Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành chăn nuôi giữ vai trò thiết yếu trong nền kinh tế nông nghiệp Việt Nam, nơi hơn 70% dân số sống dựa vào sản xuất nông nghiệp. Cùng với sự gia tăng dân số và nhu cầu thực phẩm, phương thức chăn nuôi gia súc, gia cầm tại nước ta đang chuyển dịch mạnh mẽ từ quy mô nông hộ nhỏ lẻ sang mô hình trang trại tập trung với mức đầu tư từ vài trăm triệu đến hàng tỷ đồng. Tuy nhiên, sự phát triển nhanh mang tính tự phát và thiếu quy hoạch dài hạn đã dẫn đến nhiều hệ lụy nghiêm trọng về môi trường. Lượng chất thải rắn (75–85 triệu tấn phân/năm trên cả nước) cùng hàng chục triệu mét khối nước thải chưa qua xử lý triệt để đã xả trực tiếp vào hệ thống kênh mương, ao hồ, gây phát tán mùi hôi thối ($H_2S, NH_3$), lan truyền mầm bệnh và làm suy thoái tài nguyên nước.

Tại xã Bình Dương (huyện Gia Bình, tỉnh Bắc Ninh), chăn nuôi lợn phát triển mạnh mẽ với quy mô đàn đạt khoảng 15.000 con vào năm 2013, đóng góp đáng kể vào cơ cấu kinh tế địa phương. Dù vậy, công tác xử lý chất thải chăn nuôi tại đây bộc lộ nhiều hạn chế: khoảng 50–60% trang trại có áp dụng hầm ủ Biogas nhưng quy mô công trình chưa tương xứng với lưu lượng xả thải, công nghệ thi công chưa đạt chuẩn kỹ thuật dẫn đến hiệu quả làm sạch thấp. Nước thải sau biogas và nước rửa chuồng vẫn đổ thẳng ra ao hồ, khu dân cư gây ô nhiễm môi trường cục bộ.

Mục tiêu của đề tài:

  1. Điều tra, đánh giá thực trạng phát triển chăn nuôi theo quy mô trang trại tại xã Bình Dương, huyện Gia Bình, tỉnh Bắc Ninh.
  2. Đánh giá hiện trạng môi trường nước thải tại một số trang trại chăn nuôi lợn trên địa bàn trước và sau quá trình xử lý qua hầm Biogas.
  3. Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và quản lý môi trường nhằm giảm thiểu ô nhiễm nước thải chăn nuôi phù hợp với điều kiện thực tế của địa phương.

Nhiệm vụ và yêu cầu nghiên cứu:

  • Thu thập tài liệu, số liệu thứ cấp về điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội và số liệu chăn nuôi tại địa phương một cách khách quan, chính xác.
  • Khảo sát thực địa, tiến hành lấy mẫu nước thải đại diện tại các trang trại tiêu biểu trước và sau hệ thống biogas.
  • Phân tích các thông số ô nhiễm đặc trưng trong phòng thí nghiệm và so sánh với Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Nước thải phát sinh từ các hoạt động chăn nuôi lợn (nước tắm lợn, nước rửa chuồng, nước tiểu và phân hòa tan) tại các trang trại.
  • Phạm vi không gian: Địa bàn xã Bình Dương, huyện Gia Bình, tỉnh Bắc Ninh. Nghiên cứu khảo sát tổng quan 4 trang trại và chọn lấy mẫu phân tích chuyên sâu tại 2 trang trại tiêu biểu: trang trại ông Lê Văn Hùng và trang trại ông Lưu Văn Thắng (thôn Gia Phú).
  • Phạm vi thời gian: Thời gian thực hiện từ tháng 01/2014 đến tháng 05/2014.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và cơ sở pháp lý

Nước thải chăn nuôi lợn là loại nước thải ô nhiễm hữu cơ cao, chứa 70–80% hợp chất hữu cơ (xenlulôzơ, protit, axit amin, chất béo, thức ăn thừa), 20–30% hợp chất vô cơ, cùng hàm lượng dinh dưỡng Nitơ ($N_{ts} = 200–350\text{ mg/l}$, trong đó $N\text{-}NH_4^+$ chiếm 80–90%), Phốtpho ($P_{ts} = 60–100\text{ mg/l}$) và mật độ vi sinh vật gây bệnh cao (Coliform, E. coli, Salmonella, trứng giun sán).

Đề tài áp dụng các cơ sở lý thuyết về phân hủy kỵ khí sinh học (công nghệ Biogas, bể UASB), công nghệ bùn hoạt tính hiếu khí (SBR), hồ sinh học kết hợp tảo và hệ thống xử lý bằng thực vật thủy sinh (bèo lục bình, bèo tấm, cỏ sậy).

Hệ thống văn bản quy phạm pháp luật và quy chuẩn kỹ thuật áp dụng gồm:

  • Luật Bảo vệ Môi trường năm 2005.
  • Nghị định số 21/2008/NĐ-CP của Chính phủ hướng dẫn thi hành một số điều của Luật Bảo vệ Môi trường.
  • Thông tư số 07/2007/TT-BTNMT về phân loại và xử lý cơ sở gây ô nhiễm môi trường.
  • Thông tư số 04/2010/TT-BNNPTNT và Thông tư số 71/2011/TT-BNNPTNT ban hành các Quy chuẩn vệ sinh thú y (QCVN 01-79:2011/BNNPTNT đến QCVN 01-83:2011/BNNPTNT).
  • Quyết định số 64/2003/QĐ-TTg về xử lý triệt để các cơ sở gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.
  • Tiêu chuẩn so sánh xả thải: QCVN 40:2011/BTNMT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp, Cột B).

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  1. Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp: Thu thập báo cáo kinh tế - xã hội, hiện trạng sử dụng đất, số liệu thống kê đàn gia súc từ UBND xã Bình Dương và Phòng Tài nguyên & Môi trường huyện Gia Bình.
  2. Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa: Khảo sát hiện trường quy mô xây dựng, quy trình xả thải, hiện trạng công trình biogas và phỏng vấn trực tiếp các chủ trang trại cùng các hộ dân xung quanh.
  3. Phương pháp lấy và bảo quản mẫu:
    • Lấy mẫu nước mặt và nước ngầm theo tiêu chuẩn TCVN 6000:1995.
    • Lấy mẫu nước thải theo tiêu chuẩn TCVN 5999:1995 tại vị trí trước khi vào hầm biogas và tại hố ga xả thải cuối cùng sau biogas ở độ sâu 20 cm bằng dụng cụ chuyên dụng, bảo quản trong chai PE 500 ml và vận chuyển về phòng thí nghiệm trong ngày.
  4. Phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm: Tiến hành tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Khoa học và Công nghệ Môi trường, Khoa Môi trường – Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên:
    • pH: Đo bằng máy đo pH meter điện cực thủy tinh.
    • BOD5: Phương pháp nuôi cấy trong tủ ổn định ở nhiệt độ 20°C trong 5 ngày.
    • COD: Phương pháp chuẩn độ ngược với Kali Dicromat ($K_2Cr_2O_7$).
    • Nitơ tổng số (N tổng): Xác định theo phương pháp Kjeldahl trên máy Gerhard theo TCVN 6498:1999.
    • Phốtpho tổng số (P tổng): Đo trắc quang so màu trên máy quang phổ UV-VIS theo TCVN 6499:1999.
    • Tổng chất rắn lơ lửng (TSS): Xác định bằng phương pháp sấy khô và cân khối lượng trên giấy lọc.

Nội dung chính theo từng chương

Phần 1: Mở đầu

Tác giả nêu bật tầm quan trọng của ngành chăn nuôi trong nông nghiệp nước ta, xu thế chuyển dịch sang mô hình trang trại tập trung và những áp lực môi trường kèm theo. Đặt vấn đề nghiên cứu xuất phát từ thực trạng ô nhiễm nước thải chăn nuôi lợn tại xã Bình Dương, huyện Gia Bình, tỉnh Bắc Ninh; xác định rõ mục đích, yêu cầu và ý nghĩa khoa học, thực tiễn của khóa luận.

Phần 2: Tổng quan tài liệu

Tổng hợp bức tranh toàn cầu và trong nước về chăn nuôi và ô nhiễm chất thải:

  • Thế giới: Chăn nuôi chiếm 70% đất nông nghiệp, 30% diện tích đất tự nhiên, đóng góp 40% GDP nông nghiệp toàn cầu nhưng tạo ra 18% lượng khí nhà kính ($CO_2$ chiếm 9%, $CH_4$ chiếm 37%, $N_2O$ chiếm 65%). Các quốc gia phát triển ứng dụng công nghệ hiện đại như sản xuất điện từ phân gà tại Trung Quốc, quy trình SBR tại Hà Lan, quy trình VALPUREN tại Tây Ban Nha, và bể UASB tại Thái Lan.
  • Việt Nam: Năm 2010 tổng đàn lợn đạt khoảng 27,4 triệu con, thải ra 73 triệu tấn chất thải rắn và 25–30 triệu $m^3$ chất thải lỏng/năm, trong đó 50% chất thải rắn và 80% chất thải lỏng chưa qua xử lý.
  • Cơ sở khoa học về chất thải chăn nuôi: Lượng phân lợn thải ra hàng ngày tương đương 6–8% trọng lượng cơ thể (lợn 45–100 kg thải 3–5 kg phân/ngày và 2–4 kg nước tiểu/ngày). Phân chứa độ ẩm 56–83%, giàu hợp chất hữu cơ, vi sinh vật ($Coliform$ $4,5 \times 10^7\text{ MNP/100g}$, $E. coli$ $10^5–10^7\text{ MNP/100g}$) và trứng giun sán (2.000–5.000 trứng/kg). Phân tích chi tiết ý nghĩa môi trường của các thông số pH, COD, BOD5, Nitơ và Phốtpho.

Phần 3: Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu

Trình bày chi tiết địa điểm (xã Bình Dương), thời gian (tháng 1 đến tháng 5 năm 2014), đối tượng nước thải chăn nuôi lợn, hệ thống nội dung cần triển khai, cùng quy trình lấy mẫu, bảo quản và các phương pháp phân tích chỉ tiêu hóa lý tại phòng thí nghiệm chuyên ngành.

Phần 4: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

  • Điều kiện tự nhiên và kinh tế - xã hội: Xã Bình Dương có diện tích tự nhiên 735 ha, diện tích nông nghiệp 477 ha (đất lúa 333 ha, thủy sản 140 ha), dân số hơn 7.000 người phân bố ở 4 thôn. Cơ cấu kinh tế duy trì nông nghiệp kết hợp tiểu thủ công nghiệp và dịch vụ.
  • Thực trạng chăn nuôi trang trại: Đàn lợn tăng trưởng liên tục (năm 2011 đạt 10.000 con; năm 2012 đạt 12.000 con; năm 2013 đạt gần 15.000 con). Định mức xả thải ước tính $100\text{ lít/con/ngày}$. Khảo sát 4 trang trại quy mô từ 350 đến 650 con với lượng nước thải phát sinh từ $1.050$ đến $1.950\text{ m}^3\text{/tháng}$.
STT Tên chủ trang trại Địa chỉ (Thôn) Quy mô đàn (con) Tổng lượng nước thải ($m^3/\text{tháng}$)
1 Lê Văn Hùng Gia Phú 550 1.650
2 Vũ Văn Dương Đìa 350 1.050
3 Nguyễn Duy Non Phương Độ 420 1.260
4 Lưu Văn Thắng Gia Phú 650 1.950
  • Đánh giá hiệu quả xử lý của hầm Biogas: Khảo sát chi tiết tại 2 trang trại M1 (Lê Văn Hùng: 550 con, diện tích $1.200\text{ m}^2$, cách khu dân cư 30m, thải $55\text{ m}^3\text{/ngày}$) và M2 (Lưu Văn Thắng: 650 con, diện tích $600\text{ m}^2$, cách khu dân cư 20m, thải $65\text{ m}^3\text{/ngày}$). Cả hai cơ sở sử dụng hầm biogas xây gạch nắp vòm thể tích 5–30 $m^3$.
  • Kết quả phân tích chất lượng nước thải: So sánh nồng độ ô nhiễm trước và sau xử lý bằng hầm biogas với QCVN 40:2011/BTNMT (Cột B):
Thông số phân tích Đơn vị Trang trại M1 - Trước XL Trang trại M1 - Sau XL Trang trại M2 - Trước XL Trang trại M2 - Sau XL QCVN 40:2011/BTNMT (Cột B)
COD mg/l 347,00 185,50 246,00 148,50 150
BOD5 mg/l 277,60 113,60 248,00 98,20 50
N tổng số mg/l 243,45 87,45 198,50 76,30 40
P tổng số mg/l 82,40 31,20 74,50 26,80 6
TSS mg/l 285,00 112,00 230,00 95,00 100

Nhận xét số liệu:

  • Hàm lượng COD: Tại M1, COD giảm từ 347,00 mg/l xuống 185,50 mg/l (vẫn vượt 1,23 lần quy chuẩn). Tại M2, COD giảm từ 246,00 mg/l xuống 148,50 mg/l (đạt ngưỡng cho phép).
  • Hàm lượng BOD5: Giảm đáng kể ở cả hai trại nhưng vẫn vượt ngưỡng quy chuẩn 50 mg/l (M1 sau xử lý đạt 113,60 mg/l - vượt 2,27 lần; M2 sau xử lý đạt 98,20 mg/l - vượt 1,96 lần).
  • Hàm lượng Nitơ và Phốtpho tổng số: Hiệu suất xử lý qua biogas đạt mức trung bình, nước thải sau xử lý vẫn có nồng độ N tổng và P tổng vượt quy chuẩn nhiều lần do quá trình kỵ khí không loại bỏ triệt để các ion dinh dưỡng hòa tan.

Phần 5: Kết luận và kiến nghị

Tổng kết các phát hiện chính về mức độ quá tải của hệ thống xử lý, chỉ ra nguyên nhân do dung tích hầm biogas quá nhỏ so với lưu lượng xả và tập quán dùng nước xối chuồng không tách phân. Đưa ra các kiến nghị đối với chính quyền địa phương và các chủ trang trại nhằm cải thiện công tác quản lý chất thải.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính kèm số liệu thực nghiệm

  1. Quy mô và lưu lượng dòng thải: Xác định tổng lượng nước thải phát sinh tại 2 trang trại nghiên cứu chuyên sâu đạt $120\text{ m}^3\text{/ngày}$ (tương đương $3.600\text{ m}^3\text{/tháng}$). Lượng nước thải xả tập trung cao điểm vào buổi sáng trong quá trình dội rửa chuồng trại.
  2. Hiệu quả xử lý của bể Biogas: Bể biogas giúp giảm tải lượng chất ô nhiễm hữu cơ và chất rắn lơ lửng từ 45% đến 60%. Tuy nhiên, nước thải đầu ra tại hầu hết các chỉ tiêu chính ($BOD_5, N_{ts}, P_{ts}, TSS$) vẫn không đạt QCVN 40:2011/BTNMT (Cột B):
    • $BOD_5$ sau xử lý dao động từ 98,20 đến 113,60 mg/l (vượt 1,96 – 2,27 lần quy chuẩn).
    • Nitơ tổng số sau xử lý đạt 76,30 – 87,45 mg/l (vượt 1,90 – 2,18 lần quy chuẩn).
    • Nước thải sau biogas xả trực tiếp ra hệ thống thủy lợi và ao hồ gây nguy cơ phú dưỡng hóa nguồn nước mặt.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

  • Giải pháp kỹ thuật công nghệ:
    • Áp dụng kỹ thuật thu gom phân khô bằng biện pháp cơ học trước khi dùng nước xối rửa chuồng nhằm giảm 40–50% tải lượng hữu cơ đi vào hầm biogas; ủ phân bằng chế phẩm vi sinh hữu hiệu (EM) làm phân bón.
    • Xây dựng hệ thống xử lý bổ sung sau hầm Biogas: Bố trí bể lắng bậc hai kết hợp mô hình bãi lọc ngầm trồng thực vật thủy sinh (sậy Phragmites communis, bèo tây Eichhornia crassipes, cỏ vetiver) để hấp thụ triệt để Nitơ, Phốtpho và giảm thiểu BOD5/TSS trước khi xả ra môi trường.
  • Giải pháp quản lý và quy hoạch:
    • Quy hoạch di dời các trang trại chăn nuôi tập trung ra xa khu dân cư, đảm bảo khoảng cách an toàn vệ sinh môi trường tối thiểu (khắc phục thực trạng nằm cách nhà dân 20–30m).
    • Tăng cường công tác kiểm tra, giám sát môi trường của UBND xã và huyện Gia Bình; hỗ trợ kỹ thuật và vốn vay ưu đãi cho các hộ chăn nuôi nâng cấp hầm biogas đạt chuẩn kỹ thuật.

Đóng góp của đề tài

Khóa luận đã cung cấp chuỗi số liệu quan trắc thực tế, có tính đại diện về tải lượng và thành phần nước thải chăn nuôi lợn tại xã Bình Dương. Đây là nguồn tư liệu thực nghiệm phản ánh trung thực hiệu quả thực tế của hầm biogas quy mô nông hộ/trang trại vừa và nhỏ tại khu vực đồng bằng sông Cầu - Bắc Ninh, chỉ ra hạn chế của mô hình biogas đơn lẻ khi không có công trình xử lý bậc hai.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Nghiên cứu chỉ tập trung lấy mẫu phân tích tại 2 trang trại tiêu biểu trong thời gian 5 tháng (từ tháng 1 đến tháng 5/2014); chưa khảo sát biến thiên chất lượng nước thải theo các mùa trong năm và chưa phân tích đầy đủ các chỉ tiêu vi sinh vật gây bệnh ($Coliform, E. coli$) trong mẫu nước thải sau xử lý.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng quan trắc trên toàn bộ các trang trại quy mô lớn của huyện Gia Bình, thử nghiệm xây dựng mô hình bãi lọc ngầm thực vật thực nghiệm để đánh giá chi tiết hiệu suất loại bỏ Nitơ, Phốtpho của từng loài thực vật thủy sinh bản địa.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo chuyên môn hữu ích cho:

  • Sinh viên, học viên ngành Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Môi trường, Quản lý Môi trường, Nông nghiệp: Tham khảo phương pháp điều tra hiện trạng ô nhiễm nông thôn, quy trình lấy mẫu nước thải chăn nuôi theo TCVN và phương pháp phân tích phòng thí nghiệm các chỉ tiêu $COD, BOD_5, N_{ts}, P_{ts}, TSS$.
  • Cán bộ quản lý môi trường cấp xã, huyện: Cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá thực trạng các công trình khí sinh học nông thôn và xây dựng chính sách quản lý, cấp phép, quy hoạch chăn nuôi an toàn sinh học.
  • Các chủ trang trại chăn nuôi: Tham khảo các giải pháp thu gom phân khô, sử dụng chế phẩm EM và thiết kế bãi lọc thực vật xử lý nước thải sau biogas với chi phí thấp.

Câu hỏi thường gặp

1. Định mức phát sinh nước thải chăn nuôi lợn được tính toán trong đề tài là bao nhiêu?
Theo công thức tính toán và số liệu điều tra của tác giả, tiêu chuẩn xả thải trung bình tại các trang trại là $100\text{ lít/con/ngày}$ (bao gồm nước uống, nước tắm cho lợn và nước vệ sinh dội rửa chuồng trại).

2. Quy mô đàn và lượng nước thải phát sinh tại hai trang trại M1 và M2 là bao nhiêu?
Trang trại M1 (Lê Văn Hùng) nuôi 550 con lợn, phát sinh $55\text{ m}^3\text{ nước thải/ngày}$ ($1.650\text{ m}^3\text{/tháng}$). Trang trại M2 (Lưu Văn Thắng) nuôi 650 con lợn, phát sinh $65\text{ m}^3\text{ nước thải/ngày}$ ($1.950\text{ m}^3\text{/tháng}$). Tổng lưu lượng nước thải của 2 trang trại là $120\text{ m}^3\text{/ngày}$ ($3.600\text{ m}^3\text{/tháng}$).

3. Hiệu quả xử lý COD của hầm Biogas tại 2 trang trại như thế nào so với QCVN 40:2011/BTNMT?
Tại trang trại M1, COD giảm từ 347,00 mg/l xuống 185,50 mg/l (vẫn vượt quy chuẩn Cột B là 150 mg/l khoảng 1,23 lần). Tại trang trại M2, COD trước xử lý là 246,00 mg/l, sau xử lý giảm xuống 148,50 mg/l (đạt quy chuẩn xả thải).

4. Vì sao nước thải sau khi qua hầm Biogas tại các trang trại vẫn chưa đạt tiêu chuẩn xả thải?
Nguyên nhân chủ yếu do thể tích hầm biogas nhỏ (5–30 $m^3$) không đáp ứng được lưu lượng nước xả thải lớn ($55–65\text{ m}^3\text{/ngày}$), thời gian lưu nước trong hầm quá ngắn; các trang trại chưa thực hiện thu gom phân khô trước khi dội rửa; quá trình phân hủy kỵ khí trong hầm biogas đơn thuần chỉ chuyển hóa một phần chất hữu cơ mà không thể loại bỏ triệt để Nitơ, Phốtpho và chất rắn hòa tan khi thiếu các công trình lắng và xử lý hiếu khí/bãi lọc thực vật phía sau.

5. Đề tài đề xuất công nghệ gì để xử lý triệt để nước thải sau hầm Biogas?
Tác giả đề xuất xây dựng bể lắng bậc hai kết hợp mô hình bãi lọc ngầm trồng thực vật thủy sinh (như sậy, bèo tây, cỏ vetiver) để xử lý triệt để hàm lượng $BOD_5$, Nitơ, Phốtpho còn lại, kết hợp thu gom phân khô bằng chế phẩm sinh học EM.

Kết luận

Khóa luận của tác giả Lưu Thị Thơm đã phản ánh toàn diện thực trạng phát triển chăn nuôi lợn và đánh giá chi tiết mức độ ô nhiễm nước thải tại xã Bình Dương, huyện Gia Bình, tỉnh Bắc Ninh thông qua phương pháp lấy mẫu và phân tích thực nghiệm khoa học. Kết quả nghiên cứu chứng minh công nghệ hầm Biogas đơn thuần hiện nay tại địa phương chưa đủ khả năng làm sạch nước thải đạt quy chuẩn môi trường cho phép do quá tải về lưu lượng. Các giải pháp kỹ thuật bổ sung hệ thống bãi lọc thực vật thủy sinh và giải pháp quản lý tách phân khô được đề xuất có tính khả thi cao, góp phần định hướng phát triển chăn nuôi trang trại bền vững gắn liền với bảo vệ môi trường nông thôn.