Luận án Tiến sĩ Quản lý tài nguyên và môi trường: Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật tại chỗ trong hệ thống bể sinh học kết hợp màng lọc khí nâng trong xử lý nước thải giết mổ lợn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:189

Thêm vào BST

Báo xấu

42
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của Luận án nhằm đề xuất được các giải pháp kỹ thuật giúp quản lý và giám sát xử lý nước thải lò giết mổ tập trung đạt tiêu chuẩn xả thải ra môi trường theo QCVN 40:2011/BTNMT cột B. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Quản lý tài nguyên và môi trường: Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật tại chỗ trong hệ thống bể sinh học kết hợp màng lọc khí nâng trong xử lý nước thải giết mổ lợn

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU PHẠM HẢI BẰNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TẠI CHỖ TRONG HỆ THỐNG BỂ SINH HỌC KẾT HỢP MÀNG LỌC KHÍ NÂNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIẾT MỔ LỢN LUẬN ÁN TIẾN SĨ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG Hà Nội - 2021
BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG VIỆN KHOA HỌC KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU PHẠM HẢI BẰNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TẠI CHỖ TRONG HỆ THỐNG BỂ SINH HỌC KẾT HỢP MÀNG LỌC KHÍ NÂNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIẾT MỔ LỢN Ngành: Quản lý tài nguyên và môi trường Mã số: 9850101 LUẬN ÁN TIẾN SĨ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG Tác giả luận án Giáo viên hướng dẫn 1 Giáo viên hướng dẫn 2 Phạm Hải Bằng TS. Đỗ Tiến Anh TS. Bạch Quang Dũng Hà Nội – 2021
i LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, được hoàn thành dưới sự hướng dẫn của TS. Đỗ Tiến Anh và TS. Bạch Quang Dũng. Các số liệu, kết quả nghiên cứu và các kết luận trong Luận án này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả xin chịu trách nhiệm trước pháp luật cũng như đạo đức khoa học về lời cam đoan này. Tác giả luận án Phạm Hải Bằng
ii LỜI CẢM ƠN Luận án này được thực hiện tại Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu, Bộ Tài nguyên và Môi trường. Đây không chỉ là nơi đào tạo giúp nghiên cứu sinh trưởng thành hơn trong hoạt động nghiên cứu khoa học, nghề nghiệp mà còn là nơi để nghiên cứu sinh chia sẻ những khúc mắc gặp phải trong quá trình học tập, thực hiện Luận án. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tác giả xin gửi lời cảm ơn đặc biệt tới hai thầy hướng dẫn là TS. Đỗ Tiến Anh và TS. Bạch Quang Dũng đã tận tình giúp đỡ tác giả từ những bước đầu tiên xây dựng hướng nghiên cứu, cũng như luôn ủng hộ, động viên và hỗ trợ những điều kiện tốt nhất trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện Luận án. Tác giả trân trọng cảm ơn Lãnh đạo, chuyên gia, các nhà khoa học của Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu, Bộ môn Quản lý tài nguyên và môi trường và các cơ quan hữu quan đã có những góp ý về khoa học cũng như hỗ trợ nguồn tài liệu, số liệu cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện Luận án. Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới GS.TS. Trần Thục, PGS.TS. Nguyễn Văn Thắng, PGS.TS. Huỳnh Thị Lan Hương, PGS.TS. Trịnh Thị Thanh, TS. Chu Xuân Quang, TS. Trần Thị Thu Lan đã có những ý kiến đóng góp quý báu giúp tác giả hoàn thành Luận án. Tác giả xin gửi lời tri ân tới mọi thành viên trong gia đình, người thân, bạn bè và đồng nghiệp về những động viên tinh thần, chia sẻ và những khó khăn mà mọi người đã có thể phải gánh vác trong quá trình nghiên cứu và hoàn thiện Luận án của của nghiên cứu sinh. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Tác giả luận án Phạm Hải Bằng
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................... ii DANH MỤC CÁC BẢNG........................................................................... vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................... vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................... x MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIẾT MỔ LỢN, CÔNG NGHỆ SINH HỌC SỬ DỤNG VI SINH VẬT TẠI CHỖ VÀ CÔNG NGHỆ MÀNG LỌC KHÍ NÂNG ................................. 13 1.1. Tổng quan nghiên cứu về xử lý nước thải giết mổ lợn ................... 13 1.1.1. Nước thải giết mổ lợn ở Việt Nam ................................................ 13 1.1.2. Đặc tính và ảnh hưởng của nước thải giết mổ lợn tới môi trường và sức khỏe con người ................................................................................ 17 1.1.3. Tổng quan các nghiên cứu trên thế giới về công nghệ sinh học trong xử lý nước thải giết mổ ................................................................. 21 1.1.4. Tổng quan các nghiên cứu tại Việt Nam về công nghệ sinh học trong xử lý nước thải giết mổ ................................................................. 40 1.2. Tổng quan về công nghệ sinh học sử dụng vi sinh vật tại chỗ ........ 44 1.2.1. Cơ sở khoa học ............................................................................. 44 1.2.2. Tổng quan các nghiên cứu về công nghệ sinh học bổ sung các vi sinh vật tại chỗ trên thế giới ................................................................... 46 1.2.3. Tổng quan các nghiên cứu về công nghệ sinh học bổ sung các vi sinh vật tại chỗ tại Việt Nam .................................................................. 50 1.3. Tổng quan công nghệ sinh học kết hợp màng lọc khí nâng (Gaslift- MBR) trong xử lý nước thải ................................................................... 52 1.3.1. Công nghệ màng lọc khí nâng ...................................................... 52 1.3.2. Tình hình nghiên cứu màng lọc sinh học khí nâng trong xử lý nước thải trên thế giới và tại Việt Nam ........................................................... 55
iv 1.4. Tiểu kết chương 1 ............................................................................. 58 Chương 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................. 61 2.1. Phương pháp tiếp cận ...................................................................... 61 2.2. Vật liệu .............................................................................................. 62 2.2.1. Nước thải giết mổ lợn ................................................................... 62 2.2.2. Nguồn vi sinh vật sử dụng trong nghiên cứu ................................. 64 2.2.3. Các hóa chất sử dụng trong nghiên cứu ....................................... 64 2.2.4. Địa điểm thực hiện nghiên cứu ..................................................... 65 2.3. Phương pháp nghiên cứu ................................................................. 65 2.3.1. Phương pháp thu thập tài liệu ...................................................... 65 2.3.2. Phương pháp lấy mẫu, bảo quản và phân tích mẫu nước thải và bùn hoạt tính .......................................................................................... 65 2.3.3. Phương pháp tính toán và xử lý số liệu......................................... 67 2.4. Thiết kế hệ thống và phương pháp nghiên cứu .............................. 68 2.4.1. Thiết kế và xây dựng hệ thống MBR khí nâng ............................... 68 2.4.2. Nghiên cứu hiệu quả sử dụng vi sinh vật tại chỗ trong việc cải thiện hoạt động của công trình xử lý sinh học trong hệ thống MBR khí nâng.. 72 2.4.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của việc sử dụng vi sinh vật tại chỗ tới hiệu quả hoạt động của hệ thống MBR khí nâng ............................................ 75 2.4.4. Nghiên cứu xác định điều kiện vận hành tối ưu cho hệ thống MBR khí nâng sử dụng vi sinh vật tại chỗ ....................................................... 76 2.5. Tiểu kết chương 2 ............................................................................. 78 Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VI SINH VẬT TẠI CHỖ TRONG CÔNG NGHỆ MBR KHÍ NÂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIẾT MỔ LỢN .......................................................................................... 80 3.1. Khảo sát đặc tính của nước thải giết mổ lợn từ cơ sở giết mổ Thịnh An ............................................................................................................. 80 3.2. Nghiên cứu khả năng ứng dụng vi sinh vật tại chỗ cho hệ thống MBR khí nâng xử lý nước thải giết mổ lợn ............................................ 83
v 3.2.1. Đánh giá khả năng sử dụng vi sinh vật tại chỗ cho bể sinh học hiếu khí xử lý nước thải giết mổ lợn và xác định thời gian khởi động (nghiên cứu 1) ..................................................................................................... 83 3.2.2. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả hoạt động của bể sinh học hiếu khí sử dụng vi sinh vật tại chỗ .......................................... 93 3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của việc sử dụng vi sinh vật tại chỗ tới hiệu quả hoạt động của hệ thống MBR khí nâng (nghiên cứu 5) ............... 112 3.4. Nghiên cứu khảo sát các thông số vận hành tối ưu của hệ thống MBR khí nâng được sử dụng vi sinh vật tại chỗ ứng dụng trong xử lý nước thải giết mổ lợn ............................................................................ 115 3.4.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số vận hành tới hoạt động của hệ MBR khí nâng (nghiên cứu 6) ................................................... 115 3.4.2. Nghiên cứu xác định các thông số vận hành màng tối ưu cho hệ MBR khí nâng được sử dụng vi sinh vật tại chỗ (nghiên cứu 7) ............ 123 3.5. Đề xuất các giải pháp kỹ thuật giúp quản lý và giám sát xử lý nước thải giết mổ ............................................................................................ 139 3.6. Tiểu kết chương 3 ........................................................................... 145 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................. 148 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................ 151 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ............................................................................ 162 PHỤ LỤC.................................................................................................. 163
vi DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tỷ lệ nước tiêu thụ trong cơ sở giết mổ [10] ................................. 17 Bảng 1.2 Bảng thông số ô nhiễm của nước thải giết mổ gia súc trên thế giới ..................................................................................................................... 18 Bảng 1.3 Thông số ô nhiễm của một số cơ sở giết mổ tại Việt Nam ............ 19 Bảng 1.4 Tiêu chuẩn xả thải của Việt Nam và một số tổ chức trên thế giới [31] .............................................................................................................. 20 Bảng 1.5 Thành phần các khí trong biogas [23] ........................................... 24 Bảng 1.6 Tổng quan một số nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học kỵ khí xử lý nước thải lò giết mổ trên thế giới ......................................................... 29 Bảng 1.7 Tổng quan một số nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học hiếu khí xử lý nước thải lò giết mổ trên thế giới ................................................... 39 Bảng 1.8 Tổng quan một số nghiên cứu ứng dụng công nghệ sinh học xử lý nước thải lò giết mổ tại Việt Nam................................................................. 43 Bảng 1.9 Tổng quan một số nghiên cứu về công nghệ bổ sung vi sinh vật tại chỗ trên thế giới ........................................................................................... 49 Bảng 1.10 Khung mục tiêu, nội dung nghiên cứu ........................................ 59 Bảng 2.1 Các phương pháp phân tích .......................................................... 66 Bảng 2.2 Các thiết bị kết nối với bể sinh học hiếu khí ................................. 70 Bảng 2.3 Điều kiện hoạt động của màng ở quy mô phòng thí nghiệm ......... 71 Bảng 2.4 Thông số kỹ thuật của modul màng (UF) quy mô phòng thí nghiệm ..................................................................................................................... 72 Bảng 3.1 Kết quả phân tích mẫu nước thải tại cơ sở giết mổ lợn Thịnh An tại xã Vạn Phúc, huyện Thanh Trì, thành phố Hà Nội ....................................... 80 Bảng 3.2 Năng suất lọc (L/m2/giờ) của màng khi chưa cấp khí nâng đối với nước sạch ................................................................................................... 116 Bảng 3.3 Năng suất lọc của màng khi cấp khí nâng ................................... 119 Bảng 3.4 Bảng so sánh các đặc điểm và kết quả ........................................ 136
vii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Thống kê cơ sở giết mổ nhỏ lẻ tại các tỉnh, thành phố trên cả nước năm 2019 ..................................................................................................... 14 Hình 1.2 Sơ đồ phát sinh chất thải theo các công đoạn giết mổ gia súc [9] ... 16 Hình 1.3 Phân loại các phương pháp xử lý sinh học kỵ khí .......................... 22 Hình 1.4 Các giai đoạn chính trong quá trình xử lý sinh học kỵ khí [83] ...... 23 Hình 1.5 Lượng CH4 thất thoát trong các quá trình xử lý [41] ...................... 25 Hình 1.6 Mối quan hệ giữa nồng độ cơ chất và sự phát triển của vi sinh vật [24] .............................................................................................................. 33 Hình 1.7 So sánh các chỉ số trong hệ thống có BOD cao và BOD thấp [24] . 34 Hình 1.8 So sánh sơ bộ phương pháp xử lý sinh học hiếu khí và kỵ khí [35] .... 35 Hình 1.9 Công nghệ màng đặt ngoài (side stream MBR) sử dụng khí nâng .. 53 Hình 1.10 Màng đặt ngập nước (submerged MBR) kết hợp khí nâng [42] ... 54 Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát của phương pháp nghiên cứu khoa học ................ 62 Hình 2.2 Vị trí của cơ sở giết mổ Thịnh An, huyện Thanh Trì, Hà Nội (nằm trong vùng bãi của sông Hồng) ..................................................................... 63 Hình 2.3 Sơ đồ tổng quát hệ thống xử lý công suất 50L/ngày...................... 69 Hình 2.4 Hệ thống thử nghiệm kiểm tra hoạt động của Module màng lọc đơn ... 71 Hình 2.5 Hệ Module màng hoàn thiện .......................................................... 72 Hình 2.6 Mô hình bể xử lý sinh học quy mô phòng thí nghiệm .................... 73 Hình 3.1 Diễn biến nồng độ COD theo thời gian .......................................... 85 Hình 3.2 Diễn biến hiệu suất xử lý COD theo thời gian................................ 85 Hình 3.3 Nồng độ NH4+-N qua các mẻ xử lý ................................................ 88 Hình 3.4 Nồng độ NO2--N và NO3--N qua các mẻ xử lý ............................... 88 Hình 3.5 Hiệu suất xử lý TN của bể xử lý hiếu khí VSVTT và VSVTC ....... 89 Hình 3.6 Kết quả theo dõi nồng độ MLSS .................................................... 91 Hình 3.7 Mỗi liên hệ giữa thời gian lưu và nồng độ COD trong bể xử lý ..... 93
viii Hình 3.8 Mối liên hệ giữa thời gian lưu và nồng độ TN trong bể xử lý ........ 94 Hình 3.9 Ảnh hưởng của thời gian lưu tới hiệu quả xử lý NH4+, NO2-, NO3- trong bể xử lý hiếu khí được sử dụng vi sinh vật tại chỗ ............................... 95 Hình 3.10 Nồng độ MLSS và hiệu suất xử lý COD trong bể xử lý hiếu khí có sử dụng vi sinh vật tại chỗ ............................................................................ 98 Hình 3.11 Nồng độ MLSS và hiệu suất xử lý TN trong bể xử lý hiếu khí có sử dụng vi sinh vật tại chỗ................................................................................. 99 Hình 3.12 Nồng độ NH4+-N, NO3--N, NO2--N và hiệu suất xử lý TN trong bể xử lý hiếu khí có sử dụng vi sinh vật tại chỗ ............................................... 100 Hình 3.13 Mối quan hệ giữa MLSS và hiệu quả xử lý COD với giá trị SRT trong bể xử lý hiếu khí có sử dụng vi sinh vật tại chỗ ................................. 103 Hình 3.14 Mối quan hệ giữa MLSS và hiệu suất xử lý TN với giá trị SRT trong xử lý hiếu khí có sử dụng vi sinh vật tại chỗ ..................................... 104 Hình 3.15 Ảnh hưởng của tải lượng COD tới hiệu suất xử lý COD trong bể xử lý hiếu khí có sử dụng vi sinh vật tại chỗ .................................................... 105 Hình 3.16 Ảnh hưởng tải lượng đến hiệu suất xử lý COD trong bể xử lý hiếu khí có sử dụng vi sinh vật tại chỗ ............................................................... 106 Hình 3.17 Ảnh hưởng của tải lượng TN tới hiệu quả xử lý TN trong bể xử lý hiếu khí có sử dụng vi sinh vật tại chỗ ........................................................ 107 Hình 3.18 Biến thiên tải lượng TN và hiệu suất xử lý TN trong bể xử lý hiếu khí có sử dụng vi sinh vật tại chỗ ............................................................... 108 Hình 3.19 Nồng độ NH4+-N trong bể xử lý hiếu khí có sử dụng vi sinh vật tại chỗ ............................................................................................................. 109 Hình 3.20 Nồng độ NO2--N, NO3--N trong bể xử lý hiếu khí có sử dụng vi sinh vật tại chỗ ........................................................................................... 110 Hình 3.21 Theo dõi hoạt động của hệ màng MBR khí nâng tại các giá trị MLSS khác nhau ........................................................................................ 112
ix Hình 3.22 Hiệu suất xử lý của hệ màng MBR khí nâng tại các giá trị MLSS khác nhau ................................................................................................... 112 Hình 3.23 Thông lượng màng khi thay đổi áp suất và tốc độ hút (khi chưa cấp khí) ............................................................................................................. 116 Hình 3.24 Năng suất lọc của hệ màng (lưu lượng khí nâng Qkhí =0,3 l/ph) . 119 Hình 3.25 Năng suất lọc của hệ màng (Qkhí=0,5 l/phút) .............................. 121 Hình 3.26 Hiệu quả của quá trình rửa màng bằng hóa chất và nước sạch ... 122 Hình 3.27 Khảo sát năng suất lọc tại áp suất vận chuyển và lưu lượng sục khí khác nhau ................................................................................................... 124 Hình 3.28 Khảo sát vận tốc nước chảy trong ống màng (m/giây) ............... 124 Hình 3.29 Diễn biến lưu lượng lọc và áp suất màng ................................... 126 Hình 3.30 Nồng độ COD trong hệ MBR khí nâng ...................................... 130 Hình 3.31 Hiệu suất xử lý COD trong hệ MBR khí nâng ........................... 131 Hình 3.32 Hiệu quả xử lý COD trước và sau khi vận hành hệ thống màng MBR khí nâng ............................................................................................ 132 Hình 3.33 Nồng độ TN theo thời gian xử lý trong hệ MBR khí nâng ......... 133 Hình 3.34 Hiệu suất xử lý TN trong hệ MBR khí nâng............................... 134 Hình 3.35 Nồng độ NH4+-N, NO2--N và NO3--N trong hệ MBR khí nâng .......... 135 Hình 3.36 Hiệu suất xử lý TN trong hệ MBR khí nâng.............................. 136
x DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Kí hiệu Tiếng Việt Tiếng Anh BOD Nhu cầu oxy sinh hóa sau 5 Biochemical oxygen Demand ngày COD Nhu cầu oxy hóa học Chemical Oxygen Demand DO Oxy hòa tan Dissolved Oxygen F/M Thức ăn/mật độ vi sinh Food/Microorganism GL-MBR Bể sinh học kết hợp với màng Gaslift membrane bioreactor khí nâng HRT Thời gian lưu thủy lực Hydraulic retention time SRT Thời gian lưu bùn Sludge retention time MBR Bể phản ứng kiểu màng sinh Membrane bioreactor học MLSS Chất rắn lơ lửng trong bể phản Mixed Liquor Suspended ứng Solid MLVSS Tổng chất lơ lửng bay hơi trong Mixed Liquor Volatile bể phản ứng Suspended Solid SBR Bể phản ứng hoạt động theo mẻ Sequencing Batch Reactor SS Cặn lơ lửng Suspended Solid SV30 Thể tích bùn lắng sau 30 phút SVI Chỉ số thể tích bùn Sludge Volume Index TN Tổng nitơ Total nitrogen TP Tổng phốt pho Total phosphorus TSS Tổng cặn lơ lửng Total Suspendid Solid VSVTT Kí hiệu bể xử lý được bổ sung vi sinh vật thông thường VSVTC Kí hiệu bể xử lý được bổ sung vi sinh vật tại chỗ SWW Nước thải lò mổ Slaughterhouse wastewater VSV Vi sinh vật Microorganism
xi Kí hiệu Tiếng Việt Tiếng Anh HSXL Hiệu suất xử lý Removal effeciency MBBR Bể xử lý dùng giá thể vi sinh Moving Bed Biofilm Reactor chuyển động ASBR Bể phản ứng theo mẻ kỵ khí Anaerobic sequence batch reactor UASB Bể xử lý sinh học dòng chảy Upflow Anaerobic Sludge ngược qua tầng bùn kỵ khí Blanket Reactor MF Màng vi lọc Microfiltration UF Màng siêu lọc Ultrafiltration ESP Chất cao phân tử ngoại bào Extracellular polymeric substance SMP sản phẩm vi sinh hòa tan Soluble microbial products AOB Vi sinh vật oxy hóa amoni Ammonia-oxidizing bacteria NOB Vi sinh vật oxy hóa nitrit Nitrite-oxidizing bacteria SOUR Tốc độ tiêu thụ oxy riêng phần Specific oxygen uptake rate ABR Yếm khí có vách ngăn Anaerobic Baffled Reactor HAFBR Bể phản ứng kỵ khí giá thể cố Anaerobic fixed bed reactor định dòng chảy đứng AGS Bùn hạt hoạt tính Activated granular sludge
1 MỞ ĐẦU Nước thải từ hoạt động giết mổ lợn thường có chứa hàm lượng cao của các chất ô nhiễm như chất hữu cơ, chất dinh dưỡng hay các vi khuẩn gây bệnh, nếu thải trực tiếp ra môi trường có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới môi trường hệ sinh thái cũng như sức khỏe của con người. Vấn đề này cần được đặc biệt quan tâm ở Việt Nam, khi mà phần lớn hoạt động giết mổ gia súc nói chung và giết mổ lợn nói riêng đều sử dụng các quy trình giết mổ thủ công hoặc bán công nghiệp nên lượng nước thải và mức độ ô nhiễm là rất lớn. Mặc dù hiện nay, nhiều công nghệ xử lý nước thải giết mổ lợn đã được nghiên cứu và ứng dụng thành công trên thế giới tuy nhiên hiện vẫn chưa có công nghệ nào thực sự phù hợp với điều kiện kinh tế và kỹ thuật của các cơ sở giết mổ lợn tại Việt Nam. Do đó, việc lựa chọn, nghiên cứu và cải thiện các công nghệ mới phù hợp với đặc điểm của Việt Nam là vấn đề cần được quan tâm. 1. Tính cấp thiết của đề tài Một trong những vấn đề về được chú ý hiện nay đó chính là ô nhiễm môi trường từ các cơ sở giết mổ nói chung và các cơ sở giết mổ lợn nói riêng. Nước thải từ các cơ sở giết mổ lợn, đặc biệt là những cơ sở giết mổ nhỏ lẻ thường có thành phần phức tạp và tiềm ẩn nhiều nguy cơ gây ô nhiễm môi trường nếu không được xử lý đúng mức. Trong đó, các chất ô nhiễm chính phải kể đến đó là các hợp chất hữu cơ được đại diện qua chỉ tiêu COD, các chất rắn lơ lửng, các chất dinh dưỡng (N, P) và nhiều loại vi sinh vật gây bệnh. Các thành phần ô nhiễm này nếu không được xử lý đúng cách sẽ gây ô nhiễm ô môi trường nghiêm trọng đồng thời ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe con người. Mặc dù, nguy cơ gây ô nhiễm từ các cơ sở giết mổ là không khó để nhận ra nhưng việc quản lý cũng như xử lý triệt để nguồn ô nhiễm này vẫn
2 còn gặp nhiều khó khăn do các cơ sở giết mổ chủ yếu vẫn sử dụng phương pháp giết mổ thủ công hoặc bán công nghiệp, lại nằm xen kẽ giữa các khu dân cư đông đúc. Khi đó, các loại chất thải không có sự phân loại rõ ràng, các loại chất thải như phân, nước, phụ phẩm xả tràn lan khi giết mổ hoặc thải trực tiếp xuống sông, suối, hồ, cống rãnh thoát nước, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Và để giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường do hoạt động giết mổ, Chính phủ đã ban hành nhiều chính sách, quyết định nhằm khuyến khích đầu tư xây dựng các cơ sở giết mổ tập trung có hạ tầng đồng bộ, không chỉ đảm bảo về vấn đề môi trường mà còn đảm bảo về vệ sinh an toàn thực phẩm. Theo Cục Thú y, tính đến tháng 6 năm 2018, cả nước có 52/63 (82,53%) tỉnh/thành phố đã được phê duyệt Đề án quy hoạch cơ sở giết mổ động vật tập trung. Sau khi phê duyệt, Chính phủ và các tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương cũng tích cực ban hành các cơ chế, chính sách nhằm khuyến khích, thu hút và thúc đẩy đầu tư vào những cơ sở này. Trong đó hướng tới việc lựa chọn sử dụng các dây chuyền công nghệ tiên tiến, hiện đại và đảm bảo thân thiện với môi trường. Mặc dù vậy, mới chỉ có 365/983 (37,1%) cơ sở giết mổ lợn tập trung, 77/152 (50,6%) cơ sở giết mổ gia cầm, 24/95 (25,2%) cơ sở giết mổ trâu, bò được đưa vào sử dụng. Việc chủ trương đầu tư xây dựng các cơ sở giết mổ hiện đại hơn chưa thực sự hiệu quả cần phải được xem xét dựa trên mặt quản lý nhà nước và mặt công nghệ. Về mặt quản lý, việc quản lý kiểm soát nguồn thải, giám sát chất lượng môi trường; tuyên truyền, hướng dẫn các biện pháp phòng ngừa, giảm thiểu nguy cơ ảnh hưởng đến sức khỏe người dân, cộng đồng; các biện pháp tăng cường thanh tra, kiểm tra về môi trường; nâng cao năng lực quản lý môi trường, thẩm định đánh giá tác động môi trường; chủ động trong công tác phòng ngừa và xử lý ô nhiễm môi trường, thay vì bị động ứng phó… vẫn còn
3 là những thách thức lớn đối với công tác quản lý môi trường nói riêng và quản lý tài nguyên và môi trường nói chung của Việt Nam hiện nay và trong tương lai. Về mặt công nghệ, trên thế giới hiện đã có nhiều công nghệ có thể được áp dụng để xử lý nước thải giết mổ lợn, các phương pháp đó bao gồm: các phương pháp hóa lý (keo tụ, tuyển nổi,...), các phương pháp sinh học (các công nghệ xử lý hiếu khí, thiếu khí, kỵ khí,,...). Thông thường, để có thể xử lý triệt để các thành phần ô nhiễm khác nhau, hệ thống xử lý nước thải từ cơ sở giết mổ gia súc nói chung là sự kết hợp của hai hay nhiều phương pháp xử lý khác nhau. Tuy nhiên, vấn đề mấu chốt ở đây đó là chưa có nhiều công nghệ được nghiên cứu ứng dụng đề phù hợp với điều kiện kinh tế kỹ thuật của các cơ sở giết mổ tại Việt Nam. Các công nghệ này thường yêu cầu diện tích mặt bằng lớn, yêu cầu trình độ vận hành cao, chi phí vận hành lớn, .... Như vậy, với chủ trương phát triển các cơ sở giết mổ tập trung, là hướng đi tất yếu để nâng cao chất lượng sản phẩm và nâng cao chất lượng cuộc sống thì việc nghiên cứu và đề xuất các giải pháp công nghệ xử lý chất thải nói chung và nước thải nói riêng của các cơ sở giết mổ tập trung là một vấn đề rất cấp thiết, đặc biệt là các công nghệ có thể áp dụng xử lý tại nguồn thay vì cần đầu tư các hệ thống thu gom quy mô lớn và có thể khắc phục được những hạn chế kể trên. Trong thời gian gần đây, công nghệ màng lọc sinh học khí nâng (GL- MBR) đã dành được nhiều sự quan tâm. Công nghệ mới này vừa mang những ưu điểm của công nghệ màng lọc sinh học truyền thống (như khả năng tách pha rắn - lỏng tốt, giúp duy trì được lượng sinh khối tối ưu, đồng thời còn có khả năng loại bỏ các vi sinh vật gây bệnh, yêu cầu diện tích sử dụng ít hơn so với công nghệ sinh học truyền thống [63]), vừa có thể khắc phục được nhược điểm của MBR đó là hiện tượng tắc màng sau một thời gian vận hành nhất
4 định, đòi hỏi quá trình làm sạch màng bằng hóa chất hoặc thay màng, dẫn tới làm gia tăng chi phí bảo dưỡng và vận hành. Bên cạnh đó, nước thải giết mổ lợn có chứa tỉ lệ cao các hợp chất hữu cơ trong đó chủ yếu là protein. Chính đặc điểm này khiến cho việc sử dụng phương pháp xử lý sinh học là hoàn toàn phù hợp. Về bản chất, các vi sinh vật xử lý hiếu khí và kỵ khí đều thực hiện các quá trình chuyển hóa các chất ô nhiễm (trong đó có các hợp chất hữu cơ) để phục vụ quá trình sinh trưởng và phát triển. Tuy nhiên, sản phẩm của quá trình xử lý kỵ khí thường là các hợp chất hữu cơ thứ cấp và cần tiếp tục được xử lý triệt để thông qua quá trình xử lý hiếu khí. Trong khi đó, với đặc tính của nước thải giết mổ thì việc xử lý trực tiếp các hợp chất hữu cơ bằng quá trình xử lý sinh học hiếu khí thông qua khả năng chuyển hóa trực tiếp của các vi sinh vật hiếu khí là hoàn toàn khả thi. Đặc biệt, trong nghiên cứu này các vi sinh vật được bổ sung được tuyển chọn từ chính nguồn nước thải giết mổ, và có những đặc tính sinh học có lợi cho quá trình xử lý nước thải bao gồm (1) là các chủng vi sinh vật hiếu khí và tích tụ nhiều sinh khối, (2) khả năng đồng hóa nhanh các chất ô nhiễm (đặc biệt là các hợp chất hữu cơ) và sinh trưởng nhanh, (3) có năng lực sử dụng cơ chất đa dạng và (4) có đặc tính tạo bông bùn kết lắng nhanh. Chính nhờ những ưu điểm này, việc bổ sung các vi sinh vật tại chỗ sẽ giúp quá trình xử lý nhanh hơn, nâng cao hiệu quả, tính ổn định của các công trình xử lý sinh học so với việc sử dụng bùn hoạt tính thông thường, rút ngắn thời gian khởi động hệ thống. Đồng thời còn mở ra nhiều hướng đi mới liên quan tới việc thu hồi nhiều dinh dưỡng trong nước thải từ chính sinh khối vi sinh vật nhở khả năng sinh trưởng nhanh của chúng. Chính vì vậy, Luận án: “Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật tại chỗ trong hệ thống bể sinh học kết hợp màng lọc khí nâng trong xử lý nước thải giết mổ lợn” do nghiên cứu sinh thực hiện kỳ vọng sẽ đưa ra giải pháp ứng dụng mới, mang tính sáng tạo, thân thiện với môi trường trong xử lý
5 nước thải giết mổ lợn, giảm chi phí vận hành đối với loại hình giết mổ lợn có diện tích mặt bằng hạn chế, nằm gần các khu đô thị, góp phần giảm thiểu ô nhiễm và cải thiện môi trường, giảm thiểu ảnh hưởng đến sức khỏe của nhân dân. Và góp phần định hướng cho doanh nghiệp sử dụng tiết kiệm và tái sử dụng nước thải sau xử lý đạt quy chuẩn vào mục đích rửa chuồng trại, tưới cây trồng nhằm tiết kiệm tài nguyên nước và giảm tiền phí nước thải phải chi trả theo quy định của Nghị định số 53/2020/NĐ-CP, ngày 05 tháng 5 năm 2020 của Chính phủ quy định phí bảo vệ môi trường đối với nước thải có hiệu lực từ ngày 01 tháng 7 năm 2020 đang nhận được sự quan tâm của cộng đồng doanh nghiệp và toàn xã hội. 2. Mục tiêu của Luận án - Nghiên cứu ứng dụng được các vi sinh vật tại chỗ trong xử lý nước thải giết mổ lợn bằng phương pháp hiếu khí. - Nghiên cứu xác định được điều kiện vận hành tối ưu cho hệ thống MBR khí nâng sử dụng vi sinh vật tại chỗ để xử lý nước thải cho cơ sở giết mổ lợn. - Đề xuất được các giải pháp kỹ thuật giúp quản lý và giám sát xử lý nước thải lò giết mổ tập trung đạt tiêu chuẩn xả thải ra môi trường theo QCVN 40:2011/BTNMT cột B. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của Luận án đó là quá trình ứng dụng các vi sinh vật tại chỗ được phân lập từ chính nước thải giết mổ lợn vào trong quá trình xử lý sinh học hiếu khí của hệ thống MBR khí nâng. Luận án đã khảo sát việc sử dụng vi sinh vật tại chỗ trong các điều kiện xử lý khác nhau của hệ thống MBR khí nâng trong đó xác định được các điều kiện khởi động và vận hành tối ưu cho hệ thống.
6 Phạm vi nghiên cứu Để đảm bảo mức độ phù hợp về mặt kinh phí cũng như thời gian thực hiện, Luận án đã tập trung xây dựng và tiến hành các nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm, trong đó nước thải được sử dụng là nước thải từ cơ sở giết mổ gia súc Thịnh An, Thanh Trì, Hà Nội. Với đặc thù là một cơ sở giết mổ tập trung, là nơi tập trung các hộ giết mổ nhỏ lẻ trong một khu vực được quy hoạch sẵn, phương pháp giết mổ chủ yếu vẫn là phương pháp thủ công, chính vì vậy nước thải này có mức độ ô nhiễm cao và biến động. Về mặt công nghệ, Luận án sẽ tập trung nghiên cứu hệ thống MBR khí nâng (Gaslift-MBR) quy mô phòng thí nghiệm được bổ sung các chủng vi sinh vật (VSV) tại chỗ. Các VSV này được bổ sung thông qua việc sử dụng chế phẩm vi sinh, là sản phẩm được kế thừa từ đề tài “Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật bản địa để xử lý nước thải trong giết mổ gia súc tập trung”[9], Viện Công nghệ môi trường, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, và là tập hợp của các chủng vi sinh vật được phân lập từ nước thải giết mổ lợn. Nghiên cứu sẽ tập trung vào việc nghiên cứu một số điều kiện vận hành thích hợp để ứng dụng hiệu quả các VSV tại chỗ vào xử lý nước thải giết mổ lợn. Kết hợp với việc khảo sát một số thông số vận hành của hệ thống MBR khí nâng được bổ sung các VSV này để có thể đạt được khả năng xử lý cao và ổn định. 4. Câu hỏi nghiên cứu - Việc bổ sung chế phẩm vi sinh có chứa các chủng vi sinh vật tại chỗ, có sẵn trong nước thải giết mổ lợn có thể giúp nâng cao hiệu quả xử lý chất hữu cơ và các thành phần dinh dưỡng trong nước thải giết mổ lợn cũng như nâng cao được tính ổn định của hệ thống xử lý hay không ? - Việc sử dụng vi sinh vật tại chỗ có ý nghĩa như thế nào trong việc cải thiện tính ổn định và hiệu quả hoạt động của hệ thống MBR khí nâng ?
7 - Các điều kiện vận hành thích hợp của hệ thống MBR khí nâng có bổ sung chế phẩm được phân lập từ vi sinh vật tại chỗ là gì ? - Việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ này có giúp ích gì cho nhiệm vụ quản lý, bảo vệ tài nguyên môi trường không? 5. Giả thuyết nghiên cứu - Luận điểm 1: Bổ sung các chủng vi sinh vật tại chỗ có khả năng rút ngắn thời gian khởi động và tăng hiệu quả xử lý hiếu khí của hệ MBR khí nâng trong xử lý nước thải giết mổ lợn. - Luận điểm 2: Việc sử dụng các vi sinh vật tại chỗ giúp nâng cao tính ổn định của màng lọc khí nâng và cải thiện năng suất lọc của màng lọc khí nâng. - Luận điểm 3: Việc khảo sát các chế độ và thông số vận hành của hệ MBR khí nâng sử dụng vi sinh vật tại chỗ sẽ giúp duy trì được hiệu quả hoạt động tối ưu cho toàn bộ hệ thống MBR khí nâng. 6. Nội dung nghiên cứu: - Nghiên cứu tổng quan và cơ sở lý thuyết về loại bỏ chất ô nhiễm bằng quá trình phân hủy hiếu khí và công nghệ màng lọc khí nâng. - Khảo sát đặc tính của nước thải giết mổ lợn từ cơ sở giết mổ lợn Thịnh An. - Nghiên cứu sử dụng chế phẩm vi sinh chứa các vi sinh vật tại chỗ trong bể sinh học hiếu khí xử lý nước thải giết mổ lợn. Trong đó tập trung nghiên cứu các nội dung sau: + Nghiên cứu khả năng thích nghi và thời gian khởi động của bể sinh học có bổ sung chế phẩm chứa các vi sinh vật tại chỗ và so sánh với bể sinh học chỉ sử dụng bùn hoạt tính thông thường;