớn cho vi sinh vật bám dính. Nó có khả năng giữ nước tốt, tạo môi trường ẩm ướt cho vi sinh vật phát triển. PVA cũng có độ bền cơ học cao và khả năng chống chịu các điều kiện khắc nghiệt của môi trường xử lý nước thải. Đặc biệt, PVA không độc hại và có thể phân hủy sinh học, không gây ô nhiễm thứ cấp.

3.3. Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Hiệu Quả Xử Lý của EGSB PVA

Hiệu quả xử lý nước thải của EGSB-PVA phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Tải trọng hữu cơ (OLR) là một yếu tố quan trọng, ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy chất hữu cơ. pH, nhiệt độ và thành phần dinh dưỡng của nước thải cũng ảnh hưởng đến hoạt động của vi sinh vật. Vận tốc dòng chảy ngược và thời gian lưu nước cần được điều chỉnh để đảm bảo sự tiếp xúc tối ưu giữa bùn hạt và nước thải. Việc kiểm soát các yếu tố này là cần thiết để duy trì hiệu quả xử lý ổn định.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Thực Nghiệm EGSB Xử Lý Nước Thải

Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trên hai mô hình EGSB, một có sử dụng giá thể PVA và một không. Nước thải được lấy từ bể cân bằng của một công ty giết mổ và chế biến thịt gia súc. Kết quả cho thấy mô hình EGSB-PVA có hiệu quả xử lý cao hơn và ổn định hơn so với mô hình không có PVA, đặc biệt ở các tải trọng hữu cơ khác nhau. Nghiên cứu đã chứng minh vai trò của PVA trong việc tăng cường sự hình thành bùn hạt và cải thiện hiệu quả xử lý COD.

4.1. So Sánh Hiệu Quả Xử Lý COD Giữa Hai Mô Hình EGSB

Kết quả nghiên cứu cho thấy mô hình EGSB với PVA có hiệu quả xử lý COD cao hơn đáng kể so với mô hình EGSB thông thường. Hiệu suất loại bỏ COD của mô hình EGSB-PVA ổn định hơn, ngay cả khi tải trọng hữu cơ thay đổi. Điều này chứng tỏ PVA có khả năng tăng cường khả năng chịu tải và ổn định của hệ thống xử lý nước thải. Hình 4-1 trong tài liệu gốc biểu diễn sự thay đổi COD đầu vào và đầu ra của hai mô hình.

4.2. Đánh Giá Sự Ổn Định của Mô Hình EGSB PVA Theo Thời Gian

Một trong những ưu điểm của mô hình EGSB-PVA là sự ổn định trong quá trình vận hành. Nghiên cứu đã đánh giá sự ổn định của mô hình bằng cách theo dõi các thông số như pH, độ kiềm và nồng độ VFA (acid béo dễ bay hơi). Kết quả cho thấy mô hình EGSB-PVA duy trì các thông số này ổn định hơn so với mô hình EGSB thông thường, cho thấy khả năng chống chịu tốt hơn đối với các biến động trong nước thải.

4.3. Ảnh Hưởng của Tải Trọng Hữu Cơ Đến Hiệu Quả Xử Lý EGSB PVA

Nghiên cứu đã khảo sát ảnh hưởng của tải trọng hữu cơ (OLR) đến hiệu quả xử lý của mô hình EGSB-PVA. Kết quả cho thấy mô hình có khả năng xử lý hiệu quả COD ở nhiều mức tải trọng khác nhau, từ 0.5 kgCOD/m3.ngày đến 8 kgCOD/m3.ngày. Tuy nhiên, khi tải trọng quá cao, hiệu quả xử lý có thể giảm. Việc điều chỉnh tải trọng phù hợp là quan trọng để duy trì hiệu quả của hệ thống.

V. Kết Luận Triển Vọng Ứng Dụng EGSB PVA Rộng Rãi

Nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của việc sử dụng mô hình EGSB kết hợp với giá thể PVA trong việc xử lý nước thải giết mổ. EGSB-PVA có khả năng xử lý COD cao hơn và ổn định hơn so với EGSB thông thường. Kết quả này mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi công nghệ EGSB-PVA trong các cơ sở giết mổ và chế biến thịt, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng. Cần có thêm nghiên cứu để tối ưu hóa các thông số vận hành và giảm chi phí xử lý.

5.1. Tổng Kết Ưu Điểm Vượt Trội của Mô Hình EGSB PVA

Mô hình EGSB-PVA mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các phương pháp xử lý nước thải khác. Nó có hiệu quả xử lý COD cao, khả năng chịu tải lớn, hoạt động ổn định và dễ vận hành. PVA giúp tăng cường sự hình thành bùn hạt và giảm thiểu nguy cơ rửa trôi bùn. EGSB-PVA cũng có tiềm năng thu hồi biogas, một nguồn năng lượng tái tạo. Những ưu điểm này làm cho EGSB-PVA trở thành một lựa chọn hấp dẫn cho xử lý nước thải trong ngành công nghiệp chế biến thực phẩm.

5.2. Đề Xuất Cải Tiến và Nghiên Cứu Mở Rộng trong Tương Lai

Để nâng cao hơn nữa hiệu quả xử lý và giảm chi phí vận hành của mô hình EGSB-PVA, cần có thêm nghiên cứu để tối ưu hóa các thông số như tỉ lệ PVA, vận tốc dòng chảy ngược và thời gian lưu nước. Cần nghiên cứu các phương pháp xử lý bùn thải và thu hồi biogas hiệu quả hơn. Cần đánh giá hiệu quả xử lý của EGSB-PVA đối với các loại nước thải khác nhau và trong điều kiện thực tế. Các nghiên cứu này sẽ giúp mở rộng ứng dụng của công nghệ EGSB-PVA trong xử lý nước thải.

5.3. Ứng Dụng Thực Tiễn và Tiềm Năng Tái Sử Dụng Nước Thải

Mô hình EGSB-PVA có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các cơ sở giết mổ và chế biến thịt. Nước thải sau xử lý có thể được tái sử dụng cho các mục đích không yêu cầu chất lượng cao, như tưới cây hoặc rửa nhà xưởng. Việc tái sử dụng nước thải giúp giảm thiểu lượng nước tiêu thụ và tiết kiệm chi phí. Công nghệ EGSB-PVA cũng có thể được tích hợp với các công nghệ xử lý nước thải khác để đạt được chất lượng nước đầu ra cao hơn, đáp ứng các tiêu chuẩn nghiêm ngặt.

VI. Các yếu tố khác ảnh hưởng đến quá trình xử lý EGSB

Quá trình xử lý nước thải bằng EGSB chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, bao gồm pH, nhiệt độ, nồng độ các chất dinh dưỡng (N, P) và sự hiện diện của các chất ức chế. Việc kiểm soát các yếu tố này là rất quan trọng để đảm bảo quá trình phân hủy kỵ khí diễn ra hiệu quả và ổn định. Thay đổi đột ngột về pH hoặc nhiệt độ có thể ức chế hoạt động của vi sinh vật và làm giảm hiệu quả xử lý.

6.1. Kiểm soát pH và độ kiềm trong quá trình EGSB

pH là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hoạt động của vi sinh vật trong quá trình xử lý kỵ khí. pH tối ưu cho quá trình này thường nằm trong khoảng từ 6.5 đến 7.5. Độ kiềm đóng vai trò như một chất đệm, giúp duy trì pH ổn định và ngăn ngừa sự dao động đột ngột. Việc bổ sung các chất kiềm như bicarbonate hoặc carbonate có thể cần thiết để duy trì pH thích hợp trong bể EGSB.

6.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất EGSB

Nhiệt độ là một yếu tố quan trọng khác ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng sinh học trong quá trình EGSB. Nhiệt độ tối ưu cho quá trình phân hủy kỵ khí thường nằm trong khoảng từ 30 đến 35°C (điều kiện mesophilic) hoặc từ 50 đến 60°C (điều kiện thermophilic). Ở nhiệt độ quá thấp hoặc quá cao, hoạt động của vi sinh vật sẽ bị ức chế và hiệu quả xử lý sẽ giảm. Việc duy trì nhiệt độ ổn định là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất của bể EGSB.

6.3. Tác động của các chất ức chế quá trình kỵ khí

Một số chất có thể ức chế quá trình phân hủy kỵ khí trong bể EGSB, bao gồm kim loại nặng, sulfide và ammonia. Nồng độ cao của các chất này có thể gây độc cho vi sinh vật và làm giảm hiệu quả xử lý. Việc kiểm soát nguồn gốc và nồng độ của các chất ức chế này là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động ổn định của bể EGSB. Bảng 4-6 trong tài liệu gốc thể hiện ảnh hưởng của N(NH4+) đến quá trình phân hủy kỵ khí.