Luận văn Nghiên cứu xử lý thành phần hữu cơ trong nước thải chăn nuôi lợn bằng hệ phản ứng sinh học màng cố định (FBR)

Nội dung tài liệu: Luận văn Nghiên cứu xử lý thành phần hữu cơ trong nước thải chăn nuôi lợn bằng hệ phản ứng sinh học màng cố định (FBR)

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------- Phạm Đức Tú NGHIÊN CỨU XỬ LÝ THÀNH PHẦN HỮU CƠ TRONG NƢỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN BẰNG HỆ PHẢN ỨNG SINH HỌC MÀNG CỐ ĐỊNH (FBR) LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2020
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ----------------------- Phạm Đức Tú NGHIÊN CỨU XỬ LÝ THÀNH PHẦN HỮU CƠ TRONG NƢỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN BẰNG HỆ PHẢN ỨNG SINH HỌC MÀNG CỐ ĐỊNH (FBR) Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trƣờng Mã số: 8520320.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Nguyễn Thị Hà TS. Ngô Vân Anh Hà Nội – Năm 2020
3. MỤC LỤC 1. Tính cấp thiết ....................................................................................................... 7 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ........................................................................... 7 3. Nội dung nghiên cứu ............................................................................................ 8 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ....................................................................................... 9 1.1. Nguồn phát sinh và tính chất của nƣớc thải chăn nuôi lợn ............................... 9 1.1.1. Các chất vô cơ và hữu cơ ........................................................................... 9 1.1.2. Nitơ và phốt pho ......................................................................................... 9 1.1.3. Vi sinh vật gây bệnh ................................................................................... 9 1.1.4. Ảnh hƣởng của nƣớc thải chăn nuôi đến môi trƣờng và con ngƣời ......... 14 1.2. Các công nghệ xử lý nƣớc thải chăn nuôi lợn tại Việt Nam và thế giới ....... 15 1.2.1. Nƣớc ngoài ............................................................................................... 21 1.2.2. Việt Nam .................................................................................................. 22 1.3. Tổng quan về hệ xử lý nƣớc thải màng sinh học cố định ............................... 25 CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................ 27 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu ..................................................................................... 27 2.1.1. Nƣớc thải chăn nuôi lợn ........................................................................... 27 2.1.2. Nguồn vi sinh vật sử dụng trong nghiên cứu ........................................... 27 2.2. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................ 27 2.3. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................ 27 2.3.1. Phƣơng pháp điều tra thực tế lấy mẫu nƣớc thải ...................................... 27 2.3.2. Phƣơng pháp nghiên cứu thiết kế hệ FBR để xử lý thành phần hữu cơ ... 33 2.3.3. Phƣơng pháp phân tích xác định thành phần xử lý nƣớc thải .................. 43 2.3.4. Phƣơng pháp xử lý số liệu ........................................................................ 43 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .................................. 44 3.1. Đặc tính của nƣớc thải chăn nuôi lợn tại các cơ sở nghiên cứu ..................... 44 1
4. 3.2. Kết quả xử lý của hệ thí nghiệm FBR ............................................................ 46 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 54 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 54 PHỤ LỤC 1 ............................................................................................................... 55 PHỤ LỤC 2 ............................................................................................................... 56 PHỤ LỤC 3 ............................................................................................................... 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 62 2
5. DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Thành phần và mức độ ô nhiễm nƣớc thải chăn nuôi lợn ở các trang trại ........................................................................................................... 11 Bảng 1.2. Đặc tính của nƣớc thải chăn nuôi lợn pha loãng ...................................... 13 Bảng 1.3: Đặc tính nƣớc thải chăn nuôi tại Trung Quốc .......................................... 13 Bảng 2.1: Thông tin về các cơ sở chăn nuôi điều tra khảo sát .................................. 28 Bảng 2.2: Các thông số kỹ thuật và thiết bị chính của hệ thống thiết bị thí nghiệm FBR 12L/ngày ........................................................................................................... 35 Bảng 2.3: Các chỉ tiêu phân tích thành phần hữu cơ nƣớc thải chăn nuôi ................ 43 Bảng 3.1: Bảng so sánh hiệu suất thay đổi theo tải trọng đầu vào từng tháng ......... 47 Bảng 3.2: Hiệu suất xử lý phốt pho khi tăng tải trọng .............................................. 49 Bảng 3.3: Hiệu quả xử lý BOD5 theo tải trọng COD ................................................ 51 Bảng 3.4: Hiệu suất xử lý TSS khi tăng tải trọng COD ............................................ 52 Bảng 3.5: Hiệu suất xử lý TVS khi tăng tải trọng COD ........................................... 52 3
6. DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Qui trình đề xuất tổng thể xử lý nƣớc thải chăn nuôi lợn ........................ 16 Hình 1.2: Sơ đồ mô tả mẫu bể khí sinh học compostie (nguồn gốc Trung Quốc)... 19 Hình 1.3: Sơ đồ xử lý nƣớc thải chăn nuôi quy mô hộ gia đình .............................. 24 Hình 1.4: Sơ đồ xử lý nƣớc thải chăn nuôi ở trang trại quy mô lớn ........................ 25 Hình 2.1: So sánh kết quả thành phần hữu cơ của các cơ sở (ĐVT: mg/L) ............ 31 Hình 2.2: Sơ đồ công nghệ xử lý FBR phòng thí nghiệm ........................................ 33 Hình 2.3: Hình ảnh thực tế hệ công nghệ xử lý FBR phòng thí nghiệm ................. 34 Hình 2.4: Sơ đồ thiết kế bể phản ứng lên men yếm khí (mặt đứng) ........................ 37 Hình 2.5: Sơ đồ thiết kế bể phản ứng lên men yếm khí (mặt bằng) ........................ 38 Hình 2.6: Sơ đồ thiết kế bể lắng (mặt đứng) ............................................................ 39 Hình 2.7: Sơ đồ thiết kế bể lắng (mặt đứng) ............................................................ 40 Hình 2.8: Hình ảnh của bơm định lƣợng.................................................................. 41 Hình 2.9: Sơ đồ công nghệ FBR quy mô phòng thí nghiệm .................................... 41 Hình 2.10: Chế độ tải trọng COD chạy hệ thí nghiệm (gCOD/L.ngày) .................. 42 Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống xử lý nƣớc thải chăn nuôi lợn tại trang trại hộ Đỗ Văn Trƣờng ....................................................................................................................... 44 Hình 3.2: Bể biogas và túi ủ biogas của Công Ty TNHH MTV Sản xuất và Thƣơng mại Phát Đạt .............................................................................................................. 46 Hình 3.3: Biến thiên COD theo tải trọng đầu vào .................................................... 47 Hình 3.4: Biến thiên thông số tổng nitơ theo tải trọng đầu vào ............................... 49 Hình 3.5: Biến thiên thông số tổng phốt pho theo tải trọng đầu vào ....................... 50 Hình 3.6: Biến thiên thông số BOD5 theo tải trọng đầu vào .................................... 51 Hình 3.7: Biến thiên thông số TSS theo tải trọng đầu vào....................................... 52 Hình 3.8: Biến thiên thông số TVS theo tải trọng đầu vào ...................................... 53 4
7. DANH MỤC VIẾT TẮT BOD: Nhu cầu oxy sinh học BNNPTNT: Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn BTNMT: Bộ Tài nguyên môi trƣờng COD: Nhu cầu oxy hoá học ĐVT: Đơn vị tính FBR: Hệ phản ứng sinh học màng cố định HYPHI: Hệ thống chảy nút KH&CN: Khoa học và công nghệ PVC: Poly Vinyl Clorua QCVN: Quy chuẩn Việt Nam SBR: Hệ xử lý tuần tự theo mẻ TSS: Tổng chất rắn lơ lửng TVS: Tổng chất rắn dễ bay hơi UASB: Bể lọc ngƣợc qua tầng bùn kị khí 5
8. LỜI CẢM ƠN Với tình cảm và lòng biết ơn chân thành, tôi xin đƣợc gửi lời cảm ơn đến: - Quý Thầy/Cô Khoa Môi trƣờng đã cung cấp cho tôi phƣơng pháp nghiên cứu, kiến thức chuyên môn trong suốt khóa học và kỹ năng nghiên cứu sáng tạo, chủ động. - Nhóm nghiên cứu thực hiện Nhiệm vụ NĐT 31.JPA/17, các thầy cô, NCS Nguyễn Trƣờng Quân và các bạn sinh viên đã hỗ trợ thực hiện. - Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến cô giáo hƣớng dẫn là PGS.TS. Nguyễn Thị Hà và TS. Ngô Vân Anh đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ và chỉ bảo cho tôi trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn. - Đặc biệt, tôi xin gửi lòng biết ơn sâu sắc đến những ngƣời đã sinh thành và nuôi dạy tôi trƣởng thành, những ngƣời thân trong gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã động viên giúp đỡ tôi vƣợt qua những khó khăn trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Dù đã có cố gắng rất nhiều trong thời gian nghiên cứu nhƣng bản luận văn này không thể tránh khỏi những thiếu sót. Tôi rất mong đƣợc nhận những ý kiến đóng góp quý báu của Quý Thầy/Cô và các bạn để bản luận văn này đƣợc hoàn thiện hơn. Xin trân trọng cảm ơn. Hà Nội, ngày tháng năm Học viên Phạm Đức Tú 6
9. MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Nƣớc thải chăn nuôi lợn chứa nhiều hợp chất hữu cơ, vi trùng, trứng giun sán... nguồn nƣớc này nếu xả thải không qua xử lý có nguy cơ gây ô nhiễm tầng nƣớc ngầm, nƣớc mặt và nguyên nhân trực tiếp cho phát sinh dịch bệnh. Nƣớc thải chứa nhiều mầm bệnh nhƣ: Leptospira, Samonella. Mặt khác còn sản sinh ra nhiều loại khí do hoạt động của vi sinh vật nhƣ NH3, CH4, H2S gây ảnh hƣởng đến môi trƣờng sống con ngƣời và sinh thái. Hệ phản ứng sinh học màng cố định (FBR) có chế độ hoạt động liên tục, xử lý chất bẩn hữu cơ trong nƣớc thải bằng vi sinh vật yếm khí bám dính trên các giá thể lắp cố định bên trong hệ. Các vi sinh vật này sẽ phân hủy các chất hữu cơ thành sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O. Hệ FBR là công nghệ mới hiện đại đã đƣợc sử dụng rộng rãi bởi tính hiệu quả của nó. FBR là hệ thống xử lý sinh học nhân tạo, các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học đƣợc vi sinh vật yếm khí sử dụng nhƣ một chất dinh dƣỡng để sinh trƣởng và phát triển. Qua đó thì sinh khối vi sinh ngày càng gia tăng và nồng độ ô nhiễm của nƣớc thải giảm xuống. Các giá thể vi sinh cố định giúp quá trình khử các hợp chất hữu cơ diễn ra nhanh và hiệu quả hơn nhờ tăng diện tích bề mặt tiếp xúc của giá thể. Mặt khác hệ FBR có chế độ vận hành khá đơn giản và an toàn, thích hợp với xử lý nƣớc thải chăn nuôi có nồng độ các chất hữu cơ, N, P cao. Với những ƣu điểm nhƣ trên, việc nghiên cứu hệ phản ứng sinh học màng cố định FBR để xử lý nƣớc thải chăn nuôi là rất cần thiết. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Đánh giá đƣợc nguồn thải và đặc tính thành phần hữu cơ của nƣớc thải chăn nuôi lợn của các cơ sở lựa chọn. Đánh giá đƣợc khả năng xử lý thành phần hữu cơ của hệ phản ứng màng sinh học cố định (FBR) quy mô phòng thí nghiệm (12L/ngày đêm) và định hƣớng sử dụng các kết quả để mô phỏng tối ƣu hóa quá trình xây dựng hệ thống qui mô bản thực nghiệm (pilot) trên thực tế. 7
10. 3. Nội dung nghiên cứu 3.1. Tổng quan về nguồn phát sinh đặc tính, thành phần hữu cơ trong nƣớc thải chăn nuôi và biện pháp xử lý. 3.2. Điều tra, khảo sát lấy mẫu và đánh giá các dòng thải và mức độ ô nhiễm thành phần hữu cơ trong nƣớc thải chăn nuôi lợn của các cở sở lựa chọn. 3.3. Nghiên cứu, đánh giá khả năng xử lý thành phần hữu cơ (theo thông số COD, BOD5) của hệ FBR quy mô phòng thí nghiệm (12L/ngày đêm). 8