Bên cạnh những lợi ích kinh tế thì sự phát triển của ngành CBTS cũng gây ra các vấn nạn ô nhiễm môi trường. Trong các nguồn thải từ dây chuyền CBTS, nước thải là nguồn gây ô nhiễm nghiêm trọng nhất. Chế biến 1 tấn thủy sản tạo ra 4 - 6 m³ nước thải có nồng độ ô nhiễm cao: pH từ 5,5 đến 9,0, SS từ 50 đến 194 mg/l, COD từ 694 đến 2070 mg/l, BOD₅ từ 391 đến 1539 mg/l, tổng N từ 30 đến 100 mg/l, tổng P từ 3 đến 50 mg/l, dầu mỡ từ 2,4 - 100 mg/l. Thậm chí chất hữu cơ trong nước CBTS có nồng độ BOD₅ từ 1200 đến 6000 mg/l, COD từ 3000 đến 10000 mg/l, TSS từ 2000 đến 3000 mg/l. Loại nước thải này có thể phân hủy sinh học tốt thể hiện qua tỉ lệ BOD₅/COD từ 0,6 đến 0,9.

Trong thực tế, hầu hết các hệ thống xử lý nước thải ở các doanh nghiệp CBTS sử dụng bể bùn hoạt tính. Tuy nhiên, việc sử dụng bể bùn hoạt tính tốn nhiều diện tích, tiêu tốn năng lượng cho các hệ thống xử lý và vấn đề bùn khối khó lắng khi vận hành. Công nghệ lên men yếm khí có lợi thế là xử lý nước thải có hàm lượng hữu cơ cao, sản sinh bùn ít hơn và có thể thu được khí sinh học (biogas).

Xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học yếm khí mang lại lợi ích kinh tế và môi trường. Trong quá trình phân hủy yếm khí, nhiệt độ là một yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ tăng trưởng và quá trình trao đổi chất của vi khuẩn. Quá trình phân hủy sinh học trong điều kiện yếm khí nằm trong dãy nhiệt độ rộng từ 0 đến 97⁰C. Hai biên độ nhiệt sau đây được chú ý để kiểm soát một mẻ ủ yếm khí: ưa ấm 20 - 45⁰C và ưa nhiệt 50 - 65⁰C. Sự biến đổi của nhiệt độ trong ngày và giữa các mùa cũng ảnh hưởng đến tốc độ sinh khí. Nhiệt độ vận hành của công trình xử lý yếm khí có thể biến thiên theo thành phần nguyên liệu nạp, loại công trình ủ. Ngưỡng ưa nhiệt giúp giảm thời gian tồn lưu, tăng tải lượng nạp và tăng lượng khí sinh ra, tuy nhiên, khi đó cần năng lượng để cung cấp nhiệt cho công trình ủ.

Nghiên cứu được thực hiện nhằm khảo sát quá trình chuyển hóa chất hữu cơ thông qua hệ vi sinh vật (VSV) yếm khí ở các ngưỡng nhiệt độ khác nhau, góp phần nâng cao hiệu quả xử lý yếm khí nước thải CBTS; đồng thời đánh giá khả năng sinh khí biogas từ quá trình xử lý, tận dụng biogas cho các mục tiêu khai thác năng lượng, trong đó có gia nhiệt cho nước thải.

1. Đối tượng, địa điểm, thời gian thực hiện

Nước thải thí nghiệm: được thu thập tại hố thu sau công đoạn lắng của một công ty CBTS trong khu công nghiệp Cảng cá Tắc Cậu, tỉnh Kiên Giang. Nước thải được thu thập tuân theo quy định của TCVN 5999:1995; quá trình vận chuyển mẫu nước về phòng thí nghiệm phân tích tuân theo TCVN 6663-3:2016.

Các thí nghiệm xử lý yếm khí theo mẻ nước thải CBTS được tiến hành tại khu thực nghiệm của PTN Biogas - Khoa Môi trường và Tài nguyên Thiên nhiên - Trường Đại học Cần Thơ.

2. Bố trí thí nghiệm

2.1. Thiết bị thí nghiệm

Thí nghiệm ủ yếm khí ở quy mô phòng được bố trí bằng các bình nhựa thể tích 21 L để đánh giá hiệu suất xử lý và khả năng sinh biogas của nước thải CBTS. Trong thí nghiệm này, nước thải CBTS được nạp vào bình ủ với thể tích 15 L, nạp thêm 0,7 L nước thải từ hầm ủ biogas đang hoạt động (dung dịch mồi). Phần mặt thoáng còn lại phía trên bình ủ (5,3 L) để chứa lượng khí sinh ra và tạo không gian trống giúp cho nước thải không bị áp suất đẩy lên ống dẫn đưa vào túi chứa khí.

Để đánh giá hiệu suất xử lý của mẻ ủ ở ba mức nhiệt độ khác nhau, trên thân bình ủ lắp thiết bị điều chỉnh nhiệt độ nước. Thiết bị sử dụng để điều chỉnh nhiệt độ là thanh sưởi bể thủy sinh RS408-D có công suất 200 W, chiều dài 33 cm, đường kính 3 cm, xuất xứ Trung Quốc. Ở thời điểm thí nghiệm, thị trường không có thanh sưởi để nâng nhiệt độ nước thải lên cao hơn, do đó thí nghiệm chỉ tiến hành ở ba nhóm giá trị nhiệt độ thuộc ngưỡng ưa ấm: 28,8 - 30,4⁰C (NT 30⁰C), 33,2 - 34,9⁰C (NT 35⁰C), 38,9 - 41,0⁰C (NT 40⁰C). Mỗi nghiệm thức bố trí 4 bình lặp lại, trong đó 3 bình để đo thể tích và thành phần khí, 1 bình để thu mẫu nước phân tích.

Trên thân bình ủ bố trí ống đo thông số môi trường ủ và ống dẫn khí được nối với túi chứa khí. Tất cả các mối nối của hệ thống đều được dán kín bằng keo silicon đảm bảo kín nước và kín khí. Sau khi bố trí thí nghiệm, tất cả bình ủ được bao phủ túi nilon đen bên ngoài tránh sự phát triển của tảo.

Mỗi ngày sau khi đo đạc các thông số vận hành (nhiệt độ, pH), lắc nhẹ các bình thí nghiệm nhằm khuấy đảo nước thải bên trong bình ủ. Việc khuấy đảo giúp VSV tiếp xúc đều với nước thải, hạn chế sự phân tầng và lắng cặn trong bình, giúp quá trình phân hủy diễn ra hiệu quả hơn.

2.2. Các chỉ tiêu theo dõi

Các thông số vận hành của bình ủ gồm pH, nhiệt độ được ghi nhận trực tiếp qua ống đo liên tục trong 15 ngày đầu của thí nghiệm để đánh giá mức độ ổn định của mẻ ủ.

Định kỳ thu mẫu nước phân tích các thông số TSS, BOD₅, COD, TKN, TP, tổng Coliform để đánh giá hiệu quả xử lý của thí nghiệm. Trong đó, mẫu nước đầu vào được lấy ngay thời điểm nạp nước thải vào mẻ ủ (ngày 0), mẫu nước đầu ra lấy ở ngày thứ 8, 15 và 30 kể từ ngày bắt đầu thí nghiệm. Các mẫu nước từ ba bình ủ của cùng một nghiệm thức sẽ được trộn với nhau tạo thành một mẫu gộp để phân tích. Các mẫu nước được phân tích tại Trung tâm Quan trắc Tài nguyên và Môi trường thành phố Cần Thơ. Phương pháp phân tích các thông số ô nhiễm của mẫu nước.

Lượng khí sinh ra từ mỗi bình ủ thông qua ống dẫn khí được thu và trữ trong túi nhôm chứa khí. Khí thu từ từng nghiệm thức được đo đạc tại Phòng thí nghiệm Biogas - Khoa Môi trường và Tài nguyên thiên nhiên, Trường Đại học Cần Thơ ở ngày thứ 8, 15 và 30 kể từ ngày bắt đầu thí nghiệm. Tổng thể tích khí được đo trực tiếp bằng đồng hồ đo thể tích khí TG3 (hãng Ritter - Đức), ngưỡng đo 6 - 360 L/giờ, kết quả đo thể hiện trên đồng hồ 8 chữ số, độ chính xác ± 0,5%. Thành phần khí sinh ra đo trực tiếp bằng máy GA5000 (hãng QED - Hoa Kỳ) có thể xác định các loại khí thành phần với độ chính xác ± 0,5% cho CH₄ và CO₂, ± 1% cho O₂ và ± 5% cho H₂S; vận tốc dòng khí bơm 550 mL/phút.

Để tiến hành đo khí, sử dụng máy bơm hút khí từ túi nhôm sang đồng hồ TG3 và thiết bị GA5000. Do yêu cầu tối thiểu cần có trên 1,5 L khí để đảm bảo tính chính xác của thiết bị, lượng khí sinh ra từ các bình ủ không thể đo đạc hàng ngày mà chỉ thu thập và đo đạc ở các ngày thứ 8, thứ 15 và thứ 30 của thí nghiệm.

2.3. Phương pháp xử lý số liệu

Kết quả phân tích mẫu nước thải định kỳ ở các ngày 8, 15 và 30 sẽ được so sánh với kết quả phân tích mẫu nước đầu vào để đánh giá hiệu suất xử lý của mẻ ủ theo thời gian. Đồng thời kết quả phân tích mẫu nước sau quá trình ủ sẽ được so sánh với QCVN 11-MT:2015/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải chế biến thủy sản (cột B). Nghiên cứu chọn cột B mà không so sánh với cột A là do xử lý yếm khí chỉ là một công đoạn trong quy trình xử lý nước thải ở một nhà máy CBTS; còn một số công đoạn khác sẽ tiếp tục xử lý đảm bảo nước thải đạt yêu cầu đưa ra môi trường.

Kết quả đo đạc thể tích khí sinh ra và thành phần khí của các nghiệm thức được so sánh thông qua phân tích phương sai một yếu tố Anova để đánh giá sự khác biệt giữa các nghiệm thức ủ yếm khí ở các ngưỡng nhiệt độ khác nhau.

Năng suất sinh khí được tính toán dựa trên thể tích biogas thu được và lượng COD bị loại bỏ.

Thể tích khí CH₄ được tính toán dựa trên thể tích biogas thu được và tỷ lệ của khí thành phần CH₄ ghi nhận được.

3. Kết luận

Nghiên cứu xử lý yếm khí theo mẻ nước thải CBTS với các ngưỡng nhiệt độ khác nhau ghi nhận một số kết quả như sau:

Về khả năng xử lý nước thải, sau 15 ngày ủ ghi nhận nghiệm thức NT 35⁰C có khả năng loại bỏ BOD₅, COD và TP cao nhất, trong khi nghiệm thức 40⁰C có khả năng loại bỏ TSS, TKN và Coliform cao nhất. So sánh với yêu cầu của QCVN 11:2015/ BTNMT (cột B), cả ba nghiệm thức thí nghiệm đều ghi nhận các thông số TSS, TP và Coliform đạt yêu cầu xả thải sau 15 ngày ủ. Đến ngày thứ 30 có thêm thông số TKN đạt yêu cầu xả thải.

Thể tích khí sinh ra hàng ngày của các nghiệm thức có biến động nhưng không khác biệt, tuy nhiên thể tích khí thành phần CH₄ của nghiệm thức NT 35⁰C cao hơn hai nghiệm thức còn lại. Khí sinh ra sau 30 ngày ủ có hàm lượng CH4 đạt 44,5 - 61,6%, có thể sử dụng cho nhu cầu sử dụng chất đốt.