Đề tài Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo bằng công nghệ kỵ khí kết hợp hiếu khí sử dụng vật liệu đệm pumice (Phần 1)

Nội dung text: Đề tài Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo bằng công nghệ kỵ khí kết hợp hiếu khí sử dụng vật liệu đệm pumice (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO BẰNG CÔNG NGHỆ KỴ KHÍ KẾT HỢP HIẾU KHÍ SỬ DỤNG VẬT LIỆU ĐỆM PUMICE MÃ SỐ: T2010 - 73 S K C 0 0 2 9 3 9 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2011
2. TÓM TẮT Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi heo bằng bể kỵ khí bám dính ngược dòng được rất nhiều nhà nghiên cứu quan tâm tìm hiểu do những ưu điểm như khả năng xử lý đạt hiệu quả cao, chịu được tải trọng cao, ổn định và có khả năng chịu được mức độ chất độc hại cao hơn. Tuy nhiên, vật liệu bám dính chính là vấn đề cần nghiên cứu, rất nhiều nhà nghiên cứu đưa ra các loại vật liệu bám dính khác nhau dựa trên đặc tính bền, nhẹ, nhiều lỗ rỗng xốp, bề mặt nhám để vi sinh vật cót thể dễ dàng bám tạo màng. Do vậy, đề tài nghiên cứu việc sử dụng vật liệu đá pumice trong bể kỵ khí ngược dòng để nâng cao hiệu quả xử lý nước thải hàm lượng hữu cơ cao. Mô hình vận hành xử lý nước thải chăn nuôi heo COD 2000 - 4000 mg/l trong mô hình pilot 10 lít ở các tải trọng 1.5 ; 2 ; 3, 4 và 5 kgCOD/m3/ngày đạt kết trên 90% ở tải trọng 1,5 và 2 kgCOD/m3/ngày. Đồng thời đạt hiệu quả trên 87% ở tải trọng 3; 82% ở tải trọng 4 và tải trọng 5 hiệu quả khử COD 80%. Ngoài ta, hiệu quả khử SS và VSS rất cao, với SS đạt trên 90% và VSS đạt trên 70-80%. N-NH4 tăng trong mô hình đến 50%. Ngoài ra đề tài còn đánh giá khả năng xả thải của nước thải chăn nuôi heo bằng việc kết hợp mô hình kỵ khí có vật liệu bám dính pumice và mô hình hiếu khí cho thấy các chỉ tiêu COD, SS đầu đạt mức xả thải, chỉ riêng chỉ tiêu Nito hiệu quả chưa tốt.
3. MỤC LỤC Tóm tắt Mục lục Danh mục các hình Danh mục các bảng Danh mục các thuật ngữ viết tắt CHƯƠNG 1 : PHẦN MỞ ĐẦU 1.1. Đặt vấn đề 1 1.2. Nội dung và ý nghĩa của đề tài 1 1.2.1. Mục tiêu nghiên cứu 1 1.2.2. Nội dung nghiên cứu 2 1.2.3. Phương pháp nghiên cứu 2 1.2.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3 1.2.5. Ý nghĩa khoa học và tính mới của đề tài 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Lý thuyết bể kỵ khí có giá thể 6 2.2. Lý thuyết về vật liệu đệm pumice 11 2.2.1. Khái niệm pumice 11 2.2.2. Một số ứng dụng cơ bản 12 2.3. Một số nghiên cứu điển hình trong và ngoài nước 13 2.4. Tổng quan về nước thải chăn nuôi heo tại Tp. Hồ Chí Minh 14 2.4.1. Hiện trạng nước thải chăn nuôi heo tại thành phố Hồ Chí Minh 14 2.4.2. Thành phần, tính chất nước thải chăn nuôi heo 14 2.4.3. Một số phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi heo 16 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1. Phương pháp tiến hành thực nghiệm 17
4. 3.1.1. Cách tiếp cận 17 3.1.2. Phương pháp nghiên cứu 17 3.1.3. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu 17 3.2. Mô tả mô hình và nguyên vật liệu sử dụng 18 3.2.1. Nguyên vật liệu sử dụng 18 3.2.2. Tiến trình thực hiện 19 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, BÀN LUẬN 4.1. Kết quả thí nghiệm 22 4.1.1. Giai đoạn thích nghi 22 4.1.2. Giai đoạn vận hành mô hình 25 4.1.3. Giai đoạn kết hợp hiếu khí 4.2. Nhận xét 32 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1. Kết luận 33 5.2. Kiến nghị 33 Tài liệu tham khảo
5. DANH MỤC CÁC HÌNH Hình Tên hình Trang 2.1 Các bước phân hủy kỵ khí tự nhiên của phức chất hữu cơ 6 2.2 Các bước chuyển hóa phức chất hữu cơ thành metan 9 2.3 Đá pumice 12 3.1 Cấu trúc đá pumice 18 3.2 Mô hình bể kỵ khí ngược dòng có vật liệu bám dính pumice 20 4.1 Đồ thị biểu diễn COD trong giai đoạn khởi động 22 4.2 Đồ thị biểu diễn pH trong giai đoạn khởi động 23 4.3 Đồ thị biểu diễn N-NH4 trong giai đoạn khởi động 24 4.4 Đồ thị biễu diễn pH đầu vào/ra theo thời gian 25 4.5 Đồ thị biểu diễn hiệu quả khử COD theo thời gian 26 4.6 Đồ thị biễu diễn biến thiên SS theo thời gian 27 4.7 Đồ thị biểu diễn VSS theo tải trọng 28 4.8 Đồ thị biểu diễn % khử COD và % khử VSS 29 4.9 Đồ thị biểu diễn N-NH4 biến thiên theo thời gian 29 M 4.10 ối quan hệ giữa pH và % tăng N-NH4 30 4.11 Đồ thị biểu diễn độ kiềm và pH đầu vào, đầu ra 31 4.12 Biểu diễn pH vào ra 2 mô hình 33 4.13 Biểu diễn SS vào ra 2 mô hình 34 4.14 Biểu diễn COD vào ra 2 mô hình 35 4.15 Biểu diễn NH3 vào ra 2 mô hình 36 4.16 Nitrate 36
6. DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng Tên bảng Trang 2.1 Thành phần đặc điểm của đá pumice 12 2.2 Thành phần tính chất hóa lý của nước thải chăn nuôi heo 16 3.1 Các phương pháp phân tích và thiết bị phân tích 17 3.2 Tính chất nước thải chăn nuôi heo 19 4.1 Tỷ lệ VSS/TS nước thải chăn nuôi heo 26
7. DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT Anaerobic Quá trình kị khí/điều kiện kị khí/bể xử lý kị khí Anammox Oxi hóa ammonia trong điều kiện kị khí BOD Nhu cầu oxy sinh hóa COD Nhu cầu oxy hóa học F/M Tỷ lệ chất dinh dưỡng, chất hữu cơ/lượng vi sinh vật, vi khuẩn HRT Thời gian lưu nước thủy lực MLSS Tổng chất rắn lơ lửng trong hệ bùn lỏng MLVSS Tổng chất rắn bay hơi trong hệ bùn lỏng N-NH4 Nitơ ammonium SRT Thời gian lưu bùn SS Chất rắn lơ lửng SVI Chỉ số thể tích bùn TDS Tổng chất rắn hòa tan TKN Tổng nitơ Kjedahl TS Tổng chất rắn hòa tan UASB Bể phản ứng có lớp bùn lơ lửng dòng chảy ngược VFA Acid béo bay hơi
8. 1 CHƯƠNG 1 PHẦN MỞ ĐẦU 1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong những năm gần đây, tình hình chăn nuôi heo tại thành phố Hồ Chí Minh cũng như các tỉnh thành phát triển mạnh mẽ cả hình thức chăn nuôi nhỏ lẻ từng hộ gia đình cũng như những cơ sở chăn nuôi quy mô lớn. Song song đó, chất thải từ quá trình chăn nuôi heo là một đáng ngại đối với nhà quản lý môi trường. Nước thải chăn nuôi heo có tính chất ô nhiễm cao, nồng độ COD, BOD, Nito và Photpho đều cao khiến cho nước thải chăn nuôi heo phải sử dụng công nghệ xử lý tương đối phức tạp. Xử lý kỵ khí qua lớp vật liệu đệm là một trong những phương pháp xử lý nước thải có hàm lượng chất ô nhiễm cao đang được chú ý nhiều trong những năm gần đây. Do sự hình thành màng vi sinh trên lớp vật liệu đệm giúp cho nước thải tiếp xúc với vi sinh vật dễ dàng hơn, khả năng amoni hóa cao hơn so với một số bể kỵ khí đơn giản khác. Nhiều đề tài nghiên cứu về bể kỵ khí có vật liệu đệm khác nhau như xơ dừa, vật liệu nhựa, sứ, Qua tìm hiểu ưu điểm của đá pumice là độ xốp rỗng cao. Đề tài này sử dụng làm giá thể để màng vi sinh vật kỵ khí bám vào các lỗ xốp rỗng của pumice. Nghiên cứu sử dụng đá pumice làm vật liệu đệm trong bể kỵ khí ngược dòng trong xử lý nước thải chăn nuôi heo là vấn đề mới và mong muốn đạt được kết quả tốt để có thể ứng dụng trong thực tế bảo vệ môi trường. 1.2. NỘI DUNG VÀ Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI 3.1.3. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu khả năng xử lý đối với nước thải chăn nuôi heo trong mô hình bể kỵ khí sử dụng vật liệu đệm pumice. Nghiên cứu khả năng đạt QCVN khi kết hợp mô hình kỵ khí với hiếu khí Luận văn thạc sĩ
9. 2 1.2.2. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu vật liệu đệm pumice. - Khảo sát tính chất nước thải chăn nuôi heo. - Khảo sát, đánh giá khả năng xử lý dựa trên một số chỉ tiêu như pH, COD, MLSS, MLVSS, NH3, độ kiềm. - Tổng hợp số liệu, đánh giá khả năng xử lý khi ứng dụng vật liệu đệm pumice - Đánh giá khả năng xả thải khi kết hợp công nghệ kỵ khí có pumice với hiếu khí 1.2.3. Phương pháp nghiên cứu 1.2.3.1. Phương pháp tổng quan tài liệu Đây là phương pháp tiếp cận với nhiều tài liệu khác nhau nhằm tiếp thu kiến thức lý thuyết, khai thác thông tin hay học tập kinh nghiệm của những công trình nghiên cứu, những ứng dụng thực tiễn đã triển khai, những ưu nhược điểm, có liên quan đến vấn đề ta đang nghiên cứu. Các kiến thức này có thể khai thác từ các nguồn: sách vở, báo chí, kinh nghiệm, internet, nghiên cứu của những người đi trước, 1.2.3.2. Phương pháp phân tích hệ thống Phương pháp phân tích hệ thống là xem xét đối tượng trong một không gian kín và phân tích các đầu vào, đầu ra, yếu tố ảnh hưởng và động thái của quá trình. Trong đề tài này, phân tích hệ thống là mô hình bể UASB với sự đánh giá các thông số đầu vào và đầu ra. 1.2.3.3. Phương pháp lấy mẫu và phân tích Quá trình thực hiện nghiên cứu luôn cần phải có phương pháp lấy mẫu và phân tích mẫu phù hợp, đúng theo tiêu chuẩn của từng chỉ tiêu đánh giá đã đề ra. 1.2.3.4. Phương pháp thống kê, xử lý số liệu Luận văn thạc sĩ
10. 3 Phương pháp này được ứng dụng nhằm thu được kết quả có độ tin cậy cao, đúng, đủ và phù hợp với mục đích nghiên cứu. 1.2.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.2.4.1. Đối tượng nghiên cứu Trong đề tài nghiên cứu này, với quy mô phòng thí nghiệm và môi trường miền Đông Nam bộ nên đối tượng nghiên cứu giới hạn trong một số vấn đề sau: - Đề tài sử dụng nguồn nước thải chăn nuôi heo từ hộ nuôi heo khu vực Quận 9, thành phố Hồ Chí Minh. - Mô hình kỵ khí được thiết kế theo tỷ lệ thích hợp và vận hành hợp lý trong thời gian nghiên cứu. 1.2.4.2. Phạm vi nghiên cứu Đây là một nghiên cứu thuộc phạm vi phòng thí nghiệm. Do vậy, đề tài chỉ nghiên cứu những chỉ tiêu cơ bản cần lưu ý trong quá trình xử lý yếm khí, do đó, khi có điều kiện nghiên cứu áp dụng thực tiễn cần nghiên cứu sâu thêm những chỉ tiêu khác. Nghiên cứu bước đầu chỉ ứng dụng trong xử lý nước thải chăn nuôi heo điển hình của khu vực miền nam Việt Nam nên cần phải có những nghiên cứu sâu hơn về một số loại nước thải có nồng độ ô nhiễm cao hơn để xét hết tính hiệu quả vật liệu đệm pumice. 3.1.3. Ý nghĩa khoa học và tính mới của đề tài 1.2.5.1. Ý nghĩa khoa học Công nghệ sử dụng vật liệu đệm hiện nay rất được quan tâm. Ngoài ra, pumice là vật liệu hoàn toàn tự nhiên và thân thiện với môi trường, giá thành thấp và có rất nhiều ở Việt Nam. Do đó, nghiên cứu sử dụng pumice trong xử lý nước thải là một hướng mới cần quan tâm ở Việt Nam. 1.2.5.2. Tính mới của đề tài Luận văn thạc sĩ
11. 4 Sử dụng vật liệu mang tính tự nhiên, không tác động đến môi trường là ưu tiên trong việc xử lý môi trường. Đá pumice là loại đá núi lửa tự nhiên, có rất nhiều ở Việt Nam nên ứng dụng pumice trong xử lý nước thải là loại vật liệu bám dính mới, chưa được sử dụng trong thực tiễn ở Việt Nam. Vì vậy, nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải có sử dung pumice làm vật liệu bám dính trong xử lý kỵ khí cần được triển khai nghiên cứu Luận văn thạc sĩ
12. 5 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. LÝ THUYẾT VỀ BỂ KỴ KHÍ CÓ GIÁ THỂ 2.1.1. Lý thuyết về quá trình kỵ khí trong xử lý nước thải Quá trình phân huỷ kỵ khí truyền thống bao gồm bể chứa chất thải và vi sinh vật phân huỷ trong điều kiện kỵ khí. Chất thải đầu vào có thể là gián đoạn hoặc liên tục. Trong nước thải, chất hữu cơ phân hủy sinh học bao gồm các phân tử keo hoặc hòa tan và các hạt. Trước khi vi sinh vật sử dụng, phải có enzymes để hòa tan hoặc thủy phân. Để thủy phân những vật chất hữu cơ này, thành phần chủ yếu là proteins, carbonhydrates và lipids, vi sinh vật phải tổng hợp và tiết ra những enzym thủy phân khác nhau. Sự phân hủy các phức chất hữu cơ được mô tả trong chuỗi các phản ứng liên tiếp, được tiến hành bởi các nhóm vi sinh phức tạp, vi sinh vật thủy sinh, lên men, homoacetogen, tổng hợp, metan (Zinder, 1993; Stams, 1994; Schink, 1997). Phân hủy sinh học carbonhydrate, protein và lypid được tiến hành liên tục bởi các nhóm vi khuẩn kỵ khí được mô tả qua các bước sau: a. Thủy phân Các enzym ngoại bào được sản xuất ra bởi các vi khuẩn thủy phân và lên men thủy phân các phân tử lớn thành phân tử nhỏ hơn, dưới dạng dễ phân hủy hơn và lên men đường thành acid carboxylic và các rượu. b. Acid hóa Bao gồm quá trình lên men và oxi hóa kỵ khí được thực hiện bởi nhóm các vi sinh vật kỵ khí hoặc tùy nghi như Clostridium, Bifidobacterium, Desulphovibrio, Actinomyces, and Staphylocococcus. Acid béo bay hơi (VFA), như propionic acid và butyric acid được tạo ra bởi carbon dioxide và hydro. Luận văn thạc sĩ
13. 6 c. Aceton hóa Vi khuẩn aceton bẻ gãy các acid bay hơi và rượu thành acetate, hydro và carbon dioxide. Hình 2.1: Các bước phân hủy kỵ khí tự nhiên của phức chất hữu cơ. Năng lượng tạo ra tương đối thấp vì hợp chất hữu cơ sử dụng cho vừa là electron cho và nhận (Giraldo and Eugenio, 1993) Luận văn thạc sĩ
14. 7 d. Metan hóa Trong giai đoạn này, vi khuẩn metan hóa như Methanobacillus, Methanococcus, Methanobacterium và Methanosarcina chịu trách nhiệm chuyển hóa sản phẩm cuối cùng của phản ứng aceton hóa thành khí metan và carbon dioxide (Metcalf and Eddy, 1991). Một số phương trình phản ứng diễn ra trong quá trình phân hủy kỵ khí: 4H2 + CO2 CH4 +2H2O4 - + HCOO + 4H CH4 + 3CO2 + 2H2O 4CO + 2H2O CH4 + 3CO2 4CH3OH 3CH4 + CO2 + 2H2O 4(CH3)3N + H2O9 CH4 + 3CO2 + 6H2O + 4NH3 CH3COOH CH4 + CO2 Có nhiều loại vi khuẩn tạo metan khác nhau cũng như có nhiều loại vi khuẩn sinh acid khác nhau. Vấn đề ổn định chất thải đòi hỏi phải cân bằng các sinh vật này với nhau. Việc ổn định và duy trì cân bằng này là một trong những điều kiện vận hành quan trọng nhất, được thể hiện qua nồng độ acid bay hơi. Acid bay hơi là acid hữu cơ mạch ngắn, là thành phần chủ yếu được tạo ra từ giai đoạn chuyển hóa đầu tiên. Chúng là hợp chất trung gian quan trọng trong quá trình kỵ khí. Và hầu như metan sinh ra từ kết quả của quá trình lên men bởi các vi sinh vật metan. Khi hệ cân bằng, vi sinh vật metan sử dụng acid trung gian ngay khi chúng sinh ra. Tuy nhiên, nếu vi khuẩn metan không đủ số lượng hoặc bị giảm do điều kiện môi trường, chúng sẽ không sử dụng acid nhanh bằng lượng acid sinh ra, khi đó, nồng độ acid bay hơi tăng. Do đó, khi nồng độ acid tăng cho thấy vi khuẩn metan không cân bằng với vi khuẩn sinh acid. Luận văn thạc sĩ