Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu ngày càng nghiêm trọng, ngành nông nghiệp, đặc biệt là chăn nuôi, đóng góp một phần lớn vào lượng khí nhà kính phát thải. Tại Việt Nam, mỗi năm ngành chăn nuôi thải ra khoảng 75-85 triệu tấn chất thải chưa qua xử lý, gây ô nhiễm đất, nước và không khí. Biogas được xem là giải pháp hiệu quả trong xử lý chất thải chăn nuôi, vừa giảm thiểu ô nhiễm môi trường, vừa cung cấp nguồn năng lượng tái tạo cho các hộ gia đình nông thôn. Nghiên cứu này tập trung đánh giá hiệu quả sử dụng công nghệ biogas quy mô hộ gia đình trong xử lý chất thải chăn nuôi tại xã Tân Kim, huyện Phú Bình, tỉnh Thái Nguyên, trong giai đoạn từ tháng 9 đến tháng 12 năm 2014. Mục tiêu chính là khảo sát mức độ ô nhiễm của nước thải đầu ra từ bể biogas, đánh giá hiệu quả xử lý và đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng biogas tại địa phương. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển bền vững ngành chăn nuôi, bảo vệ môi trường và nâng cao chất lượng cuộc sống người dân nông thôn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình về quá trình phân hủy kỵ khí (Anaerobic Digestion - AD) trong công nghệ biogas. Quá trình AD gồm bốn giai đoạn chính: thủy phân, acid hóa, acetogenesis và methanogenesis, trong đó methanogenesis là bước chậm nhất và quan trọng nhất để tạo ra khí methane (CH4) – thành phần chính của biogas. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này bao gồm nhiệt độ, pH, nồng độ axit béo dễ bay hơi (VFA), amoniac, các nguyên tố vi lượng và các chất độc hại. Biogas có thành phần chủ yếu gồm 50-70% methane, 30-45% carbon dioxide, cùng các khí khác như hydro, oxy, nitơ và hydrogen sulfide. Ngoài ra, nghiên cứu cũng sử dụng các khái niệm về ô nhiễm môi trường do chất thải chăn nuôi như BOD (nhu cầu oxy sinh học), COD (nhu cầu oxy hóa học), tổng photpho (T-P), tổng nitơ (T-N) để đánh giá mức độ ô nhiễm nước thải.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp khảo sát kết hợp phân tích mẫu nước thải. Tổng cộng 41 hộ gia đình có chăn nuôi và sử dụng biogas tại xã Tân Kim được chọn ngẫu nhiên để phỏng vấn bằng bảng câu hỏi về tình hình sử dụng biogas, loại và dung tích bể biogas, vị trí xả thải nước thải, mục đích sử dụng và nhận thức về biogas. Đồng thời, 5 mẫu nước thải đầu ra từ bể biogas được lấy ngẫu nhiên và phân tích tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên về các chỉ tiêu pH, COD, BOD5, tổng photpho, tổng nitơ và tổng chất rắn lơ lửng (TSS). Phân tích dữ liệu được thực hiện bằng phương pháp so sánh với tiêu chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT và các nghiên cứu tương tự. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ 20/9/2014 đến 8/12/2014.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tình hình xây dựng và loại bể biogas: Trong 41 hộ khảo sát, 80% sử dụng bể biogas loại gạch hình cầu, 20% loại composite, không có bể dạng túi. Dung tích bể chủ yếu lớn hơn 20m³ (51%), tiếp theo là 10-20m³ (37%) và dưới 10m³ (12%). Thời gian xây dựng bể tập trung từ năm 2007 đến 2012, với 80% hộ dân sử dụng biogas.

  2. Vị trí xả thải nước thải: 56% hộ xả thải vào ao, 22% vào mương, 12% ra ruộng, 9% vào bể lắng. Khoảng 29% vị trí xả thải cách nguồn nước dưới 50m, 59% cách từ 50-100m, 12% trên 100m. Nhiều bể xử lý nước thải phụ không đạt chuẩn, nhỏ, không có cây thủy sinh, gây nguy cơ ô nhiễm nguồn nước.

  3. Chỉ số ô nhiễm nước thải đầu ra: Kết quả phân tích 5 mẫu nước thải cho thấy:

    • pH dao động từ 7.0 đến 7.5, nằm trong giới hạn cho phép (5.5-9).
    • COD giảm từ trung bình 3022 mg/l đầu vào xuống còn 845-1204 mg/l đầu ra, hiệu quả xử lý khoảng 60-70%, nhưng vẫn vượt tiêu chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT (120 mg/l) từ 5 đến 10 lần.
    • BOD5 giảm từ 1297 mg/l xuống 583-744 mg/l, vẫn vượt tiêu chuẩn (50 mg/l) khoảng 11-14 lần.
    • Tổng photpho (T-P) giảm từ 342 mg/l xuống 17-23 mg/l, vượt tiêu chuẩn (6 mg/l) khoảng 3-4 lần.
    • Tổng nitơ (T-N) giảm từ 844 mg/l xuống 68-84 mg/l, vượt tiêu chuẩn (40 mg/l) khoảng 2 lần.

  4. Nguyên nhân hiệu quả xử lý chưa tối ưu: Một số bể biogas có dung tích nhỏ so với quy mô chăn nuôi (ví dụ bể 8m³ cho 40-50 con lợn), dẫn đến quá tải, giảm hiệu quả xử lý. Ngoài ra, nhiều hộ không có hệ thống xử lý nước thải thứ cấp như ao sinh học hay bể lắng đạt chuẩn.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy biogas là giải pháp hiệu quả trong xử lý chất thải chăn nuôi tại quy mô hộ gia đình ở Tân Kim, giảm đáng kể các chỉ số ô nhiễm so với nước thải đầu vào. Tuy nhiên, hiệu quả xử lý chưa đạt mức tối ưu so với các nghiên cứu khác (ví dụ hiệu quả xử lý COD có thể đạt 80%). Nguyên nhân chủ yếu do quy mô bể biogas không phù hợp với lượng chất thải, thiếu hệ thống xử lý nước thải thứ cấp và nhận thức hạn chế về quản lý nước thải. So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, việc duy trì pH ổn định và kiểm soát các yếu tố như nhiệt độ, amoniac, VFA là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả methanogenesis. Việc xả thải nước thải chưa qua xử lý hoàn toàn có thể gây ô nhiễm nguồn nước mặt và ngầm, ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh COD, BOD, T-P, T-N giữa nước thải đầu vào, đầu ra và tiêu chuẩn QCVN để minh họa hiệu quả xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường quy mô và thiết kế bể biogas phù hợp: Khuyến khích hộ chăn nuôi xây dựng bể biogas có dung tích tương ứng với quy mô vật nuôi, tránh quá tải, nâng cao hiệu quả xử lý. Thời gian thực hiện: 1-2 năm. Chủ thể: UBND xã, Trung tâm khuyến nông.

  2. Xây dựng hệ thống xử lý nước thải thứ cấp: Thiết kế và hỗ trợ xây dựng ao sinh học, bể lắng hoặc bể lọc sinh học để xử lý nước thải đầu ra từ bể biogas, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Thời gian thực hiện: 2 năm. Chủ thể: Hộ dân, chính quyền địa phương.

  3. Tăng cường đào tạo, tuyên truyền nâng cao nhận thức: Tổ chức các lớp tập huấn về vận hành, bảo trì bể biogas và xử lý nước thải, nâng cao ý thức bảo vệ môi trường cho người dân. Thời gian thực hiện: liên tục. Chủ thể: Trung tâm đào tạo, Hội Nông dân.

  4. Hỗ trợ tài chính và kỹ thuật: Cung cấp vốn vay ưu đãi, hỗ trợ kỹ thuật xây dựng và vận hành bể biogas, đặc biệt cho các hộ nghèo và quy mô lớn. Thời gian thực hiện: 3 năm. Chủ thể: Ngân hàng chính sách, các tổ chức phi chính phủ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách nông nghiệp, môi trường: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách phát triển công nghệ biogas phù hợp, nâng cao hiệu quả xử lý chất thải chăn nuôi.

  2. Hộ nông dân và chủ trang trại chăn nuôi: Áp dụng các giải pháp kỹ thuật, lựa chọn loại và dung tích bể biogas phù hợp, cải thiện quản lý nước thải, nâng cao hiệu quả sử dụng biogas.

  3. Các tổ chức nghiên cứu và đào tạo: Tham khảo dữ liệu thực nghiệm, phương pháp phân tích và kết quả để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về công nghệ xử lý chất thải nông nghiệp.

  4. Các đơn vị tư vấn và doanh nghiệp cung cấp thiết bị biogas: Nắm bắt nhu cầu thực tế, đặc điểm kỹ thuật phù hợp với điều kiện địa phương để thiết kế, cung cấp sản phẩm và dịch vụ hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

  1. Biogas có thực sự giúp giảm ô nhiễm môi trường không?
    Có, biogas giúp giảm đáng kể các chỉ số ô nhiễm như COD, BOD, tổng photpho và tổng nitơ trong nước thải chăn nuôi, góp phần hạn chế ô nhiễm đất và nguồn nước.

  2. Tại sao nước thải đầu ra từ bể biogas vẫn còn ô nhiễm?
    Nguyên nhân chính là do dung tích bể biogas không phù hợp với lượng chất thải, quá tải, và thiếu hệ thống xử lý nước thải thứ cấp như ao sinh học hoặc bể lắng.

  3. Làm thế nào để nâng cao hiệu quả xử lý của bể biogas?
    Cần xây dựng bể có dung tích phù hợp, duy trì điều kiện pH, nhiệt độ ổn định, bổ sung hệ thống xử lý nước thải thứ cấp và đào tạo người vận hành.

  4. Biogas có thể sử dụng cho mục đích gì ngoài xử lý chất thải?
    Biogas cung cấp nguồn năng lượng sạch cho nấu ăn, chiếu sáng, đồng thời bã thải sau xử lý có thể dùng làm phân bón hữu cơ giàu dinh dưỡng.

  5. Chính quyền địa phương có vai trò gì trong phát triển biogas?
    Chính quyền hỗ trợ tuyên truyền, đào tạo, cung cấp vốn vay ưu đãi và kỹ thuật, đồng thời giám sát việc xây dựng và vận hành bể biogas để đảm bảo hiệu quả và an toàn môi trường.

Kết luận

  • Biogas là giải pháp hiệu quả trong xử lý chất thải chăn nuôi tại xã Tân Kim, giảm đáng kể các chỉ số ô nhiễm như COD, BOD, T-P và T-N.
  • Hiệu quả xử lý nước thải đạt khoảng 60-70%, thấp hơn một số nghiên cứu khác do quá tải và thiếu hệ thống xử lý thứ cấp.
  • Quy mô bể biogas cần phù hợp với quy mô chăn nuôi để tránh giảm hiệu quả xử lý.
  • Cần xây dựng hệ thống xử lý nước thải thứ cấp và tăng cường đào tạo, hỗ trợ kỹ thuật cho người dân.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai các giải pháp đề xuất, mở rộng nghiên cứu và nâng cao nhận thức cộng đồng về bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành chăn nuôi.

Hãy hành động ngay hôm nay để phát triển công nghệ biogas hiệu quả, bảo vệ môi trường và nâng cao chất lượng cuộc sống nông thôn!