Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nước thải giết mổ gia súc và chế biến thịt gia súc là một trong những vấn đề môi trường nghiêm trọng tại Việt Nam, đặc biệt tại các khu vực công nghiệp giết mổ tập trung như Thành phố Hồ Chí Minh. Theo ước tính, nước thải từ các cơ sở này chứa nồng độ hữu cơ và dinh dưỡng rất cao, với COD dao động từ 1000 đến 1400 mg/L, NH4+-N từ 90 đến 140 mg/L, cùng các chất ô nhiễm khác như TKN, NO2-, NO3- và TP. Việc xử lý nước thải này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn bảo vệ sức khỏe cộng đồng và nâng cao hiệu quả sản xuất.

Mục tiêu nghiên cứu là thiết kế và vận hành mô hình xử lý nước thải giết mổ bằng công nghệ UASB kết hợp EGSB sử dụng vi sinh Anammox và giá thể polyvinyl alcohol (PVA) gel nhằm nâng cao hiệu quả xử lý COD và nitrogen. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm với mẫu nước thải lấy từ Công ty TNHH Một Thành Viên Việt Nam Kỹ Nghệ Súc Sản (VISSAN), Thành phố Hồ Chí Minh, trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2019.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua các chỉ số hiệu suất xử lý: hiệu suất loại bỏ COD đạt khoảng 96-98%, loại bỏ NH4+-N đạt 37-54%, và loại bỏ NO2--N đạt 52-55%, góp phần giảm thiểu ô nhiễm nitrogen trong nước thải giết mổ. Kết quả này mở ra hướng ứng dụng công nghệ sinh học tiên tiến trong xử lý nước thải công nghiệp giết mổ, đồng thời giảm chi phí vận hành và diện tích xây dựng hệ thống xử lý.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

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

  • Quá trình nitrat hóa và khử nitrate: Quá trình chuyển hóa ammonium thành nitrite và nitrate qua các vi khuẩn oxy hóa ammonium (AOB) và oxy hóa nitrite (NOB). Đây là bước quan trọng trong chu trình nitrogen.
  • Quá trình nitrite hóa bán phần (Partial Nitritation - PN): Oxy hóa một phần ammonium thành nitrite, tạo điều kiện cho quá trình Anammox tiếp theo.
  • Quá trình Anammox (Anaerobic Ammonium Oxidation): Vi khuẩn Anammox oxy hóa ammonium bằng nitrite trong điều kiện kỵ khí, tạo ra khí N2 mà không cần cung cấp carbon hữu cơ, giúp giảm chi phí vận hành.
  • Công nghệ UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket): Hệ thống bùn kỵ khí dạng lớp bùn nổi lên, xử lý hiệu quả các chất hữu cơ trong nước thải.
  • Công nghệ EGSB (Expanded Granular Sludge Bed): Cải tiến từ UASB với dòng tuần hoàn cao, tăng hiệu quả tiếp xúc giữa bùn và nước thải, thích hợp xử lý nước thải có tải lượng ô nhiễm cao.
  • Giá thể PVA gel: Polymer có cấu trúc lỗ rỗng, dùng làm giá thể mang vi sinh, giúp tăng mật độ vi sinh và ổn định sinh khối trong bể phản ứng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là nước thải giết mổ lấy từ Công ty VISSAN, với các thông số đầu vào như COD 1000-1400 mg/L, NH4+-N 90-140 mg/L, pH 6,6-7,9, nhiệt độ 28-31°C. Mô hình nghiên cứu gồm hai giai đoạn:

  • Giai đoạn 1: Vận hành mô hình UASB kết hợp EGSB sử dụng vi sinh Anammox không có giá thể PVA gel, với tải trọng ammonium từ 0,25 đến 1,00 kg NH4+-N/m3.ngày trong 80 ngày.
  • Giai đoạn 2: Thêm giá thể PVA gel vào cả hai bể UASB và EGSB, khảo sát tải trọng ammonium từ 0,25 đến 1,25 kg NH4+-N/m3.ngày trong 100 ngày.

Phương pháp phân tích gồm đo các chỉ tiêu COD, NH4+-N, NO2--N, NO3--N, TKN, MLSS, MLVSS, pH, DO theo tiêu chuẩn môi trường. Cỡ mẫu được lấy liên tục trong suốt quá trình vận hành để đánh giá hiệu suất xử lý. Phân tích số liệu sử dụng phương pháp thống kê mô tả và so sánh hiệu suất giữa các điều kiện vận hành khác nhau.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất loại bỏ COD:

    • Giai đoạn 1, hiệu suất xử lý COD đạt khoảng 96% với tải trọng COD từ 2,5 đến 10 kg COD/m3.ngày.
    • Giai đoạn 2, khi sử dụng giá thể PVA gel, hiệu suất tăng lên khoảng 98% với tải trọng COD lên đến 12,5 kg COD/m3.ngày.

  2. Hiệu suất loại bỏ NH4+-N:

    • Giai đoạn 1, hiệu suất loại bỏ ammonium dao động từ 41,23% đến 69,49% tương ứng với tải trọng ammonium từ 1,00 đến 0,5 kg NH4+-N/m3.ngày.
    • Giai đoạn 2, hiệu suất ammonium tăng lên từ 23,66% đến 68% khi tải trọng ammonium từ 1,25 đến 0,5 kg NH4+-N/m3.ngày, cho thấy giá thể PVA gel giúp cải thiện hiệu quả xử lý.

  3. Hiệu suất loại bỏ NO2--N:

    • Giai đoạn 1, hiệu suất loại bỏ nitrite đạt 41,23% đến 52,3% theo tải trọng ammonium.
    • Giai đoạn 2, hiệu suất nitrite tăng lên 30,49% đến 77,13%, chứng tỏ sự ổn định và phát triển của vi sinh Anammox trên giá thể PVA.

  4. Sự phát triển sinh khối vi sinh trên giá thể PVA gel:
    Quan sát bằng kính hiển vi điện tử cho thấy vi khuẩn Anammox bám dính và phát triển mạnh trên bề mặt giá thể PVA, tạo thành lớp sinh khối ổn định, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý.

Thảo luận kết quả

Hiệu suất xử lý COD và nitrogen đạt được trong nghiên cứu tương đương hoặc vượt trội so với các nghiên cứu trước đây về xử lý nước thải giết mổ bằng công nghệ sinh học kỵ khí kết hợp Anammox. Việc bổ sung giá thể PVA gel làm tăng diện tích bề mặt bám dính vi sinh, giúp duy trì mật độ vi sinh cao và ổn định hơn trong bể phản ứng EGSB, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý ammonium và nitrite.

Biểu đồ thể hiện hiệu suất loại bỏ COD, NH4+-N và NO2--N theo tải trọng ammonium cho thấy xu hướng tăng hiệu quả xử lý khi sử dụng giá thể PVA gel, đặc biệt ở tải trọng ammonium trung bình và cao. Bảng số liệu chi tiết minh họa sự khác biệt rõ rệt giữa hai giai đoạn vận hành.

Kết quả cũng cho thấy pH và DO được kiểm soát trong khoảng thích hợp (pH 6,6-7,9; DO < 1 mg/L) giúp duy trì hoạt động của vi sinh Anammox và quá trình nitrite hóa bán phần. Điều này phù hợp với các nghiên cứu về điều kiện tối ưu cho vi sinh Anammox phát triển.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng rộng rãi mô hình UASB/EGSB kết hợp Anammox và giá thể PVA gel trong xử lý nước thải giết mổ tại các khu công nghiệp, nhằm nâng cao hiệu quả xử lý nitrogen và giảm chi phí vận hành. Thời gian triển khai dự kiến 12-18 tháng, chủ thể thực hiện là các doanh nghiệp xử lý nước thải và cơ quan quản lý môi trường.

  2. Kiểm soát chặt chẽ các yếu tố môi trường như pH, DO và tải trọng ammonium trong quá trình vận hành để duy trì hoạt động ổn định của vi sinh Anammox, đảm bảo hiệu suất xử lý cao. Thực hiện đào tạo kỹ thuật cho nhân viên vận hành trong vòng 6 tháng.

  3. Nghiên cứu phát triển và tối ưu hóa giá thể PVA gel về kích thước, cấu trúc và khả năng bám dính vi sinh nhằm tăng cường sinh khối và hiệu quả xử lý. Thời gian nghiên cứu 1-2 năm, phối hợp giữa các viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

  4. Xây dựng quy trình vận hành tiêu chuẩn và hướng dẫn kỹ thuật chi tiết cho mô hình xử lý nước thải giết mổ sử dụng công nghệ này, giúp các đơn vị dễ dàng áp dụng và nhân rộng. Chủ thể thực hiện là các cơ quan quản lý nhà nước và tổ chức đào tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý môi trường và cơ quan chức năng: Nghiên cứu cung cấp giải pháp xử lý nước thải hiệu quả, giúp xây dựng chính sách và quy chuẩn kỹ thuật phù hợp cho ngành công nghiệp giết mổ.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và xử lý nước thải giết mổ: Áp dụng công nghệ UASB/EGSB-Anammox kết hợp giá thể PVA gel để nâng cao hiệu quả xử lý, giảm chi phí và đáp ứng yêu cầu môi trường.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành môi trường, công nghệ sinh học: Tài liệu tham khảo chi tiết về quá trình sinh học xử lý nitrogen, công nghệ bùn kỵ khí và ứng dụng giá thể polymer trong xử lý nước thải.

  4. Các đơn vị tư vấn và thiết kế hệ thống xử lý nước thải: Cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm để thiết kế các hệ thống xử lý nước thải giết mổ hiệu quả, bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ UASB/EGSB-Anammox có ưu điểm gì so với công nghệ truyền thống?
    Công nghệ này xử lý hiệu quả COD và nitrogen mà không cần bổ sung carbon hữu cơ, giảm chi phí vận hành và diện tích xây dựng. Ví dụ, hiệu suất loại bỏ COD đạt đến 98%, ammonium 54%, cao hơn nhiều so với công nghệ kỵ khí truyền thống.

  2. Giá thể PVA gel có vai trò như thế nào trong hệ thống xử lý?
    PVA gel cung cấp bề mặt bám dính cho vi sinh, giúp tăng mật độ sinh khối và ổn định hoạt động vi sinh Anammox, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý nitrogen. Quan sát SEM cho thấy vi sinh phát triển mạnh trên bề mặt PVA.

  3. Điều kiện vận hành tối ưu cho quá trình Anammox là gì?
    Nhiệt độ 28-31°C, pH từ 6,6 đến 7,9, DO dưới 1 mg/L và tải trọng ammonium từ 0,25 đến 1,25 kg NH4+-N/m3.ngày là các điều kiện giúp vi sinh Anammox hoạt động hiệu quả, phù hợp với nghiên cứu tại VISSAN.

  4. Mô hình nghiên cứu có thể áp dụng cho quy mô công nghiệp không?
    Mô hình phòng thí nghiệm đã chứng minh hiệu quả và tính khả thi, có thể mở rộng quy mô với các điều chỉnh phù hợp về thiết kế và vận hành, giúp xử lý nước thải giết mổ công nghiệp hiệu quả.

  5. Làm thế nào để duy trì ổn định sinh khối vi sinh trong hệ thống?
    Kiểm soát pH, DO, tải trọng ammonium và sử dụng giá thể PVA gel giúp duy trì mật độ vi sinh cao và ổn định. Ngoài ra, cần theo dõi thường xuyên các chỉ tiêu môi trường và điều chỉnh kịp thời.

Kết luận

  • Mô hình UASB kết hợp EGSB sử dụng vi sinh Anammox và giá thể PVA gel xử lý nước thải giết mổ đạt hiệu suất cao, với COD loại bỏ đến 98%, ammonium đến 54%, nitrite đến 77%.
  • Giá thể PVA gel đóng vai trò quan trọng trong việc tăng mật độ vi sinh và ổn định sinh khối, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý nitrogen.
  • Điều kiện vận hành như pH 6,6-7,9, DO < 1 mg/L và tải trọng ammonium 0,25-1,25 kg NH4+-N/m3.ngày là phù hợp cho quá trình xử lý.
  • Nghiên cứu mở ra hướng ứng dụng công nghệ sinh học tiên tiến trong xử lý nước thải giết mổ, giảm chi phí và diện tích xây dựng hệ thống.
  • Đề xuất triển khai ứng dụng công nghệ trong thực tế, đồng thời nghiên cứu tối ưu giá thể PVA và quy trình vận hành để nâng cao hiệu quả và tính bền vững.

Quý độc giả và các đơn vị quan tâm được khuyến khích áp dụng và phát triển công nghệ này nhằm góp phần bảo vệ môi trường và phát triển ngành công nghiệp giết mổ bền vững.