Tổng quan nghiên cứu

Ngành chăn nuôi tại Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu tiêu thụ trong nước và xuất khẩu, song cũng tạo ra sức ép nặng nề lên hệ sinh thái khi lượng chất thải lỏng chăn nuôi phát sinh ước tính lên tới hàng chục nghìn tỷ mét khối mỗi năm. Tại xã Hà Ninh, huyện Hà Trung, tỉnh Thanh Hóa, khảo sát thực tế ghi nhận 97% cơ sở chăn nuôi thuộc quy mô hộ gia đình nhỏ lẻ và chỉ có 3% là trang trại quy mô vừa. Tình trạng đầu tư xử lý chất thải tại địa phương còn nhiều bất cập: khoảng 80% lượng nước thải xả thẳng trực tiếp ra môi trường mà không qua bất kỳ khâu xử lý nào, trong khi 20% còn lại chỉ được xử lý sơ bộ qua bể tự hoại hoặc hầm biogas.

Nước thải chăn nuôi lợn sau hầm biogas vẫn chứa tải lượng ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng vô cùng đậm đặc. Kết quả phân tích chất lượng nước thải đầu ra của các hầm biogas tại địa phương cho thấy hàm lượng nhu cầu oxy hóa học COD dao động từ 2.561 mg/L đến 5.028 mg/L, nhu cầu oxy sinh hóa BOD5 từ 1.664 mg/L đến 3.268 mg/L, tổng chất rắn lơ lửng SS từ 1.700 mg/L đến 3.218 mg/L, tổng nitơ đạt 512 mg/L đến 594 mg/L và tổng photpho từ 13,8 mg/L đến 62 mg/L. Các chỉ số này đều vượt quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 62-MT:2016/BTNMT cột B gấp nhiều lần, gây ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước mặt, nước ngầm và phát sinh khí độc hại.

Nhằm giải quyết triệt để thách thức trên, đề tài tập trung nghiên cứu ứng dụng vi tảo Spirulina platensis để xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau bể biogas tại xã Hà Ninh trong giai đoạn năm 2015 đến năm 2016. Mục tiêu cụ thể là xác định các điều kiện sinh thái tối ưu về cường độ ánh sáng, nồng độ dinh dưỡng đầu vào, tải trọng chất ô nhiễm và mật độ tảo ban đầu, từ đó thiết lập quy trình công nghệ sinh học tuần hoàn. Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi vừa giúp loại bỏ trên 75% đến 90% các hợp chất nitơ và photpho độc hại, vừa thu hồi nguồn sinh khối giàu protein và khoáng chất, mở ra hướng đi phát triển kinh tế xanh bền vững cho các vùng nông thôn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự tích hợp của hai nền tảng lý thuyết cốt lõi trong công nghệ môi trường: lý thuyết đồng hóa dinh dưỡng quang tự dưỡng của vi tảo và lý thuyết cộng sinh sinh thái vi sinh vật hiếu khí - tảo. Vi khuẩn lam Spirulina platensis là loài vi sinh vật quang hợp đa bào dạng sợi xoắn, có khả năng sinh trưởng mạnh mẽ trong môi trường kiềm với pH tối ưu từ 8,2 đến 8,7. Cơ chế xử lý nước thải của vi tảo dựa trên phản ứng quang tổng hợp: vi tảo sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời để hấp thụ trực tiếp nguồn carbon vô cơ cùng các ion amoni, nitrat và photphat hòa tan trong nước thải nhằm tổng hợp nên protein, axit nucleic, diệp lục tố và lipid của tế bào mới, đồng thời giải phóng khí oxy hòa tan vào môi trường nước.

Lý thuyết cộng sinh vi sinh vật chỉ ra rằng lượng oxy dồi dào sinh ra từ quá trình quang hợp của Spirulina platensis sẽ cung cấp dưỡng khí trực tiếp cho các chủng vi khuẩn hiếu khí dị dưỡng phát triển. Các vi khuẩn này nhanh chóng oxy hóa và bẻ gãy các hợp chất hữu cơ phức tạp còn sót lại sau bể biogas thành CO2, nước và các khoáng chất đơn giản, tạo nguồn nguyên liệu ngược lại cho vi tảo quang hợp. Bên cạnh đó, khung lý thuyết về tỷ lệ dinh dưỡng tế bào khẳng định nhu cầu nguyên tố của Spirulina platensis theo tỷ lệ P:Mg:K tương ứng là 1,5:1:0,5, đồng thời thành tế bào vi tảo sở hữu diện tích bề mặt riêng lớn cùng các nhóm chức hoạt tính cao, cho phép hấp phụ sinh học và loại bỏ các ion kim loại nặng độc hại như sắt, đồng, kẽm với hiệu suất vượt trên 70%.

Phương pháp nghiên cứu

Để đảm bảo tính đại diện và độ chính xác khoa học, phương pháp lấy mẫu tổ hợp không gian và thời gian đã được áp dụng tại 5 hộ gia đình chăn nuôi lợn điển hình trên địa bàn xã Hà Ninh, huyện Hà Trung. Mẫu nước thải sau hầm biogas được thu thập định kỳ vào lúc 14 giờ, tương ứng với thời điểm cách 17 giờ sau chu kỳ tắm rửa cho lợn và vệ sinh chuồng trại. Mỗi hộ gia đình được thu 20 lít nước thải sau bể biogas trong mỗi đợt, tổng thể tích thu thập đạt 100 lít/đợt qua hai đợt khảo sát chính vào ngày 15/09/2016 và ngày 26/10/2016. Toàn bộ lượng mẫu sau đó được phối trộn đồng nhất để tạo thành mẫu phân tích đặc trưng cho nguồn thải khu vực.

Các chỉ tiêu chất lượng nước được phân tích theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN và quy chuẩn Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. Nhu cầu oxy hóa học COD được xác định bằng phương pháp trắc quang đo màu với dicromat qua hệ thống phá mẫu nhiệt ở 150 độ C; BOD5 đo theo phương pháp ủ chai đo oxy hòa tan sau 5 ngày ở 20 độ C; nồng độ Amoni (N-NH4+) và Nitrat (N-NO3-) được xác định qua phương pháp so màu trắc quang UV-Vis; hàm lượng photpho tổng và ion PO43- phân tích bằng phương pháp so màu molypdat ở bước sóng 880 nm; các kim loại nặng được xác định trên đường chuẩn quang phổ hấp thụ. Các thí nghiệm nuôi cấy thực hiện theo mẻ trong hệ thống bể phản ứng sinh học có sục khí liên tục, duy trì trong môi trường dinh dưỡng chuẩn SOT cải tiến với nồng độ NaHCO3 là 33,6 g/L và NaNO3 là 5 g/L, kết hợp kiểm soát nhiệt độ từ 26 độ C đến 32 độ C trong thời gian theo dõi từ 8 đến 15 ngày.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm đã làm sáng tỏ khả năng thích ứng và hiệu suất chuyển hóa ô nhiễm vượt trội của vi tảo Spirulina platensis trong môi trường nước thải chăn nuôi sau biogas qua các mốc thông số cụ thể:

Thứ nhất, điều kiện chiếu sáng đóng vai trò quyết định đến tốc độ nhân đôi sinh khối của vi tảo. Tại dải cường độ ánh sáng tối ưu từ 3.000 đến 4.000 lumen (lux), mật độ tế bào tảo phát triển mạnh mẽ gấp 1,35 lần so với điều kiện chiếu sáng thấp từ 2.000 đến 3.000 lumen. Khối lượng sinh khối khô thu nhận được đạt đỉnh sau 10 đến 12 ngày nuôi cấy với giá trị tăng trưởng quang hợp ổn định, giữ cho độ pH trong môi trường luôn dao động trong khoảng kiềm thuận lợi từ 7,8 đến 9,2.

Thứ hai, hiệu suất chuyển hóa và loại bỏ các hợp chất nitơ diễn ra nhanh chóng. Nồng độ ion amoni N-NH4+ trong nước thải đầu vào từ mức ban đầu 35 mg/L đến 48 mg/L đã giảm xuống dưới 4,5 mg/L sau 11 ngày xử lý, tương ứng với hiệu suất loại bỏ đạt từ 87% đến 91,5%. Hàm lượng nitrit NO2- và nitrat NO3- được vi tảo hấp thụ triệt để làm nguồn dinh dưỡng tái tạo tế bào, đưa nồng độ nitơ tổng từ dải 512 - 594 mg/L giảm sâu trên 80%, đạt tiêu chuẩn cho phép xả thải.

Thứ ba, sự sụt giảm hàm lượng photpho vô cơ hòa tan PO43- đạt hiệu quả cao với tỷ lệ hấp thu trên 72% sau chu kỳ nuôi mẻ 8 ngày và đạt 84,6% ở ngày thứ 11. Nồng độ photpho tổng từ mức ban đầu 13,8 - 62 mg/L giảm xuống chỉ còn 2,1 - 4,8 mg/L.

Thứ tư, hàm lượng hữu cơ ô nhiễm tổng hợp COD và chất rắn lơ lửng SS được xử lý toàn diện. COD giảm từ mức trên 3.000 mg/L xuống dưới 250 mg/L (giảm trên 91%), BOD5 giảm từ trên 2.000 mg/L xuống dưới 85 mg/L, đưa các thông số xả thải về ngưỡng an toàn theo QCVN 62-MT:2016/BTNMT cột B.

Thảo luận kết quả

Diễn biến xử lý các hợp chất dinh dưỡng và chất hữu cơ trong mô hình phản ánh rõ nét mối tương quan sinh hóa giữa mật độ vi tảo và nồng độ chất ô nhiễm. Dữ liệu thực nghiệm khi biểu diễn trên đồ thị đường cong động học cho thấy sự suy giảm nồng độ amoni và photphat tỷ lệ nghịch hoàn toàn với tốc độ gia tăng mật độ quang học OD của tảo từ ngày thứ 1 đến ngày thứ 11. Bảng đối chiếu các thông số trước và sau xử lý minh chứng rằng giai đoạn tiêu thụ amoni mạnh nhất diễn ra từ ngày thứ 2 đến ngày thứ 6, thời điểm tảo bước vào pha tăng trưởng hàm mũ (exponential phase).

Nguyên nhân chính giúp vi tảo xử lý triệt để dinh dưỡng là do cơ chế đồng hóa ưu tiên nguồn đạm khử amoni để tổng hợp axit amin, kết hợp với hiện tượng quang hợp tiêu thụ CO2 tự do làm tăng độ kiềm môi trường lên trên pH 8,5, từ đó thúc đẩy quá trình kết tủa tự nhiên của các muối photphat canxi. Khi so sánh với các nghiên cứu nuôi cấy vi tảo trong nước thải công nghiệp hay nước khoáng tự nhiên của các tác giả trong và ngoài nước, chủng Spirulina platensis tại mô hình này thể hiện khả năng chịu tải trọng ô nhiễm cao hơn 20% và thời gian thích nghi ngắn hơn. Điều này chứng minh tiềm năng ứng dụng thực tiễn của công nghệ sinh học vi tảo trong việc xử lý triệt để nguồn nước thải sau biogas tại các vùng nông thôn Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển giao và nhân rộng mô hình ứng dụng vi tảo Spirulina platensis trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn tại các địa phương, bốn giải pháp trọng tâm cần được thực hiện đồng bộ:

Thứ nhất, xây dựng hệ thống hồ sinh học nuôi tảo dạng kênh mương tuần hoàn (raceway pond) có vách ngăn dòng chảy đặt nối tiếp ngay sau bể biogas. Diện tích mặt nước thiết kế từ 50 đến 100 m2 cho mỗi quy mô hộ nuôi 30 đến 50 đầu lợn, với độ sâu cột nước duy trì từ 25 cm đến 40 cm nhằm đảm bảo khả năng xuyên thấu quang năng tối đa. Mục tiêu kỹ thuật là giảm thiểu 85% hàm lượng nitơ, photpho và trên 90% COD nước thải đầu ra trong thời gian hoàn thiện hạ tầng 6 tháng, do các hộ chăn nuôi phối hợp với cán bộ kỹ thuật môi trường triển khai.

Thứ hai, thiết lập quy trình kiểm soát vận hành nuôi cấy theo mẻ với chu kỳ lưu nước từ 10 đến 12 ngày. Duy trì mật độ cấy tảo giống ban đầu khoảng 5.000 tế bào/ml, lắp đặt hệ thống khuấy đảo cơ học dạng cánh guồng quay chậm hoặc sục khí áp lực thấp để chống phân tầng nhiệt độ và ngăn ngừa lắng cặn sinh khối. Kỹ thuật viên của trang trại trực tiếp theo dõi nhiệt độ môi trường từ 26 độ C đến 34 độ C và duy trì cường độ ánh sáng tương đương 3.000 - 4.000 lux nhằm đảm bảo hiệu suất quang hợp liên tục.

Thứ ba, đầu tư hệ thống lưới lọc vi sinh có kích thước mắt lưới 30 đến 50 micromet kết hợp máng thu gom sinh khối tảo định kỳ 2 tuần một lần. Nguồn sinh khối vi tảo thu hồi sau quá trình lọc ép và sấy khô chứa hàm lượng protein thô từ 55% đến 65%, được phối trộn làm phân bón hữu cơ sinh học hoặc thức ăn bổ sung cho gia súc, thủy sản, giúp mỗi hộ gia đình gia tăng nguồn thu nhập phụ từ 1,5 đến 2 triệu đồng/tháng. Hoạt động này do Hội Nông dân xã điều phối và hướng dẫn kỹ thuật.

Thứ tư, Ủy ban nhân dân huyện Hà Trung cùng Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Thanh Hóa cần ban hành chính sách hỗ trợ tài chính 30% đến 50% chi phí xây dựng ban đầu cho các hộ chăn nuôi áp dụng công nghệ vi tảo xanh; đồng thời triển khai chương trình quan trắc định kỳ chất lượng nước xả thải 3 tháng một lần theo quy chuẩn QCVN 62-MT:2016/BTNMT trong lộ trình 1 đến 2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị khoa học và giải pháp thực nghiệm sâu sắc cho 4 nhóm đối tượng chính:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư môi trường, chuyên viên thiết kế công nghệ xử lý nước thải và cán bộ kỹ thuật nông nghiệp. Luận văn cung cấp toàn bộ thông số thủy lực, tải trọng hữu cơ, tỷ lệ dinh dưỡng N:P:K và biểu đồ suy giảm chất ô nhiễm phục vụ cho việc tính toán, thiết kế và tối ưu hóa hệ thống hồ sinh học xử lý nước thải chăn nuôi quy mô trang trại.

Nhóm thứ hai là các chủ trang trại, hộ gia đình chăn nuôi gia súc quy mô vừa và lớn. Tài liệu đem lại một giải pháp công nghệ chi phí thấp, tận dụng ánh sáng tự nhiên và nước thải sau biogas để vận hành hệ thống, giúp tiết kiệm hơn 60% chi phí vận hành so với các phương pháp xử lý hóa lý truyền thống, đồng thời mở ra cơ hội tận thu sinh khối vi tảo làm thức ăn chăn nuôi giúp nâng cao tỷ lệ sống của vật nuôi lên trên 80%.

Nhóm thứ ba là các nhà quản lý môi trường, lãnh đạo ban ngành nông thôn cấp huyện, xã. Luận văn đóng vai trò là tài liệu tham khảo thực tiễn giúp xây dựng các chính sách quy hoạch môi trường nông nghiệp nông thôn, định hướng giải pháp kinh tế tuần hoàn và đánh giá tác động môi trường của các làng nghề chăn nuôi tập trung.

Nhóm thứ tư là sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường, Công nghệ Sinh học và Khoa học Đất. Công trình cung cấp quy trình nghiên cứu thực nghiệm chặt chẽ từ khâu phân lập giống tảo, pha chế môi trường dinh dưỡng SOT đến kỹ thuật đo đạc quang phổ các chỉ tiêu môi trường phức tạp.

Câu hỏi thường gặp

Nước thải sau hầm biogas đã giảm mùi hôi thì có cần thiết phải xử lý tiếp bằng vi tảo Spirulina platensis không? Nước thải sau bể biogas tuy đã qua phân hủy yếm khí nhưng hàm lượng ô nhiễm hữu cơ và khoáng chất vẫn rất cao với COD từ 2.561 đến 5.028 mg/L và tổng nitơ từ 512 đến 594 mg/L. Các nồng độ này đều vượt chuẩn xả thải cho phép từ 10 đến 30 lần, do đó việc sử dụng vi tảo là bắt buộc để triệt tiêu nguồn nitơ, photpho dư thừa và ngăn ngừa ô nhiễm nguồn nước.

Vi tảo Spirulina platensis xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi thông qua cơ chế sinh học nào? Vi tảo sử dụng năng lượng ánh sáng để đồng hóa trực tiếp các ion vô cơ như amoni, nitrat và photphat thành tế bào protein mới. Đồng thời, quá trình quang hợp giải phóng lượng lớn oxy hòa tan, thúc đẩy vi khuẩn hiếu khí phân hủy nhanh các chất hữu cơ dư thừa thành CO2 và nước, tạo nên chu trình cộng sinh làm sạch nước thải toàn diện.

Cường độ ánh sáng và nhiệt độ môi trường ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất sinh trưởng của vi tảo trong hệ thống? Nghiên cứu thực nghiệm chứng minh cường độ ánh sáng tối ưu cho vi tảo phát triển nằm trong khoảng 3.000 đến 4.000 lux và nhiệt độ thích hợp từ 26 độ C đến 32 độ C. Nếu ánh sáng dưới 2.000 lux hoặc nhiệt độ dưới 20 độ C, tốc độ quang hợp sẽ sụt giảm trên 35%, làm kéo dài chu kỳ xử lý chất ô nhiễm trong nước.

Sinh khối vi tảo thu hoạch sau khi xử lý nước thải chăn nuôi có thể tái sử dụng an toàn vào những mục đích gì? Sinh khối thu hồi sau quá trình lọc ép có thể phơi khô hoặc ủ men làm phân bón hữu cơ vi sinh giàu đạm cho cây trồng. Ngoài ra, sau khi được xử lý nhiệt và khử trùng đạt chuẩn vệ sinh an toàn sinh học, bột tảo có thể phối trộn 2% đến 5% vào thức ăn thủy sản để tăng cường đề kháng và tỷ lệ sống cho tôm cá.

Chi phí đầu tư và vận hành hệ thống hồ sinh học nuôi vi tảo sau biogas có đắt hơn các công nghệ hóa lý không? Công nghệ hồ sinh học nuôi vi tảo tận dụng nguồn ánh sáng tự nhiên và CO2 sẵn có nên chi phí vận hành chỉ bằng khoảng 10% so với phương pháp trao đổi ion hoặc oxy hóa hóa học đắt tiền. Hệ thống vận hành đơn giản, không đòi hỏi hóa chất phức tạp và rất phù hợp với năng lực tài chính của các hộ gia đình nông thôn.

Kết luận

  • Đề tài đã đánh giá toàn diện hiện trạng ô nhiễm nước thải chăn nuôi sau biogas tại xã Hà Ninh, khẳng định nồng độ COD, BOD5, N và P vượt chuẩn xả thải gấp nhiều lần và cần giải pháp xử lý cấp bách.
  • Chứng minh thành công khả năng xử lý sinh học vượt trội của vi khuẩn lam Spirulina platensis với hiệu suất loại bỏ amoni đạt trên 87% đến 91,5%, photpho tổng đạt trên 80% và đưa COD về dưới 250 mg/L.
  • Xác lập bộ thông số kỹ thuật vận hành tối ưu gồm cường độ chiếu sáng 3.000 - 4.000 lux, độ pH môi trường từ 7,8 đến 9,2, nhiệt độ 26 - 32 độ C và chu kỳ xử lý theo mẻ từ 10 đến 12 ngày.
  • Đề xuất dây chuyền công nghệ hồ sinh học raceway pond tiếp nối sau biogas, kết hợp giải pháp thu hồi sinh khối tảo khô phục vụ kinh tế nông nghiệp tuần hoàn.
  • Cung cấp nguồn cơ sở dữ liệu khoa học tin cậy và có giá trị ứng dụng thực tiễn cao cho công tác kiểm soát ô nhiễm môi trường nông nghiệp nông thôn tại tỉnh Thanh Hóa và các địa phương trên toàn quốc.

Trong giai đoạn 6 đến 12 tháng tiếp theo, công nghệ cần được triển khai thử nghiệm trên các mô hình pilot quy mô lớn ngoài trời tại các hợp tác xã chăn nuôi tập trung để chuẩn hóa các chỉ tiêu vận hành theo mùa. Các cơ quan quản lý nông nghiệp, doanh nghiệp và hộ chăn nuôi hãy chủ động liên kết, ứng dụng ngay giải pháp vi tảo Spirulina platensis nhằm bảo vệ nguồn tài nguyên nước và kiến tạo một nền nông nghiệp xanh bền vững.