Thạc Sĩ Giải pháp công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học phù hợp với điều kiện Vi

MỞ ĐẦU

Chăn nuôi là một trong hai lĩnh vực quan trọng trong nền nông nghiệp (chăn nuôi, trồng trọt), nó không những đáp ứng nhu cầu thực phẩm cho tiêu dùng hàng ngày của mọi người dân trong xã hội mà còn là nguồn thu nhập quan trọng của hàng triệu người dân hiện nay. Đặc biệt nông nghiệp lại có ý nghĩa quan trọng đối với nước ta khi có tới hơn 70% dân cư sống dựa vào nông nghiệp.
Sự gia tăng của các sản phẩm nông nghiệp kết hợp với nhu cầu về thực phẩm ngày càng cao của cuộc sống đã thúc đẩy ngành chăn nuôi phát triển mạnh mẽ. Sự phát triển bùng nổ của ngành chăn nuôi để đáp ứng các nhu cầu là một tất yếu. Công nghiệp hóa chăn nuôi có thể là hệ quả tất yếu của chuỗi thực phẩm liên kết theo chiều dọc và cung ứng cho các cửa hàng bán lẻ lớn, nhưng cũng có thể xảy ra một cách độc lập.
Khi các nước tiến hành công nghiệp hóa họ đi theo mô hình tổ chức vùng chuyên canh. Chăn nuôi truyền thống dựa vào nguồn thức ăn sẵn có của địa phương như đồng cỏ tự nhiên và phụ phẩm cây trồng. Những nguồn thức ăn sẵn có trên, giải thích sự phân bố của ngành chăn nuôi gia súc nhai lại. Trong lúc đó phân bổ chăn nuôi lợn và gia cầm lại sát với dân cư vì chúng chuyển hóa các vật phế thải thành thịt và trứng. Ví dụ, ở Việt Nam, nước mới bắt đầu công nghiệp hóa 90% mô hình chăn nuôi gia cầm đều gắn với phân bố dân cư (Gerber và cộng sự - 2005).
Khi còn chăn nuôi nhỏ lẻ, kết hợp với việc sử dụng chất thải từ chăn nuôi cho hoạt động sản xuất nông nghiệp thì chất thải chăn nuôi từ các hộ gia đình gần như không phải là một mối hiểm họa đối với môi trường.
Phát triển chăn nuôi bền vững, nhất là chăn nuôi lợn hàng hóa như thế nào trong hoàn cảnh cuộc sống của phần lớn các hộ nông dân còn chật vật khó khăn, đại bộ phận' người dân chăn nuôi theo kinh nghiệm; thiếu kiến thức chuyên môn, ít quan tâm về thông tin thị trường, nếu có thì thiếu cụ thể; hiểu biết về sản xuất hàng hóa chưa trở thành tiềm thức; kinh tế phát triển chưa đồng đều giữa các vùng, . là những rào cản trong phát triển chăn nuôi lợn hàng hóa hiện nay.
Khi công nghiệp hóa chăn nuôi cộng với sự gia tăng mạnh mẽ về số lượng đàn gia súc thì chất thải từ hoạt động chăn nuôi của các trang trại, gia trại đã làm cho môi trường chăn nuôi đặc biệt là môi trường xung quanh bị ô nhiễm trầm trọng, nó đã gây nên một làn sóng mới phản đối các trang trại chăn nuôi từ phía người dân ở gần các trang trại. Theo báo cáo tổng kết của viện chăn nuôi [1], hầu hết các hộ chăn nuôi đều để nước thải chảy tự do ra môi trường xung quanh gây mùi hôi thối nồng nặc, đặc biệt là vào những ngày oi bức. Nồng độ khí H2S và NH3 cao hơn mức cho phép khoảng 30-40 lần [2]. Tổng số VSV và bào tử nấm cũng cao hơn mức cho phép rất nhiều lần. Ngoài ra nước thải chăn nuôi còn có chứa coliform, e.coli, COD ., và trứng giun sán cao hơn rất nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép.
Hiện nay với sự hội nhập quốc tế kèm với nó là sự gia tăng những quy định về bảo vệ môi trường, ý thức ngày càng được nâng cao của cộng đồng về các vấn đề môi trường thì vấn đề môi trường nói chung và môi trường chăn nuôi nói riêng đã nhận được nhiều sự quan tâm của cộng đồng. Trên thế giới môi trường chăn nuôi đã được đánh giá một cách khá toàn diện, một trong số đó là các nghiên cứu về xử lý chất thải chăn nuôi.Tại Việt Nam, mặc dù đã phần nào cảm nhận được tác hại về môi trường do chăn nuôi gây ra xong gần như chưa có một nghiên cứu đầy đủ nào về quản lý, xử lý chất thải chăn nuôi.
Trong khuôn khổ luận văn thạc sỹ ngành hóa môi trường tác giả xin đưa ra: “Giải pháp công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học phù hợp với điều kiện Việt Nam” với mục đích lựa chọn công nghệ tối ưu để xử lý triệt để chất thải lỏng trong quá trình chăn nuôi lợn ở Việt Nam. Đảm bảo nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn quy định, nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường đồng thời góp phần tăng năng suất và chất lượng chăn nuôi lợn theo định hướng phát triển kinh tế và bảo vệ môi trường.



MỤC LỤC

Danh mục từ viết tắt 3
Danh mục bảng 4
Danh mục hình 6
MỞ ĐẦU 7
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN 9
1.1 Tình hình chăn nuôi ở Việt Nam 9
1.1.1. Hiện trạng chăn nuôi lợn 9
1.1.2. Định hướng phát triển chăn nuôi lợn tại Việt Nam 10
1.1.3. Hiện trạng ô nhiễm môi trường do chăn nuôi lợn 11
1.1.4. Ảnh hưởng của ô nhiễm môi trường đến năng suất chăn nuôi 13
1.1.5. Tình hình dịch bệnh trong ngành chăn nuôi lợn và thiệt hại kinh tế 14
1.2. Tổng quan về chất thải chăn nuôi lợn và hiện trạng quản lý chất thải chăn nuôi lợn ở Việt Nam 14
1.2.1. Đặc điểm chất thải chăn nuôi lợn 14
1.2.2. Tình hình về quản lý chất thải chăn nuôi lợn tại Việt Nam 19
1.2.3. Tổng quan về quản lý chất thải chăn nuôi lợn trên thế giới 21
CHƯƠNG II. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN CỦA VIỆT NAM 24
2.1. Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp cơ học và hóa lý 24
2.1.1. Xử lý cơ học 24
2.1.2. Xử lý hóa lý 24
2.2. Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học kỵ khí 24
2.2.1. Cơ sở lý thuyết quá trình xử lý kỵ khí 24
2.2.2. Các công trình kỵ khí có triển vọng áp dụng cho XLNT chăn nuôi 27
2.3. Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học hiếu khí 37
2.3.1. Các quá trình trong quá trình hiếu khí 37
2.3.2. Các công trình hiếu khí có triển vọng áp dụng cho XLNT chăn nuôi 37
2.4. Xử lý N, P trong nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp sinh học 41
2.4.1. Cơ sở lý thuyết loại bỏ hợp chất N trong nước thải 43
2.4.2. Các dây chuyền xử lý N, P trong nước thải 48
2.4.3. Quá trình mới xử lý Nitơ trong nước thải 51
2.4.4. Phương pháp xử lý P trong nước thải 54
2.4.5. Loại bỏ hợp chất N, P trong nước thải bằng thực vật thủy sinh: 55
2.5. Đề xuất và lựa chọn sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn tập trung phù hợp với điều kiện Việt Nam 56
CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 60
CHƯƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 61
3.1. Kết quả xử lý theo sơ đồ DCCN số 1 61
3.1.1. Sơ đồ dây chuyền công nghệ 61
3.1.2. Kích thước các công trình 61
3.1.3. Kết quả và thảo luận 62
3.2. Kết quả xử lý theo sơ đồ DCCN số 2 69
3.2.1. Sơ đồ dây chuyền công nghệ 70
3.2.2. Vận hành công trình 71
3.2.3. Kết quả và nhận xét 71
3.3. Cơ sở lý thuyết và tính toán các công trình theo sơ đồ DCCN số 3 74
3.3.1. Bể Biogas 75
3.3.2. Bể UASB 77
3.3.3. Mương oxy hóa: 82
3.3.4. Bể lắng 2 83
3.3.5. Hồ sinh học 83
3.4. So sánh lựa chọn công nghệ tối ưu cho xử lý nước thải chăn nuôi lợn 84
CHƯƠNG IV. KẾT LUẬN 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO 91
PHỤ LỤC 95
Phụ lục 1: Một số hình ảnh về hệ thống xử lý áp dụng dây chuyền 1 95
Phụ lục 2: Một số hình ảnh về hệ thống xử lý áp dụng dây chuyền 2 97
Phụ lục 3: Một số hình ảnh và bản vẽ hệ thống xử lý áp dụng dây chuyền 3 99

Danh mục từ viết tắt

Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt
ADP: Adenozin Diphotphat
ATP: Adenozin Triphotphat
BOD: Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa sinh hóa
COD: Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa hóa học
DO: Dissolved Oxygen Oxy hòa tan
F/M Food / Microorganisms Tỷ lệ thức ăn / vi sinh vật
IFPRI: Viện nghiên cứu chính sách lương thực quốc tế
MARD: Bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn Việt Nam
SBR: Sequencing Batch Reactor Bể phản ứng hoạt động gián đoạn
SVI: Sludge Volume Index Chỉ số bùn – thể tích 1g bùn chiếm chỗ ở trạng thái lắng
TKN Tổng Nitơ Kjehdahl
TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam
TVTS Thực vật thủy sinh
VFA Volatile Faty acid Axit béo dễ bay hơi
VLL Vật liệu lọc
VSV Vi sinh vật
UASB Upflow Anaerobic Sludge Blanket Bể với lớp bùn kỵ khí dòng hướng lên
XLNT Xử lý nước thải


Danh mục bảng

Bảng 1.1. Số lượng trang trại chăn nuôi tính đến hết năm 2006 9
Bảng 1.2. Tốc độ tăng trưởng nông nghiệp hàng năm 9
Bảng 1.3. Các bệnh điển hình liên quan đến chất thải chăn nuôi 13
Bảng 1.4. Khối lượng phân và nước tiểu của gia súc thải ra trong 1 ngày đêm 15
Bảng 1.5. Lượng chất thải chăn nuôi ước tính năm 2008 16
Bảng 1.6. Thành phần (%) của phân gia súc gia cầm 16
Bảng 1.7. Một số thành phần vi sinh vật trong chất thải rắn chăn nuôi lợn 17
Bảng 1.8. Thành phần trung bình của nước tiểu các lọai gia súc 17
Bảng 1.9. Chất lượng nước thải theo điều tra tại các trại chăn nuôi tập trung 18
Bảng 1.10. Phương pháp xử lý và sử dụng chất lỏng tại các hệ thống 21
Bảng 2.1. Thành phần khí trong hỗn hợp khí Biogas 27
Bảng 2.2. Lượng khí Biogas được sinh ra từ chất thải động vật và các chất thải trong nông nghiệp 28
Bảng 2.3. Năng suất khí sinh học từ quá trình lên men các loại nguyên liệu 29
Bảng 2.4. Tỷ lệ C/N trong phân gia súc gia cầm 29
Bảng 2.5. Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian lưu đến hiệu quả sinh khí 30
Bảng 2.6. Các thông số kỹ thuật đối với các công trình xử lý kỵ khí 34
Bảng 2.7. Một số loại thuỷ sinh vật tiêu biểu 41
Bảng 2.8. Hiệu quả xử lý N bằng các công trình xử lý thông thường 42
Bảng 2.9. Ảnh hưởng của tỷ lệ BOD/TKN đến (%) VSV tự dưỡng trong hệ hiếu khí 43
Bảng 2.10. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ sinh trưởng của VSV nitrat hóa 44
Bảng 2.11. Hợp chất Photpho và khả năng chuyển hóa 54
Bảng 2.12. Đặc điểm nước thải chăn nuôi lợn 56
Bảng 3.1: Kết quả phân tích mẫu nước thải sau bể Biogas 62
Bảng 3.2: Kết quả phân tích mẫu nước tại điểm lấy mẫu số 2 (sau bể thiếu khí) 63
Bảng 3.3: Kết quả phân tích mẫu nước tại điểm lấy mẫu số 3 (sau bể lọc SH) 64
Bảng 3.4: Kết quả phân tích mẫu nước tại điểm lấy mẫu số 2 (tuần hoàn 20%) 65
Bảng 3.5: Kết quả phân tích mẫu nước tại điểm lấy mẫu số 3 (tuần hoàn 20%) 65
Bảng 3.6: Kết quả phân tích mẫu nước tại điểm lấy mẫu số 4 (Sau hồ sinh học) 67
Bảng 3.7: Kết quả phân tích mẫu nước tại điểm lấy mẫu số 4 (tuần hoàn 20%) 67
Bảng 3.8: Đánh giá tổng hợp hiệu quả xử lý và kết quả sau các quá trình 68
Bảng 3.9. Kết quả phân tích chất lượng nước thải trước và sau Biogas 70
Bảng 3.10:Hiệu quả xử lý sau các quá trình tuần thứ 6 72
Bảng 3.11:Hiệu quả xử lý sau các quá trình tuần thứ 7 72
Bảng 3.12. Hiệu quả xử lý sau các quá trình tuần thứ 8 73
Bảng 3.13. Tính toán lượng thải và xác định dung tích bể Biogas 75
Bảng 3.14. Các loại bùn nuôi cấy ban đầu bể UASB 81
Bảng 3.15. Các thông số thiết kế hồ sinh học 83
Bảng 3.16. So sánh các sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn 85


Danh mục hình

Hình 1.1. Mục đích sử dụng phân trong quá trình chăn nuôi lợn theo điều tra tại một số huyện thuộc TP. Hồ Chí Minh 19
Hình 1.2. Mục đích sử dụng nước thải trong quá trình chăn nuôi lợn theo điều tra tại một số huyện thuộc TP. Hồ Chí Minh 20
Hình 1.3. Mô hình quản lý chất thải rắn chăn nuôi trên thế giới 22
Hình 2.1. Sơ đồ phản ứng sinh hóa trong điều kiện yếm khí. Số liệu chỉ %COD trong từng giai đoạn 25
Hình 2.2. Sơ đồ cấu tạo bể UASB 33
Hình 2.3. Các quá trình sinh hóa XLNT trong hồ sinh học 39
Hình 2.4. Sơ đồ quá trình khử hợp chất N 43
Hình 2.5. Sơ đồ công nghệ xử lý N, P theo quy trình A2/O 48
Hình 2.6. Sơ đồ công nghệ xử lý N, P theo quy trình Bardenpho 5 giai đoạn 49
Hình 2.7. Sơ đồ công nghệ xử lý N, P theo quy trình UCT 49
Hình 2.8. Sơ đồ công nghệ xử lý N, P theo quy trình VIP 50
Hình 2.9. Sơ đồ hoạt động của bể SBR 50
Hình 2.10. Sơ đồ công nghệ xử lý N, P trong mương oxy hóa 50
Hình 2.11: Sơ đồ quá trình xử lý N-NH4+ 52
Hình 2.12. Sơ đồ xử lý P bằng phương pháp sinh học sử dụng vật liệu bám dính cốt sắt (Fe) không có bùn hoạt tính tuần hoàn 55
Hình 3.1. Sơ đồ công nghệ nghiên cứu theo dây chuyền số 1 61
Hình 3.2. Nồng độ các chất ô nhiễm tại từng giai đoạn thời gian 68
Hình 3.3. Sơ đồ công nghệ nghiên cứu theo dây chuyền số 2 70
Hình 3.4. Diễn biến quá trình phân hủy theo thời gian tại bể thiếu khí 73
Hình 3.5. Diễn biến quá trình phân hủy theo thời gian tại bể aerotenk 74
Hình 3.6. Diễn biến quá trình phân hủy theo thời gian tại ao sinh học 74
Hình 3.7. Cấu tạo bể UASB 78
Hình 3.8. Tấm chắn khí trong bể UASB 79
Hình 3.9. Tấm hướng dòng trong bể UASB 80