ĐẶT VẤN ĐỀ Từ lâu ngành chăn nuôi đã là ngành chủ lực của đất nƣớc với mật độ chăn nuôi phổ biến khắp cả nƣớc. Bên cạnh những đóng góp quan trọng trong việc ổn định thực phẩm cho đất nƣớc thì hiện nay ngành chăn nuôi cũng đã có những ảnh hƣởng tƣơng đối xấu đối với môi trƣờng, đặc biệt về môi trƣờng nƣớc vì nƣớc thải của ngành chăn nuôi có thành phần chất ô nhiễm hữu cơ khá cao. Yêu cầu đặt ra là phát triển ngành chăn nuôi nhƣng phải bảo vệ môi trƣờng và sức khoẻ con ngƣời. Chính vì thế cần có các nghiên cứu ứng dụng công nghệ mới để xử lý nƣớc thải chăn nuôi phù hợp với điều kiện địa phƣơng và có tính khả thi trong việc đầu tƣ, vận hành và bảo trì trong suốt quá trình hoạt động của trạm xử lý.
Bên cạnh các công nghệ xử lý truyền thống thì hiện nay quá trình KNR đã có hiệu quả cao trong việc xử lý chất dinh dƣỡng, rất thích hợp cho xử lý nƣớc thải chăn nuôi đặc biệt là nƣớc thải chăn nuôi heo. Đây là công nghệ mới đƣợc phát triển bởi các nhà khoa học Hàn Quốc ứng dụng UMBR với nguyên tắc dòng chảy ngƣợc qua nhiều lớp bùn từ đó tăng đƣợc hiệu quả xử lý chất hữu cơ (COD và BOD), chất dinh dƣỡng (nitơ và phospho), màu, SS trong nƣớc thải công nghiệp. Ngoài ra, công nghệ này còn tiết kiệm năng lƣợng vận hành tối đa vì sử dụng dòng chảy tạo năng lƣợng khuấy trộn, từ đó tạo nhiều lớp môi trƣờng kị khí, thiếu khí, hiếu khí trong bể UMBR. Nhằm nâng cao hiệu quả xử lý và tiết kiệm diện tích thì công nghệ màng lọc sinh học đƣợc lựa chọn nghiên cứu vì có hiệu quả rất cao trong quá trình nitrate hóa và khử COD.
Màng lọc sinh học ngoài khả năng xử lý có hiệu quả cao trong việc loại bỏ SS mà còn nâng cao đƣợc mật độ vi sinh trong bể phản ứng hiếu khí, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý chất hữu cơ và chất dinh dƣỡng có trong nƣớc thải chăn nuôi. Ngoài ra việc ứng dụng màng còn tiết kiệm đƣợc rất nhiều về diện tích của trạm xử lý do không cần phải sử dụng bể lắng. Màng lọc sinh học MBR nhúng chìm đã [2] chứng minh đƣợc hiệu quả xử lý cao qua nhiều năm sử dụng và đã đƣợc ứng dụng rộng rãi trên khắp thế giới và Việt Nam. Với việc kết hợp hai công nghệ trên thì hệ thống xử lý đạt đƣợc mục tiêu xử lý chất ô nhiễm hữu cơ cao trong nƣớc thải chăn nuôi heo.
Qua các hiệu quả của 2 công nghệ xử lý nƣớc thải nhƣ trên tôi thực hiện nghiên cứu: “Ứng dụng UMBR kết hợp MBR dạng sợi rỗng xử lý COD và nitơ trong nƣớc thải chăn nuôi heo sau bể biogas”. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là “xác định thông số thiết kế và vận hành thích hợp của hệ thống UMBR kết hợp MBR xử lý COD và nitơ cho nƣớc thải chăn nuôi heo sau bể biogas”. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU Đối tƣợng nghiên cứu gồm: - Nƣớc thải đầu vào lấy từ bể chứa nƣớc thải sau hầm ủ biogas của trang trại chăn nuôi heo. - Hệ UMBR và MBR qui mô phòng thí nghiệm đƣợc sử dụng trong nghiên cứu.
- Tải trọng COD và nitơ cho quá trình nitrate hoá - khử nitrate tại bể UMBR và MBR. - Hai nguồn carbon bổ sung cho quá trình khử nitrate đƣợc nghiên cứu trong thí nghiệm này là mật rỉ đƣờng và methanol. - Tỉ lệ tuần hoàn nội bộ từ bể MBR về bể UMBR nhằm tăng hiệu quả xử lý nitơ. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Các thông số thiết kế thích hợp đƣợc xác định trong nghiên cứu này bao gồm: - Thí nghiệm một, hai và ba nghiên cứu đánh giá quá trình khử COD và nitrate của bể nhiều lớp bùn UMBR bằng việc sử dụng nguồn carbon từ nƣớc thải, mật rỉ đƣờng và methanol.
[3] - Thí nghiệm bốn và năm nghiên cứu đánh giá quá trình khử COD và nitrate của hệ UMBR-MBR bằng việc thay đổi tỉ số tuần hoàn nội bộ. - Thí nghiệm sáu nghiên cứu đánh giá quá trình khử COD và nitơ của hệ UMBR-MBR nhằm đạt tiêu chuẩn cột B, QCVN 40:2011/BTNMT. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG Đề tài nghiên cứu xác định đƣợc các thống số thiết kế và vận hành thích hợp cho quá trình khử COD và nitơ nƣớc thải chăn nuôi đạt tiêu chuẩn xả thải cột B, QCVN 40:2011/BTNMT. TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI Công nghệ UMBR là một công nghệ mới đƣợc thử nghiệm thành công tại Hàn Quốc nhƣng vẫn chƣa đƣợc nghiên cứu và ứng dụng thực nghiệm tại điều kiện thực tế ở Việt Nam.
Chính vì thế đề tài thực hiện việc nghiên cứu mô hình phòng thí nghiệm xử lý nƣớc thải chăn nuôi heo với các thông số nƣớc thải và điều kiện vận hành thực tế tại Việt Nam. Ngoài ra việc ứng dụng kết hợp UMBR và MBR hứa hẹn đem lại hiệu quả xử lý cao cũng nhƣ tạo nên một mô hình có tính ứng dụng cao. [4] CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN 2. HIỆN TRẠNG NGÀNH CHĂN NUÔI HEO Theo kết quả điều tra chăn nuôi của Tổng cục Thống kê ngày 01/04/2012, đàn trâu cả nƣớc có 2,7 triệu con, đàn bò có 5,3 triệu con, đàn gia cầm của cả nƣớc có 310,7 triệu con, tổng số heo của cả nƣớc có 26,7 triệu con, tăng 1,5% so với cùng thời điểm năm 2011 (Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn, 2012).
Đây là một trong những ngành quan trọng trong nông nghiệp cung cấp thực phẩm cho nhu cầu tiêu thụ của ngƣời dân. Theo quyết định số 10/2008/QĐ-TTg ngày 16 tháng 1 năm 2008 của Thủ tƣớng chính phủ về việc phê duyệt chiến lƣợc phát triển chăn nuôi đến năm 2020 thì: - Đến năm 2020 ngành chăn nuôi cơ bản chuyển sang sản xuất phƣơng thức trang trại, công nghiệp, đáp ứng phần lớn nhu cầu thực phẩm đảm bảo chất lƣợng cho tiêu dùng và xuất khẩu; - 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%; - Đảm bảo an toàn dịch bệnh và vệ sinh an toàn thực phẩm, khống chế có hiệu quả các bệnh nguy hiểm trong chăn nuôi; - Các cơ sở chăn nuôi, nhất là chăn nuôi theo phƣơng 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 trƣờng. - Mức tăng trƣởng bình quân: giai đoạn 2008-2010 đạt khoảng 8-9% năm; giai đoạn 2010-2015 đạt khoảng 6-7% năm và giai đoạn 2015-2020 đạt khoảng 5-6% năm. Nhƣ vậy theo chiến lƣợc phát triển của ngành thì nhu cầu cung cấp thực phẩm, sản phẩm từ chăn nuôi trong trƣơng lai sẽ gia tăng rất nhanh và số lƣợng đàn gia súc, các trang trại cũng sẽ phát triển với quy mô lớn hơn nhằm đáp ứng nhu cầu của xã hội.
[5] Bên cạnh đó chăn nuôi cũng là một trong những ngành phát sinh khối lƣợng chất thải lớn, có nồng độ ô nhiễm cao. Ảnh hƣởng nhiều đến môi trƣờng, sức khỏe con ngƣời và vật nuôi. Các nguồn chất thải chăn nuôi phát sinh chủ yếu từ các nguồn: - Chất thải do bản thân vật nuôi: phân, nƣớc tiểu, lông, vảy da v. - Nƣớc: từ quá trình tắm rửa, vệ sinh chuồng trại, vệ sinh vật dụng trong chăn nuôi v.
- Thức ăn thừa, thức ăn rơi vãi, vật dụng chăn nuôi, vật phẩm thú y, vỏ bao đựng thức ăn v. - Xác vật nuôi chết - Khí thải từ chuồng nuôi: từ hố chứa phân, nƣớc thải, nơi chế biến thức ăn - Tiếng ồn phát sinh chủ yếu từ chuồng nuôi gia súc. Thành phần chất thải chăn nuôi heo Khối lƣợng chất thải từ phân và nƣớc tiểu của vật nuôi chiếm từ 5 – 8% trọng lƣợng cơ thể (Loehr, 1984). Trung bình theo trọng lƣợng cơ thể thì lƣợng phân thải ra mỗi ngày của vật nuôi rất cao.
Nƣớc thải chăn nuôi là một trong những loại nƣớc thải rất đặc trƣng, có khả năng gây ô nhiễm môi trƣờng cao do có chất hữu cơ, cặn lơ lửng, nitơ, phospho và vi sinh vật gây bệnh. Chính vì thế nƣớc thải chăn nuôi cần thiết phải đƣợc xử lý trƣớc khi thải ra ngoài môi trƣờng. Các chất thải đặc trƣng phát sinh từ quá trình chăn nuôi bao gồm: a. Phân Sản phẩm thải bỏ sau quá trình tiêu hóa của vật nuôi.
Thành phần hóa học của phân rất phong phú và đa dạng (Lý, 2005) bao gồm: Chất hữu cơ: hầu hết là các chất hữu cơ dễ phân hủy, chiếm khoảng 70-80%, thành phần đa dạng nhƣ các hợp chất protein, acid amin, carbonhydrat, chất béo, [6] trong đó các chất sơ do không đƣợc gia súc tiêu hóa và đƣợc bài tiết ra ngoài ở dạng phân và các loại vi khuẩn gây bệnh. Các chất vô cơ: chiếm 20-30%, thành phần vô cơ của phân bao gồm các hợp chất đa lƣợng nhƣ Ca, P v. và các nguyên tố vi lƣợng hay các kim loại nặng nhƣ Cu, Fe, Pb, Co, Mn v. Nƣớc: nƣớc là thành phần chiếm tỷ trọng lớn nhất trong phân.
Chúng chiếm từ 65-80% trọng lƣợng tƣơi của phân. Do hàm lƣợng nƣớc cao và hàm lƣợng chất hữu cơ cao, đây là môi trƣờng tốt để các vi sinh vật phát triển, phân hủy các hợp chất hữu cơ. Vi sinh vật gây bệnh: các vi khuẩn nhƣ Enterobacteriacea, Adenovirus, Reovirus (vi khuẩn viêm gan) ký sinh trùng trong đƣờng tiêu hóa, thức ăn gia súc. Thành phần hóa học của phân gia súc, gia cầm (Sƣơng, 2000) Thành phần hóa học (% trọng lƣợng vật nuôi) Loại vật nuôi TN TP Bò sữa 0,38 0,1 Bò thịt 0,7 0,2 Cừu 1,0 0,3 Gia cầm (gà) 1,2 1,2 Ngựa 0.
Nƣớc tiểu Là sản phẩm thải ra từ quá trình trao đổi chất bên trong vật nuôi. Thành phần nƣớc tiểu rất đa dạng, một lƣợng lớn là nitơ và một số chất khác ở dạng vi lƣợng. Các chất này khi phát tán gây nhiều tác hại cho con ngƣời và môi trƣờng. Bảng thành phần h a học nƣớc tiểu heo có trọng lƣợng 70-100kg (Cảnh, 1998) TT Thông số Đơn vị Giá trị 01 pH - 6,77 – 8,19 02 NH4+ mg/l 0,13 – 0,40 03 TN mg/l 4,90 – 6,63 04 Tro mg/l 8,50 – 16,30 05 Ure mg/l 123 – 196 06 Carbon mg/l 0,11 – 0,19 Nƣớc thải là hỗn hợp chất lỏng và các chất rắn đi theo bao gồm phân, nƣớc tiểu, nƣớc tắm gia súc, nƣớc rửa chuồng trại.
