Luận văn Chuyển đổi ammonium trong nước thải chăn nuôi heo bằng việc ứng dụng quá trình

SVTH:Nguyeãn Thanh Huøng 1

Luận văn

Chuyển đổi ammonium trong nước thải chăn

nuôi heo bằng việc ứng dụng quá trình Nitrification

và Anammox (Anaerobic Ammonium Oxidation)

SVTH:Nguyeãn Thanh Huøng 2

1. Đặt Vấn Đề

Trong các ngành công nghiệp, trong đó có ngành chăn nuôi hàng năm tiêu thụ

một lượng nước rất lớn. Từ đó thải ra một lượng nước thải rất lớn có nồng độ

ammonium khá cao. Việc xả bỏ N - ammonium vào môi trường là một trong những

nguyên nhân chính gây nên hiện tượng phú dưỡng hóa nguồn nước, dẫn đến ô nhiễm

và mất cân bằng sinh thái. Vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng các quá trình khử

ammonium trong các loại nước thải giàu nitơ mang một ý nghĩa thực tiễn cao.

Ơ nước ta, công tác xử lý nước thải thường chỉ chú trọng đến việc loại bỏ COD,

BOD mà chưa quan tâm đúng mức đối với chỉ tiêu ô nhiễm ammonium. Tại TP. Hồ

Chí Minh chỉ có một số ít các cơ sở, xí nghiệp chăn nuôi có trang bị hệ thống xử lý

nước thải và hầu hết là thải bỏ ra các kênh rạch, sông suối...

Khám phá các loại vi sinh vật mới nhằm tìm ra các phương pháp mới để khử

ammonium trong nước thải từ lâu đã được nghiên cứu trên thế giới. Ứng dụng quá

trình Nitrification –Anammox để xử lý nước thải công nghiệp đang là đề tài hấp dẫn

các nhà sinh vật học và môi trường học. Ở Việt Nam, ngành công nghệ môi trường

tuy vẫn còn non trẻ, nhưng với sự quan tâm đặc biệt của nhà nước nên trong những

năm gần đây đã có những tiến bộ đáng kể trong công tác nghiên cứu và ứng dụng các

tiến bộ khoa học kỹ thuật vào công nghệ xử lý nước thải bảo vệ môi trường.

Chính vì những lý do trên mà việc nghiên cứu ứng dụng quá trình Nitrification

– Anammox, là quá trình khử ammonium bằng vi sinh vật hiếu khí- kỵ khí trong

nước thải ngành chăn nuôi để cho sản phẩm cuối cùng là khí nitơ, một loại khí được

xem như vô hại đối với môi trường, sẽ mở ra một hướng đi mới không những mang ý

nghĩa về mặt khoa học, hơn thế nữa nó còn phù hợp với quan điểm phát triển bền

vững hiện nay, đó là tăng trưởng kinh tế phải đi đôi với bảo vệ môi trường.

2. Mục Tiêu Nghiên Cứu

Nghiên cứu quá trình chuyển đổi ammonium trong nước thải chăn nuôi heo

bằng việc ứng dụng quá trình Nitrification và Anammox (Anaerobic Ammonium

Oxidation)

3. Nội Dung Nghiên Cứu

SVTH:Nguyeãn Thanh Huøng 3

 Khảo sát thành phần và tính chất của bùn thải được lấy từ bể lắng (bùn hiếu

khí) và từ bể kỵ khí (bùn kỵ khí) của hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi heo (Xí

nghiệp heo giống Đông Á, huyện Dĩ An, tỉnh Bình Dương)

 Nghiên cứu điều kiện môi trường thích hợp để vi khuẩn Nitrosomonas,

Nitrobacter và Anammox trong bùn thải phát triển tốt.

 Thiết kế, lắp đặt và vận hành mô hình.

 Phân tích các chỉ tiêu N-NH4 , N-NO2 , N-NO3 , COD , P-PO4 , Fe , PH , SS,

DO ….của nước thải đầu vào và đầu ra.

 Đánh giá hiệu quả của quá trình xử lý trong các điều kiện khác nhau.

 Đề xuất xây dựng công nghệ thích hợp để xử lý ammonium cho ngành chăn

nuôi heo.

4. Phương Pháp Nghiên Cứu

Cách Tiếp Cận

 Nghiên cứu tài liệu liên quan đến hiên trạng xử lý nước thải của các cơ

sở, xí nghiệp chăn nuôi heo ở Việt Nam

 Khảo sát sự biến động về thành phần và tính chất của nước thải chăn

nuôi heo.

 Nghiên cứu tài liệu liên quan đến cơ sở lý thuyết và cơ sở thưc tiễn của

quá trình Nitrification và Anammox trong và ngoài nước.

Phương Pháp Nghiên Cứu

 Tạo sự thích nghi cho các vi khuẩn Nitrosomonas, Nitrobacter và

Anammox trong môi trường chứa bùn thải.

 Xây dựng mô hình, vận hành ở các điệu kiện khác nhau.

 Phân tích các chỉ tiêu hóa lý trong phòng thí nghiệm theo TCVN của

nước thải đầu vào và đầu ra nhằm ổn định các thông số.

 Từ các thông số đưa ra quy trình xử lý thích hợp.

5. Giới Hạn Đề Tài

 Các thí nghiệm và vận hành mô hình Pilot với quy mô 200 – 500 lít/ngày và

thiết bị phản ứng ghép SHARON – ANAMMOX được thực hiện tại Viện Sinh Học

Nhiệt Đới Thành Phố Hồ Chí Minh.

SVTH:Nguyeãn Thanh Huøng 4

 Nước thải được lấy từ Xí nghiệp heo giống Đông Á, huyện Dĩ An, tỉnh Bình

Dương.

 Nội dung tập trung vào việc ứng dụng quá trình Nitrification và Anammox để

khử ammonium trong nước thải Xí nghiệp heo giống Đông Á. Từ đó đề xuất dây

chuyền công nghệ thích hợp để khử ammonium trong nước thải chăn nuôi heo.

6. Địa Điểm - Thời Gian Nghiên Cứu

Địa Điểm

Đề tài này được thực hiện tại Phòng Công Nghệ Biến Đổi Sinh Học và Môi

Trường thuộc Viện Sinh Học Nhiệt Đới (Khu Thực Nghiệm Khoa Học và Công Nghệ

Thủ Đức)

Giới Thiệu Viện Sinh Học Nhiệt Đới

Viện Sinh Học Nhiệt Đới được thành lập theo Nghị định 24/CP của Thủ Tướng

Chính Phủ Nuớc CHXHCN Việt Nam ngày 25/05/1993 và quyết định số

22/KHCNQG, quyết định ngày 19/06/1993 của Ban Giám Đốc Trung tâm Khoa Học

Tự Nhiên và Công Nghệ Quốc Gia đã đuợc Bộ Khoa Học Công Nghệ và Môi Trường

cấp giấy chứng nhận hoạt động Khoa Học Công Nghệ số 260 ngày 30/03/1994

Trụ sở chính của viện được xây dựng tại Thủ Đức và hoàn thành vào cuối năm

1998. Viện có 11 phòng ban, phân viện nghiên cứu tại Đà Lạt có 4 phòng thí nghiệm

chuyên ngành bảo tàng động thực vật Tây Nguyên và đơn vị nghiên cứu triển khai là

Liên Hiệp Khoa Học sản xuất thực nghiệm sinh-hoá

Viện có đội ngũ cán bộ khoa học gồm gần 107 người trong đó có 23 tiến sĩ và

phó tiến sĩ, có 7 giáo sư và phó giáo sư

Viện có nhiệm vụ nghiên cứu, ứng dụng và phát triển các phương pháp sinh học

trong việc tạo và nhân giống cây trồng, vật nuôi và vi sinh vật đồng thời viện cũng có

nhiệm vụ phân tích các chỉ tiêu trong nước thải, nước uống, nước sinh hoạt…

Thời Gian Nghiên Cứu

Đề tài được thực hiện trong khoảng thời gian từ 01/04/2006 đến 01/11/2006.

7. Y Nghĩa Của Đề Tài

Y Nghĩa Khoa Học

 Đây là đề tài mới được nghiên cứu ở Việt Nam trong những năm gần

đây nên có tính khoa học cao nhằm tạo cho những nghiên cứu tiếp theo và khả năng

SVTH:Nguyeãn Thanh Huøng 5

ứng dụng kỹ thuật sinh học kỵ khí, hiếu khí với việc sử dụng nhóm vi khuẩn

Nitrosomonas, Nitrobacter và Anammox, để xử lý nước thải có nồng độ ammonium

cao.

 Các thông số công nghệ thu được từ thực nghiệm sẽ tạo cơ sở ban đầu

cho việc thiết kế quy trình công nghệ xử lý ammonium trong nước thải chăn nuôi

heo.

 Việc ứng dụng quá trình Nitrification và Anammox có khả năng xử lý

triệt để nguồn ô nhiễm dạng nitơ trong nước thải, vì sản phẩm cuối cùng của quá

trình là khí nitơ được coi là vô hại đối với hệ sinh thái.

Ý Nghĩa Thực Tiễn

 Sự thành công của đề tài mở ra khả năng ứng dụng trong xử lý nguồn

nước thải giàu ammonium hiệu quả và tiết kiệm

 Vì quá trình diễn ra trong điều kiện sục khí có giới hạn nên giảm tiêu

hao năng lượng một cách đáng kể. Mặt khác không cần phải thêm chất dinh dưỡng

nên có thể tiết kiệm lượng hóa chất lớn

 Sản phẩn cuối cùng của quá trình là khí nitơ không độc hại với môi

trường

Tính Mới Của Đề Tài

 Xác định được khả năng ứng dụng của quá trình Nitrification và

Anammox để khử ammonium trong nước thải chăn nuôi heo

 Xác định được khả năng áp dụng vào công nghệ xử lý nước thải chăn

nuôi heo bằng ứng dụng phản ứng ghép SHARON – ANAMMOX.

8. Tính Thực Tế Của Đề Tài

Đề tài nghiên cứu này có tính ứng dụng rất cao vì trong nước thải ở một số

ngành có nồng độ ammonium cao như: nước thải chăn nuôi heo, nước thải ở các nhà

máy chế biến mủ cao su, nước rỉ rác, nước thải nhà máy chế biến thuỷ sản….

9. Nhu Cầu Kính Tế Xã Hội

Phương pháp này ít tốn kém nhưng có hiệu quả xử lý cao hơn so với những phương

pháp xử lý hiện nay.

SVTH:Nguyeãn Thanh Huøng 6

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN TÀI LIỆU TRONG NƯỚC –

TỔNG QUAN CHUNG VỀ NƯỚC THẢI, NƯỚC THẢI

CHĂN NUÔI HEO

Trong thời buổi phát triển nền văn minh nhân loại, nhu cầu về nước ngày càng

tăng, do đó lượng nước thải ra ngày càng nhiều, mức độ ô nhiễm ngày càng trở nên

trầm trọng. Nước thải đưa vào nước bề mặt những thành phần khác nhau, từ trạng

thái tan, hoặc dưới dạng huyền phù, hay nhũ tương cho đến các loại vi khuẩn. Do

tương tác hoá học của các chất đó, và cũng do sự thay đổi pH của môi trường nên các

sản phẩm thứ cấp được hình thành chẳng hạn như quá trình oxy hoá muối Fe2+ trong

nước thành muối Fe3+ hydroxyt không tan. Các chất kết tủa và huyền phù trong nước

ngăn cản sự phát triển của các loại vi khuẩn tham gia vào quá trình làm sạch nước.

Các chất huyền phù ngăn cản sự đâm xuyên của ánh sáng mặt trời xuống đáy nước

gây hạn chế quá trình quang hợp của thực vật nhất là những loại rong biển nhờ vào

ánh sáng mặt trời mà tạo được lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hoá các chất

hữu cơ. Một số chất vô cơ và hữu cơ tan trong nước có ảnh hưởng độc hại đến sự

phát triển của vi sinh vật, trong đó có cả những hợp chất mang tính axit bazơ vì

chúng làm thay đổi pH trong nước ( 6.8 < pH < 8.0 làm hạn chế sự phát triển của một

số vi khuẩn làm sạch nước)…[14],[15]

Phân tích nước thải là một trong những nhiệm vụ khó khăn và phức tạp nhất của

ngành hoá học phân tích vì nước thải bao hàm nhiều thành phần khác nhau và chứa

hàm lượng từ thấp đến cao. Một trong những đặc tính của nước thải gây khó khăn

trong phân tích là tính không bền do tương tác hoá học phức tạp giữa các hợp phần bị

biến đổi không ngừng. Do đó trong quá trình phân tích phải thực hiện nhiều lần,

SVTH:Nguyeãn Thanh Huøng 7

chọn các phương pháp có độ nhạy, độ chọn lọc cao, và phải có đầu óc phán đoán các

thao tác các quá trình xảy ra để thu được kết quả chính xác.

Sau đây là một số chất thải có mặt trong nước thải của một số ngành sản xuất

công nghiệp.[1]

 Đồ da: canxi, hydrosunfua, natrisunfua, crom, kẽm.

 Đồ gốm: bari, cadimi, liti, mangan…

 Nhà máy sơn: bari, clorat, cadimi, coban, chì, kẽm, amoni, xút, các chất axit,

các chất hữu cơ…

 Thuốc trừ sâu: đồng, bari, asen, silicflo, clo, một số chất độc hữu cơ.

 Hoá dầu: các acid, kim loại, clorua, sunfat, các chất hữu cơ…

 Công nghiệp chăn nuôi: vi sinh, các hợp chất hữu cơ, các vi trùng, COD, NO3

-

, NO￾2, NH+

4…

I.1. Sự Nhiễm Bẩn Nguồn Nước

Sự nhiễm bẩn nguồn nước có thể xảy ra bằng hai cách: sự nhiễm bẩn tự nhiên

và sự nhiễm bẩn nhân tạo. [3],[8]

 Sự nhiễm bẩn tự nhiên là do quá trình phát triển và chết đi của các loài thực

vật, động vật có trong nguồn nước, hoặc là do nước mưa lôi theo các chất bẩn

từ trên mặt đất chảy vào nguồn nước.

 Sự nhiễm bẫn nhân tạo chủ yếu là do xả nước sinh hoạt và công nghiệp vào

nguồn nước.

Nguồn nước bị nhiễm bẩn có thể đánh giá bằng các dấu hiệu đặc trưng sau đây.

 Có xuất hiện các chất nổi trên bề mặt nước và các cặn lắng chìm xuống đáy

nguồn.

 Thay đổi tính chất lý học của nước nguồn ( thay đổi pH và hàm lượng của các

chất hữu cơ, vô cơ, xuất hiện các chất độc hại )

 Lượng oxy hoà tan trong nước nguồn do đã tiêu hao để oxy hoá các chất bẩn

hữu cơ vừa mới đưa vào.

 Các vi khuẩn thay đổi về dạng và về số lượng có xuất hiện cả các vi trùng gây

bệnh.

SVTH:Nguyeãn Thanh Huøng 8

 Nguồn nhiễm bẩn như đã trình bày có ảnh hưởng rất lớn đến việc sử dụng

nguồn vào mục đích cấp nước.

I.2. Thành Phần Nước Thải

Sau khi sử dụng cho nhu cầu sinh hoạt và công nghiệp nước bị nhiễm bẩn đồng

thời có chứa nhiều vi trùng và các chất độc hại khác. Chúng làm ô nhiễm môi trường.

Vì vậy, nước thải trước khi xả vào sông, hồ ( nguồn nước ) cần phải được xử lý thích

đáng. Mức độ xử lý phụ thuộc vào nồng độ của nước thải: khả năng pha loãng giữa

nước thải và nước nguồn và các yêu cầu về mặt vệ sinh.

Để thiết kế các công trình xử lý nước thải, trước tiên cần phải biết thành phần

của chúng.

Theo trạng thái lý học, các chất bẩn trong nước thải được chia thành 3 nhóm sau

đây:[3]

 Nhóm 1: gồm các chất không tan ở dạng lơ lửng, kích thướt lớn ( những hạt

có đường kính > 10-1 mm) và ở dạng huyền phù, nhũ tương, bot ( những hạt

có đường kính từ 10-1 đến 10-4 mm)

 Nhóm 2: gồm các chất không tan ở dạng keo ( những hạt có kích thướt từ 10-4

đến 10-6 mm)

 Nhóm 3 : gồm các chất hòa tan ở dạng hạt phân tử. Những hạt này có đường

kính < 10-6 mm. Chúng không tạo thành pha riêng biệt và hệ trở thành hệ một

pha hay còn gọi là dung dịch thật.

Theo bản chất của mình, các chất bẩn trong nước bao gồm: các chất bẩn hữu cơ, vô

cơ, vi sinh vật và sinh vật.[11]

 Các chất bẩn vô cơ trong nước thải sinh hoạt chiếm 42%, gồm có cát, các hạt

đất sét, xỉ quặng, các muối khoáng, các acid vô cơ, kiềm vô cơ, các dầu

khoáng…

 Các chất bẩn hữu cơ trong nước thải sinh hoạt chứa 58% gồm các chất hữu cơ

thực vật và hữu cơ động vật.