Nghiên cứu bổ sung chế phẩm sinh học nhằm tăng cường hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi bằng công nghệ sinh học kỵ khí

410 NGHIÊN CỨU BỔ SUNG CHẾ PHẨM SINH HỌC NHẰM TĂNG CƯỜNG HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI BẰNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC KỴ KHÍ Tạ Trung Kiên, Trần Nguyễn Hồng Nhân, Nguyễn Hải Yến, Lường Thế Anh, Vũ Thị Anh Viện Khoa học Ứng dụng HUTECH, Trường Đại học Công nghệ TP.Hồ Chí Minh GVHD: ThS. Lâm Vĩnh Sơn TÓM TẮT Nước thải chăn nuôi hiện nay là vấn đề nhận được nhiều sự quan tâm, vì bản chất hàm lượng và nồng độ có trong nước thải chăn nuôi ở mức rất cao, vượt hàng chục lần so với quy chuẩn cho phép khi so sánh với quy chuẩn nước thải công nghiệp QCVN 40:2011/BTNMT [4]. Đề xuất mô hình xử lý sinh học kỵ khí khi cho phép sử dụng hai loại chế phẩm sinh học là BIO-D và SEMSR-09. Hai chế phẩm sinh học SEMSR-09 và BIO-D rất có hiệu quả trong việc làm giảm lượng chất rắn lơ lửng trong nước thải. Trong đó, chế phẩm SEMSR-09 có tác dụng vượt trội hơn cả. Hiệu quả xử lý BOD5 của 2 chế phẩm sinh học nêu trên cũng rất tốt > 78,5%. Trong đó, chế phẩm SEMSR-09 có tác dụng hơn hẳn, hiệu quả xử lý đạt 79,48% sau 42 ngày. Song song đó, làm giảm sự sinh trưởng, hình thành của vi khuẩn gây bệnh đường ruột E. Coli. Hiệu quả xử lý khi bổ sung chế phẩm sinh học làm giảm thời gian phân hủy kỵ khí, giảm mức độ đáng lo ngại đối với nước thải chăn nuôi Từ khóa: chế phẩm sinh học, hiệu quả xử lý, nước thải chăn nuôi, mô hình xử lý, phân hủy kỵ khí 1 GIỚI THIỆU Thành phố Hồ Chí Minh là một trong những nơi phát triển mạnh về nền chăn nuôi công nghiệp, tập trung ở các khu vực ngoài trung tâm thành phố như Thủ Đức, Hóc Môn, Củ Chi, Bên cạnh đó, tại đây vẫn còn tồn tại rất nhiều những cơ sở chăn nuôi nhỏ lẻ, quy mô hộ gia đình. Song song với mặt tích cực là giải quyết được nguồn thực phẩm ngày càng khan hiếm hiện nay thì vấn đề chất thải chăn nuôi của những cơ sở sản xuất này cũng ảnh hưởng tiêu cực không nhỏ đến môi trường và sức khỏe của con người [7]. Đó là vấn đề ô nhiễm chất thải chăn nuôi mà đặc biệt là nước thải chăn nuôi. Đứng trước tình hình đó, vấn đề đặt ra cho các cơ sở chăn nuôi là phải xử lý triệt để nước thải chăn nuôi trước khi thải ra môi trường. Để giải quyết vấn đề này, nhiều mô hình xử lý nước thải chăn nuôi đã được nghiên cứu và áp dụng tại nhiều trang trại chăn nuôi, song hiệu quả xử lý vẫn chưa thực sự tốt. Còn đối với các cơ sở sản xuất nhỏ lẻ, tự phát, không có sự quản lý chặt chẽ của nhà nước, không có hệ thống xử lý cần thiết thì vấn đề ô nhiễm môi trường do nước thải chăn nuôi thật sự đáng lo ngại. Đứng trước khó khăn trên, một giải pháp mới ra đời đó là bổ sung chế phẩm sinh học xử lý nước thải chăn nuôi vào mô hình nhằm nâng cao hiệu quả xử lý [2]. Những chế phẩm này có thể dùng cho mọi quy mô chăn nuôi và sẽ giúp giải quyết vấn đề nan giải hiện nay của ngành chăn nuôi về môi trường [1]. 411 Nghiên cứu khảo sát hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi bằng công nghệ sinh học kỵ khí khi bổ sung hai loại chế phẩm sinh học là BIO-D và SEMSR-09. 2 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU VÀ KHẢO SÁT 2.1 Đối tượng nghiên cứu Nước thải phân heo. Địa điểm lấy mẫu: trại heo gia đình ông Đức, phường An Lợi Đông, quận 2, Thành phố Hồ Chí Minh. Hiện trạng mẫu: màu xám đen, bốc mùi hôi thối. Hiện trạng môi trường xung quanh khu vực lấy mẫu: không có hệ thống xử lý, nước thải được đổ trực tiếp ra hệ thống ao, rạch gây ô nhiễm nặng. 2.2 Đối tượng khảo sát Chế phẩm sinh học BIO-D BIO-D là chế phẩm sinh học dạng bột dùng trong xử lý nước thải và thông hầm cầu. Hiện nay đang được phòng vi sinh, Viện Sinh học nhiệt đới nghiên cứu và bán ra thị trường. Chế phẩm BIO-D có thành phần tổng vi sinh phân giải chất hữu cơ 109 CFU/g Hình 1. Chế phẩm sinh học BIO-D Chế phẩm sinh học SEMSR SEMSR là chế phẩm sinh học xử lý bùn cống, nước thải, hầm cầu và chất thải chăn nuôi; Nhãn hiệu SEMSR - Super Affectiveness Microorganism Sewer - Sludge removal, Wastewater Treatment & Sepstic Tanks chữ màu đỏ viền trắng trên nền màu xanh nước biển in hai lớp, lớp nền có chữ SEMSR, có tiếng Việt, tiếng Anh và tiếng Hoa có ghi đầy đủ thông tin về chế phẩm và có logo của Trung tâm. Hiện đang đuợc Trung tâm nghiên cứu kỹ thuật và quản lý môi truờng nghiên cứu và bán ra thị truờng. 412 Thành phần bao gồm tổng hợp các vi sinh vật hữu hiệu: Tricoderma, Bacillus, Lactobacillus sp,.. Hình 2. Chế phẩm sinh học SEMSR 3 PHƯƠNG PHÁP VÀ MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU 3.1 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp luận Ngành chăn nuôi là một ngành đặc thù có lượng phát sinh chất ô nhiễm rất cao, đặc biệt là nước thải chăn nuôi có hàm lượng chất ô nhiễm cao gấp chục lần tiêu chuẩn cho phép nếu so với quy chuẩn nước thải công nghiệp QCVN 40:2011/BTNMT. Vấn đề đặt ra cần giải quyết là làm sao để giảm được nồng độ các chất hữu cơ dể phân huỷ sinh học. Sử dụng chế phẩm sinh học hiện nay là một trong những biện pháp nhằm nâng cao hiệu quả xử lý sinh học, kết hợp mô hình phân huỷ sinh học kỵ khí làm tăng hiệu quả xử lý và sử dụng. Ứng dụng mô hình phân hủy sinh học kỵ khí cùng với sự bổ sung hai loại chế phẩm sinh học là BIO-D và SEMSR-09 để xử lý hiệu quả, làm giảm nồng độ ô nhiễm có trong nước thải chăn nuôi, mà cụ thể ở đây là nước thải chăn nuôi heo. Từ mô hình đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi của hai loại chế phẩm sinh học là BIO-D và SEMSR-09, so sánh với mẫu đối chứng phân huỷ sinh học từ đó đề ra những khuyến cáo cho người tiêu dùng sử dụng xử lý các loại nước thải chăn nuôi. Phương pháp cụ thể Trên cơ sơ thu thập, sưu tầm, điều ra, khảo sát và đưa ra các biện pháp, mô hình xử lý dành cho nước thải chăn nuôi. Có thể tóm tắt các phương pháp thực hiện như sau: - Phương pháp tổng hợp tài liệu: tổng hợp các tài liệu, nghiên cứu trước đây có liên quan đến đề tài nghiên cứu. Các quy trình công nghệ, mô hình xử lý đã được ứng dụng cũng như ứng dụng chế phẩm sinh học trong xử lý các loại nước thải mà đặc biệt là xử lý nước thải chăn nuôi - Phương pháp mô hình hoá: xây dựng mô hình nghiên cứu, xử lý nước thải chăn nuôi. Bổ sung các đối tượng khảo sát vào đối tượng nghiên cứu 413 - Phương pháp phân tích các chỉ tiêu chất lượng nước thải: tiến hành phân tích các chỉ tiêu nước thải cần thiết COD, BOD5, SS, E. Coli - Phương pháp đánh giá: so sánh hiệu quả xử lý của hai loại chế phẩm BIO-D và SEMSR-09. Rút ra kết luận và để xuất, kiến nghị. Hình 3. Sơ đồ mô hình nghiên cứu 3.2 Mô hình phân hủy kỵ khí Hình 4. Mô hình phân hủy kỵ khí nước thải chăn nuôi heo 3.3 Bố trí thí nghiệm Bảng 1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm 1.1 Bổ sung BIO-D 1.2 Bổ sung BIO-D 1.3 Bổ sung BIO-D 0 Đối chứng 2.1 Bổ sung SEMSR 2.2 Bổ sung SEMSR 2.3 Bổ sung SEMSR Ngăn thu khí (than hoạt tính) Bổ sung BIO-D Bổ sung SEMSR- 09 Bổ sung BIO-D Bổ sung BIO-D Đối chứng Bổ sung SEMSR- 09 Bổ sung SEMSR- 09 Ngăn thu khí (than hoạt tính) 414 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 4.1 Kết quả khảo sát nước thải đầu vào Bảng 2. Kết quả thông số nước thải đầu vào Thông số pH SS (mg/l) BOD5 (mgO2/l) COD (mgO2/l) E.Coli (MPN/100 ml) Lần 1 6,40 4.000 800 8.000 460.108 Lần 2 6,39 5.000 800 8.320 460.108 Lần 3 6,38 5.000 780 8.000 460.108 QCVN 40:2011 5,5 – 9 100 50 150 1.000 Nhận xét: Qua phân tích các chỉ tiêu môi trường nhận thấy, pH đạt được nằm trong quy chuẩn cho phép, pHtb=6,39. Hàm lượng SS ở mức rất cao, SStb=7.000 mg/l vượt quy chuẩn cho phép 70 lần. BOD5=793,33 mgO2/l vượt quy chuẩn đến 15,87 lần. CODtb=5.700 mg/l vượt quy chuẩn đến 37 lần. Hàm lượng coliform và E. Coli trung bình ở mức 460.108 MPN/100ml. vượt quy chuẩn cho phép 4,6.107 lần, khi so các thông số với QCVN 40:2011/BTNMT. Thí nghiệm 1: hHiệu quả xử lý khi bổ sung chế phẩm BIO-D Lần 1 Bổ sung BIO-D Lần 2 Bổ sung BIO-D Lần 3 Bổ sung BIO-D Mẫu đối chứng Thí nghiệm 2: Hiệu quả xử lý khi bổ sung chế phẩm SEMSR-09 Lần 1 Bổ sung SEMSR- 09 Lần 2 Bổ sung SEMSR- 09 Lần 3 Bổ sung SEMSR- 09 Ngăn thu khí (than hoạt tính) 415 4.2 Mẫu đối chứng Bảng 3. Kết quả thông số nước thải đối chứng Thông số pH SS (mg/l) BOD5 (mgO2/l) COD (mgO2/l) E.Coli (MPN/100ml) Ngày 0 6,41 4.667 793 8.107 460.108 Ngày 7 6,21 4.933 987 12.693 1.100.108 Ngày 42 7,37 800 267 5.440 120.108 QCVN 40:2011 5,5 – 9 100 50 150 1.000 Nhận xét: Qua phân tích các chỉ tiêu môi trường nhận thấy, pH đạt được nằm trong quy chuẩn cho phép, pHtb = 6,66. Hàm lượng SS ở mức rất cao, SStb = 3.466,6 mg/l vượt quy chuẩn cho phép 34,6 lần. BOD5 tb = 682,3 mgO2/l vượt quy chuẩn đến 13,65 lần. CODtb = 6.044,33 mg/l vượt quy chuẩn đến 40,3 lần. Hàm lượng coliform và E. Coli trung bình ở mức 560.108 MPN/100 ml. vượt quy chuẩn cho phép 5,6.107 lần, khi so các thông số với QCVN 40:2011/BTNMT. 4.3 Sử dụng chế phẩm sinh học BIO-D Bảng 2. Kết quả thông số nước thải bổ sung chế phẩm BIO-D sau 7 ngày Thông số pH SS (mg/l) BOD5 (mgO2/l) COD (mgO2/l) E.Coli (MPN/100 ml) Lần 1 6,17 5.200 1.020 15.040 240.108 Lần 2 6,18 5.500 1.020 13.760 240.108 Lần 3 6,17 5.800 1.020 14.400 240.108 QCVN 40:2011 5,5 – 9 100 50 150 1.000 Nhận xét: Qua phân tích các chỉ tiêu môi trường nhận thấy, pH đạt được nằm trong quy chuẩn cho phép, pHtb=6,18. Hàm lượng SS ở mức rất cao, SStb=5.500 mg/l vượt quy chuẩn cho phép 55 lần. BOD5 tb=1.020 mgO2/l vượt quy chuẩn đến 20,4 lần. CODtb=14.400 mg/l vượt quy chuẩn đến 96 lần. Hàm lượng coliform và E. Coli trung bình ở mức 240.108 MPN/100ml. vượt quy chuẩn cho phép 2,4.107 lần, khi so các thông số với QCVN 40:2011/BTNMT. 416 Bảng 4. Kết quả thông số nước thải bổ sung chế phẩm BIO-D sau 42 ngày Thông số pH SS (mg/l) BOD5 (mgO2/l) COD (mgO2/l) E.Coli (MPN/100 ml) Lần 1 7,45 400 100 4.800 39.108 Lần 2 7,5 600 200 3.200 39.108 Lần 3 7,48 300 140 3.520 39.108 QCVN 40:2011 5,5 – 9 100 50 150 1.000 Nhận xét: Qua phân tích các chỉ tiêu môi trường nhận thấy, pH đạt được nằm trong quy chuẩn cho phép, pHtb=7,48. Hàm lượng SS ở mức rất cao, SStb=433,3 mg/l vượt quy chuẩn cho phép 4,3 lần. BOD5 tb=146,6 mgO2/l vượt quy chuẩn đến 25,6 lần. CODtb=3.840 mg/l vượt quy chuẩn đến 25,6 lần. Hàm lượng coliform và E. Coli trung bình ở mức 39.108 MPN/100ml. vượt quy chuẩn cho phép 3,9.106 lần, khi so các thông số với QCVN 40:2011/BTNMT. 4.4 Sử dụng chế phẩm SEMSR-09 Bảng 5. Kết quả thông số nước thải bổ sung chế phẩm SEMSR-09 sau 7 ngày Thông số pH SS (mg/l) BOD5 (mgO2/l) COD (mgO2/l) E.Coli (MPN/100 ml) Lần 1 5,97 5.500 1.000 12.800 210.108 Lần 2 5,98 6.000 980 14.400 210.108 Lần 3 5,96 5.500 1.000 14.080 210.108 QCVN 40:2011 5,5 – 9 100 50 150 1.000 Nhận xét: Qua phân tích các chỉ tiêu môi trường nhận thấy, pH đạt được nằm trong quy chuẩn cho phép, pHtb=5,97. Hàm lượng SS ở mức rất cao, SStb=5.666,6 mg/l vượt quy chuẩn cho phép 56,6 lần. BOD5 tb=993,3 mgO2/l vượt quy chuẩn đến 19,87 lần. CODtb=13.760 mg/l vượt quy chuẩn đến 91,73 lần. Hàm lượng coliform và E. Coli trung bình ở mức 210.108 MPN/100ml. vượt quy chuẩn cho phép 2,1.107 lần, khi so các thông số với QCVN 40:2011/BTNMT. Bảng 6. Kết quả thông số nước thải bổ sung chế phẩm SEMSR-09 sau 42 ngày Thông số pH SS (mg/l) BOD5 (mgO2/l) COD (mgO2/l) E.Coli (MPN/100ml) Lần 1 7,39 300 160 3.840 28.108 Lần 2 7,43 200 160 3.200 28.108 Lần 3 7,42 500 100 3.840 28.108 QCVN 40:2011 5,5 – 9 100 50 150 1000 417 Nhận xét: Qua phân tích các chỉ tiêu môi trường nhận thấy, pH đạt được nằm trong quy chuẩn cho phép, pHtb=7,41. Hàm lượng SS ở mức rất cao, SStb=333,3 mg/l vượt quy chuẩn cho phép 3,3 lần. BOD5 tb=140 mgO2/l vượt quy chuẩn đến 2,8 lần. CODtb=3.626,7 mg/l vượt quy chuẩn đến 24,17 lần. Hàm lượng coliform và E. Coli trung bình ở mức 28.108 MPN/100ml. vượt quy chuẩn cho phép 2,8.106 lần, khi so các thông số với QCVN 40:2011/BTNMT. 4.5 Nhận xét chung Hình 5. Hiệu suất xử lý của hai loại chế phẩm sinh học BIO-D và SEMSR-09 Với thời gian lưu 42 ngày đã đảm bảo cho quá trình phân hủy kỵ khí nước thải chăn nuôi diễn ra tương đối tốt. Với khoảng thời gian lưu này, chế phẩm sinh học SEMSR-09 cho hiệu quả xử lý SS tốt nhất (90,39%), tiếp đó là trong việc xử lý BOD5 (79,48%) và cuối cùng là COD (40%). Tương tự, chế phẩm sinh học BIO-D cũng cho hiệu quả xử lý SS tốt (87,5%), tiếp đó là BOD5 (78,51%) và sau cùng là COD (36,47%) trong khoảng thời gian lưu là 42 ngày. Kết luận rằng việc bổ sung chế phẩm sinh học sẽ giúp tăng cường hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi và rút ngắn được thời gian phân hủy. 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận Đề tài: “Nghiên cứu bổ sung chế phẩm sinh học BIO-D và SEMSR-09 nhằm tăng cường hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi bằng công nghệ sinh học kỵ khí” sau 3 tháng thực hiện, tôi có những kết luận như sau: - 2 chế phẩm sinh học SEMSR-09 và BIO-D rất có hiệu quả trong việc giảm lượng chất rắn lơ lửng trong nước thải. Trong đó, chế phẩm SEMSR-09 có tác dụng vượt trội hơn cả. - Hiệu quả xử lý BOD5 của 2 chế phẩm sinh học nêu trên cũng rất tốt > 78,5%. Trong đó, chế phẩm SEMSR-09 có tác dụng hơn hẳn, hiệu quả xử lý đạt 79,48% sau 42 ngày. - 2 chế phẩm này cũng có hiệu quả xử lý COD cao đạt > 35%. Trong đó, chế phẩm SEMSR-09 vượt trội hơn đạt hiệu quả xử lý > 40% sau 42 ngày. - 2 chế phẩm trên cũng giúp hạn chế bớt sự sinh trưởng của vi khuẩn gây bệnh đường ruột E. Coli. SS BOD COD E. Coli BIO-D 87.5 78.51 36.47 93.03 SEMSR-09 90.39 79.48 40 95 0 20 40 60 80 100 H iệ u s u ấ t x ử l ý 418 Như vậy, việc bổ sung chế phẩm sinh học nhằm tăng cường hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi bằng công nghệ sinh học là việc rất đáng được quan tâm, nhất là trong giai đoạn hiện nay, vì chúng có không những có khả năng xử lý tốt SS, BOD5, COD, giảm vi sinh vật gây hại mà còn có khả năng rút ngắn thời gian phân hủy kỵ khí. Nói chung, việc bổ sung 2 chế phẩm sinh học SEMSR-09 và BIO-D nhằm xử lý nước thải chăn nuôi heo rất có hiệu quả. Điều này có nghĩa vấn đề ô nhiễm môi trường do nước thải chăn nuôi gây ra sẽ không đáng lo ngại như trước đây nữa nếu mỗi hộ gia đình hay mỗi trang trại biết sử dụng đúng chế phẩm sinh học vào quá trình xử lý nước thải chăn nuôi của mình. 5.2 Kiến nghị Do giới hạn về thời gian và điều kiện thí nghiệm nên đề tài còn nhiều hạn chế. Nếu được tiếp tục nghiên cứu với điều kiện tốt hơn, tôi xin đề nghị một số ý kiến như sau: - Phải có phương pháp để đánh giá mùi hiệu quả hơn đánh giá cảm quan. - Cần phân tích thêm mộ t số chỉ tiêu vi sinh có trong cặn nhằm tái sử dụng cặn vào mục đích nông nghiệp. - Khí sinh ra nên tận dụng cho mục đích cung cấp nhiệt. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Cao Ngọc Điệp, Nguyễn Tân Bình và Nguyễn Thị Xuân Mỵ “Ứng dụng chế phẩm sinh học xử lý nước-bùn đáy ao cá tra nuôi công nghiệp”. [2] Nguyễn Thị Hoài Giang, Trần Thị Cúc Phương, Trần Văn Phước. “Hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt bằng hệ thống lọc sinh học nhỏ giọt”. [3] Nicholas P. Cheremisinoff, Ph.D. “Biotechnology for waste and wastewater treatment”. [4] Trần Đức Thảo, Trần Thị Kim Chi, Trương Thị Thùy Trang, Nguyễn Thị Liễu, Trần Thị Thu Hiền, Nguyễn Tiến Hán. “Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ bùn hoạt tính có bổ sung chế phẩm sinh học Bacillus sp.”. [5] Salmiati, M.R. Salim, R.Md. Hassan and K.Y. Tan. “Application of biochemical products as abioremediation technique for domestic sewage treatment plants”. [6] Shaikh Ziauddin Ahammad, David W. Graham, Jan Dolfing. “Wastewater Treatment: Biological”. [7] Văn Thoại Mỹ, Nguyễn Minh Kỳ, Bùi Trâm Anh “Nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý chất hữu cơ trong nước thải chăn nuôi bằng công nghệ sinh học lọc ngược dòng”. [8] Ziyi Liu & Stephen R. Smith. “Enzyme Recovery from Biological Wastewater Treatment”.