Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ sục khí đến quá trình xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp Sequencing Batch Reator (SBR)

Đặng T Hồng Phương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 95(07): 21 - 26 21 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ SỤC KHÍ ĐẾN QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SEQUENCING BATCH REATOR (SBR) Đặng Thị Hồng Phương1, Phạm Thị Hải Thịnh2, Vũ Thị Thu Huế1 1Trường Đại học Nông lâm – ĐH Thái Nguyên, 2Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam TÓM TẮT Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ sục khí đến quá trình xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau quá trình xử lý yếm khí bằng phương pháp sequencing batch reator (bùn hoạt tính theo mẻ) cho thấy chế độ sục khí không ảnh hưởng nhiều đến hiệu quả xử lý COD, ở cả 3 chế độ nghiên cứu, hiệu quả xử lý COD tương đối cao, đạt khoảng 90%. Một mẻ thí nghiệm thực hiện trong 12 giờ. Thời gian thực hiện quá trình nitrat hóa trong một mẻ thí nghiệm là 6 giờ, hiệu quả oxy hóa amoni đạt trong khoảng 90 – 99%. Chế độ sục khí 6 giờ/1 mẻ, gồm hai chu trình thiếu khí – hiếu khí cho hiệu quả xử lý COD, T-N cao và ổn định nhất. Từ khóa: nước thải chăn nuôi lợn, SBR, thiếu khí – hiếu khí ĐẶT VẤN ĐỀ* Đặc trưng của nước thải chăn nuôi thuộc loại giàu SS, COD, N, P. Vì vậy, để xử lý nước thải chăn nuôi, kĩ thuật yếm khí luôn là sự lựa chọn đầu tiên. Tuy nhiên, loại nước thải này rất khó xử lý, bởi vì nồng độ hữu cơ cũng như nitơ trong nước thải rất cao, nếu chỉ xử lý bằng các quá trình sinh học yếm khí thường không triệt để, vẫn còn một lượng lớn các chất hữu cơ, chủ yếu là N, P. Do vậy, sau quá trình xử lý yếm khí, bước tiếp theo là quá trình sinh học hiếu khí – thiếu khí kết hợp cuối cùng có thể là bước xử lý bổ sung nhằm giảm thiểu tối đa thành phần dinh dưỡng. Một trong các quá trình hiếu khí và thiếu khí cơ bản thường được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn đó là phương pháp sequencing batch reator (SBR) (bùn hoạt tính theo mẻ). Nghiên cứu này trình bày một số kết quả đạt được khi thay đổi chế độ sục khí đến quá trình xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau xử lý yếm khí bằng phương pháp pháp SBR. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nước thải được chọn là nước thải từ hộ chăn nuôi lợn quy mô nhỏ. Nước thải lấy tại hộ gia đình chăn nuôi nhỏ lẻ, ở Gia Lâm (Hà Nội). Hộ gia đình chăn nuôi khoảng * Email: hongphuong83@gmail.com 20 con lợn, rửa chuồng 3 lần/ngày, vào mùa hè rửa 4 lần/ngày. Lượng nước dùng khoảng 1,5 – 2 m3/ngày, có một bể Biogas với thể tích 7 m3, có một bể chảy tràn 1,5 m3 Nội dung nghiên cứu - Đánh giá ảnh hưởng của chế độ sục khí (liên tục, gián đoạn) hiệu quả xử lý COD, N Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp lấy mẫu: Lấy mẫu theo TCVN 5999:1995. - Phương pháp phân tích: Phân tích COD, Amoni, Nitrat, Nitrit, tổng N, P theo QCVN hiện hành - Phương pháp thu thập và xử lý số liệu: Tiến hành theo dõi hàng ngày và ghi lại các số liệu trong quá trình làm việc, xử lý bằng Excel. Tính toán các thông số tải lượng COD, hiệu suất xử lý và tỷ lệ C/N theo các công thức sau [1] + Tính tải lượng COD, T-N: LCOD = CCODvào (mg/L) * Qvào (L/ngày) / (V * 1000); LT-N = CT-Nvào (mg/L) * Qvào (L/ngày) / (V * 1000); với Qvào= Q (L/mẻ) *2 (mẻ/ngày) + Tính hiệu suất xử lý: COD, NH4+ , T-N: H = (Cvào- Cra)*100/Cvào; Thời gian lưu: T = V / Qvào + Tính tỷ lệ: C/N = CCODvào/CT-N vào LCOD, LT-N : Tải lượng COD, N (kg/m3/ ngày); Q: Lưu lượng (5 L/mẻ); T: Thời gian lưu nước thải (ngày), V: Thể tích nước trong bể phản ứng SBR (20L) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Đặng T Hồng Phương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 95(07): 21 - 26 22 H: Hiệu suất xử lý ( %); Cvào: Nồng độ COD, NH4+ hoặc T-N đầu vào (mg/L). Cra: Nồng độ COD, NH4+ hoặc T-N đầu ra (mg/L); 1000: hệ số quy đổi KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Thực nghiệm Đặc trưng nước thải trong nghiên cứu Đặc trưng của nước thải trong nghiên cứu được thể hiện trong Bảng 1: Bảng1: Đặc trưng nước thải chăn nuôi lợn sau xử lý yếm khí (biogas) [2] Thông số Đơn vị Hàm lượng pH - 6,8 – 7,4 COD mg/L 450 – 800 N-NH4+ mg/L 246 – 460 N-NO3- mg/L 0,5 – 4,4 Tổng N mg/L 250 – 463 Tổng P mg/L 5,6 – 10,4 TSS mg/L 1500 – 3000 Đặc trưng của nước thải chăn nuôi lợn có chứa chất hữu cơ cao, hàm lượng amoni cao và chất rắn lơ lửng tương đối cao. Tuy nhiên, hàm lượng COD không cao nên phải bổ sung thêm cơ chất để tăng COD cho phù hợp với mục đích nghiên cứu. Mô hình thiết bị thí nghiệm Cải tạo hệ thiết bị bùn hoạt tính thành hệ thiết bị SBR, làm việc gián đoạn như hình 1. Các chế độ thí nghiệm - Chế độ 1: Chế độ sục khí gián đoạn 1 chu trình, sục khí 8 giờ, lắng 2 giờ, xả 1 giờ, khuấy trộn 2 giờ. Cơ sở lựa chọn chế độ 1: Nước thải nghiên cứu có đặc tính hàm lượng N (amoni) cao nên chọn thời gian sục khí kéo dài để đảm bảo quá trình nitrat hóa xảy ra hoàn toàn. - Chế độ 2: Chế độ sục khí gián đoạn 1 chu trình thực hiện xử lý 5 lít/mẻ, bơm vào 1 giờ, khuấy trộn 3 giờ, sục khí 6 giờ, lắng 1 giờ, xả 1 giờ. Cơ sở chuyển từ chế độ thí nghiệm 1 sang chế độ thí nghiệm 2: Tăng thời gian thiếu khí để khử nitrat đã tạo ra. - Chế độ 3: Là chế độ sục khí gián đoạn 2 chu trình hiếu khí – thiếu khí, bơm vào 1 giờ, khuấy trộn 1 giờ (bắt đầu cùng lúc bơm vào), sục khí 3 giờ, lắng 2 giờ, khuấy trộn 1 giờ, sục khí tiếp 3 giờ, lắng 1 giờ và xả 1 giờ. Lưu lượng 5lít/mẻ. Hình 1. Sơ đồ hệ thiết bị thí nghiệm SBR [3] pH DO ORP Máy tính Máy thổi khí Lưu lượng khí Thùng đựng nước thải Bơm nước thải Máy khuấy Bơm nước ra Thùng chứa nước sạch Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Đặng T Hồng Phương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 95(07): 21 - 26 23 Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu quả xử lý COD, N Hiệu quả xử lý COD Hiệu quả xử lý COD tại các chế độ thí nghiệm khác nhau thể hiện trên hình 2 Hình 2. Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu suất xử lý COD Chế độ sục khí ảnh hưởng không lớn đến hiệu suất xử lý COD. Ở cả 3 chế độ đều cho hiệu suất xử lý đạt 85 – 90% và tương đối ổn định. Nồng độ đầu ra thấp, hầu hết trong khoảng 150 mg/L (đạt QCVN40:2011/BTNMT, cột B). Tuy nhiên chế độ 3 vẫn cho kết quả ổn định hơn cả. Hiệu quả xử lý Nitơ Hiệu quả xử lý N-NH4+ Ảnh hưởng của thời gian sục khí/ngừng sục khí đến hiệu suất sử lý NH4+ tương đối rõ rệt, thể hiện ở hình 3 Hình 3. Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu quả xử lý NH4+ - Tại chế độ 1, sục khí 8 giờ thì hiệu quả xử lý đạt khoảng 80%, nồng độ NH4+ ra < 100 mg/L; 0 400 800 1200 1600 2000 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Thời gian, ngày C O D , m g/ l 0 20 40 60 80 100 H iệ u su ất x ử lý C O D , % COD vào COD ra Hiệu suất xử lý COD CĐ 1 CĐ 2 CĐ 3 0 100 200 300 400 500 600 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Thời gian, ngày N H 4+ , m g/ l 0 20 40 60 80 100 H iệ u su ất x ử lý N H 4+ , % NH4+ vào NH4+ ra Hiệu suất xử lý NH4+ CĐ 1 CĐ 2 CĐ 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Đặng T Hồng Phương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 95(07): 21 - 26 24 - Tại chế độ 2 và chế độ 3, hiệu quả xử lý đạt tương đối cao trên 90 – 99%, nồng độ NH4+ ra < 20 mg/L. Sự chuyển hóa NO2- Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến sự chuyển hóa NO2- thể hiện trên hình 4. Hình 4. Ảnh hưởng của thời gian sục khí/ngừng sục khí đến sự chuyển hóa NO2- Sự chuyển hóa NO3- Ảnh hưởng của thời gian sục khí/ngừng sục khí được thể hiện ở hình 5. Hình 5. Ảnh hưởng của thời gian sục khí/ngừng sục khí đến sự chuyển hóa NO3- Ảnh hưởng của thời gian sục khí/ngừng sục khí khá rõ rệt đến quá trình chuyển hóa Nitrat. Thời gian ngừng sục khí ít thì quá trình khử nitrat không đủ để thực hiện hết, vì thế tại chế độ 1 NO3- đầu ra tương đối cao. Tuy nhiên đến chế độ 2, 3 thì với thời gian ngừng sục khí lên tới 6 giờ thì khả năng khử nitrat là rất tốt. Ở chế độ 3 nồng độ nước đầu ra hầu hết đạt dưới 30 mg/L. 0 50 100 150 200 250 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Thời gian, ngày N O 3- , m g/ l NO3- vào NO3- ra CĐ 1 CĐ 2 CĐ 3 0 20 40 60 80 100 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Thời gian, ngày N O 2- , m g/ l NO2- vào NO2- ra CĐ 1 CĐ 2 CĐ 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Đặng T Hồng Phương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 95(07): 21 - 26 25 Hiệu quả xử lý T-N Hình 6. Ảnh hưởng của chế độ sục khí đến hiệu quả xử lý T-N Tại chế độ 1 thì hiệu suất của hệ thống chỉ đạt khoảng 20 – 30%, tới chế độ 2 thì hiệu suất đã lên tới khoảng 70%. Và sang chế độ 3 thì hiệu suất xử lý T-N đã đạt tới khoảng 75 – 80%. Như vậy có thể nhận thấy, tỷ lệ thời gian sục khí và ngừng sục khí là 1 : 1, và trong một mẻ thí nghiệm xảy ra hai chu trình thiếu khí – hiếu khí là đạt hiệu quả xử lý nitơ cao nhất. KẾT LUẬN - Chế độ sục khí không ảnh hưởng nhiều đến hiệu quả xử lý COD, ở cả 3 chế độ nghiên cứu, hiệu quả xử lý COD tương đối cao, đạt khoảng 90%. - Thời gian thực hiện quá trình nitrat hóa trong một mẻ thí nghiệm 12 giờ là 6 giờ, hiệu quả oxy hóa amoni đạt trong khoảng 90 – 99%. - Hiệu quả xử lý T-N tại chế độ thời gian sục khí 6 giờ/1 mẻ 12 giờ bao gồm hai chu trình thiếu khí – hiếu khí là cao nhất, đạt hơn 80%. - Kết quả nghiên cứu này cho thấy chế độ sục khí 6 giờ/1 mẻ, 1 mẻ là 12 giờ, gồm hai chu trình thiếu khí – hiếu khí cho hiệu quả xử lý COD, T-N cao và ổn định nhất. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lương Đức Phẩm (2002), Giáo trình công nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học, Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội [2] Lê Công Nhất Phương (2007), Nghiên cứu triển khai ứng dụng xử lý ammonium trong nước thải nuôi heo với công suất 20 m3/ngày và nuôi dưỡng sinh khối có nhóm vi khuẩn Anammox. [3] Nguyễn Hữu Trung (2010), Báo cáo đề tài cấp cơ sở chọn lọc Viện Công nghệ môi trường “Nghiên cứu xử lý đồng thời thành phần hữu cơ và dinh dưỡng trong nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp SBR”. 0 100 200 300 400 500 600 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Thời gian, ngày T - N , m g/ l 0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 H iệ u su ất x ử lý T - N , % T-N vào, mg/l T-N ra, mg/l Hiệu suất xử lý T-N, % CĐ 1 CĐ 2 CĐ 3 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Đặng T Hồng Phương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 95(07): 21 - 26 26 SUMMARY STUDY ON THE EFFECT OF REGIME AERATION PROCESS TO PIG LIVESTOCK WASTE WATER TREATMENT PROCESS AFTER ANAERATION TREATMENT BY SBR Dang Thi Hong Phuong1*, Pham Thi Hai Thinh2, Vu Thi Thu Hue1 1College of Agriculture and Forestry – TNU, 2Vietnam Institute of Science and Technology To study the effect of aeration mode to the wastewater treatment process for pig breeding process affter process treatment anaerobic by means of SBR (Sequencing Batch Reactor) indicated that aeration mode did not affect to the COD removal efficiency, in all 3 research modes. COD removal efficiency is relatively high, reaching about 90%. Time for the nitrification performance of the tests is 12 hours. However, the effect of this stage is 6 hours. Ammonium oxidation efficiency reached in about 90-99%. Aeration mode 6 hours for one batch, a batch of 12 hours which includes two anoxic cycles- the aerobic showed high efficiency and stable with COD and T-N. Keyword: pig livestock waste water, SBR, anaerobic - aerobic Ngày nhận bài: 28/6/2012, ngày phản biện:20/7/2012, ngày duyệt đăng:27/7/2012 * Email: hongphuong83@gmail.com Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên