Tổng quan luận án

Chăn nuôi heo và trồng trọt là hai hợp phần sản xuất nông nghiệp giữ vai trò thiết yếu tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL). Hoạt động chăn nuôi heo chủ yếu diễn ra ở quy mô nông hộ từ 10 đến 100 con (phổ biến nhất từ 30 đến 50 con). Việc áp dụng công nghệ hầm ủ biogas dạng túi nilon (PE) đã giải quyết cơ bản vấn đề chất thải hữu cơ và cung cấp nguồn năng lượng sinh học (nhiệt trị 21-24 MJ/m³) phục vụ đun nấu, thắp sáng. Tuy nhiên, lượng nước thải sau quá trình ủ kỵ khí (nước sau biogas) phát sinh hàng ngày rất lớn và chưa được xử lý triệt để. Nguồn nước này chứa hàm lượng chất hữu cơ, đạm và lân cao (nồng độ đạm amôn dao động từ 218-290 mg/L N-NH₄⁺, đạm nitrat từ 1,14-1,29 mg/L N-NO₃⁻), không đáp ứng quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải chăn nuôi QCVN 62-MT:2016/BTNMT cột A trước khi xả ra môi trường. Đa số nông hộ xả trực tiếp nước sau biogas vào kênh rạch hoặc lưu chứa tại mương vườn, gây nguy cơ ô nhiễm nguồn nước mặt, nước ngầm và suy thoái hệ sinh thái thủy vực.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án chỉ ra là các công trình trước đây chỉ mới dừng lại ở việc khảo sát bước đầu khả năng tưới nước sau biogas cho một số loại cây trồng hoặc thử nghiệm hấp phụ dinh dưỡng trong phòng thí nghiệm; chưa có những công trình đánh giá hệ thống về khả năng cung cấp đạm hữu dụng của nước sau biogas trong mối tương quan với hoạt động của vi sinh vật đất; chưa theo dõi diễn biến động thái đạm và vi sinh vật hiếu khí theo các giai đoạn sinh trưởng của hoa màu ngoài đồng ruộng; đồng thời thiếu các dẫn liệu định lượng về mức giảm thiểu ô nhiễm môi trường, chỉ tiêu an toàn vệ sinh thực phẩm (nitrat, E. coli) và hiệu quả kinh tế (hiệu quả đồng vốn) trên quy mô nông hộ.

Luận án tiến sĩ chuyên ngành Môi trường Đất và Nước của nghiên cứu sinh Nguyễn Phương Thảo (MSNCS: P0714005), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Bùi Thị Nga tại Trường Đại học Cần Thơ (năm 2021), được thực hiện nhằm giải quyết các yêu cầu khoa học và thực tiễn nêu trên.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Mục tiêu chính: Nghiên cứu sử dụng nước sau biogas nhằm tận dụng dinh dưỡng thay thế phân hóa học canh tác hoa màu góp phần hạn chế ô nhiễm môi trường chăn nuôi và cải thiện thu nhập nông hộ.
  2. Mục tiêu cụ thể:
    • Đánh giá khả năng cung cấp đạm hữu dụng và hoạt động của vi sinh vật trong đất có bổ sung nước sau biogas nhằm xác định khả năng đáp ứng của cây bắp, cây đậu bắp với các thể tích nước sau biogas khác nhau.
    • Đánh giá biến động đạm hữu dụng và mật số vi sinh vật hiếu khí trong đất canh tác, năng suất của cây bắp, cây đậu bắp và cây dưa leo tưới nước sau biogas để xác định khả năng sử dụng nước sau biogas cho canh tác hoa màu.
    • Đánh giá hiệu quả môi trường và hiệu quả kinh tế của việc sử dụng nước sau biogas thay thế phân hóa học trồng cây bắp, đậu bắp và dưa leo nhằm đề xuất hướng dẫn sử dụng nước sau biogas canh tác hoa màu quy mô nông hộ.

Câu hỏi nghiên cứu

  1. Nước sau biogas có khả năng cung cấp đạm cho đất như thế nào và mối liên hệ giữa hoạt động của vi sinh vật với hàm lượng đạm được cung cấp diễn ra ra sao?
  2. Mật số vi sinh vật hiếu khí và hàm lượng đạm hữu dụng trong đất trồng hoa màu tưới nước sau biogas biến động như thế nào qua các giai đoạn sinh trưởng của cây trồng?
  3. Lượng phân hóa học và lượng nước sau biogas được giảm thiểu ở mức độ nào, hiệu quả kinh tế và chất lượng an toàn thực phẩm của nông sản đạt được ra sao khi canh tác hoa màu sử dụng nước sau biogas?

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Nước sau biogas từ hệ thống túi ủ biogas (với nguyên liệu nạp là phân heo của nông hộ quy mô 30-50 con) và đất canh tác các giống cây hoa màu: cây bắp (Zea mays L.), cây đậu bắp (Abelmoschus esculentus L.) và cây dưa leo (Cucumis sativus L.).
  • Phạm vi không gian: Khảo sát thực trạng và triển khai thí nghiệm thực địa tại các nông hộ có mô hình túi ủ biogas và có đất canh tác hoa màu thuộc quận Cái Răng, huyện Phong Điền (thành phố Cần Thơ) và huyện Mỹ Tú (tỉnh Sóc Trăng).
  • Phạm vi nội dung và thời gian: Đánh giá chất lượng nước thải biogas, đất thí nghiệm, động thái đạm (NH₄⁺, NO₃⁻), hô hấp vi sinh vật (sinh lượng CO₂), mật số vi sinh vật hiếu khí; phân tích chỉ tiêu an toàn thực phẩm gồm hàm lượng nitrat và vi khuẩn E. coli; tính toán lượng giảm thải ô nhiễm và hiệu quả sử dụng đồng vốn cho từng chu kỳ mùa vụ hoa màu (nghiên cứu hoàn thành và bảo vệ năm 2021).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án tổng thuật các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về công nghệ khí sinh học và việc tái sử dụng chất thải sau biogas:

  • Về nguyên lý và công nghệ biogas: Luận án dẫn xuất các nghiên cứu của Lê Hoàng Việt (2004), Tom Bond và Michael R. Templeton (2011), Vladimir Lapcik và Marta Lapcikova (2011), Nguyễn Võ Châu Ngân và ctv. (2011, 2012, 2013, 2016), Bùi Thị Nga và ctv. (2013, 2015, 2018), Trần Sỹ Nam và ctv. (2014, 2015, 2017) và Nguyen Le Phuong et al. (2015). Các công trình xác lập mô hình canh tác VACB (Vườn - Ao - Chuồng - Biogas), chỉ rõ tỷ lệ dinh dưỡng tối ưu BOD:N:P trong quá trình phân hủy kỵ khí là 100:5:1, độ pH thích hợp từ 6 đến 9 và nhiệt trị khí sinh học đạt 21-24 MJ/m³.
  • Về thành phần và ứng dụng nước sau biogas trong nông nghiệp: Dẫn liệu từ Cao Kỳ Sơn và ctv. (2008), Hoàng Kim Giao (2011), Phạm Việt Nữ và ctv. (2015), Lê Hoàng Việt và ctv. (2017) cho thấy nước sau biogas có nồng độ đạm tổng số trung bình khoảng 0,07%, lân tổng số 0,024% và kali tổng số 0,122%, đi kèm các nguyên tố trung - vi lượng (Mg: 87,7 mg/L, Ca: 164,3 mg/L, Fe: 2,69 mg/L, Zn: 0,56 mg/L, Si: 37,4 mg/L...). Các nghiên cứu quốc tế như Vijay et al. (2006) ghi nhận nước sau biogas kết hợp phân hóa học giúp tăng năng suất đậu (19%), mướp (14%), đậu tương (12%) và ngô (32%). Sebastian Hupfauf et al. (2016) nghiên cứu trên rau dền và bo bo; Sreesha Malayil et al. (2016) ứng dụng nước biogas bổ sung lignin và N cho nấm; Yun Cao et al. (2016) ghi nhận khả năng ức chế nấm Fusarium sp. gây bệnh héo rũ trên dưa hấu. Trong nước, Ngô Quang Vinh (2010) khảo nghiệm thay thế 20% phân NPK bằng nước biogas trên cải xanh và xà lách tại Đồng Nai; Nguyễn Thị Nhật Linh (2011) thử nghiệm trên cải xanh; Phạm Việt Nữ và ctv. (2015) xác định nghiệm thức tưới 75% nước sau biogas cho ớt đạt sinh trưởng và năng suất tương đương phân hóa học.
  • Về xử lý nước sau biogas bằng vật liệu hấp phụ để canh tác rau: Các nghiên cứu của Nguyễn Thị Kiều Phương (2011) với tro trấu và tro than đá; Huỳnh Thị Mỹ Duyên và ctv. (2011), Trần Ngọc Điền (2012), Huỳnh Công Khánh (2012) với than đước và than tràm; Bùi Thị Nga và ctv. (2016) sử dụng than trấu và xỉ than tổ ong (xử lý N-NH₄⁺ đạt 27,3-40,3%, N-NO₃⁻ đạt 37,1-47,4%, P-PO₄³⁻ đạt 38,1-61,4%) để trồng cải xanh kết hợp bón phân vô cơ.
  • Về thực trạng tại địa bàn nghiên cứu: Khảo sát thực tế tại quận Cái Răng, quận Bình Thủy và huyện Phong Điền (Cần Thơ) cho thấy lượng nước sau biogas xả thải chủ yếu ở mức 1-5 m³/ngày (chiếm 57-87% số hộ). Có 59,4% đến 73,3% hộ chăn nuôi xả thải trực tiếp hoặc thải vào ao mương tù đọng; chỉ có 18,6% đến 26,7% hộ sử dụng tưới cho cây lâu năm (mít, xoài, chôm chôm), tỷ lệ tưới cho hoa màu ngắn ngày chỉ đạt 13,6% tại Phong Điền. Nguyên nhân không sử dụng là do thiếu phương tiện vận chuyển, thiếu nhân lực và chưa nắm rõ kỹ thuật cũng như hiệu quả kinh tế - môi trường.

Vị trí của luận án: Kế thừa các kết quả thực nghiệm trước đây, luận án lấp đầy khoảng trống khoa học thông qua việc khảo sát định lượng toàn diện cơ chế giải phóng đạm amôn và nitrat trong đất; phân tích tương quan giữa đạm hữu dụng và hoạt động hô hấp của vi sinh vật đất; theo dõi liên tục mật số vi sinh vật hiếu khí và đạm tồn dư qua từng giai đoạn phát triển của 3 loại cây hoa màu chủ lực (bắp, đậu bắp, dưa leo); tính toán cụ thể mức giảm tải ô nhiễm vào nguồn nước tiếp nhận và hiệu quả đồng vốn kinh tế làm cơ sở khoa học xây dựng tài liệu hướng dẫn kỹ thuật áp dụng cho nông hộ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

  • Quá trình chuyển hóa và đồng hóa đạm trong hệ thống đất - cây: Đạm được rễ cây hấp thụ dưới hai dạng chính là ion amôn (NH₄⁺, dạng khử) và ion nitrat (NO₃⁻, dạng oxy hóa). Quá trình khử nitrat trong mô thực vật chuyển hóa NO₃⁻ thành NH₄⁺ dưới sự xúc tác của enzym reductaza cùng các vi lượng kích hoạt (Mo, Fe) và chất khử NAD(P)H, Feredoxin theo chuỗi phản ứng:

    $$\text{NO}_3^- \rightarrow \text{NO}_2^- \rightarrow \text{NH}_4^+$$

    Sau đó, NH₄⁺ được đồng hóa thành các axit amin qua con đường amin hóa trực tiếp axit xeto hoặc chuyển vị amin, hạn chế tích lũy nitrat tự do trong nông sản.

  • Động thái khoáng hóa đạm và hô hấp vi sinh vật đất: Việc bổ sung nước sau biogas giàu hữu cơ và đạm khoáng kích thích quần thể vi sinh vật đất hoạt động, làm tăng lượng khí CO₂ giải phóng (chỉ thị hoạt tính sinh học của đất) và thúc đẩy quá trình amôn hóa, nitrat hóa chuyển hóa đạm hữu cơ thành đạm hữu dụng cung cấp cho cây trồng.

  • Cơ sở sinh học cây trồng: Cây bắp (Zea mays L.) có nhu cầu nước 500-800 mm/vụ, cần nhiều đạm để phát triển thân lá và tích lũy vào hạt (chiếm 66% tổng đạm tích lũy). Cây đậu bắp (Abelmoschus esculentus L.) ưa nhiệt độ cao 25-30°C, cần ẩm độ đất 80-85% trong thời kỳ thu hoạch. Cây dưa leo (Cucumis sativus L.) có rễ chùm phân bố nông (15-20 cm), nhu cầu nước cao (ẩm độ đất 85-95%), nhạy cảm với nồng độ phân bón cao nhưng hấp thu đạm mạnh ở giai đoạn đầu và kali mạnh ở giai đoạn ra hoa kết trái.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án áp dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm định lượng kết hợp khảo sát thực tế, chia thành 3 nội dung chính:

[Nội dung 1: Thí nghiệm phòng & trong chậu]

[Nội dung 2: Thí nghiệm đồng ruộng]

[Nội dung 3: Thực nghiệm nông hộ, Đánh giá Môi trường - Kinh tế & Hướng dẫn kỹ thuật]
  • Nguồn vật liệu và dữ liệu:
    • Nước sau biogas: Lấy từ túi ủ biogas của các hộ chăn nuôi 30-50 con heo tại Cần Thơ và Sóc Trăng.
    • Đất thí nghiệm: Đất phù sa tại các điểm nghiên cứu.
    • Vật liệu hấp phụ: Xỉ than tổ ong đã qua sử dụng, thu gom tại địa phương, xử lý và phối trộn hấp phụ dinh dưỡng trong nước sau biogas.
    • Giống cây trồng: Giống bắp nếp, giống đậu bắp và giống dưa leo thương mại phổ biến.
  • Phương pháp phân tích và xử lý số liệu:
    • Phân tích nước và đất: pH, COD, BOD, đạm amôn (N-NH₄⁺), đạm nitrat (N-NO₃⁻), đạm tổng số (TKN), lân hữu dụng, lân tổng số (TP), kali theo các TCVN và phương pháp chuẩn.
    • Hoạt tính vi sinh vật: Xác định lượng CO₂ sinh ra bằng phương pháp chuẩn độ hấp thụ dung dịch kiềm kiềm hóa; mật số vi sinh vật hiếu khí bằng phương pháp đếm khuẩn lạc (CFU/g đất).
    • Nông sản: Định lượng nitrat (mg/kg), vi khuẩn E. coli (CFU/g hoặc MPN/g), độ ngọt (đo độ Brix) và độ giòn của quả.
    • Đánh giá kinh tế và môi trường: Tính toán tổng chi phí đầu tư, tổng thu nhập, lợi nhuận thuần, tỷ suất hiệu quả sử dụng đồng vốn; tính khối lượng chất ô nhiễm và thể tích nước thải không xả vào kênh rạch (L/m²/vụ).
    • Xử lý thống kê: Phân tích phương sai (ANOVA), kiểm định sai biệt DUNCAN ở mức ý nghĩa p < 0,05 và phân tích tương quan tuyến tính bằng phần mềm chuyên dụng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này trình bày tính cấp thiết của việc kiểm soát ô nhiễm chất thải chăn nuôi heo tại ĐBSCL; xác lập 1 mục tiêu chính và 3 mục tiêu cụ thể; 3 nội dung nghiên cứu trọng tâm; phân định rõ đối tượng (nước sau biogas, đất, cây bắp, cây đậu bắp, cây dưa leo) và phạm vi không gian tại TP. Cần Thơ và tỉnh Sóc Trăng; nêu rõ ý nghĩa khoa học, giá trị thực tiễn và 4 điểm mới mang tính đóng góp học thuật của luận án.

Chương 2: Tổng quan tài liệu

Hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý luận về công nghệ biogas, cấu tạo và nguyên lý vận hành mô hình túi ủ khí sinh học PE trong hệ sinh thái VACB; phân tích tính chất hóa lý của nước sau biogas (nồng độ BOD, COD, N-NH₄⁺, N-NO₃⁻, P-PO₄³⁻, khoáng vi lượng, vi sinh vật chỉ thị và kim loại nặng Pb, As, Hg, Cd đều nằm trong ngưỡng an toàn cho nước tưới theo TCVN 6773-2000). Trình bày số liệu điều tra thực trạng quản lý và sử dụng nước sau biogas tại quận Bình Thủy, quận Cái Răng và huyện Phong Điền; tổng thuật các nghiên cứu ứng dụng tưới và hấp phụ nước sau biogas trên các loại rau màu; phân tích cơ chế sinh lý chuyển hóa đạm trong cây và đất; tổng quan đặc tính nông học, nhu cầu dưỡng chất và kỹ thuật canh tác cây bắp (Zea mays L.), cây đậu bắp (Abelmoschus esculentus L.) và cây dưa leo (Cucumis sativus L.).

Chương 3: Phương pháp nghiên cứu

Trình bày chi tiết địa điểm, thời gian và phương tiện bố trí các thí nghiệm. Thuyết minh quy trình thực nghiệm gồm 3 nội dung:

  1. Thí nghiệm trong phòng về khả năng cung cấp đạm amôn, đạm nitrat và hoạt tính CO₂ của vi sinh vật đất theo các mức bổ sung nước sau biogas; thí nghiệm chậu khảo sát sinh trưởng của bắp và đậu bắp theo các tỷ lệ tưới nước sau biogas (25%, 50%, 75%, 100% nhu cầu N) so với đối chứng bón phân hóa học.
  2. Thí nghiệm ngoài đồng đánh giá diễn biến hàm lượng N-NH₄⁺, N-NO₃⁻, mật số vi sinh vật hiếu khí theo thời gian sinh trưởng và các chỉ tiêu cấu thành năng suất của cây bắp, cây đậu bắp và cây dưa leo.
  3. Thí nghiệm nông hộ so sánh phương pháp tưới trực tiếp nước sau biogas và phương pháp sử dụng xỉ than tổ ong hấp phụ nước sau biogas canh tác dưa leo tại Cần Thơ và Sóc Trăng. Chi tiết hóa phương pháp thu thập mẫu đất, nước, nông sản; phương pháp phân tích hóa lý, vi sinh; công thức tính toán lượng giảm phát thải, hạch toán tài chính (chi phí, doanh thu, lợi nhuận, hiệu quả đồng vốn) và xử lý thống kê số liệu.

Chương 4: Kết quả và thảo luận

Chương này công bố và thảo luận các kết quả thực nghiệm theo 3 cụm nội dung:

  • Cung cấp đạm và vi sinh vật trong phòng/chậu: Bổ sung nước sau biogas làm tăng tuyến tính hàm lượng đạm amôn và nitrat trong đất; hoạt tính hô hấp của vi sinh vật đất (sinh lượng CO₂) tương quan thuận chặt chẽ với hàm lượng đạm hữu dụng tích lũy. Cây bắp trong chậu ở nghiệm thức tưới 75% nước sau biogas và cây đậu bắp ở nghiệm thức 100% nước sau biogas sinh trưởng và cho năng suất tương đương nghiệm thức bón 100% phân hóa học.
  • Diễn biến đạm và vi sinh vật ngoài đồng: Hàm lượng đạm hữu dụng trong đất canh tác bắp, đậu bắp và dưa leo đạt mức cao nhất từ giai đoạn cây con đến khi ra hoa rộ, sau đó giảm dần đến khi thu hoạch. Đất tưới nước sau biogas có lượng đạm tồn dư vào cuối vụ thấp hơn so với nghiệm thức bón phân hóa học; mật số vi sinh vật hiếu khí trong đất trồng dưa leo tưới nước sau biogas duy trì cao hơn so với đất bón phân hóa học trong suốt giai đoạn từ gieo hạt đến ra hoa.
  • Hiệu quả môi trường, kinh tế và chất lượng nông sản:
    • Năng suất bắp, đậu bắp, dưa leo tưới nước sau biogas đạt tương đương hoặc cao hơn bón phân vô cơ.
    • Giảm lượng nước thải biogas xả ra môi trường lần lượt là 35,0 L/m²/vụ (bắp), 30,8 L/m²/vụ (đậu bắp) và 20,3 L/m²/vụ (dưa leo), thay thế hoàn toàn (100%) lượng phân bón hóa học.
    • Hiệu quả đồng vốn canh tác bắp và dưa leo tưới nước sau biogas cao hơn so với bón phân hóa học. Phương pháp dùng xỉ than tổ ong hấp phụ xử lý được thể tích nước sau biogas cao hơn nhưng hiệu quả đồng vốn có giá trị âm do chi phí nhân công và vật liệu.
    • Trái bắp, đậu bắp, dưa leo đạt tiêu chuẩn an toàn về dư lượng nitrat và E. coli; dưa leo có độ giòn tương đương và độ ngọt (Brix) cao hơn so với đối chứng phân hóa học.
    • Xây dựng hoàn chỉnh bản hướng dẫn kỹ thuật tưới nước sau biogas cho cây bắp và dưa leo quy mô nông hộ.

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Tổng kết các kết luận khoa học cốt lõi đạt được từ các thí nghiệm và đưa ra các kiến nghị cụ thể về việc áp dụng quy trình vào thực tế sản xuất tại các vùng chăn nuôi ĐBSCL, cũng như định hướng nghiên cứu chuyên sâu tiếp theo.

Kết quả và những đóng góp mới

Bảng tổng hợp các chỉ tiêu thực nghiệm chính của luận án

Chỉ tiêu nghiên cứu Canh tác Cây bắp (Zea mays L.) Canh tác Cây đậu bắp (Abelmoschus esculentus L.) Canh tác Cây dưa leo (Cucumis sativus L.)
Tỷ lệ tưới NSB tối ưu trong chậu 75% nhu cầu đạm 100% nhu cầu đạm -
Lượng nước sau biogas giảm thải ra thủy vực 35,0 L/m²/vụ 30,8 L/m²/vụ 20,3 L/m²/vụ
Tỷ lệ phân hóa học thay thế được 100% 100% 100%
Động thái đạm hữu dụng trong đất Đạt đỉnh từ gieo đến ra hoa, giảm dần về cuối vụ Đạt đỉnh từ gieo đến ra hoa, giảm dần về cuối vụ Đạt đỉnh từ gieo đến ra hoa, giảm dần về cuối vụ
Đạm nitrat tồn dư trong đất cuối vụ Thấp hơn so với bón phân hóa học Thấp hơn so với bón phân hóa học Thấp hơn so với bón phân hóa học
Mật số vi sinh vật hiếu khí trong đất Duy trì ổn định Duy trì ổn định Cao hơn bón phân hóa học từ gieo đến ra hoa
Chất lượng an toàn thực phẩm Đạt chuẩn Nitrat & E. coli Đạt chuẩn Nitrat & E. coli Đạt chuẩn Nitrat & E. coli
Đặc tính cảm quan trái (độ ngọt, độ giòn) Hạt phát triển tốt Quả đồng đều Độ giòn tương đương, độ ngọt cao hơn bón phân vô cơ
Hiệu quả kinh tế (Hiệu quả đồng vốn) Cao hơn bón phân hóa học Tương đương bón phân hóa học Cao hơn bón phân hóa học

Những đóng góp mới về mặt học thuật và thực tiễn

  1. Về mặt lý luận và khoa học đất:
    • Chứng minh định lượng khả năng cung cấp đạm hữu dụng (gồm cả đạm amôn N-NH₄⁺ và đạm nitrat N-NO₃⁻) cho đất từ nguồn nước sau biogas, xác lập mối tương quan thuận giữa thể tích nước sau biogas bổ sung, hoạt tính hô hấp của vi sinh vật đất (lượng CO₂ giải phóng) và nồng độ đạm hữu dụng tích lũy.
    • Xác định rõ quy luật biến động đạm hữu dụng và mật số vi sinh vật hiếu khí trong đất canh tác hoa màu theo các chu kỳ sinh trưởng; chứng minh đất tưới nước sau biogas có khả năng kích thích quần thể vi sinh vật hiếu khí phát triển mạnh hơn và để lại hàm lượng đạm nitrat tồn dư cuối vụ thấp hơn có ý nghĩa thống kê so với tập quán bón phân vô cơ.
  2. Về mặt thực tiễn và giải pháp môi trường - kinh tế:
    • Khẳng định tính khả thi của việc thay thế hoàn toàn (100%) lượng phân bón hóa học trong canh tác cây bắp, đậu bắp và dưa leo bằng nước sau biogas mà vẫn đảm bảo sinh trưởng, năng suất và nâng cao phẩm chất nông sản (tăng độ ngọt, giữ độ giòn).
    • Đưa ra giải pháp giảm thiểu ô nhiễm nguồn nước mặt tại nông thôn ĐBSCL thông qua việc tái sử dụng tại chỗ từ 20,3 đến 35,0 lít nước thải biogas trên mỗi mét vuông đất canh tác cho mỗi vụ mùa.
    • Chứng minh hiệu quả đồng vốn của mô hình tưới trực tiếp nước sau biogas đạt giá trị cao hơn so với bón phân hóa học đối với cây bắp và dưa leo, đồng thời chỉ ra hạn chế kinh tế của phương pháp sử dụng vật liệu xỉ than tổ ong hấp phụ.
    • Xây dựng thành công bản hướng dẫn quy trình kỹ thuật tưới nước sau biogas cho cây bắp và dưa leo ở quy mô nông hộ, cung cấp cơ sở dữ liệu chuyển giao kỹ thuật cho mạng lưới khuyến nông địa phương.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của nghiên cứu: Các nội dung thực nghiệm đồng ruộng và nông hộ trong luận án chủ yếu được theo dõi và đánh giá theo từng vụ gieo trồng đơn lẻ; chưa thể hiện đầy đủ các biến động tích lũy lâu dài về mặt lý học và hóa học của đất khi áp dụng tưới nước sau biogas liên tục qua nhiều năm; phương pháp sử dụng xỉ than tổ ong hấp phụ dinh dưỡng tuy giúp tăng khả năng giữ nước thải nhưng mang lại hiệu quả đồng vốn âm do phát sinh chi phí nhân công và nguyên vật liệu.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:
    • Tiếp tục triển khai nghiên cứu dài hạn đánh giá sự biến đổi các đặc tính lý học đất (độ nén dẽ, độ xốp, dung trọng) và sự tích lũy hàm lượng chất hữu cơ trong đất qua nhiều vụ canh tác liên tiếp sử dụng nước sau biogas.
    • Nghiên cứu chuyên sâu về cấu trúc và động thái của các nhóm vi sinh vật chuyên biệt tham gia vào chu trình chuyển hóa đạm trong đất (quần thể vi khuẩn amôn hóa, nitrat hóa và phản nitrat hóa) dưới tác động lâu dài của việc tưới nước sau biogas.

Giá trị tham khảo

  • Đối với các nhà nghiên cứu, giảng viên và nghiên cứu sinh: Cung cấp hệ thống dữ liệu thực nghiệm định lượng về cân bằng dưỡng chất khoáng, động thái đạm trong đất, hoạt tính hô hấp vi sinh vật và các chỉ tiêu sinh lý - sinh hóa nông sản trong mô hình kinh tế tuần hoàn nông nghiệp; là tài liệu tham khảo giá trị cho các chuyên ngành Môi trường Đất và Nước, Khoa học Môi trường, Quản lý Môi trường, Nông học và Trồng trọt.
  • Đối với cơ quan quản lý và cán bộ khuyến nông: Cung cấp cơ sở khoa học để ban hành các hướng dẫn kỹ thuật về tận dụng nước thải chăn nuôi hợp quy chuẩn, hỗ trợ xây dựng chính sách giảm thiểu ô nhiễm môi trường nông thôn gắn liền với các mô hình nông nghiệp sinh thái bền vững tại khu vực ĐBSCL.
  • Đối với nông hộ: Giúp người chăn nuôi nắm vững quy trình kỹ thuật tưới định kỳ, thể tích tưới thích hợp theo từng thời kỳ sinh trưởng của cây bắp và cây dưa leo nhằm cắt giảm hoàn toàn chi phí mua phân bón vô cơ, gia tăng lợi nhuận và hạn chế ô nhiễm xung quanh khu vực chuồng trại.

Câu hỏi thường gặp

1. Nước sau biogas từ mô hình túi ủ trong nghiên cứu có những đặc tính hóa lý cơ bản nào?

Theo số liệu phân tích trong luận án, nước sau biogas từ hệ thống túi ủ nông hộ có độ pH ở mức trung tính (khoảng 7,33-7,8), COD dao động từ 550 đến 1016 mg/L. Nguồn nước này rất giàu đạm amôn (N-NH₄⁺ đạt 165-290 mg/L), đạm nitrat (N-NO₃⁻ đạt 0,2-1,29 mg/L), lân hòa tan (P-PO₄³⁻ đạt 39,8-52,6 mg/L), kali (K⁺ khoảng 50,8 mg/L) cùng các khoáng vi lượng cần thiết (Mg, Ca, Fe, Zn, Si). Hàm lượng các kim loại nặng (Pb, As, Hg, Cd) đều thấp hơn giới hạn cho phép của TCVN 6773-2000 dùng cho nước tưới tiêu.

2. Tỷ lệ tưới nước sau biogas tối ưu cho cây bắp và đậu bắp trong thí nghiệm trồng chậu được xác định như thế nào?

Trong điều kiện thí nghiệm trồng chậu, nghiệm thức tưới nước sau biogas ở mức 75% nhu cầu đạm đối với cây bắp và mức 100% nhu cầu đạm đối với cây đậu bắp cho thấy các chỉ tiêu về chiều cao cây, số trái, khối lượng trái và năng suất tương đương với nghiệm thức bón 100% phân bón hóa học.

3. Việc sử dụng nước sau biogas giúp giảm thiểu lượng nước thải và phân bón hóa học cụ thể ở mức nào?

Canh tác hoa màu bằng phương pháp tưới nước sau biogas giúp thay thế hoàn toàn 100% lượng phân bón hóa học bón vào đất. Đồng thời, lượng nước thải sau biogas được tận dụng không xả ra các thủy vực tiếp nhận đạt 35,0 L/m²/vụ đối với cây bắp; 30,8 L/m²/vụ đối với cây đậu bắp và 20,3 L/m²/vụ đối với cây dưa leo.

4. Nông sản (bắp, đậu bắp, dưa leo) canh tác bằng nước sau biogas có đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm không?

Kết quả kiểm nghiệm nông sản thu hoạch trong luận án cho thấy hàm lượng nitrat (NO₃⁻) và mật số vi khuẩn E. coli trong hạt bắp, trái đậu bắp và trái dưa leo đều nằm trong giới hạn an toàn cho phép theo quy định vệ sinh an toàn thực phẩm. Về phẩm chất cảm quan, trái dưa leo tưới nước sau biogas có độ giòn tương đương và độ ngọt (Brix) cao hơn so với nghiệm thức bón phân hóa học.

5. Vì sao phương pháp sử dụng xỉ than tổ ong hấp phụ nước sau biogas chưa đạt hiệu quả kinh tế tại nông hộ?

Mặc dù xỉ than tổ ong có khả năng hấp phụ tốt đạm, lân và giúp giảm thể tích nước thải biogas xả ra môi trường cao hơn phương pháp tưới trực tiếp, nhưng việc xử lý, phối trộn và vận chuyển xỉ than làm gia tăng đáng kể chi phí vật tư và công lao động. Do đó, hạch toán tài chính cho thấy hiệu quả sử dụng đồng vốn của mô hình này có giá trị âm, chưa phù hợp để khuyến cáo nhân rộng ở quy mô nông hộ phổ thông.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Phương Thảo đã chứng minh một cách toàn diện cơ sở khoa học và hiệu quả thực tiễn của việc tái sử dụng nước sau biogas thay thế phân hóa học trong canh tác hoa màu tại vùng Đồng bằng sông Cửu Long. Kết quả nghiên cứu xác lập rõ mối quan hệ giữa thể tích nước sau biogas bổ sung, hoạt tính hô hấp vi sinh vật và khả năng cung cấp đạm hữu dụng trong đất, đồng thời khẳng định việc tưới nước sau biogas giúp giảm 100% phân bón vô cơ, giảm thiểu đáng kể lượng nước thải ô nhiễm ra kênh rạch mà vẫn duy trì năng suất cao và đảm bảo tiêu chuẩn an toàn thực phẩm. Công trình đã xây dựng thành công tài liệu hướng dẫn kỹ thuật áp dụng cho cây bắp và dưa leo quy mô nông hộ, đóng góp thiết thực cho định hướng phát triển nông nghiệp tuần hoàn và bảo vệ môi trường nông thôn bền vững.