Nghiên cứu khả năng ổn định bùn hoạt tính từ nước thải chăn nuôi lợn kết hợp thu khí CH₄

Download

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỔN ĐỊNH BÙN HOẠT TÍNH TỪ

NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN KẾT HỢP THU KHÍ CH₄

(1)

Nguyễn ị Phương Mai*

Phạm Tuấn Anh

Bùi Nguyễn Minh u ²

TÓM TẮT

Nghiên cứu các điều kiện tạo bùn hoạt tính tự nhiên từ nước thải chăn nuôi lợn kết hợp thu khí metan

được thực hiện dựa trên sự kết hợp bùn biogas phối trộn với các phế phụ phẩm rau quả trong mô hình xử

lý sinh học dòng chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí (UASB) và bể dòng chảy xuôi qua giá thể treo (DHS) theo

tỷ lệ xác định với hai dãy thí nghiệm là đối chứng và thí nghiệm với tỷ lệ bùn biogas: Phế phụ phẩm rau

quả lần lượt là 100:0; 50:50 trong thời gian 60 ngày. Kết quả đánh giá cho thấy, đầu ra của mẫu thí nghiệm

hiệu suất xử lý hàm lượng Nitơ tổng đạt 52%; hiệu suất Photpho tổng đạt 57,38%; tổng chất rắn và tổng

chất rắn bay hơi đạt 13,7% và 15,7%; hiệu suất xử lý COD đạt 60,4%; BOD là 57,6%. Lượng khí sinh học

thu hồi là 79.947ml trong mẫu thí nghiệm, thành phần khí CH₄đạt hiệu su⁵ất thu hồi cao nhất ở ngày thứ

45 của mẫu thí nghiệm là 59%. Khí metan thu được từ quá trình nghiên cứu có sự tham gia chủ yếu của

các nhóm vi khuẩn Bacteroidales, Clostridiacea Corynebacterium, A. johnsonii, Anaerolinceae, Bacteroidales,

Syntrophomonadaceae, Bacteroidales, Comamonas, Methanobacterium, Methanosaeta, Methanomicrobiales.

Từ khóa: Bùn hoạt tính, phế phụ phẩm, nước thải chăn nuôi lợn, khí sinh học.

Nhận bài: 16/3/2021; Sưa chha: 30/3/2021; ;uyut ̣ănđ: 31/3/2021.

1. Đặt vấn đề

Quy trình xử lý chất thải chăn nuôi lợn phổ biến

hiện nay là chất thải chăn nuôi được đưa vào hồ kỵ khí

có phủ bạt hoặc hầm biogas, qua ao hồ sinh học, sau đó

xả trực tiếp ra kênh mương. Hầu hết, các trang trại đều

đã và đang áp dụng một hoặc một vài phương pháp để

xử lý chất thải, tuy nhiên chất lượng nước thải sau xử lý

đều chưa đạt tiêu chuẩn [8]. Hệ thống xử lý kỵ khí với

dòng chảy ngược qua lớp bùn hoạt tính (UASB) là một

trong những thiết bị cao tải đã được sử dụng trong xử

lý nước thải công nghiệp trong nhiều thập kỷ. Khí phát

sinh trong quá trình xử lý nước thải có thể thu hồi và

được sử dụng làm nhiên liệu. Tuy nhiên, hiệu suất xử

lý phụ thuộc vào trạng thái bùn. Bùn hạt có khả năng

chống rửa trôi, tạo trạng thái lơ lửng làm tăng khả năng

tiếp xúc với cơ chất, mật độ vi sinh vật trong bùn hạt

cao hơn bùn phân tán nên sử dụng bùn hạt dễ dàng

nâng cao tải trọng hữu cơ (OLR) trong bể xử lý sinh

học dòng chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí (UASB)[1].

ời gian khởi động bể UASB để bùn hạt hình thành

thường kéo dài, cần rút ngắn thời gian khởi động, tăng

cường sự tách bùn ở dòng ra thì việc tạo lập hệ bùn hoạt

Chăn nuôi lợn nái quy mô trang trại ở những vùng

ven đô để đáp ứng nhu cầu cung ứng con giống cho

thị trường, đáp ứng vấn đề khan hiếm con giống cho

thiên tai, dịch bệnh. Chất thải chăn nuôi lợn nái là hỗn

hợp bao gồm phân, thức ăn thừa, nước tiểu, nước rửa

chuồng trại…, các loại chất thải này biến động phụ

thuộc vào các yếu tố như số lượng lợn nái, giống, chế

độ ăn uống, nhiệt độ, độ ẩm trong chuồng, cách vệ sinh

chuồng trại. Chăn nuôi cũng là nguồn phát thải khí nhà

kính (GHG), các loại khí carbon đioxide (CO₂), metan

(CH₄) và nitơ oxide (N O). Một số kết quả nghiên cứu

cho thấy, nguồn phát²thải từ ngành chăn nuôi thải

ra môi trường ước tính khoảng 7,1 tỷ tấn CO₂tương

đương khoảng 18% tổng lượng phát thải khí nhà kính

toàn cầu, trong đó hoạt động quản lý phân chuồng

khoảng 2,2 tỷ tấn CO [10]. Trong hoạt động chăn

nuôi, khí CH₄được khẳ²ng định là phát sinh nhiều nhất

từ quá trình lưu giữ chất thải rắn và nước thải [4]. Vì

vậy, việc quản lý và xử lý chất thải chăn nuôi có ảnh

hưởng rất lớn đến việc phát sinh khí CH₄.

¹Khoa Môi trườnđ, Trườnđ Đại học Tài nđuyên và Môi trườnđ Hà Nội

²Trườnđ Đại học Khoa học và Cônđ nđhu Hà Nội

Chuyên đề I, tháng 3 năm 2021 37

tính dạng hạt là rất cần thiết để nâng cao hiệu quả xử lý số pH, thành phần và thể tích khí được xác định hàng

của bể UASB hướng tới ứng dụng trong xử lý nước thải ngày; COD và BOD được xác định một lần/tuần; TC,

chăn nuôi lợn ở các qui mô lớn hơn [2, 9].

TS, T-N, T-P trong bùn được xác định trước và sau xử lý.

Trong nghiên cứu này, sử dụng mật rỉ và phế phụ

phẩm rau quả kết hợp bùn hoạt tính trong hệ thống xử

lý kỵ khí với dòng chảy ngược để hình thành bùn hạt

kỵ khí nhằm xử lý các chất hữu cơ trong nước thải chăn

nuôi lợn và đánh giá khả năng thu hồi khí CH₄.

2.2. Phương pháp phân tích và xử lý số liệu

Quy trình lấy mẫu và phân tích các chỉ tiêu trong

mẫu bùn, mẫu nước thải trước, sau xử lý được thực

hiện theo các quy định của tiêu chuẩn và quy chuẩn

Việt Nam. Tổng hàm lượng chất rắn (TS) được phân

tích bằng phương pháp sấy đến khối lượng không

đổi, tổng chất rắn bay hơi (TVS) được xác định theo

phương pháp khối lượng, BOD₅được phân tích theo

phương pháp nuôi cấy trong tủ định ôn ở 20⁰C trong 5

ngày, COD được phân tích theo phương pháp chuẩn độ

K₂Cr₂O₇bằng dung dịch muối Mohr, T-N được phân

tích bằng phương pháp Kjedahl, T-P được phân tích

bằng phương pháp đo màu, TC được xác định bằng

phương pháp Walkley – Black.

Tổng lượng khí được đo bằng đồng hồ đo khí kiểu

ướt (WS-1A, Shinagawa) sau khi đã loại H₂S bằng cách

cho dòng khí chạy qua cột chứa bột sắt. ành phần khí

được xác định trên máy sắc ký với khí mang là Argon,

detector TCD, cột thép (Φ3mm, dài 2m, nhồi vật liệu

Unibeads C có kích thước hạt 60/80 mesh).

2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

2.1. Vật liệu nghiên cứu

í nghiệm được tiến hành trên mô hình xử lý sinh

học dòng chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí (UASB) kết

hợp bể dòng chảy xuôi qua giá thể treo (DHS) do nhóm

tác giả tự chế tạo, với thể tích làm việc 10 lít duy trì ở

nhiệt từ 28⁰C đến 32⁰C. Bùn hoạt tính được lấy từ bể

biogas của trang trại tại xã Đông Sơn, huyện Chương

Mỹ, Hà Nội với quy mô 150 lợn nái. Phế phụ phẩm rau

quả và mật rỉ được lấy tại trang trại, xay nhỏ, lọc qua

sàng kích thước mắt lưới 1mm.

Mẫu bùn thải và phế phụ phẩm sau khi được lấy về

phòng thí nghiệm xử lý sơ bộ được đổ vào thùng nhựa

thể tích 20 lít và khuấy đều để đồng nhất mẫu bùn thải,

sau đó tiến hành xác định khối lượng riêng và xác định

tỷ trọng của bùn thải. Bùn thải được hòa trộn trong

thùng 10 lít, được nạp vào bình phản ứng bằng ca nhựa

cho đến khi đạt thể tích hữu dụng khoảng 60%. Sau khi

nạp nguyên liệu vào bể phản ứng theo yêu cầu, các van

được khóa chặt, phía trên nắp được lắp 1 van khí nối

với ống dẫn khí vào túi thu khí. Khí từ túi thu khí sẽ

được đo đạc hàng ngày để đánh giá trữ lượng và chất

lượng khí sinh ra.

3. Kết quả và thảo luận

3.1. ành phần bùn hoạt tính và nước thải chăn

nuôi lợn

Để tiến hành nghiên cứu khả năng sinh khí từ bùn

thải biogas trong hệ thống yếm khí cần phải xem xét

một số đặc điểm lý, hóa của mẫu bùn thải để đánh giá

tính ổn định của bùn thải trước khi tiến hành vận hành

hệ thống. Kết quả chỉ ra trong Bảng 3.1.

Nước thải chăn nuôi lợn đưa vào thí nghiệm lấy sau

bể biogas của trang trại. Nước được tiền xử lý bằng lọc

qua sàng có kích thước 1mm để loại bỏ rác thải và các

tạp chất lớn. Nước thải chăn nuôi được chứa trong can

dung tích 20 lít, dự trữ ở nhiệt độ phòng.

Bảng 3.1. Đặc điểm của bùn thải biogas tại trang trại

STT ông số

Đơn vị

tính

Kết quả

đợt 1

Kết quả

đợt 2

COD

Chất rắn

bay hơi

(VS)

Tổng

Photpho

(T – P)

Tổng Nitơ

(T – N)

Tổng

Cacbon

(TC)

Tổng số

(TS)

7,3

85600

34,9

7,1

82000

34,78

Mô hình được vận hành liên tục tiến hành lên men

yếm khí trong điều kiện nhiệt độ thí nghiệm dao động

từ 28⁰C đến 32⁰C với các tỷ lệ phối trộn về khối lượng

bùn hoạt tính và phế phụ phẩm rau quả khác nhau theo

tỷ lệ bùn thải: Phế phụ phẩm là 100:0 và 50:50. Trong

thời gian nghiên cứu sẽ tiến hành xác định các thành

phần sau: Hiệu suất giảm nhu cầu oxy hóa học (COD),

hiệu suất giảm nhu cầu oxy sinh học (BOD₅), pH, tổng

hàm lượng cacbon (TC), tổng hàm lượng chất rắn (TS),

tổng hàm lượng chất bay hơi (TVS), tổng hàm lượng

nitơ (T-N theo %TS) và tổng hàm lượng photpho (T-P

theo %TS).

mg/l

0,95

0,92

1,45

30,5

1,35

29,5

Trong mô hình này, UASB sử dụng bùn hoạt tính

được tạo thành trong nước thải chăn nuôi có bổ sung

1mg/l rỉ đường, nước thải chăn nuôi được pha loãng

bằng nước máy đến hàm lượng COD thích hợp. ông

14,5

14,9

38 Chuyên đề I, tháng 3 năm 2021

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ

Kết quả cho thấy, thành phần hóa lý của hai mẫu trình thủy phân và cũng là điều kiện thích hợp cho quá

bùn thải tại các thời điểm lấy mẫu khác nhau có sự trình axit hóa môi trường để sinh khí metan dẫn đến

chênh lệch không quá lớn sự ổn định của bùn trong bể khả năng tiêu thụ nitơ cao nhất.

lưu mang tính ổn định thời gian dài.

Bên cạnh sự biến thiên của nitơ tổng số, giá trị

Tiến hành lấy mẫu trước khi xử lý biogas và sau khi photpho tổng cũng thay đổi khá lớn giữa mẫu đối

xử lý biogas đánh giá chất lượng của nước thải tại trang chứng và mẫu thí nghiệm, T-P đầu vào của mẫu đối

trại được thể hiện trong Bảng 3.2.

chứng thấp hơn mẫu thí nghiệm gần 2 lần. Hàm lượng

photpho tổng của mẫu đối chứng và mẫu thí nghiệm

tính từ khi bắt đầu nạp nguyên liệu ban đầu cho đến

tuần thứ 8 đều lần lượt giảm tương ứng hiệu suất xử lý

đạt 0.75% đến 0.78%, cùng với sự biến thiên đó thì tại

mẫu thí nghiệm sự sụt giảm T-P đạt hiệu suất xử lý lên

đến 57,38%, tăng gấp 2,23 lần so với mẫu đối chứng.

Việc ổn định bùn biogas được xúc tiến trong điều kiện

bổ sung nguồn dinh dưỡng bên ngoài cho vi sinh vật

phát triển là cơ sở cho các công đoạn xử lý tiếp theo với

mục đích thu hồi lượng khí CH₄đạt hiệu quả trong vận

hành mô hình.

Bảng 3.2. Đặc điểm nước thải chăn nuôi lợn trước và sau

xử lý biogas

STT ông Đơn vị

số

Kết quả

QCVN 62-

MT:2016/

BTNMT

(cột B)9

xử lý

biogas biogas

7,38

3157

1910

3925

350

7,1

2125

1010

1950

315

5,5 – 9

300

100

150

COD

BOD₅

TSS

T – P

T – N

mg/l

b. Khả nănđ loại bỏ tổnđ chất rắn và tổnđ chất rắn

bay hơi

482

412

150

Khí sinh học sinh ra từ hoạt động của hệ vi sinh vật

phân giải các hợp chất hữu cơ trong quá trình phân hủy

yếm khí là nguyên nhân làm cho tổng chất rắn và tổng

chất rắn bay hơi của hỗn hợp nguyên liệu đầu vào giảm

dần theo thời gian phân hủy. Kết quả phân tích hàm

lượng TS, TVS đầu vào và đầu ra được thể hiện trong

Hình 3.2.

(Ghi chú: * là điá trị theo QCVN 40:2011/BTNMT cột B)

Kết quả phân tích cho thấy, giá trị pH nằm trong tiêu

chuẩn cho phép, còn lại các thông số khác như: COD

vượt 7-10,5 lần; BOD vượt 10-19 lần; TSS vượt 13-26

lần,; T-N vượt 2,7-3,2⁵lần so với giới hạn cho phép của

QCVN 62-MT:2016/BTNMT cột B; riêng giá trị T-P

vượt 52,5-58,3 lần so với giá trị của QCVN 40:2011/

BTNMT cột B ở trong nước thải chăn nuôi trước và

sau xử lý biogas.

3.2. Nghiên cứu các điều kiện thích hợp cho khả

năng ổn định và hình thành bùn hoạt tính

a. Sự thay ̣ổi của hàm lượnđ Nitơ tổnđ (T-N) và

Photpho tổnđ (T-P)

Hàm lượng T-N và T-P được lấy mẫu vào thời điểm

trước khi tiến hành chạy mô hình cho đến khi kết thúc

quá trình thí nghiệm. Kết quả về sự thay đổi của hàm

lượng T-N và T-P được thể hiện trong Hình 3.1.

▲Hình 3.2. Kết quả phân tích thành phần phần trăm TS,

TVS ̣ầu vào và ̣ầu ra sau 60 nđày phản ứnđ

Kết quả cho thấy, thời điểm ban đầu ổn định bùn

để khởi động hệ thống tổng chất rắn có sự thay đổi,

khá chênh lệch giữa mẫu đối chứng và mẫu thí nghiệm.

TVS đầu vào của mẫu đối chứng cũng thấp hơn mẫu

thí nghiệm 1,56 lần chỉ đạt 35,12%. Có thể thấy, việc bổ

sung thêm dinh dưỡng vào mô hình đều có xu hướng

làm tăng hiệu quả hoạt động của hệ lên men yếm khí

xảy ra trong hệ thống. Do đó, kết quả nghiên cứu về TS

và TVS cũng là một yếu tố đánh giá hiệu quả hoạt động

của hệ thống nhằm mục tiêu sinh khí sinh học và xử lý

nước thải trong chăn nuôi.

▲Hình 3.1. Sự thay ̣ổi của hàm lượnđ T-N và T-P theo thời

đian phản ứnđ

c. Sự thay ̣ổi của pH theo thời đian phản ứnđ

eo kết quả trên Hình 3.1, trong mẫu thí nghiệm

nitơ tổng giảm từ 1,98% xuống 0,95% (giảm khoảng

2,1 lần). Điều này cho thấy, sự hoạt động của vi khuẩn

trong hệ thống đã xảy ra mạnh ở giai đoạn đầu của quá

Đánh giá sự biến thiên của pH trong mô hình được

tiến hành song song cùng mẫu đối chứng và mẫu thí

nghiệm đã được làm ổn định bùn hoạt tính trong quá

trình vận hành, kết quả chỉ ra trong Bảng 3.3.

Chuyên đề I, tháng 3 năm 2021 39

Bảng 3.3. Kết quả đánh giá diễn biến của pH theo thời gian nghiệm, sang đến tuần thứ 4 thì hiệu suất tăng lên đáng

phản ứng

ời gian lấy mẫu

Tuần 1

Tuần 2

Tuần 3

Tuần 4

Tuần 5

Tuần 6

Tuần 7

kể (tăng gấp 1,9 lần) so với tuần đầu tiên của quá trình

xử lý ở mẫu thí nghiệm đạt 45,2% và hiệu suất đạt cực

đại ở tuần thứ 5 là 57,6% (gấp 2,4 lần). Hiệu suất của

quá trình xử lý tăng đồng nghĩa với nồng độ BOD₅

giảm và cũng liên quan đến khả năng sinh khí trong

vận hành mô hình.

Đối chứng

í nghiệm

7,3

7,1

7,0

6,9

7,0

7,2

6,5

5,9

6,5

7,0

7,2

6,7

6,8

3.3. Khả năng sản xuất khí sinh học

a. Khả nănđ sinh khí sinh học theo thời đian

Trong vận hành hệ thống để lên men yếm khí thu

hồi khí metan thường cho thấy vi khuẩn tạo metan sinh

trưởng và phát triển trong thời gian dài, thường khoảng

3 – 30 ngày tùy vào từng loài [6]. ể tích khí được lấy

ra mỗi ngày và tiến hành thu gom, kết quả được trình

bày trong Hình 3.4.

Tuần 8

Kết quả trong Bảng 3.3. cho thấy, tại mẫu đối chứng

khi không được ổn định bùn bằng các nguồn dinh

dưỡng, sự hoạt động của các vi sinh vật xảy ra không

đáng kể việc axit hóa môi trường xảy ra với tốc độ rất

thấp, giá trị pH duy trì chủ yếu trong môi trường kiềm.

Biến thiên giá trị pH cho thấy, việc bổ sung các cơ chất

cần thiết ở ngay từ thời gian đầu giúp điều kiện tạo môi

trường cho phân hủy yếm khí tạo khí sinh học được

xảy ra trong hệ thống.

d. Đánh điá khả nănđ loại bỏ COD, BOD₅tronđ

nước thải ̣ầu vào và ̣ầu ra của mô hình

Trong lên men yếm khí, việc làm giảm hàm lượng

COD, BOD₅trong nước thải có ảnh hưởng rất lớn đến

khả năng hoạt động của hệ vi sinh vật yếm khí. Định kỳ

lấy mẫu nước thải đánh giá sự ảnh hưởng của COD và

BOD₅đến hiệu suất xử lý của hệ thống hoạt động. Kết

quả được chỉ ra trong Hình 3.3.

▲Hình 3.4. ể tích khí sinh học cộnđ dồn theo thời đian

Kết quả trong Hình 3.4 cho thấy, thể tích khí sinh

học sinh ra sau khoảng 3 ngày lên men, tại mẫu thí

nghiệm đạt 40 ml, tăng gấp 1,4 lần so với mẫu đối

chứng. ể tích khí sinh học tăng dần ở các ngày lên

men tiếp theo và xuất hiện đỉnh cực đại sinh khí tại

ngày thứ 33 là 2800 ml đối với mẫu thí nghiệm và 1700

ml ở mẫu đối chứng. Điều này cho thấy khả năng sinh

khí sinh học có liên quan đến quá trình phân hủy các

hợp chất hữu cơ của nguyên liệu đầu vào trong nước

thải và hệ vi sinh vật trong bùn hoạt tính hoạt động.

ông thường, khi phân hủy 1kg chất hữu cơ thu được

khoảng 0,2 – 1,1 m³khí sinh học [8]. Tuy nhiên, trên

thực tế lượng khí sinh học sinh ra cũng như tỷ lệ hình

thành khí CH₄cũng bị tác động bởi nhiều yếu tố của

quá trình lên men.

▲Hình 3.3. Hiuu suất xư lý COD và BOD₅theo thời đian

phản ứnđ

Kết quả trong Hình 3.3 cho thấy, hàm lượng COD

thay đổi không đáng kể ở tuần đầu tiên của quá trình

xử lý. Ở tuần đầu tiên trong mẫu đối chứng chỉ đạt hiệu

suất 17,5% và mẫu thí nghiệm đạt 25,7%, sau đó tăng

dần ở tuần kế tiếp. Tuy nhiên, tốc độ tăng ở mẫu thí

nghiệm diễn ra mạnh mẽ đạt 35,3% (tăng gấp 1,4 lần),

trong khi đó ở mẫu đối chứng chỉ tăng khoảng 1,1 lần

đạt 19,7%. Trong 8 tuần chạy mô hình hiệu suất xử lý

COD trong nước thải tăng dần và đạt cực đại 60,4% ở

tuần thứ 5 (tăng gấp 2 lần) so với mẫu đối chứng ở cùng

một thời điểm.

b. Khả nănđ sinh khí metan tronđ hu thốnđ

Khí sinh học được sinh ra trong quá trình phân hủy

kỵ khí các hơp chất hữu cơ bởi hệ vi sinh vật với các

thành phần chủ yếu gồm: CH₄, CO₂, N₂, H₂, H₂S, CO,…

Mẫu được tiến hành lấy định kỳ để đánh giá hiệu suất

thu hồi khí CH₄theo thời gian. Kết quả được chỉ ra

Trong những tuần đầu, hiệu suất BOD chỉ đạt

khoảng 15,9% ở mẫu đối chứng và 23,7% ở mẫu thí trong Hình 3.4.

40 Chuyên đề I, tháng 3 năm 2021

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ

▲Hình 3.5. A- Hiuu suất thu hồi khí CH₄theo thời đian và kết quả phân tích khí sinh học trên máy sắc ký (B – mẫu thí nđhium,

C- mẫu ̣ối chứnđ)

Kết quả cho thấy, hiệu suất thu hồi khí CH sinh ra ngành vi sinh vật tham gia vào con đường phân hủy

trong 60 ngày vận hành mô hình của mẫu thí⁴nghiệm chất hữu cơ thu khí metan [9].

đạt hiệu suất trung bình 51,3% trong khi đó tại mẫu đối

chứng lượng khí thu được chủ yếu là N₂(Hình 3.4 B,

C). Điều này cho thấy trong mẫu đối chứng khi không

bổ sung nguồn dinh dưỡng để ổn định bùn dẫn đến

mất cân bằng tỷ lệ C:N. Trong một số nghiên cứu cho

thấy, các yếu tố ảnh hưởng đến phân hủy yếm khí là

nguyên liệu đầu vào, nếu tỷ lệ C/N của nguyên liệu

bằng 25/1 đến 30/1 là tối ưu cho quá trình xử lý [3]. Kết

quả phân tích khí sinh học cho thấy, trong 3 ngày đầu

thành phần hỗn hợp khí sinh ra chưa đạt giá trị tiêu

biểu của khí sinh học và nhiều biến động. Tuy nhiên,

sang đến ngày 12 hiệu suất thu hồi khí CH₄đạt 45%,

ổn định trong các ngày kế tiếp và đạt hiệu suất thu hồi

cao nhất ở ngày thứ 45 là 59%. Việc gia tăng khí CH₄

cũng diễn ra trong thời gian dài, điều này cần phải có

quá trình tiền xử lý bùn hoạt tính trước khi đưa vào hệ

thống nhằm mục đích tăng cường một lượng lớn quần

thể vi sinh vật yếm khí giúp thúc đẩy quá trình phân

hủy chất hữu cơ để sinh khí metan xảy ra nhanh hơn.

Các vi khuẩn chiếm ưu thế trong các mẫu bùn hoạt

tính khi bổ sung rỉ đường, trong đó ngành Firmicutes

chứa 3 lớp Bacilli, Clostridia và Erysipelotrichi, trong

đó 2 lớp Bacilli và Clostridia là những lớp chiếm số

lượng lớn trong các mẫu bùn nghiên cứu. Vai trò của

các lớp này trong con đường phân hủy kỵ khí là thủy

phân và axít hóa chất hữu cơ. Chi Bacillus có hoạt động

trao đổi chất trong quá trình phân hủy kỵ khí và có

thể phân hủy các loại hợp chất hữu cơ khác nhau như

protein, xellulose, tinh bột hoặc chất béo. Sự xuất hiện

chi Bacillus trong hệ thống UASB có thể đóng vai trò

trong việc hình thành các bông bùn do khả năng bám

dính của chúng [7].

Sự thành công trong vận hành các mô hình kỵ

khí ngoài việc cần một lượng lớn các cổ khuẩn sinh

metan mà còn là sự phong phú về chủng loại. Đây

là giai đoạn quan trọng trong quá trình chuyển hóa

các hợp chất hữu cơ thành metan. Trong kết quả của

một số nghiên cứu cho thấy, bùn phân tán sau hoạt

3.4. Đề xuất thành phần vi sinh vật trong các loại hóa chứa đầy đủ nhóm chuyển hóa các hợp chất hữu

bùn kỵ khí

cơ thành metan. Các nhóm chiếm ưu thế trong mẫu

bùn này là chi Methanosaeta, chi Methanosarcina, chi

Methanobacterium, loài Candidatus methanoregula và

nhómchưanuôicấyđượcMethanomicrobiales.Cácloài

thuộc chi Methanosaeta chỉ sử dụng axetat trong quá

trình metan hóa [8]. Chi Methanosarcina có chức năng

chuyển hóa cơ chất axetat, metanol, monomethylamin,

Cấu trúc quần xã vi sinh vật trong mẫu bùn hoạt

tính được lấy từ đầu vào của mô hình UASB và được

tiến hành kiểm tra một số đặc tính về khả năng phân

hủy các hợp chất protein, xellulose, tinh bột, photpho

hữu cơ của vi sinh vật trong nước thải. Kết quả cho

thấy, các ngành Chloroﬂexi, Firmicutes, Bacteroidetes,

Proteobacteria, Actinobacteria, Euyachaeota, và

WWE1 (Waste Water of Evry 1) chiếm ưu thế trong

các mẫu bùn kỵ khí. Kết quả này tương đồng với một

số các nghiên cứu về sự xuất hiện thường xuyên của

các ngành này trong bùn kỵ khí, trong số đó 4 ngành

vi khuẩn Bacteroidetes, Chloroﬂexi, Firmicutes và

dimethylamin, trimethylamin, H

₂/CO₂và CO thành

metan. Các loài thuộc chi Methanobacterium chuyển

hóa H₂/CO , format, alcohol và CO [8]. Nhóm

chưa nuôi c²ấy được Methanomicrobiales và loài Ca.

methanoregula sử dụng H₂/CO₂và format.

Quá trình nghiên cứu cho thấy, khi bổ sung rỉ

Proteobacteria chiếm khoảng 63% tổng số của các đường, chi Methanosaeta và Methanobacterium chiếm

Chuyên đề I, tháng 3 năm 2021 41

ưu thế với số lượng vượt trội, trong một số các nghiên lấy mẫu khác nhau đều mang tính ổn định về các thành

cứu cho thấy chi Methanobacterium thường xuất hiện

bên cạnh chi Methanosaeta khi trong hệ thống xảy ra

sự chuyển hóa mạnh mẽ axetat đến metan [10]. Nếu

các loài thuộc chi này không sống sót trong hệ thống

do thiếu hụt hydro có thể ảnh hưởng đến quá trình tạo

hạt bùn [5].

Qua quá trình phân tích về khả năng tồn tại của các

loài vi sinh vật chiếm ưu thế có vai trò quyết định đến

từng giai đoạn của quá trình thủy phân và lên men yếm

khí, có thể đề xuất vai trò của các vi sinh vật tham gia vào

mô hình phân hủy kỵ khí để sinh khí sinh học như sau:

phần pH, COD, TVS, T-N, T-P, TC, TS. Nước thải

trước và sau xử lý biogas ngoài giá trị pH nằm trong

tiêu chuẩn cho phép, còn lại các thông số khác đều

vượt giá trị giới hạn cho phép của QCVN 62-MT:2016/

BTNMT rất nhiều lần, cột B.

2. Đã nghiên cứu các điều kiện thích hợp cho khả

năng ổn định và hình thành bùn hoạt tính:

- Bổ sung phế phụ phẩm rau quả và rỉ đường đã

cung cấp dinh dưỡng cho hệ vi sinh vật hoạt động trong

mô hình, hiệu suất xử lý T-N, T-P, TS, TVS ở mẫu đối

chứng đạt tương ứng 22,76%; 25,71%; 9,4%; 8,1% còn ở

mẫu thí nghiệm đạt các giá trị tương ứng 52%; 57,38%

13,7% và 15,7%

- Mô hình được lên men liên tục trong 60 ngày ở

nhiệt độ dao động từ 28⁰C đến 32⁰C đã cho thấy giá trị

pH biến thiên theo đúng chu kỳ phát triển trong lên

men yếm khí, COD và BOD₅trong nước thải đạt hiệu

suất xử lý cao nhất tại tuần thứ 5 của mẫu thí nghiệm

với giá trị tương ứng 60,4% và 57,6%.

3. Đã đánh giá được khả năng sản xuất khí sinh học

trong hình thành bùn hoạt tính từ nước thải chăn nuôi

lợn với thể tích khí sinh học cộng dồn trong 60 ngày là

79.947 ml, hiệu suất thu hồi khí CH₄đạt cao nhất sau

45 ngày lên men là 59%.

4. Từ nghiên cứu và các tài liệu thu thập đã đề xuất

các quần thể vi sinh vật chủ yếu tham gia vào quá trình

ổn định và hình thành bùn hoạt tính gồm các nhóm:

Bacteroidales, Clostridiacea Corynebacterium, A. john-

sonii, Anaerolinceae, Bacteroidales, Syntrophomonada-

ceae, Bacteroidales, Comamonas, Methanobacterium,

Methanosaeta, Methanomicrobiales.

▲Hình 3.6. Đề xuất vai trò của các vi sinh vật tronđ mô hình

phân hủy kỵ khí

1. Giai ̣oạn thủy phân: Bacteroidales, Clostridiacea Coryne-

bacterium, A. johnsonii, Anaerolinceae

2. Giai ̣oạn lên men axit: Bacteroidales, Syntrophomonada-

ceae, Bacteroidales, Comamonas

3. Giai ̣oạn khí metan: Methanobacterium, Methanosaeta,

Methanomicrobiales

4. Kết luận

Kết quả nghiên cứu cho phép rút ra một số kết

luận sau:

1. Đã nghiên cứu đặc tính của bùn thải và nước thải

trước và sau khi xử lý biogas. Bùn thải tại các thời điểm bùn hoạt tính sinh khí CH₄từ nước thải chăn nuôi lợn■

Có thể sử dụng mô hình xử lý sinh học dòng chảy

ngược qua tầng bùn kỵ khí (UASB) kết hợp dòng chảy

xuôi qua giá thể treo (DHS) để ổn định và hình thành

TÀI LIỆU THAM KHẢO

4. Chonđrak P., (1996), Orđanic Waste Recyclinđ, WILEY,

Enđland

1. Nđuyễn ị anh (2016), Nđhiên cứu quá trình tạo bùn

hạt tronđ hu thốnđ UASB nhằm xư lý nước thải sơ chế mủ 5. Conor Dennehy, Peadar G. Lawlor, Yan Jianđ, Gillian

cao su, Luận án tiến sỹ, Trườnđ Đại học Bách khoa Hà Nội.

E.Gardiner, Sihuanđ Xie, Lonđ D. Nđhiêm, Xinmin

Zhan (2017). Greenhouse đas emissions from diﬀerent

piđ manure manađement techniques: a critical analysis.

Frontier Environment Science and Enđineerinđ, 11(3),

1-16.

2. Cao Vũ Hươnđ (2014), Nđhiên cứu sự chuyển hóa một số

yếu tố đây ô nhiễm tronđ quá trình ổn ̣ịnh bùn thải kết

hợp rác hhu cơ bằnđ phươnđ pháp lên men nónđ, Luận án

tiến sỹ, Trườnđ Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc

đia Hà nội.

6. Gavrilescu M (2002) Enđineerinđ concerns and new

developments in anaerobic wastewater treatment. Clean

Technolođies and Environmental Policy, 3: p. 346– 362.

3. AppelsL.,BaeyensJ.,DeđreveJ.,DewilR.,(2008),“Principles

and potential of the anaerobic diđestion of waste-activated

sludđe”, Prođress in Enerđy and Combustion Science, 34, 7. Gerardi M. H. (2003). e microbiolođy of anaerobic

pp. 755-781

diđesters. John Wiley & Sons, Inc.

42 Chuyên đề I, tháng 3 năm 2021

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ

8. Narihiro T, Terada T, Kikuchi K, Iđuchi A, Ikeda M, 9. Nelson M.C, Morrison M, and Yu Z (2011) A metaanalysis

Yahauchi T, Shiraishi K, Kamađata Y, Nakamura K, and

Sekiđuchi Y (2009) Comparative analysis of bacterial and

archaeal communities in methanođenic sludđe đranules

from upﬂow.

of the microbial diversity observed in anaerobicdiđesters.

Bioresource technolođy, 102: p. 3730– 3739.

10. Steinfeld H, Gerber P, Wassenaar T, Castel V, Rosales M, De

Haan C. (2006). Livestock’s Lonđ Shadow: Environmental

Issues and Options. Rome, Italy, Food and Ađriculture

Orđanization of the United Nations.

STUDY ON THE POSSIBILITY OF CREATING ACTIVATED SLUDGE

FROM PIG FARMING WASTEWATER IN COMBINATION WITH

COLLECTING CH₄

Nguyen i Phuong Mai, Pham Tuan Anh

Falcuty of Environment, Hanoi University of Natural Resources and Environment

Bui Nguyen Minh u

Vietnam France University

ABSTRACT

Study on the conditions to create natural activated sludge from pig farming wastewater combined with

methane collection was implemented based on the combination of sludge of anaerobic digestion with vegeta-

ble by-products in Up-ﬂow anaerobic sludge blanket reactor (UASB) and Down-ﬂow hanging sponge reactor

(DHS) at the determined rate with two experiment series as control and an experiment with the ratio of sludge

of anaerobic digestion: by-products of vegetables and fruits of 100: 0; 50:50 during 60 days. Evaluation results

showed that, the treatment eﬃciency of the total nitrogen reached 52%; total phosphorus reached 57.38%; to-

tal solids and total volatile solids reached 13.7% and 15.7%, respectively; treatment eﬃciency of COD reached

60.4%, BOD₅reached 57.6%. e amount of biogas collected was 79,947 ml in the experimental sample, CH₄

achieved the highest collection eﬃciency on 45^thday for the experimental sample of 59%. Methane gas from

the studied process mainly involved groups of bacteria Bacteroidales, Clostridiacea Corynebacterium, A. john-

sonii, Anaerolinceae, Bacteroidales, Syntrophomonadaceae, Bacteroidales, Comamonas, Methanobacterium,

Methanosaeta, Methanomicrobiales.

Key word: Activated sludđe, by-products, piđ farminđ wastewater, biođas.

Chuyên đề I, tháng 3 năm 2021 43

7 trang yennguyen 21/04/2022 960

Download

Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu khả năng ổn định bùn hoạt tính từ nước thải chăn nuôi lợn kết hợp thu khí CH₄", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

nghien_cuu_kha_nang_on_dinh_bun_hoat_tinh_tu_nuoc_thai_chan.pdf