Tổng quan nghiên cứu

Ngành chăn nuôi Việt Nam trong những năm gần đây ghi nhận bước phát triển nhảy vọt với 29.389 trang trại chăn nuôi tập trung và tổng đàn lợn vượt mức 26 triệu con phân bố trên 4,9 triệu hộ nông dân. Đi cùng với sự tăng trưởng kinh tế là sức ép môi trường to lớn khi hàng năm hoạt động chăn nuôi phát thải ra khoảng 80 triệu tấn chất thải rắn, hàng chục tỷ mét khối chất thải lỏng và hàng trăm triệu tấn khí thải nhà kính. Tại tỉnh Bắc Ninh, toàn tỉnh có 455 trang trại và gia trại lợn với quy mô 68,3 ngàn con mỗi năm, song hình thức chăn nuôi nông hộ nhỏ lẻ vẫn chiếm tỷ trọng áp đảo tới 83,1%. Quá trình gia tăng quy mô đầu con thiếu đồng bộ với công nghệ xử lý chất thải đã dẫn đến tình trạng ô nhiễm nguồn nước mặt, suy thoái đất và bốc mùi hôi thối nồng nặc trong các khu dân cư.

Luận văn thạc sĩ ngành Khoa học Môi trường của tác giả Vũ Thu Hường, dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Trần Hiệp và Tiến sĩ Phan Trung Quý tại Học viện Nông nghiệp Việt Nam, được thực hiện nhằm khảo sát, đánh giá toàn diện hiện trạng quản lý chất thải và đề xuất các giải pháp kỹ thuật, chính sách giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Nghiên cứu được triển khai tại xã Đông Thọ, huyện Yên Phong, tỉnh Bắc Ninh trong khung thời gian từ tháng 12 năm 2015 đến tháng 3 năm 2017. Địa bàn nghiên cứu có diện tích tự nhiên 547,77 ha, mật độ dân số 1.258 người/km2 với 7 thôn làng nằm ven lưu vực sông Ngũ Huyện Khê. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn sâu sắc, cung cấp luận cứ khoa học để hoàn thiện hệ thống xử lý chất thải sinh học, hướng tới cắt giảm từ 67% đến 75% nồng độ ô nhiễm hữu cơ và bảo vệ nguồn tài nguyên nước nông thôn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng của hai khung lý thuyết khoa học môi trường chủ đạo: Lý thuyết kinh tế tuần hoàn sinh thái nông nghiệp thông qua các mô hình tích hợp Vườn - Ao - Chuồng (VAC), Ao - Chuồng (AC), Vườn - Chuồng (VC); và Lý thuyết cân bằng vật chất cùng quá trình phân hủy sinh hóa kỵ khí các hợp chất hữu cơ. Quá trình chuyển hóa sinh học phân giải chất thải chăn nuôi lợn liên quan trực tiếp đến chu trình biến đổi nitơ, photpho và carbon, trong đó enzyme urease nhanh chóng thủy phân urê trong nước tiểu thành khí amoniac gây mùi khó chịu.

Hệ thống khái niệm và chỉ số môi trường cốt lõi được sử dụng để định lượng ô nhiễm bao gồm: Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5), Nhu cầu oxy hóa học (COD), Tổng chất rắn lơ lửng (TSS), các dạng hợp chất dinh dưỡng nitơ amoni (NH4+), nitrat (NO3-), photphat (PO43-), nồng độ oxy hòa tan (DO) và hệ thống Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về môi trường gồm QCVN 08-MT:2015/BTNMT đối với chất lượng nước mặt và QCVN 62-MT:2016/BTNMT đối với nước thải chăn nuôi.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của đề tài được tích hợp từ hai kênh thông tin độc lập:

  • Nguồn số liệu thứ cấp thu thập từ Niên giám thống kê huyện Yên Phong, Báo cáo hiện trạng môi trường tỉnh Bắc Ninh, các văn bản quy phạm pháp luật như Luật Bảo vệ môi trường 2014, Nghị định 210/2013/NĐ-CP và Quyết định 318/2014/QĐ-UBND tỉnh Bắc Ninh.
  • Nguồn số liệu sơ cấp được điều tra trực tiếp thông qua bảng hỏi phỏng vấn chủ trang trại và khảo sát thực địa về chuỗi sản xuất, công trình vệ sinh, mương dẫn thải.

Nghiên cứu áp dụng phương pháp chọn mẫu có chủ đích với cỡ mẫu gồm 09 trang trại chăn nuôi lợn đạt tiêu chuẩn theo QCVN 01-14:2010/BNNPTNT trên tổng số hơn 20 cơ sở chăn nuôi tại xã Đông Thọ. Phương pháp này đảm bảo tính đại diện cao về quy mô chuồng trại, mật độ đàn và khả năng đầu tư công trình bảo vệ môi trường.

Quy trình lấy mẫu và phân tích chất lượng nước tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn kỹ thuật:

  • Mẫu nước mặt: Lấy theo TCVN 5994-1995 tại ao hồ, kênh mương xung quanh 9 trang trại với độ sâu 20 cm bằng phương pháp hỗn hợp 3 đến 5 điểm. Tần suất lấy mẫu gồm 2 đợt trong năm đại diện cho mùa mưa (tháng 8) và mùa khô (tháng 2), tổng số 18 mẫu.
  • Mẫu nước thải: Lấy theo TCVN 5999-1995 tại điểm hòa trộn trước và sau hệ thống xử lý biogas của 9 trang trại vào tháng 8 năm 2016, tổng số 18 mẫu.

Các chỉ tiêu pH, DO được đo nhanh bằng máy đo cầm tay. Chỉ tiêu COD xác định bằng phương pháp chuẩn độ lượng dư K2Cr2O7 bằng muối Mohr (TCVN 6941-1999); BOD5 đo theo phương pháp SMEWW 5210 B (TCVN 6001-2:2008); NH4+ xác định qua phương pháp Nessler và NO3- qua phương pháp Catadol trên máy quang phổ so màu UV/VIS. Toàn bộ số liệu được tổng hợp và xử lý thống kê bằng phần mềm Excel 2010 và Minitab 15 trong giai đoạn từ tháng 12 năm 2015 đến tháng 3 năm 2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Nghiên cứu tại xã Đông Thọ đã xác định 4 phát hiện quan trọng về thực trạng ô nhiễm và hiệu quả xử lý chất thải:

Thứ nhất, lượng phát thải chất thải lỏng rất lớn do phương thức vệ sinh tiêu tốn nước. Cứ 1 kg chất thải rắn bài tiết ra ngoài được người nuôi hòa thêm từ 20 đến 49 kg nước từ hoạt động tắm gia súc và xịt rửa chuồng. Khối lượng chất thải lỏng khổng lồ này gây quá tải nghiêm trọng cho hệ thống thu gom và các hầm ủ yếm khí.

Thứ hai, mức độ ô nhiễm của nước thải thô trước xử lý vượt quy chuẩn môi trường nhiều lần. Nồng độ COD trung bình đạt 2.348,4 mg/l, vượt 5,8 lần giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn ngành và vượt 23 lần so với tiêu chuẩn nước thải loại B. Chỉ số BOD5 đạt 1.150,8 mg/l, gấp 4 lần tiêu chuẩn xả thải. Hàm lượng nitơ tổng số đạt 230,8 mg/l, tạo nguy cơ phú dưỡng hóa cực kỳ nghiêm trọng cho các thủy vực tiếp nhận.

Thứ ba, hiệu quả phân hủy của công nghệ biogas kỵ khí có sự chênh lệch rõ rệt giữa các chỉ tiêu. Hệ thống biogas giúp giảm 75% hàm lượng BOD5 (từ 1.150,8 mg/l xuống 287,8 mg/l) và giảm 67% hàm lượng COD (từ 2.348,4 mg/l xuống 780,5 mg/l). Tuy nhiên, nồng độ các chất ô nhiễm sau xử lý vẫn vượt xa ngưỡng an toàn của QCVN 62-MT:2016/BTNMT. Đáng chú ý, nồng độ NH4-N sau biogas không giảm mà tăng nhẹ từ 28,48 mg/l lên 29,54 mg/l do các hợp chất nitơ hữu cơ bị vi sinh vật kỵ khí phân giải tạo thành amoniac hòa tan.

Thứ tư, công tác vận hành công trình xử lý chất thải còn nhiều bất cập. Toàn tỉnh Bắc Ninh có 610/1.733 trang trại (chiếm 34,4%) lắp đặt hầm biogas, song chỉ có 45,9% số hầm (268 công trình) được xây dựng đủ thể tích kỹ thuật. Tình trạng này khiến khí độc H2S, NH3 trong chuồng nuôi và khu vực lân cận cao gấp 4,7 lần đến 30 lần ngưỡng cho phép, trực tiếp đe dọa sức khỏe cộng đồng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi của tình trạng ô nhiễm bắt nguồn từ việc mở rộng quy mô đàn lợn tự phát theo hướng thâm canh nhưng thiếu diện tích đất để bố trí công trình xử lý phụ trợ. Nước thải sau biogas có nồng độ hữu cơ còn cao nhưng thường được xả thẳng ra hệ thống kênh tưới tiêu nông nghiệp hoặc xả trực tiếp vào dòng sông Ngũ Huyện Khê mà không qua giai đoạn xử lý bậc hai.

Khi thể hiện dữ liệu trên biểu đồ cột đối chiếu trước và sau xử lý, sự suy giảm của COD và BOD5 là rất ấn tượng về mặt tỷ lệ phần trăm, song biểu đồ đường thể hiện khoảng cách với QCVN 62-MT:2016/BTNMT cho thấy nồng độ đầu ra vẫn nằm trong vùng nguy hiểm. Bảng ma trận so sánh hiệu quả giữa 3 mô hình cho thấy mô hình VAC (kết hợp ao sinh học nuôi cá và vườn cây) mang lại hiệu quả làm sạch nước thải tốt hơn hẳn mô hình VC (Vườn - Chuồng) và AC (Ao - Chuồng) nhờ quá trình tự làm sạch tự nhiên của chuỗi thức ăn thủy sinh.

Kết quả này hoàn toàn tương đồng với các nghiên cứu của Đào Tiến Khuynh năm 2010 và Bùi Hữu Đoàn năm 2010 khi nhận định rằng hầm biogas chỉ giải quyết được bài toán năng lượng đun nấu cục bộ chứ không thể coi là giải pháp đơn lẻ để làm sạch hoàn toàn nước thải chăn nuôi lợn.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm giải quyết triệt để vấn đề ô nhiễm chất thải chăn nuôi lợn tại xã Đông Thọ và huyện Yên Phong, tác giả đề xuất hệ thống 4 nhóm giải pháp đồng bộ:

  1. Áp dụng kỹ thuật thu gom phân khô và nâng cấp hệ sinh thái xử lý nước thải: Các chủ trang trại cần thực hiện nghiêm túc quy trình hót phân khô đóng bao trước khi xịt rửa chuồng nhằm giảm từ 40% đến 50% tải lượng chất hữu cơ đi vào hầm biogas. Xây dựng bổ sung hệ thống hồ sinh học 3 ngăn kết hợp bãi lọc ngầm trồng các loại thực vật thủy sinh như bèo lục bình, cây muỗng nước để xử lý nước thải sau biogas, mục tiêu đưa các thông số COD xuống dưới 150 mg/l và BOD5 dưới 50 mg/l trước khi xả ra môi trường tự nhiên, hoàn thành trong giai đoạn 2017 - 2018. Chủ thể thực hiện: Chủ các trang trại và gia trại chăn nuôi.

  2. Giảm thiểu ô nhiễm không khí và xử lý mầm bệnh chuồng trại: Bổ sung chế phẩm vi sinh học EM và men tiêu hóa vào khẩu phần ăn của vật nuôi và rải đệm lót chuồng sinh học định kỳ 2 lần mỗi tháng nhằm triệt tiêu 60% lượng khí thải NH3, H2S phát sinh. Lắp đặt hệ thống quạt hút gió có tấm lọc màng nước than hoạt tính tại các dãy chuồng kín để ngăn mùi khuếch tán ra khu dân cư. Chủ thể thực hiện: Hợp tác xã chăn nuôi Đông Thọ và các hộ gia đình.

  3. Tăng cường hiệu lực quản lý nhà nước và chính sách hỗ trợ tài chính: Ủy ban nhân dân huyện Yên Phong và Phòng Tài nguyên và Môi trường đẩy mạnh triển khai Nghị định 210/2013/NĐ-CP và Quyết định 318/2014/QĐ-UBND tỉnh Bắc Ninh, hỗ trợ 100% kinh phí tiêm phòng dịch bệnh và hỗ trợ lãi suất vay vốn cho các cơ sở đầu tư hệ thống xử lý chất thải tuần hoàn. Tổ chức thanh tra, xử phạt nghiêm các hành vi xả trộm phân chưa qua xử lý ra sông Ngũ Huyện Khê, phấn đấu 100% cơ sở chăn nuôi ký cam kết bảo vệ môi trường đến năm 2020. Chủ thể thực hiện: Chi cục Bảo vệ Môi trường tỉnh Bắc Ninh và UBND huyện Yên Phong.

  4. Quy hoạch tập trung vùng chăn nuôi an toàn sinh học: Rà soát và điều chỉnh quy hoạch quỹ đất nông nghiệp, kiên quyết di dời các trang trại nằm xen lẫn trong khu dân cư 7 thôn xã Đông Thọ ra khu chăn nuôi tập trung xa dân cư tối thiểu 500 mét. Xây dựng chuỗi liên kết tiêu thụ sản phẩm an toàn với Công ty Cổ phần Tập đoàn Dabaco Việt Nam nhằm ổn định đầu ra và kiểm soát an toàn dịch bệnh. Chủ thể thực hiện: Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tỉnh Bắc Ninh phối hợp UBND xã Đông Thọ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị học thuật và thực tiễn phong phú, phù hợp cho 4 nhóm đối tượng chính:

  1. Học viên cao học và sinh viên ngành Khoa học Môi trường, Quản lý Môi trường, Chăn nuôi Thú y: Luận văn cung cấp khung phương pháp luận chuẩn xác về điều tra nguồn thải phân tán, quy trình phân tích các chỉ tiêu hóa lý nước thải và kỹ thuật tính toán dung tích công trình biogas theo tải lượng đàn gia súc.

  2. Cán bộ quản lý môi trường tại Sở Tài nguyên và Môi trường, Phòng Tài nguyên Môi trường huyện Yên Phong: Cung cấp bộ dữ liệu thực tế về mức độ ô nhiễm nước mặt và hiện trạng hạ tầng bảo vệ môi trường, làm cơ sở xây dựng kế hoạch quản lý môi trường nông thôn mới và thẩm định báo cáo đánh giá tác động môi trường.

  3. Chủ trang trại, hợp tác xã chăn nuôi lợn quy mô vừa và lớn: Tài liệu hữu ích giúp các chủ hộ nắm vững quy trình vận hành hầm biogas an toàn, kỹ thuật tận dụng nước thải nuôi cá, tưới cây và phương pháp sử dụng chế phẩm vi sinh để tiết kiệm từ 70 đến 80 triệu đồng chi phí vận hành mỗi năm.

  4. Kỹ sư tư vấn thiết kế công trình xử lý môi trường nông nghiệp: Tham khảo các thông số ô nhiễm thực tế đầu vào và đầu ra để tính toán chính xác thể tích ngăn lắng, ngăn ủ kỵ khí và diện tích ao sinh học xử lý nước thải chăn nuôi phù hợp với điều kiện khí hậu miền Bắc.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vì sao nước thải chăn nuôi sau khi qua hệ thống hầm biogas vẫn chưa đạt chuẩn xả thải ra môi trường? Hầm biogas chủ yếu thực hiện quá trình lên men kỵ khí để phân giải chất hữu cơ mạch dài, giúp giảm 67% COD và 75% BOD5 nhưng không loại bỏ được triệt để các ion hòa tan như amoni, photphat. Nước thải sau biogas có nồng độ COD lên tới 780,5 mg/l, vượt giới hạn QCVN 62-MT:2016/BTNMT, do đó bắt buộc phải có thêm công trình xử lý hiếu khí hoặc ao thực vật thủy sinh tiếp nối.

  2. Hoạt động chăn nuôi lợn tại xã Đông Thọ gây ô nhiễm nguồn nước mặt như thế nào? Thói quen dùng lượng nước lớn để rửa chuồng khiến mỗi ngày hàng trăm mét khối nước thải mang theo phân, vi khuẩn E.coli và trứng giun sán xả trực tiếp ra hệ thống mương máng. Mẫu nước mặt tại sông Ngũ Huyện Khê và các ao hồ quanh 9 trang trại ghi nhận hàm lượng chất hữu cơ và vi sinh vật vượt tiêu chuẩn tưới tiêu QCVN 08-MT:2015/BTNMT cột B1.

  3. Khí thải phát sinh từ các trang trại chăn nuôi lợn ảnh hưởng ra sao đến sức khỏe người dân? Quá trình phân giải kỵ khí phân và nước tiểu phát tán hơn 170 loại khí độc, điển hình là NH3, H2S và CH4 với nồng độ cao gấp từ 4,7 đến 30 lần ngưỡng cho phép. Khi hít phải thường xuyên, người dân xung quanh dễ mắc các bệnh về đường hô hấp, nhức đầu, giảm khứu giác và suy giảm chức năng ức chế vỏ đại não.

  4. Các cơ chế, chính sách nào của tỉnh Bắc Ninh hỗ trợ trang trại chăn nuôi xử lý chất thải? Tỉnh Bắc Ninh đã ban hành Quyết định 318/2014/QĐ-UBND và triển khai Nghị định 210/2013/NĐ-CP hỗ trợ miễn giảm tiền thuê đất, hỗ trợ 100% kinh phí vắc xin tiêm phòng, kinh phí giải phóng mặt bằng cho cơ sở giết mổ tập trung và hỗ trợ vốn vay để đầu tư công nghệ biogas xử lý môi trường.

  5. Giải pháp kỹ thuật nào giúp giảm tải lượng ô nhiễm nước thải chăn nuôi ngay tại chuồng nuôi? Giải pháp tối ưu và ít tốn kém nhất là áp dụng kỹ thuật thu gom phân khô triệt để trước khi xịt nước rửa chuồng. Biện pháp này giúp giữ lại hơn 50% lượng chất thải rắn hữu cơ để ủ phân vi sinh, giảm tỷ lệ pha loãng nước thải và giúp hầm biogas hoạt động đúng công suất thiết kế.

Kết luận

  1. Nghiên cứu đã đánh giá toàn diện hiện trạng phát sinh chất thải tại 9 trang trại nuôi lợn tiêu biểu tại xã Đông Thọ, xác định nồng độ COD đầu vào lên tới 2.348,4 mg/l và BOD5 đạt 1.150,8 mg/l, gây áp lực nặng nề lên hệ thống thủy văn địa phương.
  2. Kiểm chứng thực tế hiệu quả công nghệ biogas kỵ khí, chứng minh công trình giúp giảm 67% COD và 75% BOD5 nhưng vẫn cần kết hợp thêm hệ thống hồ sinh học để đáp ứng QCVN 62-MT:2016/BTNMT cột B.
  3. Chỉ rõ thực trạng chỉ có 45,9% hầm biogas trên toàn tỉnh đạt chuẩn dung tích kỹ thuật, làm gia tăng nguy cơ rò rỉ khí độc NH3 và H2S vượt chuẩn quy định tới 4,7 lần.
  4. Đề xuất hệ thống giải pháp liên hoàn gồm thu gom phân khô, bổ sung chế phẩm EM, quy hoạch vùng chăn nuôi tập trung và tận dụng chính sách hỗ trợ từ Quyết định 318/2014/QĐ-UBND tỉnh Bắc Ninh.
  5. Đóng góp cơ sở khoa học và thực tiễn vững chắc phục vụ công tác quy hoạch phát triển nông nghiệp gắn với bảo vệ môi trường sinh thái bền vững tại huyện Yên Phong.

Trong giai đoạn 2018 - 2022, các cơ quan quản lý và địa phương cần tiếp tục quan trắc mở rộng chất lượng nước ngầm và triển khai nhân rộng mô hình bãi lọc thực vật thủy sinh tại các xã trọng điểm chăn nuôi. Độc giả, các nhà nghiên cứu và chủ cơ sở chăn nuôi quan tâm có thể tiếp cận toàn văn luận văn để ứng dụng hiệu quả các mô hình công nghệ bảo vệ môi trường vào thực tiễn sản xuất.