Đánh Giá Hiệu Quả Xử Lý Nước Thải Chăn Nuôi Sau Biogas Quy Mô Hộ ...

Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi sau biogas quy mô hộ gia đình khu vực đồng bằng sông Cửu Long bằng phương pháp hấp phụ biochar kết hợp oxy hóa bậc cao (ozon)

04/04/2020

     TÓM TẮT

     Bài viết đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi sau biogas dành cho hộ nông dân có sinh kế là chăn nuôi bò ở các tỉnh đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL). Công nghệ được đề xuất trong nghiên cứu là kết hợp giữa phương pháp hấp phụ than sinh học (biochar được sản xuất từ rác vườn của hộ dân) với phương pháp oxy hóa bậc cao (khử trùng bằng ozon). Công nghệ được áp dụng cho hộ ông Nguyễn Văn Hai (nuôi bò) tại xã Lê Trì, huyện Tri Tôn, tỉnh An Giang và hộ bà Huỳnh Thị Tốt (nuôi heo) ở xã Bình Phước Xuân, huyện Chợ Mới, tỉnh An Giang với quy trình nước thải chuồng trại được xử lý sơ bộ bằng hệ thống biogas, sau đó được dẫn qua ngăn lọc với vật liệu lọc là biochar, tiếp theo cho qua bể chứa có bố trí hệ thống sục khí ozon và cuối cùng sau xử lý được lưu chứa trong ao thực vật thủy sinh để dùng cho việc tưới cây trồng. Kết quả cho thấy, các thành phần ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi sau biogas của 2 hộ giảm đáng kể, cụ thể: COD giảm 89% và 87%, BOD giảm 85.5 và 92%, tổng Nitơ giảm 66% và 56%, tổng P giảm 48.8% và 81.7, tổng Coliform và Ecoli giảm 99.9%. Đây là phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi đơn giản, đảm bảo xử lý có hiệu quả về mùi và các chất ô nhiễm trong nước thải. Công nghệ này thích hợp cho các hộ dân ở vùng nông thôn Việt Nam, đặc biệt là các tỉnh ở ĐBSCL - nơi đang chịu ảnh hưởng và có những biện pháp ứng phó với biến đổi khí hậu toàn cầu.

     Từ khóa: Biogas, ozon, biochar, than sinh học, chăn nuôi, công nghệ xử lý nước thải.

     I. ĐẶT VẤN ĐỀ

     Mặc dù ngành chăn nuôi có tầm quan trọng đối với các quốc gia đang phát triển,nhưng việc thiếu các kiến thức trong chăn nuôi đang kìm hãm sự phát triển của các quốc gia[1]. Không những thế, chất thải trong chăn nuôi đang là một trong những vấn đề gây tác động và ảnh hưởng xấu tới môi trường [2]..

     Trước thực trạng đó, các nhà khoa học trên thế giới đã và đang nghiên cứu những công nghệ xử lý nước thải trong chăn nuôi. Trong đó, tác giả Chaozhi Kuang và các cộng sự [3] đã nghiên cứu nâng cao hiệu quả xử lý nước thải trong chăn nuôi bằng phương pháp điện phân dung dịch kết hợp quá trình ôxy hóa khử bằng Fenton; nhóm tác giả Xiao Hong Zhang[4]  đã xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp sinh học (kỵ khí) kết hợp với ao dẫn ngập nước và hệ sinh thái xanh, góp phần tạo cảnh quan cho môi trường, ngăn ngừa được mùi và hạn chế phát tán ô nhiễm ra xung quanh. Bên cạnh đó, công nghệ xử lý chất thải bằng phương pháp ủ biogas đang được phát triển rộng rãi. Với nhu cầu ngày càng cao về sử dụng năng lượng, các nguyên liệu tự nhiên ngày càng khan hiếm, thì việc tạo ra sản phẩm từ chất thải trong chăn nuôi để sản sinh ra khí biogas như một nguồn nhiên liệu khí đốt đã được tác giả Samira Zareei đề cập trong nghiên cứu của mình [5].

     Tại Việt Nam, vấn đề về nước thải chăn nuôi sau khi được ủ qua hầm chứa biogas không còn mới. Tuy nhiên, việc xử lý nước thải chăn nuôi sau biogas ở quy mô vừa và nhỏ, áp dụng cho hộ nông dân còn chưa được quan tâm. Hầu hết, ở các vùng nông thôn, nước thải chăn nuôi sau biogas được thải ra môi trường, hay xả trực tiếp ra kênh rạch gây ô nhiễm nghiêm trọng. Trước thực trạng đó, các nhà khoa học trong nước đã có các công trình nghiên cứu về công nghệ xử lý nước thải sau biogas. Huỳnh Văn Tiền và các cộng sự [6] đã nghiên cứu việc xử lý nước thải sau biogas cho trại chăn nuôi heo ở tỉnh Kiên Giang bằng phương pháp tổng hợp chất keo tụ sinh học của chủng vi khuẩn Bacillus aryabhattai KG12S. Kết quả cho thấy, ứng dụng chủng vi khuẩn Bacillusaryabhattai KG12S xử lý nước thải sau hệ thống biogas chuồng trại chăn nuôi heo cho hiệu suất COD, TSS, nitơ tổng, phospho tổng và ammonium lần lượt là 50.85%, 67.21%, 75.00%, 85.42% và 77.78%. Với việc xử lý nước thải sau biogas bằng phương pháp lọc sinh học kết hợp sục khí luân phiên của nhóm tác giả Lê Sỹ Chính và các cộng sự[7] cho thấy, hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm có trong nước thải sau biogas rất tốt: COD, N-NH4+ , SS và T-P lần lượt là 81 - 87%, 95 - 99%, 80 - 95% và 49 - 55%. Hay có một số tác giả đã đề xuất mô hình xử lý nước thải sau biogas bằng phương pháp đất ngập nước kiến tạo để phù hợp với hộ nông dân, trong điều kiện khó khăn không thể xây hệ thống xử lý. Nổi bật trong số đó có nghiên cứu của tác giả Hồ Bích Liên và các cộng sự [8] với mục đích xử lý nước thải sau biogas bằng đất ngập nước kiến tạo đã có kết quả tốt về hiệu quả xử lý môi trường với các chỉ tiêu về mức độ ô nhiễm giảm: nhu cầu oxy hóa học (COD), nhu cầu oxy sinh học (BOD5), chất rắn lơ lửng (SS), tổng nitơ, tổng phospho, coliforms lần lượt là 99.48%, 99.37%, 89.3%, 88.2%, 99.6%, 99.9%. Các chỉ tiêu phospho tổng, SS, coliforms, BOD5, COD, pH, đạt chuẩn cột A và nitơ tổng đạt chuẩn cột B theo QCVN 40:2011/BTNMT.

     Để xử lý nước thải, than sinh học có đặc tính nổi trội ở tính hấp phụ đã được Christopher và các cộng sự đề cập trong việc xử lý kim loại nặng tích tụ ở củ khoai tây [9]. Ngoài ra, cũng có nhiều nghiên cứu đã sử dụng các chất oxy hóa để tăng cường khả năng hấp phụ amoni của than sinh học như tác giả Yiping Luo và các cộng sự [10] nghiên cứu việc hấp phụ amoni ở than sinh học được làm từ vỏ trấu trong việc xử lý nước rỉ rác, đạt hiệu quả khi nồng độ NH4+ và COD đã được giảm đáng kể từ 880 mg/l xuống còn 180 mg/l (giảm 80% với COD), từ 18 mg/l loại bỏ hoàn toàn NH4+ khi có bổ sung dung dịch H3PO4 với độ pH ở mức 6.0.

     Bên cạnh đó, công nghệ sử dụng ozon trong xử lý môi trường cũng đã được nghiên cứu như Nguyễn Hoàng Nghị và các cộng sự [11] nghiên cứu về khả năng khử trùng của ozon với các vi sinh vật và vi khuẩn đặc biệt là E.coli trong nước.

     Tuy nhiên công nghệ oxy hóa bậc cao là ozon kết hợp với phương pháp hấp phụ bằng biochar (than sinh học) để xử lý nước thải sau biogas dành cho hộ nông dân vẫn chưa được nghiên cứu nhiều. Do đó, nhóm tác giả đã nghiên cứu đề xuất công nghệ xử lý nước thải sau biogas là lọc qua biochar kết hợp khử trùng ozon và đánh giá hiệu quả xử lý của công nghệ này lên các mẫu nước thải tại ĐBSCL.

     II. Phương pháp nghiên cứu

     2.1. Vật liệu, thiết bị sử dụng

     Than sinh học (biochar): Biochar được sản xuất thông qua quá trình nhiệt phân đốt cháy sinh khối của nguyên liệu (trong nghiên cứu là rác vườn), hoặc dùng hơi nóng từ khí đốt trong lò để tạo ra sản phẩm bằng phương pháp yếm khí. Nhóm tác giả đã đề xuất ra việc chế tạo lò đốt than sinh học phù hợp với hộ nông dân ở nông thôn Việt Nam với chất liệu là Inox 304. 

 

Hình 1. Cấu tạo lò đốt than sinh học

 

     Các thành phần chi tiết cấu tạo lò đốt than sinh học: 

     (1): Buồng đốt hình trụ chứa nguyên liệu, thể tích 0,2826 m3.

     (2): Phần hình nón có chiều cao 0,4m; thể tích 0,045 m3.

     (3): Miệng lò hình tròn có đường kính 0,1m.

     (4): Cửa châm lửa đốt và lấy than ra (có chiều cao 0,1m và rộng 0,1m).

     (5): Lỗ thông gió xung quanh (chiều cao 4cm, rộng 2 cm, diện tích 8 cm2 và gồm 4 lỗ gió).

     (6): Ghi lò bằng tấm lưới thép: Thể tích hữu dụng tương ứng 0,3276 m3 gồm 2 phần như sau:

     + Phần hình trụ có thể tích: V1 = (0,6/2)2 x 3,14 x 1 = 0,2826 m3.

     + Phần hình chóp có thể tích: V2 = 1/3 x 3,14 x[(0,6/2)2 + (0,1/2)2 + 0,6/2 x 0,1/2] x 0,4 = 0,045 m3.

     Hệ thống sục khí ozon: công suất 550 mg/l. Lượng ozon cần thiết để khử trùng nước thải là 5 – 15mg/l được phân phối thông qua thiết bị phân phối khí mịn bằng sứ với kích thước lỗ khí là 0,6 µm.

     2.2. Đối tượng nghiên cứu

     Nước thải chăn nuôi sau khi qua hầm biogas của hộ Nguyễn Văn Hai (nuôi bò) tại xã Lê Trì, huyện Tri Tôn, tỉnh An Giang và hộ Huỳnh Thị Tốt (nuôi heo) tại xã Bình Phước, huyện Chợ Mới, tỉnh An Giang.

     23. Phương pháp thực hiện

•  Quy trình xử lý:

Nước thải chăn nuôi -> Biogas -> Bể lọc biochar -> Bể sục khí ozon -> Ao sinh học.

•  Trình tự thực hiện:

     (1) Lấy mẫu nước thải sau biogas

     (2) Tiến hành đổ vật liệu lọc vào thùng nhựa 100 lít với 3 vật liệu gồm 5 lớp và chiều dày mỗi vật liệu như sau:

• Lớp 1 (nằm dưới cùng) là lớp sỏi 1-2mm với chiều dày là 25cm,
• Lớp 2 là lớp cát với chiều dày là 15cm,
• Lớp 3 là than sinh học với chiều dày là 5cm,
• Lớp 4 là lớp cát trộn sỏi với chiều dày là 15cm,
• Lớp 5 (trên cùng) là than sinh học với chiều dày là 3cm.

     (3) Bắt đầu cho nước sạch vào để tẩy bụi bẩn, rửa vật lọc trước khi xử lý nước thải.

      (4) Tiến hành cho nước thải vào thùng nhựa. Để nước thải chảy tự nhiên xung quanh thùng để tránh tình trạng bị ăn mòn 1 bên gây ra vấn đề không hấp phụ hoàn toàn than sinh học. Chiều cao cột nước được duy trì ở mức 85cm.

     (5) Sau khi đã lọc bằng than sinh học, tiến hành đưa nước thải vào bình chứa 5 lít, đặt máy ozon với công suất 550mg/h vào để khử trùng trong vòng 4h. Lượng ozon cần thiết để khử trùng nước thải là 5 -15mg/l.

     (6) Lấy mẫu, bảo quản và đem đi phân tích tại phòng thí nghiệm.

     III. Kết quả và thảo luận

     3.1. Cơ sở đề xuất công nghệ 

     Đặc điểm nước thải đầu ra sau hầm biogas của khu vực chuồng nuôi có mùi hôi, màu đen đặc quánh, ruồi muỗi và các vi sinh vật gây bệnh có sẵn trong nước. Khi gieo trồng thực vật thủy sinh sẽ bị sốc tải dinh dưỡng do nồng độ ô nhiễm quá cao (COD là 2.284 mg/l và BOD5 là 1.233 mg/l đối với nước thải của chăn nuôi bò, COD là 2.932 mg/l và BOD5 là 1.751 mg/l đối với nước thải chăn nuôi heo) chưa thích ứng. Với nguồn nguyên liệu sẵn có là rác vườn (lá cây) phù hợp trong việc sản xuất ra than sinh học phục vụ cho quá trình hấp phụ các chất hữu cơ, giảm tải Nitơ, Photpho,… Bên cạnh đó quá trình oxy hóa bậc cao là ozon sẽ làm nhiệm vụ khử trùng, khử mùi, làm giảm COD và BOD5. Trên cơ sở đó, tác giả đề xuất phương pháp xử lý nước thải sau biogas bằng khả năng hấp phụ than sinh học kết hợp quá trình oxy hóa bậc cao là ozon. Công nghệ này hoàn toàn phù hợp trong quy mô nông hộ với việc chế tạo than sinh học nhờ các nguyên vật liệu có sẵn và oxy bậc cao với tác nhân chính là ozon hiện nay đã phổ biến rộng rãi ở nông thôn.

     3.2. Đánh giá hiệu quả xử lý

     Nước thải chăn nuôi bò của hộ Nguyễn Văn Hai và hộ Huỳnh Thị Tốt được xử lý với quy trình công nghệ như sau: Nước thải chăn nuôi -> Biogas -> Bể lọc biochar -> Bể sục khí ozon -> Ao sinh học. Hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải của hộ Nguyễn Văn Hai (nuôi bò) và hộ Huỳnh Thị Tốt (nuôi heo) được thể hiện trong Hình 1 và Hình 2.

 

Hình 1. Hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi của hộ Nguyễn Văn Hai

 

 Hình 2. Hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi của hộ Huỳnh Thị Tốt

 

     Kết quả cho thấy, sau khi áp dụng công nghệ này, các thành phần ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi sau biogas của 2 hộ giảm đáng kể, cụ thể (tương ứng với hộ Nguyễn Văn Hai và Huỳnh Thị Tốt): COD giảm 89% và 87%, BOD5 giảm 85.5 và 92%, tổng Nitơ giảm 66% và 56%, tổng P giảm 48.8% và 81.7, tổng Coliform và Ecoli giảm 99.9%.

     Có thể thấy hiệu quả xử lý nước thải sau biogas đạt hiệu suất cao nhất khi kết hợp giữa 2 phương pháp hấp phụ và oxy hóa bậc cao. Hiệu quả xử lý COD và BOD5 của công nghệ hấp phụ than sinh học kết hợp oxy hóa bậc cao là ozon tốt hơn so với nghiên cứu trước đây về xử lý nước thải chăn nuôi của Seni Karnchanawong và các cộng sự [12] với mô hình xử lý nước thải bằng thực vật nổi là rau muống BOD5, COD từ 34,5 - 67,5%. Với công nghệ áp dụng thì hiệu quả xử lý Nitơ không đạt hiệu quả như công trình xử lý bằng đất ngập nước kiến tạo với thiết kế hệ thống thủy sinh vật cỏ lau do tác giả Hồ Bích Liên và các cộng sự nghiên cứu [8]. Cụ thể hiệu quả xử lý bằng mô hình đất ngập nước kiến tạo đối với Nito và Photpho lần lượt là 88,2 % và 99,6%.

     IV. Kết luận

     Với công nghệ xử lý được đề xuất bằng phương pháp hấp phụ than sinh học và oxy hóa bậc cao là ozon cho kết quả hiệu suất xử lý tương đối cao với quy mô hộ nông dân. Tuy nhiên tính chất nước thải sau biogas của chăn nuôi là khác nhau nên hiệu quả xử lý của công nghệ được đề xuất cũng khác nhau. Kết quả cho thấy, sau khi áp dụng công nghệ này cho hộ chăn nuôi bò và hộ chăn nuôi heo, các thành phần ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi sau biogas của 2 hộ giảm đáng kể, cụ thể như sau: COD giảm 89% và 87%, BOD giảm 85.5 và 92%, tổng Nitơ giảm 66% và 56%, tổng P giảm 48.8% và 81.7, tổng Coliform và Ecoli giảm 99.9%.

     Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn, cụ thể là cho thời gian phản ứng trong quá trình hấp phụ than sinh học và oxy hóa bậc cao lâu hơn cải thiện hiệu quả xử lý ô nhiễm cũng như các thông số kỹ thuật, vận hành để chuyển giao cho người dân. Do tải lượng ô nhiễm của nước thải đầu vào cao nên công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp hấp phụ kết hợp oxy hóa bậc cao là ozon không thể xử lý triệt để mà chỉ làm nền tảng cho công đoạn xử lý tiếp theo để chất lượng nước thải đầu ra đạt quy chuẩn hiện hành.

 

Lê Quốc Vĩ1, Đồng Thị Thu Huyền2, Phạm Đắc Tín1, Trần Thị Hiệu1, Nguyễn Thị Phương Thảo1, Nguyễn Việt Thắng1

1Viện Môi trường và Tài nguyên

2Đại học Công Nghệ Đồng Nai

(Nguồn: Bài đăng trên Tạp chí Môi trường, số Chuyên đề Tiếng việt 1/2020)

 

     Lời cảm ơn: Nghiên cứu được tài trợ bởi Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong khuôn khổ Đề tài mã số C2019-24-03.

 

            TÀI LIỆU THAM KHẢO 

1. Céline Dutilly, Véronique Alary, Pascal Bonnet, Matthieu Lesnoff, Paul Fandamu, Ceesde Haan. Multi-scale assessment of the livestock sector for policy design in Zambia. Journal of Policy Modeling. 2019:40.
2. O.van Hal, I.J.M. de Boer, A. Muller, S.de Vries, K.-H.Erb, C. Schader, W.J.J. Gerrits, H.H.E. van Zanten. Upcycling food leftovers and grass resources through livestock: Impact of livestock system and productivity. Journal of Cleaner Production. 2019;219:485-96.
3. Chaozhi Kuang, Yanbin Xu, Weikang Lai, Guangyan Xie, Zhanchang Pan, Li Zheng, Manjunatha P. Talawar, Jiayin Ling, Shengjun Ye, Xiao Zhou. Novel electrodes for cathode electro-Fenton oxidation coupled with anodic oxidation system for advanced treatment of livestock wastewater. Electrochimica Acta. 2019:35.
4. XiaoHong Zhang, Ye Wei, Min Li, ShiHuai Deng, Jun Wu, YanZong Zhang, Hong Xiao. Emergy evaluation of an integrated livestock wastewater treatment system. Resources, Conservation and Recycling. 2014;92:95-107.
5. Zareei S. Evaluation of biogas potential from livestock manures and rural wastes using GIS in Iran. Renewable Energy. 2018;118:351-6.
6. Huỳnh Văn Tiền, Cao Ngọc Điệp, Trương Trọng Ngôn. Tối ưu hóa khả năng tổng hợp chất keo tụ sinh học của chủng vi khuẩn Bacillus aryabhattai KG12S và thử nghiệm xử lý nước thải sau biogas từ trại nuôi heo. Tạp chí Khoa học Trường Đại Học Cần Thơ. 2015;37:32-41.
7. Lê Sỹ Chính, Phạm Anh Hùng, Phan Đỗ Hùng. Ảnh hưởng của tỷ lệ hồi lưu đến hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau khi xử lý biogas bằng phương pháp lọc sinh học kết hợp sục khí luân phiên. Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường. 2018;34:1-8.
8. Hồ Bích Liên, Lê Thị Hiếu, Đoàn Duy Anh, Nguyễn Đỗ Ngọc Diễm, Vương Minh Hải, Lê Thị Diệu Hiền. Hiệu quả xử lý nước thải sau biogas của hệ thống đất ngập nước kiến tạo ở thị xã Tân Uyên, Bình Dương. Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một. 2016;5:25-33.
9. Nzediegwu C, Prasher S, Elsayed E, Dhiman J, Mawof A, Patel R. Effect of biochar on heavy metal accumulation in potatoes from wastewater irrigation. Journal of Environmental Management. 2018;232:153-64.
10. Yiping Luo, Ruiling Li, Xiaoying Sun, Xiaofeng Liu, Dong Li.. The roles of phosphorus species formed in activated biochar from rice husk in the treatment of landfll leachate. Bioresource Technology. 2019;288:8.
11. Nguyễn Hoàng Nghị, Trần Vĩnh Diệu, Đoàn Thị Yến Oanh. Khả năng khử khuẩn và phân hủy các chất bảo vệ thực vật của ozon. Tạp chí Hóa học. 2017;55(1):100-5.
12. Seni Karnchanawong, Jaras Sanjitt. Comparative study of domestic wastewater treatment efficiencies between facultative pond and water spinach pond. Wat Sci Tech. 1995;32 (3):263-70.

 

EVALUATION OF THE EFFICIENCY OF LIVESTOCK WASTE WATER TREATMENT AFTER BIOGAS REGULATING FAMILY HOUSEHOLDS IN THE MEKONG DELTA BY THE ADSORPTION  BIOCHAR METHOD COMBINED WITH HIGH OXYDATION (OZON) Vi Le Quoc1, Thi Thu Huyen Dong2, Tin Pham Dac1, Thi Hieu Tran1, Thi Phuong Thao Nguyen1, Viet Thang Nguyen1 (1)Institute for Environment and Resources – VNU Hochiminh City (2)Dong Nai Technology University        Abstract: This paper has evaluated the efficiency of livestock wastewater treatment after biogas for farmers whose main livelihood is cow breeding in provinces of the Mekong Delta. The technology proposed in the research is a combination of biochar adsorption method (biochar produced from household garden waste) and high-level oxidation method (ozone sterilization).This technology has been evaluated for Van Hai Nguyen (raising cows) in Le Tri commune, Tri Ton district, An Giang province and Thi Tot Huynh (raising pig) household in Binh Phuoc Xuan commune, Cho Moi district, An Giang province with the process of housing wastewater is pre-treated with a biogas system, then the waste water is passed through the filter compartment with filter material is biochar, then the waste water is passed through the tank with ozone aeration system arranged. Finally, treated effluent is stored in pond of aquatic plant for water the crops. The results showed that, after applying this technology, the pollution components in livestock waste water after biogas production of the 02 households decreased significantly, as follows: COD decreased 89% and 87%, BOD decreased 85.5 and 92% , total Nitrogen decreased by 66% and 56%, total P decreased by 48.8% and 81.7, total Coliform and Ecoli decreased by 99.9%. This is a simple method to treat livestock wastewater, ensuring effective treatment of odors and pollutants in wastewater. This technology is suitable for households in rural Vietnam, especially with provinces of the Mekong Delta that are suffering from and coping with global climate change.      Keywords: Biogas, ozone, biochar, animal breeding, wastewater treatment technology.