Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ Cod:n và chế độ cấp nước đến hiệu suất xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp SBR - Đặng Thị Hồng Phương

Đặng Thị Hồng Phương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 89 - 94 89 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ LỆ COD:N VÀ CHẾ ĐỘ CẤP NƯỚC ĐẾN HIỆU SUẤT XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN BẰNG PHƯƠNG PHÁP SBR Đặng Thị Hồng Phương1,*, Phạm Thị Hải Thịnh2, Hà Anh Tuấn3 1Trường Đại học Nông lâm – ĐH Thái Nguyên 2Viện Công nghệ Môi trường; 3Đại học Thái Nguyên TÓM TẮT Mục đích của nghiên cứu này là xác định các thông số công nghệ, tối ưu hóa điều kiện vận hành của phương pháp SBR (các quá trình xử lý chất hữu cơ và nitơ được thực hiện trong một bể - Sequencing Batch Reactor) trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn. Tiến hành nghiên cứu các điều kiện vận hành hệ thống SBR như tỷ lệ COD:N và chế độ cấp nước cho thấy, hệ thống SBR có hiệu suất xử lý COD trong nước thải chăn nuôi rất cao. Tỷ lệ COD:N có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất xử lý Nitơ. Tỷ lệ COD:N trong khoảng 3-5, hiệu suất xử lý T-N đạt tương đối cao và ổn định, khoảng 75-85%. Ngoài ra, ảnh hưởng chế độ cấp nước thải đến hiệu suất xử lý nitơ của hệ thống SBR cũng được tiến hành nghiên cứu. Chế độ cấp nước thải 2 lần với tỷ lệ cấp nước giữa 2 lần là 2:1 cho hiệu quả xử lý cao nhất. Hiệu suất xử lý N-NH4+ và T-N tương ứng đạt 100% và 90%. Như vậy, kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp SBR rất phù hợp để xử lý nước thải chăn nuôi, hiệu suất xử lý đạt hiệu quả cao. Từ khóa: Nước thải chăn nuôi lợn, phương pháp xử lý nước thải SBR, chế độ cấp nước, tỷ lệ C:N. ĐẶT VẤN ĐỀ* Đặc trưng của nước thải chăn nuôi thuộc loại giàu SS, COD, N, P . Đặc tính nước thải chăn nuôi lợn lại thay đổi rất lớn phụ thuộc vào phương pháp chăn nuôi, quy mô trang trại, quản lý chuồng trại (như việc có tách lỏng rắn hay không), điều kiện của từng địa phương. Những điều này ảnh hưởng lớn đến quy mô xử lý cũng như lựa chọn phương pháp xử lý. Ở nước ta, việc xử lý nước thải chăn nuôi cho đến nay chỉ phổ biến áp dụng rộng rãi một số loại hầm biogas cỡ nhỏ phù hợp với chăn nuôi phân tán. Một số trang trại quy mô lớn được xây dựng gần đây đã sử dụng các hầm biogas có thể tích tới hàng trăm, hàng ngàn m3 kết hợp với các hồ sinh học để xử lý nước thải. Hoặc nước thải biogas được tiếp tục qua hệ xử lý sinh học [3]. Tuy nhiên, từ đặc tính nước thải ngành chăn nuôi và thực tế các công nghệ áp dụng ở trên bị hạn chế và hiệu suất xử lý tương đối thấp. Qua các nghiên cứu cho thấy, xử lý nước thải bằng công nghệ SBR (các quá trình xử lý N, COD được thực hiện trong một bể) có thể đáp ứng các yêu cầu của xử lý nước thải chăn nuôi. Công nghệ * Tel: 0976177083; Email: hongphuong83@gmail.com SBR được coi là công nghệ xử lý hiệu quả đối với nhiều loại nước thải sinh hoạt và công nghiệp. Tuy nhiên, để có thể đưa phương pháp SBR vào ứng dụng thực tế tại Việt Nam cần thiết phải tiến hành các nghiên cứu để xác định các điều kiện và thông số công nghệ của quá trình: thời gian sục khí/ngừng sục khí, tỷ lệ COD:N, tỷ lệ cấp nước thải, hiệu suất xử lý và tải lượng giới hạn cho phép. Xuất phát từ thực tiễn đó, nghiên cứu này nhằm tìm ra các chế độ vận hành thích hợp đối với công nghệ SBR để xử lý nước thải chăn nuôi lợn có chứa thành phần chất hữu cơ và NH4+ cao, từ đó có cơ sở ứng dụng thực tiễn để xử lý nước thải chăn nuôi. 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 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. Đặng Thị Hồng Phương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 89 - 94 90 Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ COD:N đến hiệu quả xử lý COD, N - Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cấp nước thải đến 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 các chỉ tiêu COD, Amoni, Nitrat, Nitrit, tổng N, P theo QCVN hiện hành. Địa điểm thực hiện: Viện Công nghệ môi trường – Viện Khoa học công nghệ Việt Nam - 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 - Phương pháp tính toán: [1] + Tính tải lượng COD, T-N: LCOD = CCOD vào (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). 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: Bảng 1. Đặc trưng nước thải chăn nuôi lợn sau xử lý yếm khí (biogas) TT Thông số Đơn vị Hàm lượng 1 pH - 6,8 – 7,4 2 COD mg/L 450 – 800 3 N-NH4+ mg/L 246 – 460 4 N-NO3- mg/L 0,5 – 4,4 5 Tổng N mg/L 250 – 463 6 Tổng P mg/L 5,6 – 10,4 7 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. Hình 1. Sơ đồ hệ thiết bị thí nghiệm SBR [4] pH DO ORP Máy tính Máy thổi khí Lưu lượng khí Thùng đựng nước thải Bơm nước thải Máy khuấy Bơm nước Thùng chứa nước sạch Đặng Thị Hồng Phương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 89 - 94 91 Các chế độ thí nghiệm Để nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ cấp thải đến hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi của hệ thống SBR, các chế độ cấp nước thải được bố trí như bảng 2 [2]. Chế độ 1:1 (CĐ 1:1): Cấp nước hai lần với tỷ lệ giữa lần 1 và lần 2 là 1:1 (Lưu lượng Q1=2,5 L/30 phút, Q2= 2,5 L/30 phút, tổng thể tích trong 1 mẻ 5 L/mẻ). Chế độ 2:1 (CĐ 2:1): Cấp nước hai lần với tỷ lệ giữa lần 1 và lần 2 là 2:1 (Lưu lượng Q1= 3,33 L/30 phút, Q2= 1,67 L/30 phút, tổng thể tích trong 1 mẻ 5 L/mẻ). Chế độ 3:1 (CĐ 3:1): Cấp nước hai lần với tỷ lệ giữa lần 1 và lần 2 là 3:1 (Lưu lượng Q1= 3,75 L/30 phút, Q2= 1,25 L/30 phút, tổng thể tích trong 1 mẻ 5 L/mẻ). Ảnh hưởng của tải lượng COD, T-N đến hiệu suất xử lý COD và Nitơ Hiệu quả xử lý COD Ảnh hưởng của tỷ lệ chất hữu cơ/N đến hiệu suất xử lý COD được thể hiện trên hình 2. Kết quả hình 2 ta thấy tỷ lệ COD:N có ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý COD. Đối với tỷ lệ COD:N trong khoảng 1 – 2, tải lượng bùn trong khoảng 0,5 – 1 kg COD/kg MLSS/ngày, hiệu suất xử lý COD thấp hơn chỉ đạt trong khoảng 85%. Khi tăng tỷ lệ COD:N trong khoảng 3 – 5, tải lượng bùn trong khoảng 2 – 4 kg COD/kg MLSS/ngày, hiệu suất xử lý COD tương đối ổn định và đạt khoảng 90%. Tỷ lệ COD:N trong khoảng 5 – 6, tải lượng bùn trong khoảng 3 – 3,5 kg COD/kg MLSS/ngày, hiệu suất COD có xu hướng không tăng, vẫn chỉ đạt trong khoảng 90%. Bảng 2. Các chế độ cấp nước thải cho hệ thống SBR 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 0 1 2 3 4 5 6 Tỉ lệ COD:N T ải tr ọn g C O D th eo bù n , kg C O D /k gM LS S/ n gà y 0 20 40 60 80 100 H iệu su ất x ử lý C O D , % Tải lượng bùn Hiệu suất xử lý COD Hình 2. Ảnh hưởng của tỷ lệ COD:N và tải lượng bùn đến hiệu suất xử lý COD Dòng vào Trộn Sục khí Lắng Dòng ra Phương thức vận hành Giờ Thời gian biểu Sục khí có giới hạn 0 1 2 3 4 5 8 9 10 11 126 7 Đặng Thị Hồng Phương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 89 - 94 92 Hiệu quả xử lý Nitơ Ảnh hưởng của tỷ lệ COD/N đến hiệu suất xử lý Nitơ được thể hiện trên hình 3. Kết quả thể hiện ở hình 3 cho thấy, đối với tỷ lệ COD:N trong khoảng 1 – 2, tương ứng với tải lượng bùn trong khoảng 0,3 – 0,6 kg N/kg MLSS/ngày, hiệu suất xử lý T-N đạt thấp chỉ trong khoảng 20 – 40%. Tỷ lệ chất hữu cơ:N trong khoảng 3 – 5, tải lượng bùn trong khoảng 0,55 – 1 kg N/kg MLSS/ngày, hiệu suất xử lý T-N đạt tương đối cao trong khoảng 75 – 85%. Tuy nhiên khi tăng tỷ lệ COD:N trong khoảng 5 – 6, hiệu suất xử lý T- N có xu hướng giảm đi. Có thể nhận thấy rằng tỷ lệ COD:N trong khoảng 3 – 5, tải lượng bùn trong khoảng 0,55 – 1 kg N/kg MLSS/ngày, hiệu suất xử lý T-N là cao và ổn định nhất. Ảnh hưởng của chế độ cấp nước đến hiệu suất xử lý COD, N Ảnh hưởng của chế độ cấp nước đến hiệu suất xử lý COD Ảnh hưởng của chế độ cấp nước thải đến hiệu suất xử lý COD được thể hiện ở hình 4. Các kết quả thí nghiệm thu được ở hình 4 cho thấy: - Ở giai đoạn đầu, khi mới khởi động, hệ thống mới hoạt động nên kết quả thực nghiệm chưa ổn định, các kết quả sử dụng là khi hệ thống đã hoạt động cho kết quả ổn định. - Trong các chế độ thí nghiệm, CĐ 1:1 cho kết quả xử lý COD thấp nhất và kém ổn định, nhưng cũng đạt trên 85%. Ở chế độ thí nghiệm CĐ 2:1, hiệu quả xử lý COD là cao nhất và ổn định nhất. Hiệu suất xử lý COD đạt khoảng 90%, nồng độ COD ra tương đối ổn định, khoảng 100 mg/L. Như vậy chế độ cấp nước thải có ảnh hưởng rõ rệt đến hiệu suất xử lý COD. Chế độ cấp nước thải 2 lần ở các mức tỷ lệ cấp nước giữa 2 lần khác nhau cũng cho hiệu suất xử lý COD của nước thải khác nhau. Theo đó, chế độ cấp nước 2 lần, tỷ lệ cấp giữa lần 1 và lần 2 là 2:1 (CĐ 2;1) cho hiệu suất xử lý COD cao nhất và ổn định nhất. 0.0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 0 1 2 3 4 5 6 Tỉ lệ COD:N T ải tr ọn g T - N th eo bù n , kg N /k gM L SS /n gà y 0 20 40 60 80 100 H iệu su ất x ử lý T - N , % Tải lượng bùn Hiệu suất xử lý T-N Hình 3. Ảnh hưởng của tỷ lệ COD:N và tỷ lệ bùn đến hiệu suất chuyển hóa T-N Kết quả thí nghiệm COD 0 500 1000 1500 2000 2500 0 20 40 60 80 10 0 12 0 14 0 Thời gian, ngày C O D , m g/ l 0 20 40 60 80 100 COD vào COD ra HS CĐ 1:1 CĐ 2:1 CĐ 3:1 Hình 4. Ảnh hưởng của chế độ cấp nước thải đến hiệu suất xử lý COD Đặng Thị Hồng Phương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 89 - 94 93 Ảnh hưởng của chế độ cấp nước đến hiệu suất xử lý Nitơ Hiệu quả xử lý N-NH4+ Hiệu quả xử lý N-NH4+ tại các chế độ thí nghiệm khác nhau được thể hiện trên hình 5. Chế độ cấp nước thải 2 lần ở các tỷ lệ cấp nước khác nhau có hiệu quả tốt với việc xử lý N-NH4+ trong nước thải. Ở CĐ 1:1, chế độ thí nghiệm cấp nước 2 lần với tỷ lệ cấp nước giữa 2 lần là 1:1, hiệu suất xử lý N-NH4+ đã đạt 95%. Và ở 2 chế độ thí nghiệm còn lại, CĐ 2:1 và CĐ 3:1, hiệu suất xử lý N-NH4+ đạt tối đa, 100% và tương đối ổn định. Hiệu quả xử lý T-N Hiệu quả xử lý T-N tại các chế độ thí nghiệm khác nhau được thể hiện trên hình 6. Kết quả thí nghiệm thể hiện ở hình 6 cho thấy, hiệu suất xử lý T-N ở các chế độ thí nghiệm thay đổi rõ rệt. Ở chế độ CĐ 2:1, chế độ thí nghiệm cấp nước 2 lần, tỷ lệ cấp nước giữa 2 lần là 1:1 thì hiệu suất xử lý T-N đã khá cao, đạt trên 80% nhưng kém ổn định. So sánh kết quả thí nghiệm ở các chế độ cho thấy, CĐ 2:1 cho kết quả cao và ổn định nhất. Hiệu suất loại T-N trong nước thải chăn nuôi ở CĐ 2:1 đạt khoảng 85-90%. Kết quả thí nghiệm N-NH4+ 0 100 200 300 400 500 0 20 40 60 80 10 0 12 0 14 0 Thời gian, ngày CO D , m g/ l 0 20 40 60 80 100 NH4+ vào NH4+ ra HS CĐ 1:1 CĐ 2:1 CĐ 3:1 Hình 5. Ảnh hưởng của chế độ cấp nước đến hiệu suất xử lý N-NH4+ Kết quả thí nghiệm T-N 0 100 200 300 400 500 0 20 40 60 80 10 0 12 0 14 0 Thời gian, ngày CO D , m g/ l 0 20 40 60 80 100 T-N vào T-N ra HS CĐ 1:1 CĐ 2:1 CĐ 3:1 Hình 6. Ảnh hưởng của chế độ cấp nước đến hiệu suất xử lý T-N Đặng Thị Hồng Phương và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 113(13): 89 - 94 94 KẾT LUẬN - Hệ thống SBR có hiệu suất xử lý COD trong nước thải chăn nuôi lợn rất cao, không phụ thuộc vào các chế độ vận hành. - Tỷ lệ C:N có ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất xử lý Nitơ, tỷ lệ C:N thấp hiệu suất xử lý T-N rất thấp vì không đủ cơ chất cho quá trình khử nitrat. Tỷ lệ C: N trong khoảng 3 – 5 hiệu suất xử lý T-N đạt tương đối cao và ổn định trong khoảng 75 – 85%. Chế độ cấp nước thải 2 lần kết hợp với chế độ sục khí 2 quá trình thiếu – hiếu khí cho kết quả xử lý N-NH4+ và T-N cao. Trong đó, chế độ cấp nước 2 lần với tỷ lệ cấp nước giữa 2 lần là 2:1 cho hiệu quả xử lý cao nhất. Hiệu suất xử lý N- NH4+ và T-N tương ứng đạt 100% và 90%. 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]. Đặng Thị Hồng Phương, Phạm Thị Hải Thịnh, Vũ Thị Thu Huế (2012), Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ sục khí đến quá trình xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng phương pháp SBR, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Đại học Thái Nguyên, tập 95, số 07. [3]. 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. [4]. 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. SUMMARY TO STUDY THE EFFECT OF THE COD:N AND SUPPLY WATER REGIME ON THE PERFORMANCE IN WASTEWATER TREATMENT FROM PIG LIVESTOCK BY SBR METHODS Dang Thi Hong Phuong1,*, Pham Thi Hai Thinh2, Ha Anh Tuan3 1College of Agriculture and Forestry – TNU 2Institute of Environmental Technology – VAST 3Thai Nguye n University The purpose of this study was to determine the technological parameters, optimize operating conditions of the SBR method of wastewater treatment from pig livestock. Conduct research operating conditions of system SBR such as ratio COD:N and supply water regime showed SBR system has COD treatment performance in wastewater is very high. Ratio COD: N greatly affects processor performance nitrogen. Ratio COD: N in the range of 3-5, processor performance TN was relatively high and stable was around 75-85%. In addition, the influence supply water regime and nitrogen processing performance of SBR systems was also conducted research. Mode supply water 2 times the rate of water supply between the two times is 2:1 for effective treatment is the most. Performance handling N-NH4 + and TN respectively 100% and 90%. Thus, the study results showed that the method SBR is suitable for wastewater treatment livestock handling performance with high efficiency. Keywords: Pig livestock waste water, SBR method, wastewater treatment, water supply mode, the C:N. Ngày nhận bài: 10/9/2013; Ngày phản biện: 13/10/2013; Ngày duyệt đăng: 18/11/2013 Phản biện khoa học: PGS.TS. Đặng Văn Minh – Đại học Thái Nguyên * Tel: 0976177083; Email: hongphuong83@gmail.com