Đề tài Xử lí Phospho trong nước thải chăn nuôi heo bằng phương pháp sinh học

MỞ ĐẦU Trong quá trình nghiên cứu đề tài “Xử lí phospho trong nước thải chăn nuôi heo bằng phương pháp sinh học”. Em đã tham khảo một số tài liệu trong và ngoài nước và nhận thấy rằng: Khi nước thải chứa các hợp chất hữu cơ cacbon, nitơ, phospho với nồng độ cao, sau khi sử lí sinh học bình thường giảm được 98 – 100% lượng BOD và 30 – 40% lượng nitơ và khoảng 30% lượng phospho còn lại là 60% nitơ và 70% lượng phospho đi ra khỏi công trình xử lí. Nếu hàm lượng N > 30 (mg/l), P > 6 (mg/l), xảy ra hiện tượng phú dưỡng. Nghĩa là N, P tạo nguồn thức ăn cho rong rêu, tảo và vi sinh vật trong nước phát triển, làm bẩn trở lại nguồn nước,vì các thành phần (nhiệt độ, ánh sáng, khí cacbonic, nitơ, phospho là một loạt các nguyên tố vi lượng). Vì vậy việc khử phospho đến dưới nồng độ cho phép trước khi xả ra nguồn tiếp nhận là rất cần thiết. Trong các công trình xử lý nước thải, các vi sinh vật hiếu khí và kỵ khí đóng một vai trò quan trọng trong việc chọn công nghệ và thiết bị xử lý. Theo quan điểm từ trước đến nay, chúng phải được cho vào hai môi trường khác nhau ở hai điều kiện khác nhau trong hai thiết bị phản ứng khác nhau để thực hện tốt vai trò của mình. Mãi đến những năm gần đây, các nhà công nghệ sinh học đã “ghép đôi” thành công hai loại vi khuẩn hiếu khí, kỵ khí và điều này là một bước đột phá quan trọng có ý nghĩa rất lớn đến sự phát triển của ngành công nghệ sinh học nói chung và kỹ thuật môi trường nói riêng. Khi cùng sống chung trong một môi trường như vậy, người ta nhận thấy rằng thức ăn yêu thích của chúng là nước thải giàu ammonium. Đây là một dữ liệu rất tốt để phát triển một kỹ thuật mới cho việc xử lý nước thải giàu ammonium tiết kiệm và hiệu quả hơn. Cho đến nay, các nhà vi sinh vật học vẩn nghĩ rằng Anammox kỵ khí và vi khuẩn Nitrosomonas hiếu khí không thể sống chung trong một thiết bị phản ứng. Nhưng ở nồng độ oxy rất thấp và một lượng N-NH4 dư thì hai loại này có thể sống chung được. Khám phá này của nhà vi sinh vật học DELFT được gọi là Canon (Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite) có nghĩa là quá trình loại bỏ hoàn toàn nitơ tự dưỡng có sự tham gia của nitrit. Nhưng song song theo đó thì lượng phospho cũng giảm một lượng rất đáng kể. Chính vì vậy mà em quyết định thiết kế một mô hình xử lí phospho trong nước thải chăn nuôi heo theo nguyên tắc hấp thu nội và ngoại bào bởi các nhóm vi khuẩn đã nêu trên. Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Đặc điểm chất thải chăn nuôi heo Chất thải chăn nuôi là nguồn ô nhiễm quan trọng đối với môi trường sống của người và gia súc, vì ngoài các thành phần gây ô nhiễm trong chất thải thì khi các hợp chất hữu cơ trong chất thải được phân giải tạo những khí bốc mùi khó chịu, tụ tập ruồi nhặng đến làm mất vệ sinh môi trường, đặc biệt khi có gia súc mắc bệnh thì đây là nguồn lan truyền dịch bệnh và giun sán nguy hiểm cho người và gia súc. Chất thải chăn nuôi được đặc trưng về khối lượng và thành phần, hiểu biết về đặc tính chất thải giúp ta xác định hệ thống xử lý thích hợp và hiệu quả. 1.1.1. Khối lượng chất thải chăn nuôi heo Khối lượng chất thải trong chăn nuôi rất lớn. Theo (Ioehr, 1970) sản phẩm của chất thải gia súc lớn hơn người theo tỉ lệ sau: BOD 5/1, Ntổng 7/1, TS 10/1. Bảng 1: Lượng phân và nước tiểu gia súc trong một ngày (Hill và Toler, 1974) Loại gia súc Lượng phân (kg/ngày) Lượng nước tiểu (kg/ngày) Bò 15,0 – 20,0 6,0 – 10,0 Heo < 10 kg 0,5 – 1,0 0,3 – 0,7 Heo 15-45 kg 1,0 – 3,0 0,7 – 2,0 Heo 45-100 kg 3,0 – 5,0 2,0 – 4,0 Gà, vịt 0,02 – 0,05 – Khối lượng chất thải chăn nuôi thải ra tùy thuộc vào giống, tuổi, khẩu phần thức ăn (nhiều xơ hay tinh bột) và thể trọng. Riêng với heo, lượng phân và nước tiểu tăng theo thể trọng. Nếu tính trung bình trên thể trọng cơ thể thì ước tính lượng phân mỗi ngày là: Bảng 2: Lượng phân các loại gia súc, gia cầm thải ra mỗi ngày tính trên phần trăm tỉ trọng (Lochr, 1984) Loại gia súc Heo Bò sữa Bò thịt Gà Lượng phân mỗi ngày (% tỉ trọng) 6 – 8 7 – 8 5 – 8 5 Ngoài phân và nước tiểu gia súc, thì khối lượng chất thải cũng tăng lên do sự đóng góp đáng kể từ nước rửa chuồng, tắm gia súc, thức ăn thừa. Vì vậy, với khối lượng chất thải lớn như trên nếu được sử dụng hợp lý, xử lý hiệu quả thì sẽ mang lại giá trị kinh tế cao, nhưng ngược lại không thể kiểm soát thì đây là nguồn ô nhiễm môi trường đáng quan tâm. 1.1.2. Các thành phần của chất thải chăn nuôi heo Chất thải chăn nuôi bao gồm phân và nước tiểu gia súc, nước vệ sinh chuồng trại, nước tắm rửa gia súc, các nguyên liệu chăn nuôi dư thừa (thức ăn thừa, thức ăn mất phẩm chất). 1.1.2.1. Thành phần của phân Phân là chất liệu từ trong khẩu phần thức ăn mà cơ thể gia súc không sử dụng hay không tiêu hóa được và thải ra ngoài cơ thể. - Là những dưỡng chất không tiêu hoá được hoặc những dưỡng chất thoát khỏi sự tiêu hóa vi sinh hay các men tiêu hóa (chất xơ, protein không tiêu hóa được, . . .). Các khoáng chất dư thừa cơ thể không sử dụng như P2O2, K2O,… phần lớn xuất hiện trong phân. - Các thức ăn bổ sung: thuốc kích thích tăng trưởng (thường chứa đồng, kẽm), các kháng sinh hay men. - Các chất cặn bã của dịch tiêu hóa ( trypsin, pepsin, … ) - Các mô tróc ra từ niêm mạc ống tiêu hóa và chất nhờn thì theo phân. - Vật chất dính vào thức ăn ( bụi, tro,...). - Các loại vi sinh bị nhiễm trong thức ăn hay trong ruột được tống ra ngoài. + Thành phần phân gia súc phụ thuộc: Ÿ Chế độ dinh dưỡng của gia súc: nếu có sự thay đổi hàm lượng các thành phần muối khoáng như protein, carbonhydrate, natri, canxi, magie, các muối phospho,... và thức ăn bổ sung (đồng, kẽm, kháng sinh, men) trong các khẩu phần sẽ làm thay đổi nồng độ những nguyên tố này và thay đổi khả năng phân hủy các chất hữu cơ trong phân (Trương Thanh Cảnh, 1998). Ÿ Chủng loại: do khả năng tiêu hoá khác nhau Ÿ Giai đoạn tăng trưởng: gia súc trong thời kỳ tăng trưởng thì nhu cầu sử dụng dưỡng chất càng nhiều thì phân sẽ ít dưỡng chất và ngược lại. Bảng 3: Thành phần hoá học của phân heo từ 70 – 100 kg (Trương Thanh Cảnh và cộng tác viên, 1997-1998) Đặc tính Đơn vị Giá trị Vật chất khô g/kg 213 – 342 NH4 – N g/kg 0,66 – 0,76 Ntổng g/kg 7,99 – 9,32 Tro g/kg 32,5 – 93,3 Chất xơ g/kg 151 – 261 Carbonates g/kg 0,23 – 2,11 Các acid béo mạch ngắn g/kg 3,83 – 4,47 pH 6.47 – 6.95 Thành phần của phân heo chủ yếu là nước (56 – 83%) và các chất hữu cơ, ngoài ra còn có các chất dinh dưỡng N, P, K dưới dạng các hợp chất hữu cơ và vô cơ. Phân heo nói chung được xếp vào phân lỏng hoặc hơi lỏng (TS = 8 -12% khối lượng phân). Ngoài ra trong phân heo còn chứa nhiều loại vi khuẩn, virus và trứng ký sinh trùng. Trong đó có vi trùng thuộc họ Enterobacteriacea chiếm đa số các giống điển hình như Escherichia, Salmonella, Shigella, Proteus, Klebsiella… Kết quả nghiên cứu của Chang,1968 và Mosley & Koff, 1970 cho thấy nhiều loại virus gây bệnh được đào thải qua phân và sống sót với thời gian từ 5-15 ngày trong phân và đất, đáng lưu ý nhất là virus gây bệnh viêm gan Rheovirus, Adenovir. Theo các nghiên cứu của G.V. Xoxibarov, 1994 và R. Alexandrenus cùng cộng tác viên cho thấy trong 1kg phân có thể chứa 2100 – 5000 trứng giun sán chủ yếu gồm các loại sau 39 - 83% Ascaris suum, 60 - 68.7% là Oesophagostomum, 47 - 58.3% là Trichocephalus. Tóm lại, mỗi loại mầm bệnh có một hóa trị sinh thái riêng, điều kiện thuận lợi cho mỗi loại tồn tại phát triển và gây hại phụ thuộc vào các điều kiện tự nhiên như lượng mưa, nhiệt độ, ánh sáng, kết cấu độ ẩm của đất phân và môi trường xung quanh. 1.1.2.2. Thành phần nước tiểu Thành phần nước tiểu gia súc chủ yếu là nước chiếm trên 90% tổng khối lượng nước tiểu, một lượng lớn nitơ (phần lớn dưới dạng urê) và phospho. Đặc biệt, urê trong nước dễ phân hủy trong điều kiện có oxy. Do đó, khi động vật bài tiết ra ngoài chúng dễ dàng phân hủy tạo thành ammoniac gây mùi hôi, nhưng nếu dùng để bón cho cây trồng thì đây là nguồn phân bón giàu nitơ, phospho và kali. Bảng 4: Thành phần hóa học của nước tiểu heo có trọng lượng từ 70-100 kg (Trương Thanh Cảnh và cộng tác viên, 1997-1998) Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị Ph 6,77 – 8,19 Vật chất khô g/kg 30,9 – 35,9 NH4+ g/kg 0,13 – 0,4 Ntổng g/kg 4,90 – 6,63 Tro g/kg 8,5 – 16,3 Urê g/kg 123 – 196 Carbonate g/kg 0,11 – 0,19 1.1.2.3. Thành phần nước thải chăn nuôi Nước tiểu, nước rửa chuồng và nước tắm gia súc tạo nên khối lượng nước thải rất lớn. Nước thải chăn nuôi chứa chất rắn lơ lửng, chất hữu cơ, nitơ, phospho và các thành phần khác, đặc biệt là các vi sinh vật gây bệnh. Trong thành phần đóng góp vào nước thải chăn nuôi, có thể nói đến nước phân chuồng, là nước từ các đống phân chuồng chảy ra, phần lớn là nước tiểu gia súc có hòa lẫn nhiều chất hòa tan của phân đặc và có chứa thêm một lượng nước rửa chuồng, nên nước phân chuồng khá giàu chất dinh dưỡng dễ tiêu và có giá trị lớn về mặt phân bón. Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải phụ thuộc vào lượng thức ăn rơi vãi, mức độ thu gom phân, phương thức thu gom chất thải trong chuồng hay lượng nước sử dụng khi vệ sinh chuồng trại hoặc tắm rửa gia súc. Bảng 5: Tính chất nước thải chăn nuôi heo (Trương Thanh Cảnh và cộng tác viên, 1997-1998) Chỉ tiêu Đơn vị Nồng độ Độ màu Pt – Co 350 – 870 Độ đục mg/l 420 – 550 BOD5 mg/l 3500 – 8900 COD mg/l 5000 – 12000 SS mg/l 680 – 1200 Ptổng mg/l 36 – 72 Ntổng mg/l 220 – 460 Dầu mỡ mg/l 5 – 58 Nước thải có độ ẩm từ 95 - 98.5%, trong phân thành phần chất hữu cơ chiếm 70 - 80% gồm Cellulose, Protide, Acid amin, chất béo, carbonhydrate và các dẫn xuất của chúng có trong phân, thức ăn thừa. Hầu hết là các chất hữu cơ dễ phân hủy. Chất vô cơ chiếm 20 - 30% gồm cát, đất, muối, urê, muối clorua, SO42-. . . các hợp chất hóa học trong phân và nước thải dễ dàng bị phân hủy. Nước thải chăn nuôi không chứa các chất độc hại như nước thải công nghiệp (acid, kiềm, kim loại nặng, chất oxy hoá, hoá chất công nghiệp, . . ) nhưng nó chứa nhiều loại ấu trùng, vi trùng, trứng ấu trùng giun sán gây bệnh . . . Theo nghiên cứu của Nanxera, vi trùng gây bệnh đóng dấu Erysipelothrix insidiosa có thể tồn tại 92 ngày, Brucella 74 - 108 ngày, Salmonella 6 - 7 tháng, Leptospira 5 - 6 tháng, Virus lở mồm lông móng trong nước thải 100 - 120 ngày. Các loại vi trùng nha bào như Bacillus antharacis có thể tồn tại hơn 10 năm, Bacillus tetani 3 - 4 năm. Trứng giun sán với các loại điển hình như Fasciola hepatica, Fasciola gigantica, Fasciola buski, Ascaris suum, Oesophagostomum sp, Trichocephalus dentatus có thể phát triển đến giai đoạn gây nhiễm sau 6 - 28 ngày và tồn tại 5 - 6 tháng. Nghiên cứu của Bonde, 1967 cho thấy đa số các vi sinh vật gây bệnh không thể phát triển lâu dài trong nước thải, số lượng của chúng giảm nhanh trong những ngày đầu sau đó chậm dần. Các loại vi trùng tồn tại lâu trong nước ở vùng nhiệt đới là Salmonella typhi và Salmonella paratyphi, E.coli, Shigella, Vibrio comma gây bệnh dịch tả, nhiều loại vi sinh vật có thể tồn tại và phát triển trong các loài nhuyễn thể do đó tạo nguy cơ gây bệnh do tập tục ăn sống sò, ốc. 1.1.2. Ô nhiễm môi trường do chất thải chăn nuôi heo Chất thải chăn nuôi heo với hàm lượng các chất ô nhiễm cao như: các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học, chất dinh dưỡng giàu nitơ, phospho, các chất khoáng, . . . kèm theo còn có các vi sinh vật mang mầm bệnh, lượng chất thải này không được xử lý hợp lý sẽ gây tác động mạnh mẽ đến cả ba thành phần môi trường đó là môi trường nước, môi trường không khí, môi trường đất. Từ đó, sẽ gây ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe của người dân sống trong khu vực chăn nuôi, công nhân viên của trại và gia súc. 1.1.2.1. Ô nhiễm môi trường đất Chất thải chăn nuôi chứa lượng lớn chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học, các chất dinh dưỡng giàu nitơ, phospho. Đây là nguồn phân bón giàu dinh dưỡng, nhưng khi bón trực tiếp vào đất quá mức cho phép, cây trồng không hấp thụ hết, chúng sẽ tích tụ lại làm bão hòa hay quá bão hòa chất dinh dưỡng trong đất, gây mất cân bằng sinh thái đất, thoái hóa đất, gây các tác động như làm chết cây, giảm sản lượng cây trồng, đồng thời tạo điều kiện cho vi sinh vật ưa nitơ, phospho phát triển, hạn chế chủng loại vi sinh vật khác gây mất cân bằng sinh thái đất. Thêm vào đó, một số trường hợp như ở các nước chăn nuôi công nghiệp, thức ăn gia súc thường bổ sung chất kích thích tăng trưởng (thành phần chủ yếu là hợp chất đồng, kẽm). Khi các chất này được thải ra cùng phân và nước tiểu gia súc, dần dần tích tụ thành lượng lớn trong đất, ảnh hưởng đến cây trồng và cuối cùng trở lại tác động vào con người. Ngoài ra, trong phân tươi gia súc chứa rất nhiều vi sinh vật gây bệnh, chúng có thể sinh sôi và phát triển, tồn tại rất lâu trong đất như Salmonella trong đất ở độ sâu 50 cm và tồn tại được 2 năm, trứng ký sinh trùng cũng khoảng 2 năm. 1.1.2.2. Ô nhiễm môi trường nước Chất thải chăn nuôi không được xử lý hợp lý, lại thải trực tiếp vào môi trường nước sẽ làm suy giảm lượng oxy hòa tan do cơ chế tự làm sạch nhờ vi sinh vật hiếu khí, các vi sinh vật này sử dụng khí oxy để phân hủy các hợp chất hữu cơ từ phân và nước thải chăn nuôi. Thêm vào đó, do trong chất thải chăn nuôi hàm lượng chất dinh dưỡng cao lại giàu nitơ, phospho nên dễ dàng tạo điều kiện cho tảo phát triển, gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa ảnh hưởng rất lớn đến đời sống sinh vật thủy sinh trong nguồn tiếp nhận. Đồng thời, nước là môi trường đầy đủ các điều kiện thuận lợi cho quá trình sinh sôi phát triển các vi sinh vật gây bệnh vốn hiện diện trong phân lợn rất nhiều. Đặc biệt nghiêm trọng hơn, nếu các chất thải thấm xuống đất đi vào mạch nước ngầm sẽ gây ô nhiễm nước ngầm, nhất là các giếng mạch nông gần chuồng nuôi gia súc hay gần hố chứa chất thải không có hệ hống thoát nước an toàn. Bảng 6 : Các chỉ tiêu ô nhiễm của chất thải tính cho 1000 kg trọng lượng sống của lợn (ASEA standards) Chỉ tiêu Khối lượng (kg) Tổng lượng phân 84 Tổng lượng nước tiểu 39 TS 11 BOD5 3,1 NH4 – N 0,29 SS 0,027 Để đánh giá mức độ ô nhiễm nguồn nước, ta cần phải lựa chọn chính xác các chỉ tiêu phân tích vì có như vậy mới đánh giá đúng đắn mức độ nhiễm và nguyên nhân gây ra ô nhiễm đồng thời cũng giúp tiết kiệm nhân lực, thời gian, chi phí. Theo (Lê Trình, 1997) đối với nước thải chăn nuôi cần phân tích các thông số: - Các thông số bắt buộc khảo sát : BOD5, TSS, tổng N, P. - Các thông số bổ sung : vi khuẩn, độ đục, màu, pH. * Ảnh hưởng của các chất ô nhiễm chính đến môi trường nước - Chất hữu cơ Trung bình 15% sinh khối thức ăn chuyển thành phân lợn khô. Các thức ăn, dưỡng chất khó đồng hóa và hấp thụ cuối cùng được bài tiết ra bên ngoài theo phân, nước tiểu cùng các sản phẩm trao đổi chất. Đa số các carbonhydrate, protein, chất béo trong chất thải có phân tử lượng lớn nên không thể thấm qua màng vi sinh. Để chuyển hóa các phân tử này, vi sinh phải phân hủy chúng ra thành các mảnh nhỏ để có thể thấm vào tế bào. Vì thế quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ nhờ vi sinh vật trải qua 2 giai đoạn chủ yếu sau: Ÿ Giai đoạn 1: Thủy phân các chất phức tạp thành đơn giản như carbonhydrate thành đường đơn, protein thành acid amin, chất béo thành acid béo mạch ngắn. Ÿ Giai đoạn 2 : Phân hủy sinh học hiếu khí để chuyển các chất hữu cơ thành khí carbonic và nước. - Nitơ và Phospho Bởi vì khả năng hấp thụ nitơ, phospho của gia súc tương đối thấp nên phần lớn sẽ được bài tiết ra ngoài. Vì vậy, hàm lượng nitơ, phospho trong chất thải chăn nuôi tương đối cao, nếu không được xử lý tốt sẽ gây nên hiện tượng phú dưỡng hóa nguồn nước, ảnh hưởng đến hệ sinh thái nước. Nitơ : Theo Jongbloed và Lenis, 1992, đối với heo trưởng thành, trong 100 g nitơ tiêu thụ vào cơ thể có 30 g được giữ lại trong cơ thể, 50 g được bài tiết theo nước tiểu dưới dạng urê là dạng dễ phân hủy sinh học và độc hại cho môi trường, 20 g được bài tiết theo phân dưới dạng nitơ vi sinh vật là dạng khó phân hủy và an toàn cho môi trường. Tùy theo sự có mặt của oxy trong nước mà nitơ chủ yếu tồn tại ở các dạng NH4+, NO2-, NO3-. Khi nước tiểu và phân được bài tiết ra ngoài, nhóm vi khuẩn Urobacteria như Micrococcus ureae sẽ sản sinh ra enzym urease chuyển hóa urê thành NH3, ammoniac nhanh chóng phát tán vào trong không khí gây nên mùi hôi hay khuếch tán vào trong nguồn nước gây ô nhiễm nguồn nước. ( 1) Nồng độ ammoniac tạo thành tùy thuộc vào lượng urê, pH chất thải và điều kiện lưu trữ chất thải. Sau khi ammoniac khuếch tán vào nước, nó tiếp tục được chuyển hóa thành NO2-, NO3- nhờ vi khuẩn nitrat hóa trong điều kiện có oxy. Đến khi gặp điều kiện kỵ khí nitrat lại bị vi sinh vật kỵ khí khử thành nitơ tự do tách khỏi nước. Lượng oxy cần thiết để oxy hóa các chất hữu cơ chứa nitơ trong nước thải chăn nuôi chiếm 47% TOD (nhu cầu oxy lý thuyết). NH3 + O2 Nitrosomonas NO2- + 2H+ + H2O NO2- + O2 Nitrobacter NO3- ( 2 ) ( 3 ) Dựa vào dạng của nitơ trong nguồn tiếp nhận, có thể xác định thời gian nước bị ô nhiễm: nếu nitơ trong nước thải chủ yếu ở dạng ammoniac thì chứng tỏ nguồn nước mới bị ô nhiễm, còn ở dạng nitrit (NO2-) là nước bị ô nhiễm một thời gian lâu hơn và ở dạng nitrat (NO3-) là nước đã bị ô nhiễm thời gian dài. Cả ba dạng ammoni (NH4+), nitrit (NO2-), hay nitrat (NO3-) đều có ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Vì khi đi vào cơ thể, gặp điều kiện thích hợp (NH4+), và (NO3-) có thể chuyển hóa thành NO2-, mà NO2- có ái lực mạnh với hồng cầu trong máu mạnh hơn oxy nên khi nó thay thế oxy sẽ tạo thành methemoglobin, ức chế chức năng vận chuyển oxy đến các cơ quan của hồng cầu, ngăn cản quá trình trao đổi chất của cơ thể, làm cho các cơ quan th