Tổng quan nghiên cứu

Chăn nuôi lợn tại Việt Nam giữ vai trò trụ cột trong sản xuất nông nghiệp với tổng đàn đạt hơn 26,7 triệu con, chiếm trên 72% tổng sản lượng thịt cả nước. Quá trình chuyển dịch mạnh mẽ từ quy mô hộ gia đình phân tán sang chăn nuôi trang trại tập trung đã tạo động lực tăng trưởng kinh tế lớn, nhưng đồng thời gia tăng áp lực chất thải chưa từng có lên môi trường sinh thái. Trên địa bàn huyện Hiệp Hòa, tỉnh Bắc Giang, hoạt động chăn nuôi phát triển nhanh với tổng đàn đạt khoảng 263.648 con lợn phân bố tại 110 cơ sở và trang trại. Áp lực phát thải hàng ngày ước tính lên tới 212,6 tấn phân thải rắn và hơn 42.000 m³ nước thải chăn nuôi.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là phần lớn lượng nước thải giàu hợp chất hữu cơ, chất dinh dưỡng và vi sinh vật gây bệnh chưa được xử lý triệt để đã xả trực tiếp vào hệ thống kênh mương tưới tiêu. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là đánh giá thực trạng chăn nuôi, định lượng tải lượng chất thải và xác định mức độ ảnh hưởng của nước thải trang trại đến chất lượng môi trường nước mặt tại các kênh tiếp nhận chính. Đồng thời, đề tài đánh giá hiệu quả xử lý thực tế của các công trình xử lý chất thải hiện có nhằm xây dựng hệ thống giải pháp giảm thiểu ô nhiễm có tính khả thi cao.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào 09 trang trại chăn nuôi đại diện tại 4 xã có mật độ chăn nuôi cao nhất gồm Ngọc Sơn, Lương Phong, Đoan Bái và Đông Lỗ trong giai đoạn từ tháng 8/2016 đến tháng 2/2017. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn sâu sắc khi cung cấp hệ thống số liệu định lượng về các chỉ số ô nhiễm như COD, BOD5, Amoni và Coliform, đóng góp cơ sở khoa học để chính quyền địa phương quản lý nguồn nước mặt phục vụ tưới tiêu cho hơn 20.500 ha đất tự nhiên của huyện.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu vận dụng lý thuyết phân hủy kỵ khí chất thải hữu cơ và lý thuyết tự làm sạch của các thủy vực tiếp nhận nước thải nông nghiệp. Quá trình phân hủy kỵ khí trong công nghệ xử lý chất thải diễn ra qua ba giai đoạn liên hoàn: giai đoạn thủy phân chuyển hóa các hợp chất cao phân tử thành chất tan đơn giản; giai đoạn axit hóa tạo thành các axit béo bay hơi, aldehyde và cồn; giai đoạn metan hóa nhờ hoạt động của nhóm vi khuẩn kỵ khí nghiêm ngặt như Methanobacterium trong điều kiện nhiệt độ tối ưu 30-35°C, độ pH dao động từ 6,5 đến 7,5 và tỷ số C/N lý tưởng là 25:1 đến 30:1.

Bên cạnh đó, mô hình phú dưỡng hóa nguồn nước được áp dụng để giải thích sự suy thoái chất lượng nước mặt. Khi tỷ lệ dinh dưỡng P:N:C vượt ngưỡng 1:16:100 và hàm lượng photphat trong nước vượt quá 0,01 mg/L, hiện tượng bùng phát tảo sẽ diễn ra, làm suy kiệt oxy hòa tan (DO). Khung lý thuyết gắn liền với các khái niệm môi trường tiêu chuẩn bao gồm: Nhu cầu oxy hóa học (COD), Nhu cầu oxy sinh hóa 5 ngày (BOD5), Tổng chất rắn lơ lửng (TSS), Tổng Nitơ (T-N), Tổng Photpho (T-P) và vi sinh vật chỉ thị Coliform.

Phương pháp nghiên cứu

Dữ liệu thứ cấp được tổng hợp từ báo cáo của Phòng Tài nguyên và Môi trường huyện Hiệp Hòa, niên giám thống kê giai đoạn 2010 - 2015 và các đề tài môi trường nông nghiệp. Dữ liệu sơ cấp được thu thập thông qua điều tra hiện trường và phát phiếu phỏng vấn tại 09 cơ sở chăn nuôi có quy mô từ 30 đến 1.200 con. Quy mô này đại diện cho 3 hình thức xử lý điển hình: xả trực tiếp không qua xử lý, xử lý bằng hầm Biogas và xử lý bằng hầm Biogas kết hợp ao sinh học. Phương pháp chọn mẫu phân tầng có chủ đích được áp dụng nhằm phản ánh chính xác sự đa dạng về lưu lượng xả thải (từ 1,36 m³/ngày đêm đến 25 m³/ngày đêm) tại các tiểu vùng địa lý.

Công tác lấy mẫu và bảo quản mẫu nước thải, nước mặt tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn quốc gia TCVN 6663-1:2011, TCVN 6663-3:2008 và TCVN 5999:1995. Mạng lưới lấy mẫu nước mặt bao gồm 6 điểm quan trắc trên Kênh 3 và Kênh N3-3, bố trí tại điểm nền đầu nguồn, điểm giữa nguồn tiếp nhận và điểm cuối nguồn. Các chỉ tiêu hóa lý và vi sinh được phân tích tại phòng thí nghiệm chuẩn hóa theo TCVN 6491:1999 (COD), TCVN 6001-2:2008 (BOD5), TCVN 6625:2000 (TSS), TCVN 5988:1995 (Amoni) và TCVN 6187-2:1996 (Coliform). Phương pháp phân tích tiêu chuẩn này đảm bảo số liệu thu được có độ lặp lại cao, triệt tiêu sai số và cho phép so sánh trực tiếp với QCVN 62-MT:2016/BTNMT về nước thải chăn nuôi và QCVN 08-MT:2015/BTNMT cột B1 về chất lượng nước mặt. Tiến độ nghiên cứu được triển khai liên tục từ tháng 8/2016 đến tháng 2/2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Kết quả phân tích mẫu nước thải và nước mặt tại huyện Hiệp Hòa chỉ ra nhiều phát hiện quan trọng về mức độ ô nhiễm:

Thứ nhất, đối với các cơ sở xả thải trực tiếp không qua xử lý (như trang trại hộ ông Nguyễn Văn Nguyên quy mô 70 con, ông Đặng Văn Chỉnh quy mô 60 con), toàn bộ các chỉ tiêu quan trắc đều vượt quy chuẩn kỹ thuật từ 7 đến 56 lần. Nồng độ Coliform đạt mức báo động đỏ khi vượt QCVN 62-MT:2016/BTNMT tới 56 lần, trong khi nồng độ COD và BOD5 vượt ngưỡng cho phép từ 8 đến 15 lần, gây áp lực trực tiếp lên hệ sinh thái xung quanh.

Thứ hai, hệ thống xử lý Biogas đơn lẻ (như trang trại ông Nguyễn Văn Được quy mô 1.200 con với 4 hầm biogas 40 m³, trang trại ông Nguyễn Văn Biển 600 con với 3 hầm 30 m³) đã giúp cắt giảm từ 40% đến 60% hàm lượng chất hữu cơ. Tuy nhiên, nước thải đầu ra sau biogas vẫn chưa đạt tiêu chuẩn xả thải, các thông số COD, BOD5 và Amoni vẫn vượt quy chuẩn từ 2 đến 4,5 lần do hầm ủ bị quá tải thể tích so với quy mô đàn.

Thứ ba, mô hình hầm Biogas kết hợp ao sinh học (như cơ sở ông Vũ Văn Bồi quy mô 800 con với bể biogas 30 m³ kết hợp ao 1.800 m³, bà Đinh Thị Chung quy mô 400 con với ao 1.013 m³) thể hiện hiệu quả xử lý vượt trội. Tỷ lệ suy giảm nồng độ BOD5 và TSS đạt từ 75% đến 85% so với nước thải thô. Mặc dù vậy, thông số Nitơ tổng số và Coliform trong nước xả sau ao sinh học vẫn vượt nhẹ ngưỡng QCVN 62-MT:2016/BTNMT cột B.

Thứ tư, chất lượng môi trường nước mặt tại hai nguồn tiếp nhận chính là Kênh 3 và Kênh N3-3 bị suy thoái nghiêm trọng. Tại các điểm tiếp nhận nước thải và cuối nguồn, nồng độ oxy hòa tan (DO) giảm mạnh xuống dưới 3,0 mg/L (thấp hơn nhiều so với điểm nền đầu nguồn đạt trên 5,5 mg/L). Ngược lại, hàm lượng COD, Amoni và Coliform tại điểm cuối nguồn tăng từ 2,8 đến 4,2 lần so với điểm nền, vượt ngưỡng QCVN 08-MT:2015/BTNMT cột B1 dùng cho mục đích tưới tiêu nông nghiệp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến tình trạng ô nhiễm là do tốc độ tăng trưởng đàn lợn nhanh (toàn huyện đạt hơn 263.000 con) nhưng hạ tầng xử lý chất thải không được đầu tư tương xứng. Định mức nước sử dụng tắm rửa chuồng trại lên tới 0,4 m³/con/ngày làm tăng đột biến thể tích nước thải, rút ngắn thời gian lưu nước trong các hầm biogas khiến quá trình phân hủy kỵ khí không diễn ra hoàn toàn.

So sánh với các nghiên cứu tại huyện Văn Giang, tỉnh Hưng Yên và huyện Đan Phượng, thành phố Hà Nội, kết quả nghiên cứu tại Hiệp Hòa có sự tương đồng rõ nét về hiện trạng ô nhiễm hợp chất nitơ vô cơ và vi sinh. Nồng độ Amoni trong nước thải chăn nuôi tại các vùng này thường xuyên dao động vượt ngưỡng từ 5 đến 12 lần.

Dữ liệu quan trắc trong luận văn có thể được trực quan hóa thông qua biểu đồ cột so sánh hiệu suất xử lý giữa 3 nhóm công nghệ và biểu đồ đường thể hiện sự gia tăng nồng độ chất ô nhiễm dọc theo dòng chảy từ điểm đầu nguồn đến cuối nguồn của Kênh 3 và Kênh N3-3. Điều này phản ánh rõ ràng rằng khả năng tự làm sạch tự nhiên của hệ thống kênh mương thủy lợi đã hoàn toàn bị quá tải trước lưu lượng xả thải chăn nuôi hiện nay.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm cải thiện chất lượng môi trường nước mặt và thúc đẩy chăn nuôi bền vững tại huyện Hiệp Hòa, hệ thống 4 nhóm giải pháp chiến lược được đề xuất:

  1. Nâng cấp và chuẩn hóa công nghệ xử lý sinh học tại nguồn: Yêu cầu 100% các trang trại quy mô trên 300 con phải cải tạo hầm Biogas kết hợp hồ sinh học nhiều ngăn hoặc xây dựng bổ sung hệ thống lọc sinh học UASB. Ứng dụng các chế phẩm vi sinh hữu hiệu như EM, EMIC, Balasa No1 vào nước thải và chuồng nuôi nhằm giảm tối thiểu 70% nồng độ COD, BOD5 và khử 90% mùi hôi thối trước tháng 12/2018. Trách nhiệm thực hiện thuộc về các chủ trang trại chăn nuôi dưới sự hướng dẫn kỹ thuật của Phòng Nông nghiệp huyện.

  2. Chuyển đổi phương thức chăn nuôi và tái sử dụng chất thải: Áp dụng công nghệ chăn nuôi trên nền đệm lót sinh học bằng mùn cưa và vỏ trấu cho các nông hộ quy mô dưới 100 con, giúp giảm 80% lượng nước rửa chuồng. Triển khai phương pháp ủ phân hữu cơ vi sinh (Compost) từ bã phân thải rắn, đặt mục tiêu thu gom và tái chế 85% lượng phân tươi làm phân bón hữu cơ trong lộ trình 2018 - 2020. Chủ thể thực hiện là các hộ chăn nuôi phối hợp cùng Hội Nông dân huyện.

  3. Siết chặt công tác thanh tra, quan trắc và thực thi pháp luật: Phòng Tài nguyên và Môi trường huyện Hiệp Hòa chủ trì phối hợp với UBND các xã Lương Phong, Đoan Bái, Ngọc Sơn, Đông Lỗ thiết lập mạng lưới quan trắc định kỳ 3 tháng/lần trên Kênh 3 và Kênh N3-3. Kiên quyết xử phạt hành chính và đình chỉ hoạt động đối với 100% cơ sở xả thải trực tiếp không qua xử lý theo Nghị định về xử phạt vi phạm hành chính trong lĩnh vực bảo vệ môi trường, hoàn thành rà soát trước quý II/2018.

  4. Quy hoạch vùng chăn nuôi tập trung và hỗ trợ tài chính: UBND huyện Hiệp Hòa cần sớm phê duyệt quy hoạch các khu chăn nuôi tập trung xa khu dân cư và xa hành lang bảo vệ kênh cấp I, cấp II. Thực hiện chính sách hỗ trợ vay vốn ưu đãi 20-30% chi phí xây dựng hầm Biogas composite chuẩn kỹ thuật từ quỹ bảo vệ môi trường tỉnh Bắc Giang giai đoạn 2018 - 2022.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho 4 nhóm đối tượng trọng tâm:

  1. Cán bộ quản lý môi trường và nông nghiệp cấp huyện, xã: Cung cấp nguồn số liệu cơ sở về hệ số phát thải (2,0 kg phân/con/ngày; 0,4 m³ nước thải/con/ngày) và hiện trạng chất lượng nước mặt, hỗ trợ xây dựng báo cáo đánh giá hiện trạng môi trường, thẩm định đề án bảo vệ môi trường và hoạch định chính sách phân vùng chăn nuôi.

  2. Chủ trang trại và các nhà đầu tư nông nghiệp: Tiếp cận các giải pháp kỹ thuật có chi phí tối ưu như mô hình Biogas kết hợp ao sinh học dung tích 800 - 1.800 m³ hoặc đệm lót sinh học, giúp giải quyết triệt để bài toán xử lý chất thải đạt chuẩn xả thải và nâng cao hiệu quả kinh tế.

  3. Giảng viên, nhà nghiên cứu và học viên cao học chuyên ngành Môi trường: Tham khảo khung phương pháp luận khoa học, phương pháp tính toán tải lượng ô nhiễm, kỹ thuật lấy mẫu nước theo TCVN và quy trình phân tích các chỉ tiêu phú dưỡng để phục vụ công tác giảng dạy và nghiên cứu mở rộng.

  4. Các kỹ sư công nghệ môi trường và doanh nghiệp xử lý nước thải: Khai thác số liệu thực tế về đặc tính ô nhiễm nước thải chăn nuôi lợn tại vùng trung du Bắc Bộ để thiết kế các module xử lý sinh học Module tích hợp có công suất và chi phí vận hành phù hợp với điều kiện thực tế của địa phương.

Câu hỏi thường gặp

Nước thải chăn nuôi lợn tại huyện Hiệp Hòa chứa những tác nhân ô nhiễm chính nào? Nước thải chăn nuôi lợn tại địa phương chứa hàm lượng rất cao chất hữu cơ chưa phân hủy (thể hiện qua COD và BOD5), nồng độ chất rắn lơ lửng (TSS), các hợp chất dinh dưỡng nitơ, photpho và vi sinh vật gây bệnh. Điển hình, nồng độ Coliform tại các điểm xả trực tiếp vượt quy chuẩn tới 56 lần.

Tại sao các hầm ủ Biogas thông thường vẫn chưa xử lý triệt để được nước thải chăn nuôi? Phần lớn hầm Biogas tại các trang trại có thể tích thiết kế từ 15 đến 40 m³, quá nhỏ so với quy mô đàn hàng trăm đến hàng nghìn con. Thể tích không đủ dẫn đến thời gian lưu bùn và nước ngắn, khiến quá trình lên men kỵ khí không thể phân giải hết các hợp chất hữu cơ phức tạp và Amoni trước khi xả thải.

Mô hình xử lý chất thải nào đem lại hiệu quả cao nhất trong điều kiện thực tế tại địa phương? Mô hình xử lý tối ưu là hệ thống hầm Biogas kết hợp chuỗi ao/hồ sinh học dung tích từ 800 đến 1.800 m³ hoặc sử dụng đệm lót sinh học Balasa No1. Mô hình này giúp giảm từ 75% đến 85% nồng độ BOD5 và TSS, đồng thời tiết kiệm đáng kể chi phí nước vệ sinh chuồng trại.

Chất lượng nước mặt tại Kênh 3 và Kênh N3-3 bị suy thoái như thế nào? Nước mặt tại hai tuyến kênh này phục vụ tưới tiêu nông nghiệp nhưng đang bị ô nhiễm nghiêm trọng tại các đoạn nhận nước thải. Nồng độ oxy hòa tan (DO) sụt giảm xuống dưới 3,0 mg/L, trong khi hàm lượng COD, Amoni và Coliform tại điểm cuối nguồn tăng gấp 2,8 đến 4,2 lần so với điểm nền đầu nguồn.

Luận văn đã áp dụng những quy chuẩn môi trường nào để đánh giá và so sánh chất lượng nước? Nghiên cứu sử dụng các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chuyên ngành gồm: QCVN 62-MT:2016/BTNMT đối với nước thải chăn nuôi xả ra nguồn tiếp nhận, QCVN 40-MT:2011/BTNMT về nước thải công nghiệp và QCVN 08-MT:2015/BTNMT cột B1 để đối chiếu chất lượng nguồn nước mặt tưới tiêu.

Kết luận

  • Luận văn đã định lượng toàn diện áp lực phát thải từ hơn 263.000 đầu lợn tại huyện Hiệp Hòa với hơn 212 tấn phân và 42.000 m³ nước thải phát sinh mỗi ngày.
  • Chứng minh các cơ sở xả trực tiếp làm nồng độ Coliform vượt quy chuẩn tới 56 lần, khiến nước mặt tại Kênh 3 và Kênh N3-3 bị suy thoái trầm trọng với DO dưới 3,0 mg/L.
  • Khẳng định mô hình Biogas đơn lẻ chưa đáp ứng tiêu chuẩn xả thải và mô hình Biogas kết hợp ao sinh học là giải pháp chuyển tiếp đạt hiệu suất giảm thiểu BOD5 trên 75%.
  • Đề xuất hệ thống 4 nhóm giải pháp kỹ thuật, quản lý và chính sách đồng bộ nhằm chuẩn hóa hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi trên toàn địa bàn huyện.
  • Đóng góp nguồn dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác phục vụ công tác quy hoạch phân vùng chăn nuôi và quan trắc môi trường lưu vực sông Cầu.

Các nhà quản lý, chủ trang trại và nhà nghiên cứu cần nhanh chóng áp dụng đồng bộ các giải pháp công nghệ sinh học và tăng cường giám sát môi trường định kỳ để bảo vệ nguồn tài nguyên nước mặt quý giá của địa phương.