Đặt vấn đề Chăn nuôi heo và trồng lúa nước là hai hợp phần quan trọng, xuất hiện sớm nhất trong hệ thống nông nghiệp Việt Nam; trong đó chăn nuôi heo có vai trò cung cấp thực phẩm giá trị dinh dưỡng cao, nguyên liệu cho công nghiệp chế biến và góp phần giữ vững cân bằng sinh thái giữa cây trồng, vật nuôi và con người. Mặt khác, chăn nuôi heo không chỉ tạo ra việc làm trong lúc nhàn rỗi mà còn là nguồn tài chính quan trọng cho hộ nông dân trong các hoạt động xã hội như học hành, lễ giỗ, cưới hỏi, lễ tết, và tân trang nhà cửa. Tuy nhiên, vấn đề đặt ra cho ngành chăn nuôi là lượng chất thải từ hoạt động nuôi heo đã gây ảnh hưởng trực tiếp đến người nuôi, cộng đồng dân cư chung quanh và môi trường tự nhiên (Lê Hoàng Việt và ctv., 2017), điều này tác động đến việc duy trì và phát triển ngành chăn nuôi của vùng ĐBSCL nói riêng và cả nước nói chung. Trong những năm gần đây, công nghệ biogas đã khẳng định hiệu quả trong việc xử lý chất thải chăn nuôi góp phần hạn chế ô nhiễm môi trường nông thôn (Trần Sỹ Nam và ctv., 2015, Trần Sỹ Nam và ctv.
Bên cạnh việc giải quyết ô nhiễm do chất thải chăn nuôi, biogas còn cung cấp năng lượng sinh học phục vụ cho đun nấu và thắp sáng (Trần Sỹ Nam và ctv., 2015, Nguyễn Võ Châu Ngân và ctv., 2016, Trần Sỹ Nam và ctv., 2017, Ngo Thi Thanh Truc et al. Ở ĐBSCL, chăn nuôi heo quy mô nông hộ là chủ yếu, số lượng heo dao động từ 10-100 con, nhiều nhất ở trong khoảng 30-50 con, nên lượng nước sau biogas (nước thải biogas) từ hệ thống biogas khá lớn. Tuy nhiên, nước sau biogas chưa được quan tâm xử lý triệt để, người dân chưa sử dụng mà thải bỏ ra hệ thống mương vườn hoặc thải trực tiếp ra hệ thống kênh rạch, tiềm ẩn nguy cơ gây ô nhiễm thủy vực tiếp nhận do hàm lượng chất hữu cơ, đạm và lân khá cao với nồng độ đạm amôn dao động khoảng 218-290 mg/L N-NH4+, đạm nitrat 1,14-1,29 mg/L N-NO3- (Bùi Thị Nga và ctv. Một số nghiên cứu tận dụng nước thải biogas thay thế phân hóa học cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng đã được báo cáo như sử dụng nước sau biogas thay thế phân hóa học trong canh tác cây ớt (Phạm Việt Nữ và ctv., 2015), trồng nấm (Sreesha Malayil et al., 2016) và trồng dưa hấu (Yun Cao et al., 2016), giúp cây phát triển tốt và cho năng suất tương đương phân hóa học.
Bên cạnh đó, một số nghiên cứu sử dụng vật liệu hấp phụ hoặc chế phẩm sinh học để xử lý nước sau biogas (Huỳnh Thị Mỹ Duyên và ctv., 2011, Nguyễn Thanh Văn và ctv., 2016, Bùi Thị Nga và ctv., 2016) và sử dụng vật liệu đã hấp phụ nước sau biogas để trồng rau (Huỳnh Thị Mỹ Duyên và ctv., 2011, Bùi Thị Nga và ctv. Các nghiên cứu đã cho thấy nước sau biogas là 1 nguồn dinh dưỡng thay thế cho phân hóa học trong canh tác hoa màu; tuy nhiên các nghiên cứu này chưa có báo cáo về khả năng cung cấp đạm của nước sau biogas; hàm lượng đạm và vi sinh vật hiếu khí trong đất tưới nước sau biogas; hàm lượng nitrat và E.coli trong sản phẩm rau màu; lượng nước sau biogas, lượng phân hóa học giảm được mỗi vụ trồng. Trên cơ sở kế thừa và tiếp tục nghiên cứu một số hạn chế vừa được đề cập của các nghiên cứu trước, đề tài đã triển khai các nội dung nghiên cứu dựa trên các câu hỏi (1) Nước sau biogas có khả năng cung cấp đạm cho đất và mối liên hệ giữa hoạt động vi sinh vật với hàm lượng đạm được cung cấp như thế nào; (2) Mật số vi sinh vật hiếu khí và hàm lượng đạm trong đất trồng hoa màu tưới nước sau biogas như thế nào; (3) Lượng phân hóa học và lượng nước sau biogas đã được giảm và chất lượng nông sản như thế nào khi canh tác hoa màu sử dụng nước sau biogas. Ở ĐBSCL cây bắp, đậu bắp và dưa leo là loại hoa màu được trồng quanh năm và phổ biến do phù hợp với điều kiện khí hậu, đất đai, tập quán canh tác và tạo thu nhập ổn định.
Với các đặc điểm dễ trồng, ít sâu bệnh, năng suất ổn định và chịu hạn tốt nên cây bắp đang được quan tâm trước xu thế hạn mặn gia tăng; cây đậu bắp là loại rau được sử dụng hàng ngày trong bữa ăn với nhiều dược tính tốt cho sức khỏe; cây dưa leo là cây thân leo, trái có giá trị dinh dưỡng và được tiêu thụ mạnh trên thị trường nội địa. Đạm là dinh dưỡng thiết yếu và đặc thù đối với cây bắp, đậu bắp và dưa leo, trong khi đó nước sau biogas chứa hàm lượng đạm khá cao nên có khả năng đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng cho các loại cây trồng này. Với các đặc điểm vừa đề cập và trong xu hướng đa dạng các sản phẩm nông nghiệp sạch, an toàn cho người sử dụng nên cây bắp, đậu bắp và dưa leo là đối tượng được lựa chọn để triển khai các thí nghiệm trồng hoa màu. Do vậy, đề tài “Nghiên cứu sử dụng nước sau biogas để canh tác hoa màu” đã được thực hiện.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.1 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 được 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, đậu bắp với các thể tích nước sau biogas khác nhau.
Đánh giá được biến động đạm hữu dụng và mật số vi sinh vật hiếu khí 2 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 được 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.3 Nội dung nghiên cứu Dựa trên mục tiêu đặt ra, đề tài đã triển khai các nội dung nghiên cứu sau: Nghiên cứu khả năng cung cấp đạm hữu dụng và hoạt động của vi sinh vật đất được tưới nước sau biogas và đánh giá tăng trưởng của cây bắp, cây đậu bắp trồng trong chậu. Nghiên cứu diễn biến đạm hữu dụng, vi sinh vật trong đất và năng suất trồng cây bắp, cây đậu bắp, cây dưa leo tưới nước sau biogas trong điều kiện ngoài đồng. Đánh giá hiệu quả môi trường, hiệu quả kinh tế và đề xuất hướng dẫn sử dụng nước sau biogas canh tác cây bắp, cây đậu bắp và cây dưa leo.4 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Thí nghiệm canh tác cây bắp, đậu bắp và dưa leo tại các hộ chăn nuôi heo có mô hình túi biogas và có đất canh tác hoa màu tại quận Cái Răng, huyện Phong Điền, thành phố Cần Thơ và huyện Mỹ Tú, tỉnh Sóc Trăng.
Đối tượng nghiên cứu là nước sau biogas và đất canh tác cây bắp, đậu bắp và dưa leo. Phạm vi nghiên cứu của luận án là nước sau biogas của mô hình khí sinh học (túi biogas) với nguyên liệu nạp là phân heo của hộ chăn nuôi có quy mô 30-50 con heo; chỉ tiêu đánh giá an toàn sản phẩm bắp, đậu bắp, dưa leo gồm có hàm lượng nitrat và E.coli; hiệu quả môi trường được tính là lượng nước sau biogas không thải ra thủy vực tiếp nhận mà được sử dụng tưới cho cây, hiệu quả kinh tế được tính dựa trên hiệu quả sử dụng đồng vốn.5 Ý nghĩa của luận án Là công trình nghiên cứu được thực hiện một cách có hệ thống từ phòng thí nghiệm đến ngoài đồng, kết quả đã đóng góp số liệu nghiên cứu về sử dụng nước sau biogas canh tác hoa màu phục vụ cho nghiên cứu và đào tạo các ngành học về môi trường và nông nghiệp. Kết quả nghiên cứu đã góp phần khẳng định sử dụng nước sau biogas canh tác hoa màu mang lại hiệu quả về 3 môi trường và kinh tế cao hơn sử dụng phân hóa học; sản phẩm nông sản đạt tiêu chuẩn an toàn thực phẩm về nitrat, E.coli; kết quả này đóng góp dữ liệu khoa học cho công tác khuyến nông góp phần hạn chế ô nhiễm môi trường và phát triển nền nông nghiệp bền vững ở vùng ĐBSCL.6 Điểm mới của luận án Nước sau biogas cung cấp đạm hữu dụng cho đất và mối tương quan giữa hàm lượng đạm này với hoạt động của vi sinh vật trong đất có bổ sung nước sau biogas. Mật số vi sinh vật hiếu khí trong đất tưới nước sau biogas tăng cao hơn so với bón phân hóa học và hàm lượng đạm nitrat trong đất tưới nước sau biogas giảm có ý nghĩa so với bón phân hóa học vào cuối vụ.
Sử dụng nước sau biogas canh tác cây bắp, dưa leo giảm được lượng phân hóa học trong canh tác hoa màu, giảm được lượng nước sau biogas thải ra thủy vực; đạt được hiệu quả đồng vốn cao hơn so với bón phân hóa học; xây dựng được hướng dẫn sử dụng nước sau biogas canh tác hoa màu và khuyến cáo nông hộ sử dụng trên địa bàn nghiên cứu. 4 Chƣơng 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Tổng quan về biogas và công nghệ biogas 2.1 Biogas Biogas là khí sinh học được sinh ra nhờ quá trình phân giải các chất thải hữu cơ chăn nuôi trong môi trường kỵ khí (không có không khí) với sự tham gia của vi sinh vật phân hủy và sinh ra khí bao gồm: metan (CH4), nitơ (N2), cacbon dioxit (CO2) và H2S; biogas có giá trị năng lượng là 21-24 MJ/m3 (Tom Bond and Michael R. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình phát triển của các vi sinh vật là dưỡng chất (N và P) và pH. Tỉ lệ BOD:N:P tốt cho vi sinh vật là 100:5:1 và pH thuận lợi cho quá trình phát triển của vi sinh vật là 6 - 9 (Lê Hoàng Việt, 2004).
Khí sinh học thay thế các chất đốt truyền thống như: củi, than, dầu,…, ngày càng được sử dụng phổ biến trong việc nấu ăn, thắp sáng và sấy khô nông sản, ở những nơi có điều kiện hơn có thể chạy máy, bơm nước và phát điện (Nguyễn Võ Châu Ngân và ctv.