Đặt vấn đề Chăn nuôi một trong những ngành nông nghiệp quan trọng ở Việt Nam, cung cấp sản phẩm cho hơn 90 triệu dân. Quy mô chăn nuôi ngày càng mở rộng về quy mô lẫn phương thức sản xuất ngày càng chuyên nghiệp và bên cạnh đó là các vấn đề về ô nhiễm từ quá trình chăn nuôi đặc biệt là vấn đề nước thải. Theo các nghiên cứu gần đây thì thành phần các chất ô nhiễm như hữu cơ, mùi, chất hữu cơ, vi sinh vật gây bệnh và đặc biệt các chất dinh dưỡng như nitơ, photpho trong nước thải chăn nuôi có nồng độ rất cao và vượt nhiều lần so với QCVN. Nếu không được xử lý tốt sẽ ảnh hưởng lớn đến môi trường sinh thái xung quanh.
Hiện nay vấn đề khó khăn đối với nước thải chăn nuôi là nồng độ nitơ và photpho khá cao. Các công nghệ sinh học truyền thống thông thường không thể xử lý triệt để hai thành phần này trong nước thải chăn nuôi. Có một số công nghệ áp dụng thành công tuy nhiên chi phí đầu tư, xử lý khá cao, tốn nhiều diện tích đất cũng như khó khăn trong công tác vận hành. Năm 1995, các nhà khoa học đã khám phá ra một quá trình sinh học chuyển hóa nitơ mới, để xử lý nước thải có nồng độ nitơ cao với nồng độ C/N thấp (Hellinga và cộng sự, 1998).
Đó là quá trình Anammox. Amoni được oxy hóa bởi nitrite trong điều kiện kị khí, không cần cung cấp chất hữu cơ, để tạo thành nitơ phân tử. Phương pháp xử lý nitơ bằng Anammox là phương pháp kết hợp hai quá trình nitrate hóa bán phần và quá trình Anammox. Công nghệ này có nhiều ưu điểm so với quá trình xử lý nitơ bằng phương pháp sinh học thông thường như tốc độ phản ứng nhanh hơn, diện tích bể xử lý nhỏ hơn và tiết kiệm chi phí thổi khí cũng như nguồn cacbon cần phải bổ sung khi nước thải có chỉ tỷ lệ C/N thấp.
Hiệu quả xử lý nitơ của quá trình Anammox phụ thuộc rất lớn vào quá trình nitrate hóa bán phần (Partial nitrification) vì dòng vào của quá trình Anammox phải có tỷ lệ NH4+:NO2- trong khoảng 1:1 đến 1:1. Chính vì vậy nghiên cứu đánh giá và tối ưu hóa quá trình nitrate hóa bán phần là vô cùng quan trọng đối với công nghệ xử lý nitơ kết hợp quá trình nitrate hóa bán phần và quá trình Anammox. 2 Đề tài nghiên cứu này nhằm mục tiêu sử dụng công nghệ màng phẳng để thực hiện quá trình nitrate hóa bán phần các hợp chất nitơ trong nước thải chăn nuôi. Đây cũng là một hướng tiếp cận mới trong nghiên cứu quá trình nitrate hóa bán phần và cần thiết trước khi kết nối với quá trình Anammox xử lý triệt để thành phần nitơ trong nước thải chăn nuôi.
Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu thông số thiết kế và vận hành thích hợp cho quá trình nitrate hóa bán phần sử dụng công nghệ MBR màng phẳng xử lý nước thải chăn nuôi. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là nước thải chăn nuôi heo từ trang trại chăn nuôi heo xã Bà Điểm, huyện Hóc Môn, thành phố Hồ Chí Minh, nước thải được lấy sau bể biogas của trang trại. Nội dung nghiên cứu Để đáp ứng các mục tiêu nghiên cứu, 2 nội dung sau được tiến hành: - Theo dõi đánh giá các thông số thiết kế gồm xác định HRT và tải trọng nitơ phù hợp, theo dõi hiệu quả khử COD và diễn biến thành phần nitơ trong nước thải. - Kiểm soát các thông số vận hành bao gồm: Độ kiềm, pH và DO.
Ý nghĩa khoa học Về khoa học quá trình nitrate hóa bán phần kết hợp với quá trình Anmmox là một trong những công nghệ mới được nghiên cứu gần đây trên thế giới. Hiện nay quá trình này từng bước được nghiên cứu hoàn thiện đối với nhiều đối tượng nước thải khác nhau. Chính vì vậy nghiên cứu này là cần thiết nhằm cung cấp thêm cơ sở khoa học trong việc xử lý nước thải chăn nuôi. Kết quả của đề tài cũng là cơ sở để triển khai rộng rãi ứng dụng công nghệ này trong xử lý nước thải có hàm lượng hữu cơ, dinh dưỡng cao như nước thải chăn nuôi, nước thải thủy sản, thực phẩm và một số ngành nghề khác…với chi phí đầu tư, vận hành thấp, đem lại nhiều hiệu quả về kinh tế trong xử lý các thành phần ô nhiễm.
Ý nghĩa thực tiễn Hiện nay nghiên cứu ứng dụng công nghệ xử lý nước thải có thành phần dinh dưỡng cao với chi phí thấp là nhu cầu vô cùng cấp thiết ở nước ta và đặc biệt đối với nước thải từ các trang trại chăn nuôi. Nghiên cứu này thực hiện thành công sẽ mở ra tiềm năng ứng dụng công nghệ mới này trong việc xử lý các loại nước thải có hàm lượng ô nhiễm nitơ cao nói chung và nước thải chăn nuôi nói riêng. Tính mới của đề tài Quá trình nitrate hóa bán phần được nghiên cứu rất nhiều trong thời gian gần đây trên thế giới, tuy nhiên phần lớn tập trung nghiên cứu trên nước thải nhân tạo, có rất ít nghiên cứu trên nước thải thực tế. Nghiên cứu này ứng dụng công nghệ màng phẳng cho quá trình nitrate hóa bán phần trên nước thải chăn nuôi đây là một nghiên cứu hoàn toàn mới trên thế giới.
4 CHƯƠNG II TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2. Tổng quan ngành chăn nuôi 2. Hiện trạng ngành chăn nuôi heo Theo kết quả điều tra chăn nuôi tại thời điểm 01/4/2011, đàn trâu cả nước có 2,8 triệu con, đàn bò có 5,7 triệu con, đàn lợn có 26,3 triệu con; đàn gia cầm có 293,7 triệu con (Tổng cục thống kê, 2011). Đây là một trong những ngành quan trọng trong nông nghiệp đem lại thu nhập cho hàng triệu hộ dân và đồng thời cung cấp một lượng lớn thực phẩm cho nhu cầu tiêu thụ của hơn 90 triệu dân.
Do nhu cầu ngày càng gia tăng nên số lượng đàn gia súc gia tăng nhanh chóng và hàng loạt các trang trại chăn nuôi quy mô lớn lần lượt ra đời. Theo kết quả tổng hợp sơ bộ năm 2011 cả nước có hơn 6200 trang trại chăn nuôi tập trung chủ yếu ở khu vực Đông Nam Bộ và Đồng bằng sông Hồng. Các loại trang trại phân theo vùng, thời điểm 01/7/2011 (BCĐ, 2011) Tổng số Chia theo loại trang trại trang Trồng Chăn Lâm Nuôi trồng Tổng trại trọt nuôi nghiệp thủy sản hợp Số lượng trang trại cả 20.433 737 nước Đồng bằng sông Hồng 3.396 3 923 145 Trung du và miền núi 587 38 506 6 21 16 phía Bắc Bắc Trung Bộ và duyên 1.747 756 512 38 258 183 hải miền Trung Tây Nguyên 2.138 366 0 9 15 Đông Nam Bộ 5.844 4 55 52 Đồng bằng sông Cửu 6.167 326 Long Cơ cấu (%) cả nước 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 5 Đồng bằng sông Hồng 17,5 0,5 38,6 5,9 20,8 19,7 Trung du và miền núi 2,9 0,4 8,2 11,8 0,5 2,2 phía Bắc Bắc Trung Bộ và duyên 8,7 8,7 8,3 74,5 5,8 24,8 hải miền Trung Tây Nguyên 12,6 24,7 5,9 0,0 0,2 2,0 Đông Nam Bộ 26,9 39,8 29,7 7,8 1,2 7,1 Đồng bằng sông Cửu 31,4 25,9 9,3 0,0 71,5 44,2 Long 2. Định hướng phát triển ngành chăn nuôi ở Việt Nam Việt Nam là một trong những nước có dân số đông, nhằm đáp ứng nhu cầu thực phẩm cho người dân trong điều kiện diện tích đất dành cho chăn nuôi ngày càng thu hẹp, dịch bệnh ngày càng phổ biến vì vậy vấn đề thâm canh, gia tăng quy mô sản xuất, sản lượng, hình thành các mô hình chăn nuôi khép kín, thân thiện với môi trường đang được các cơ quan quản lý ưu tiên, khuyến khích phát triển.
Theo quyết định số 10/2008/QĐ-TTg ngày 16 tháng 1 năm 2008 của Thủ tướng chính phủ về việc phê duyệt chiến lược phát triển chăn nuôi đến năm 2020 thì: Mức tăng trưởng bình quân hơn 5%, tỷ trọng chăn nuôi trong nông nghiệp đến năm 2020 đạt trên 42%, trong đó năm 2010 đạt khoảng 32% và năm 2015 đạt 38%, Tổng đàn lợn tăng bình quân 2,0% năm, đạt khoảng 35 triệu con, trong đó đàn lợn ngoại nuôi trang trại, công nghiệp 37% và đến năm 2020 ngành chăn nuôi cơ bản chuyển sang sản xuất phương thức trang trại, công nghiệp, các cơ sở chăn nuôi, nhất là chăn nuôi theo phương thức trang trại, công nghiệp và cơ sở giết mổ, chế biến gia súc, gia cầm phải có hệ thống xử lý chất thải, bảo vệ và giảm ô nhiễm môi trường. Như vậy theo chiến lược phát triển của ngành thì nhu cầu cung cấp thực phẩm, sản phẩm từ chăn nuôi trong trương lai sẽ gia tăng rất nhanh và số lượng đàn gia súc, các trang trại cũng sẽ phát triển với quy mô lớn hơn nhằm đáp ứng nhu cầu của xã hội. Ô nhiễm từ ngành chăn nuôi Theo BCĐ (2011) trong ngành chăn nuôi thì ngành chăn nuôi lợn phát triển với tốc độ nhanh nhất và cũng là ngành phát sinh chất thải gây ô nhiễm môi trường nhiều nhất. Do hiện nay phần lớn trang trại, hệ thống chăn nuôi ở nước ta chủ yếu là tự phát, nhỏ lẻ và chưa đáp ứng được các tiêu chuẩn kỹ thuật về chuồng trại, kỹ thuật chăn nuôi nên gây ô nhiễm môi trường một cách trầm trọng.
Theo báo cáo của Viện chăn nuôi (2006); Cảnh T. (2005) thì phần lớn các trang trại chăn nuôi heo chưa có có hệ thống xử lý nước thải hoặc chỉ có hệ thống biogas, nồng độ khí H2S và NH3 môi trường xung quanh cao hơn mức cho phép khoảng 30-40 lần, nước thải chăn nuôi còn chứa một lượng lớn các vi sinh gây bệnh như Coliform, E.coli và các chất ô nhiễm hữu cơ, dinh dưỡng với nồng độ cao hơn quy chuẩn cho phép nhiều lần. Các nguồn chất thải chăn nuôi phát sinh chủ yếu từ các nguồn như chất thải từ bản thân của vật nuôi như nước tiểu, phân…, nước thải từ vệ sinh chuồng trại, vật nuôi, thiết bị chăn nuôi và từ thức ăn thừa. Ước tính tải lượng chất thải hoạt động chăn nuôi đến năm 2010 (Entec, 2009) Tải lượng Số lần gia tăng Tải lượng Số lần gia tăng Loại gia súc 2005 so với năm 2010 so với năm 2000 (tấn/ngày) 2000 (tấn/ngày) Trâu, bò 768 3 1.200 5 Heo, dê cừu 960 4 1.500 7 Gà, vịt, ngỗng 512 1 800 2 Tổng cộng 2.500 4 Nước thải là hỗn hợp chất lỏng và các chất rắn đi theo bao gồm nước tiểu, nước tắm gia súc, nước rửa chuồng trại.
Thành phần nước thải chăn nuôi rất phong phú và đa dạng bao gồm chất rắn lơ lửng, các hợp chất hữu cơ hòa tan trong đó nhiều nhất là các hợp chất chứa nitơ, photpho, nhiều tác nhân sinh học gây bệnh như vi sinh vật, ký sinh trùng, nấm và các yếu tố gây bệnh sinh học khác.
