Luận án tiến sĩ kỹ thuật môi trường: Ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn

Luận án tiến sĩ kỹ thuật môi trường nghiên cứu ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn, hiệu quả và bền vững.

• Tác giả: Vũ Thị Nguyệt
• Người hướng dẫn: TS. Trần Văn Tựa
• Trường học: Học viện khoa học và công nghệ
• Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
• 1.1. Tổng quan về nước thải chăn nuôi lợn
• 1.2. Vài nét về tình hình chăn nuôi lợn trang trại
• 1.3. Ô nhiễm môi trường do chăn nuôi lợn gây ra tại Việt Nam
• 1.4. Hiện trạng công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn
• 1.5. Tổng quan về các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi lợn
• 1.6. Công nghệ sinh thái trong xử lý nước thải chăn nuôi
• 1.6.1. Khái niệm công nghệ sinh thái
• 1.6.2. Các nhóm thực vật thủy sinh trong công nghệ sinh thái
• 1.6.3. Vai trò của thực vật thuỷ sinh trong xử lý nước thải
• 1.6.4. Các loại hình công nghệ sử dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải
• 1.6.4.1. So sánh hệ thống công nghệ dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm
• 1.6.5. Sơ lược về một số loài thực vật thủy sinh nghiên cứu
• 1.6.6. Ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải và nước thải chăn nuôi lợn
• 1.6.6.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
• 1.6.6.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.2.1. Đánh giá khả năng chống chịu và xử lý các tác nhân ô nhiễm
• 2.2.2. Đánh giá khả năng xử lý nước thải chăn nuôi lợn của các loại hình công nghệ
• 2.2.3. Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn của mô hình sinh thái
• 2.2.4. Phương pháp phân tích
• 2.2.5. Phương pháp xử lý số liệu
• 2.2.6. Thiết bị sử dụng trong nghiên cứu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Khả năng chống chịu và xử lý ô nhiễm nước thải chăn nuôi lợn sau giai đoạn xử lý vi sinh vật qui mô phòng thí nghiệm
• 3.2. Khả năng chống chịu một số yếu tố môi trường của thực vật thủy sinh
• 3.3. Hiệu quả xử lý ô nhiễm của các loài TVTS được lựa chọn
• 3.4. Hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau xử lý vi sinh vật của một số loại công nghệ sử dụng thực vật thủy sinh với lưu lượng nước thải khác nhau
• 3.4.1. Công nghệ sử dụng thực vật lá nổi Bèo tây
• 3.4.2. Công nghệ dòng chảy trên bề mặt
• 3.4.3. Công nghệ dòng chảy ngầm
• 3.4.4. Hệ thống phối hợp các thực vật thủy sinh
• 3.4.5. So sánh hiệu quả xử lý TN, TP và COD của các loại hình công nghệ
• 3.5. Xây dựng, vận hành và đánh giá hiệu quả giảm thiểu COD, N và P trong mô hình sinh thái
• 3.5.1. Xây dựng mô hình sinh thái
• 3.5.2. Đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình sinh thái
• 3.5.2.1. Hiệu quả xử lý COD
• 3.5.2.2. Hiệu quả xử lý nitơ
• 3.5.2.3. Hiệu quả xử lý photpho
• 3.5.3. Sự biến đổi các yếu tố thủy lý của mô hình sinh thái
• 3.5.4. Bước đầu tính toán hiệu quả kinh tế
• 3.5.5. Đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình sinh thái tích hợp trong mô hình tổng thể xử lý nước thải chăn nuôi lợn tại Lương Sơn, Hòa Bình
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH

Tóm tắt

I. Tổng quan về nước thải chăn nuôi lợn

Chăn nuôi lợn là ngành kinh tế quan trọng tại Việt Nam, đóng góp đáng kể vào sản lượng thịt và thu nhập của người nông dân. Tuy nhiên, sự gia tăng quy mô chăn nuôi đã dẫn đến tình trạng ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, đặc biệt là từ nước thải chăn nuôi. Nước thải chăn nuôi lợn chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ, nitơ và photpho, gây ra hiện tượng phú dưỡng và ô nhiễm nguồn nước. Hiện nay, nhiều trang trại chưa có hệ thống xử lý nước thải hiệu quả, dẫn đến việc xả thải trực tiếp ra môi trường. Điều này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ xử lý nước thải phù hợp, đặc biệt là các phương pháp thân thiện với môi trường như công nghệ sinh thái sử dụng thực vật thủy sinh.

1.1. Hiện trạng chăn nuôi lợn tại Việt Nam

Theo thống kê, năm 2016, Việt Nam có khoảng 29 triệu con lợn, tập trung chủ yếu ở vùng đồng bằng sông Hồng và miền núi phía Bắc. Số lượng trang trại chăn nuôi lợn cũng tăng nhanh, đặc biệt là các trang trại quy mô lớn. Tuy nhiên, việc quản lý chất thải từ các trang trại này còn nhiều bất cập. Lượng nước thải từ chăn nuôi lợn dao động từ 15 đến 60 lít/đầu lợn/ngày, tùy thuộc vào quy mô và phương thức chăn nuôi. Điều này cho thấy sự cần thiết của việc áp dụng các công nghệ xử lý nước thải hiệu quả để giảm thiểu tác động đến môi trường.

1.2. Thành phần và mức độ ô nhiễm nước thải chăn nuôi lợn

Nước thải chăn nuôi lợn chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ (COD), nitơ (N) và photpho (P). Trước khi xử lý, nồng độ COD có thể lên tới 3587 mg/L, nitơ tổng (TN) là 343 mg/L và photpho tổng (TP) là 92 mg/L. Sau khi xử lý bằng hầm biogas, các chỉ số này giảm đáng kể nhưng vẫn chưa đạt tiêu chuẩn xả thải. Điều này cho thấy sự cần thiết của việc áp dụng các công nghệ bổ sung như công nghệ sinh thái để xử lý triệt để các chất ô nhiễm còn lại.

II. Công nghệ sinh thái sử dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải

Công nghệ sinh thái sử dụng thực vật thủy sinh là một phương pháp xử lý nước thải thân thiện với môi trường, chi phí thấp và dễ vận hành. Các loài thực vật thủy sinh như bèo tây, sậy và rau muống có khả năng hấp thụ các chất dinh dưỡng như nitơ và photpho, đồng thời phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải. Phương pháp này đã được nghiên cứu và ứng dụng thành công tại nhiều quốc gia như Mỹ, Trung Quốc và Ấn Độ. Tại Việt Nam, điều kiện khí hậu thuận lợi cho sự phát triển của các loài thực vật thủy sinh, làm cho công nghệ này trở thành một giải pháp khả thi trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn.

2.1. Vai trò của thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải

Thực vật thủy sinh đóng vai trò quan trọng trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm từ nước thải. Chúng hấp thụ nitơ và photpho thông qua quá trình quang hợp và trao đổi chất, đồng thời tạo điều kiện cho vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ. Các loài thực vật thủy sinh như bèo tây và sậy còn có khả năng chống chịu tốt với môi trường ô nhiễm, làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng trong công nghệ xử lý nước thải.

2.2. Các loại hình công nghệ sử dụng thực vật thủy sinh

Có nhiều loại hình công nghệ sử dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải, bao gồm hệ thống dòng chảy mặt, dòng chảy ngầm và hệ thống phối hợp. Mỗi loại hình có ưu nhược điểm riêng, tùy thuộc vào điều kiện cụ thể của từng trang trại. Ví dụ, hệ thống dòng chảy mặt phù hợp với các trang trại có diện tích lớn, trong khi hệ thống dòng chảy ngầm thích hợp với các khu vực có không gian hạn chế.

III. Ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn

Nghiên cứu này tập trung vào việc ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau giai đoạn xử lý vi sinh vật. Các loài thực vật thủy sinh được lựa chọn dựa trên khả năng chống chịu và hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm như COD, nitơ và photpho. Kết quả nghiên cứu cho thấy, các loài như bèo tây và sậy có hiệu quả xử lý cao, đặc biệt là trong việc loại bỏ nitơ và photpho. Điều này chứng minh tính khả thi của việc áp dụng công nghệ sinh thái trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn tại Việt Nam.

3.1. Kết quả nghiên cứu về hiệu quả xử lý

Kết quả nghiên cứu cho thấy, các loài thực vật thủy sinh như bèo tây và sậy có khả năng loại bỏ COD, nitơ và photpho với hiệu suất cao. Ví dụ, hệ thống sử dụng bèo tây đạt hiệu suất loại bỏ COD lên tới 80%, trong khi hệ thống sậy loại bỏ được 70% nitơ tổng. Điều này cho thấy tiềm năng lớn của việc ứng dụng các loài thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn.

3.2. Xây dựng mô hình sinh thái tại hiện trường

Mô hình sinh thái sử dụng thực vật thủy sinh đã được xây dựng và vận hành tại một trang trại chăn nuôi lợn ở Hòa Bình. Kết quả cho thấy, mô hình này đạt hiệu quả cao trong việc giảm thiểu COD, nitơ và photpho trong nước thải. Chi phí xây dựng và vận hành thấp, phù hợp với điều kiện của các trang trại chăn nuôi tại Việt Nam. Điều này mở ra triển vọng lớn cho việc nhân rộng mô hình trên toàn quốc.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Chăn nuôi lợn quy mô trang trại đang là định hướng phát triển chủ đạo của ngành nông nghiệp Việt Nam. Thống kê giai đoạn 2011–2016 cho thấy tỷ trọng đàn lợn nuôi tại các trang trại tăng từ 15–16% (năm 2011) lên khoảng 35% tổng đàn (năm 2014) và đạt 29 triệu con vào năm 2016, trong đó vùng Đồng bằng sông Hồng tập trung số lượng lớn nhất (7,4 triệu con, chiếm 26%). Hoạt động chăn nuôi phát sinh lượng nước thải lớn, dao động từ 15 đến 60 lít/đầu lợn/ngày đêm. Theo Báo cáo Môi trường Quốc gia năm 2014, trong tổng số 23.500 trang trại chăn nuôi trên toàn quốc, mới chỉ có khoảng 1.700 cơ sở có hệ thống xử lý chất thải; khoảng 40–50% lượng chất thải chăn nuôi được thu gom xử lý, phần còn lại thải trực tiếp ra nguồn tiếp nhận tự nhiên.

Hầm biogas là giải pháp kỵ khí phổ biến nhất hiện nay (chiếm 31,79% số trang trại được điều tra năm 2013). Mặc dù giải quyết được một phần nhu cầu năng lượng và giảm tải hữu cơ, nước thải sau biogas vẫn mang nồng độ ô nhiễm cao: COD trung bình 800 mg/L (dao động 391–1792 mg/L), tổng nitơ (TN) 307 mg/L (dao động 115–531 mg/L), N-NH4+ 289 mg/L (dao động 110–506 mg/L), tổng photpho (TP) 62,1 mg/L (dao động 19–127 mg/L), tổng chất rắn lơ lửng (SS) 1431 mg/L và Total Coliform lên đến 226.10^4 MPN/100ml. Các chỉ tiêu này đều vượt nhiều lần giới hạn cho phép theo QCVN 62-MT:2016/BTNMT và QCVN 40:2011/BTNMT. Hàm lượng nitơ và photpho cao sau biogas là nguyên nhân trực tiếp dẫn tới hiện tượng phú dưỡng hóa, gây "nở hoa nước" và suy giảm chất lượng hệ sinh thái thủy vực tiếp nhận.

Khoảng trống nghiên cứu được xác định: Các giải pháp xử lý hóa lý (keo tụ, tuyển nổi) hoặc sinh học hiếu khí nhân tạo (Aeroten, SBR) đòi hỏi chi phí đầu tư và năng lượng vận hành cao, không phù hợp với điều kiện kinh tế trang trại. Ngược lại, công nghệ sinh thái (CNST) sử dụng thực vật thủy sinh (TVTS) có chi phí thấp, vận hành đơn giản, thân thiện với môi trường nhưng tại Việt Nam chưa có công trình nghiên cứu hệ thống từ ngưỡng chịu tải sinh lý của TVTS bản địa đến lựa chọn cấu trúc công nghệ và tích hợp hoàn chỉnh quy mô thực địa cho nước thải sau xử lý kỵ khí.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án: Xây dựng được công nghệ sinh thái sử dụng thực vật thủy sinh để xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau công đoạn xử lý vi sinh, nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đảm bảo tính khả thi khi ứng dụng vào thực tiễn.

Bốn nội dung nghiên cứu chính của luận án gồm:

1. Nội dung 1: Tổng quan về hiện trạng ô nhiễm nước thải chăn nuôi lợn, công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn và công nghệ sinh thái sử dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải nói chung và nước thải chăn nuôi lợn.
2. Nội dung 2: Đánh giá khả năng chống chịu (COD, NH4+, NO3-, pH) và xử lý COD, nitơ, photpho trong nước thải chăn nuôi lợn sau giai đoạn xử lý vi sinh vật quy mô phòng thí nghiệm của một số thực vật thủy sinh tuyển chọn.
3. Nội dung 3: Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau giai đoạn xử lý vi sinh vật của các loại hình công nghệ sử dụng thực vật thủy sinh với tải lượng nước thải khác nhau.
4. Nội dung 4: Xây dựng và đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình sinh thái sử dụng thực vật thủy sinh để giảm thiểu nitơ, photpho và chất hữu cơ từ nước thải chăn nuôi lợn trang trại sau công đoạn xử lý vi sinh vật quy mô pilot và hiện trường.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Nước thải chăn nuôi lợn sau công đoạn xử lý vi sinh vật (sau biogas); 08 loài thực vật thủy sinh gồm Bèo tây (Eichhornia crassipes), Bèo cái (Pistia stratiotes), Rau muống (Ipomoea aquatica), Ngổ trâu (Enydra fluctuans), Cải xoong (Rorippa nasturtium aquaticum), Sậy (Phragmites australis), Cỏ Vetiver (Vetiveria zizanioides), Thủy trúc (Cyperus alternifolius).
• Phạm vi không gian: Nghiên cứu thực nghiệm tại Phòng thí nghiệm, Trạm thực nghiệm Cổ Nhuế (Viện Công nghệ môi trường) và mô hình hiện trường tại Trang trại Hòa Bình Xanh, huyện Lương Sơn, tỉnh Hòa Bình.
• Phạm vi thời gian: Thực hiện trong khuôn khổ Chương trình Khoa học Công nghệ trọng điểm cấp Nhà nước KC.08/11-15 (Đề tài KC08.05/11-15), số liệu khảo sát chăn nuôi và ô nhiễm cập nhật từ năm 2011 đến năm 2016, luận án bảo vệ năm 2018.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải đã được triển khai rộng rãi trên thế giới từ những năm 1950 (K. Seidel tại Viện Max Planck, Đức):

• Xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng bèo nổi: Delgado (1995) công bố hệ thống Bèo tây xử lý nước phân lợn đạt hiệu suất giảm COD 100% (trong đó 60% giảm do bèo ở nồng độ COD tối đa 1000 mg/L), hấp thụ 75–88% NH4-N và 60% NO3-N.
• Đất ngập nước dòng chảy mặt (FWS): Stone và cs (2002) tại North Carolina (Mỹ) sử dụng cây Bấc (Juncus effusus), Cói (Scirpus spp.) và Cỏ nến (Typha spp.) để xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau hồ sinh học, loại bỏ 84% TN, 86% NH4+ và 25–38% TP. Poach và cs (2004) đánh giá hệ thống đầm lầy kết hợp ao trồng Cỏ nến loại bỏ 35–51% TSS, 30–50% COD, 37–51% TN và 13–26% TP giữa hai mùa đông và hè.
• Đất ngập nước dòng chảy ngầm (SSF) và hệ phối hợp: Xindi và cs (2003) tại Trung Quốc thử nghiệm cỏ Vetiver và Thủy trúc theo mẻ, loại bỏ 56,5% COD và 59,9% BOD sau 8 ngày. Harrington và McInnes (2009) tại Ireland theo dõi 12 hệ thống sinh thái (diện tích 15 ha) trong 8 năm, đạt hiệu suất loại bỏ 98% NH4-N và 95% TP. Lee và cs (2014) tại Nonsan (Hàn Quốc) khảo sát bãi lọc ngập nước 4492 m2 trồng Sậy và Lau cho trang trại 30.000 lợn, ghi nhận hiệu suất xử lý TN đạt 20% và NH4-N đạt 27%. Zhang và cs (2017) tại Nhật Bản vận hành bãi lọc dòng ngầm trong khí hậu lạnh, đạt hiệu suất loại bỏ 90% COD và 62% TN.
• Các ứng dụng khác: Sohsalam và cs (2008) tại Thái Lan xử lý nước thải thủy sản bằng dòng chảy mặt đạt 91–99% BOD5, 72–92% TN và 72–77% TP. Haque và Saleem (2015) tại Pakistan ứng dụng đất ngập nước tự nhiên cho nước thải sinh hoạt làng Chattal, giảm 86,1% COD và 91,4% BOD.

Tại Việt Nam, nghiên cứu sử dụng TVTS bắt đầu từ Trần Hiếu Nhuệ và Trần Đức Hạ (1985), Lâm Minh Triết (1990), Nguyễn Việt Anh và cs (2005), Dương Đức Tiến và cs (2006). Đối với nước thải chăn nuôi lợn và nước thải công nghiệp:

• Đặng Xuyến Như và cs (2005) kết hợp bể UASB với máng Bèo tây (tải nạp 230 L/m2.ngày) đạt hiệu suất loại bỏ trên 90% TSS và COD, 70% NH4+ và 58–65% PO43-.
• Ngô Kế Sương và cs (2006) thử nghiệm mô hình ao TVTS diện tích 720 m2 với công suất 30 m3/ngày tại Xí nghiệp Gò Sao.
• Trần Văn Tựa và cs (2008, 2010, 2011) khảo sát Sậy, Cỏ Vetiver, Bèo tây, Bèo cái, Rau muống, Ngổ trâu, Cải xoong trong xử lý kim loại nặng, nước hồ phú dưỡng (giảm 6–10 lần Coliform, đạt loại A QCVN 08:2008/BTNMT) và nước thải chế biến thủy sản (loại bỏ 93,14% COD, 50,53% TN, 55,92% TP).
• Trương Thị Nga và cs (2009, 2010) đánh giá Sậy (loại bỏ 93,78% tổng lân, 64,08% amonia, tích lũy 161,62 gN/m2 và 13,42 gP/m2 sinh khối), Rau ngổ và Bèo tây trong nước thải chăn nuôi.
• Trịnh Quang Tuyên và cs (2011) kết hợp chế phẩm EM thứ cấp và Bèo tây; Dư Ngọc Thành (2013) thử nghiệm bãi lọc ngầm 4 loại cây ở tải trọng 40 L/ngày đạt QCVN 40:2011/BTNMT cột B; Lê Tuấn Anh và cs (2013), Nguyễn Thành Lộc và cs (2015), Trần Thị Kim Thúy và cs (2016) đánh giá trên nước thải sinh hoạt và chăn nuôi bò.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết: Phần lớn các công bố trong nước chỉ tập trung vào một kiểu công nghệ đơn lẻ, quy mô phòng thí nghiệm thể tích nhỏ hoặc áp dụng cho nước thải sinh hoạt, thủy sản. Luận án giải quyết mắt xích còn thiếu về cơ sở dữ liệu chống chịu sinh lý của 8 loài TVTS phổ biến trước các nồng độ ô nhiễm cao của nước thải sau biogas (COD, NH4+, NO3-, pH); so sánh trực tiếp hiệu quả kỹ thuật giữa các cấu hình dòng mặt, dòng ngầm và hệ phối hợp đa thực vật; từ đó thiết kế, thi công và vận hành thành công mô hình sinh thái tích hợp quy mô 30 m3/ngày đêm tại trang trại chăn nuôi lợn thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết và khung phân tích:

• Luận án dựa trên lý thuyết Kỹ nghệ sinh thái (Ecological Engineering) được định nghĩa bởi Mitsch và Jorgensen (1989) cùng Barrett (1999): tích hợp quy luật sinh thái tự nhiên với kỹ thuật công trình nhằm thiết kế hệ thống xử lý bền vững.
• Cơ chế chuyển hóa và loại bỏ ô nhiễm trong đất ngập nước nhân tạo:
  • Cơ chế loại bỏ COD/BOD và TSS: Quá trình lắng trọng lực, lọc cơ học qua giá thể và màng rễ thực vật; quá trình phân hủy sinh học hiếu khí, kỵ khí và tùy nghi của quần thể vi sinh vật bám dính.
  • Cơ chế chuyển hóa Nitơ: Quá trình amoni hóa phân giải hợp chất hữu cơ thành NH4+; quá trình nitrat hóa hiếu khí 2 giai đoạn do vi khuẩn Nitrosomonas (chuyển NH4+ thành NO2-) và Nitrobacter (chuyển NO2- thành NO3-); quá trình khử nitrat kỵ khí trong lớp trầm tích/vùng rễ tạo khí N2 và N2O thoát vào khí quyển; một phần nitơ được TVTS hấp thụ trực tiếp để tổng hợp sinh khối.
  • Cơ chế loại bỏ Photpho: Quá trình hấp phụ hóa lý trên bề mặt giá thể cát sỏi, kết tủa hóa học với các ion kim loại (Fe-P, Al-P, Ca-P), lưu giữ trong nền đất ngập nước và một phần hấp thụ bởi rễ thực vật và vi sinh vật.
  • Cơ chế tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh (Coliform): Lọc giữ cơ học, bức xạ mặt trời và sự cạnh tranh sinh học/tiết chất kháng sinh tự nhiên tại vùng rễ.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:

• Bố trí thực nghiệm 3 cấp độ:
  1. Quy mô phòng thí nghiệm: Thí nghiệm mẻ và bán liên tục xác định khả năng chống chịu và ngưỡng giới hạn sinh trưởng của các loài TVTS đối với nồng độ COD, NH4+, NO3- và dải pH; đánh giá hiệu suất xử lý dinh dưỡng đơn loài.
  2. Quy mô pilot: Bố trí các hệ thống đất ngập nước nhân tạo dòng chảy trên bề mặt (FWS), dòng chảy ngầm (SSF) và hồ thực vật nổi; đánh giá ảnh hưởng của các mức lưu lượng và chế độ tải nạp khác nhau; thử nghiệm các mô hình kết hợp thực vật (Bèo tây - Sậy; Sậy - Bèo tây; hệ đa loài Sậy, Thủy trúc, Bèo tây, Vetiver).
  3. Quy mô hiện trường: Xây dựng và vận hành mô hình sinh thái (MHST) hoàn chỉnh với công suất 30 m3/ngày đêm đặt tại trang trại chăn nuôi lợn Hòa Bình Xanh, huyện Lương Sơn, tỉnh Hòa Bình.

Nguồn vật liệu và tư liệu:

• Nước thải thí nghiệm: Lấy từ nguồn nước thải sau xử lý kỵ khí/vi sinh vật tại Trung tâm Nghiên cứu Lợn Thụy Phương (Viện Chăn nuôi) và Trang trại Hòa Bình Xanh (Lương Sơn, Hòa Bình).
• Nguồn thực vật: Thu thập từ các thủy vực tự nhiên tại Hải Bối (Sóc Sơn), Cổ Nhuế (Bắc Từ Liêm), ven sông Hồng (Hà Nội), sau đó thuần hóa và nhân giống tại Trại thực nghiệm sinh thái Cổ Nhuế.

Phương pháp phân tích và xử lý số liệu:

• Các chỉ tiêu thủy lý, thủy hóa và vi sinh được phân tích theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA): pH, nhiệt độ (T0), DO đo bằng máy đo hiện trường; COD phân tích bằng phương pháp dicromat trắc quang/chuẩn độ; BOD5 đo bằng phương pháp chai đo 5 ngày 20°C; TSS đo trọng lượng sấy ở 105°C; TN phân tích theo phương pháp Kjeldahl; TP và PO43- phân tích bằng phương pháp so màu Asorbic acid; N-NH4+, NO3-, NO2- phân tích so màu quang phổ; Total Coliform xác định theo phương pháp MPN.
• Xử lý số liệu: Toàn bộ dữ liệu thực nghiệm được tính toán giá trị trung bình, độ lệch chuẩn và phân tích thống kê trên phần mềm chuyên dụng.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

Chương 1 tổng hợp bức tranh toàn cảnh về thực trạng ngành chăn nuôi lợn trang trại tại Việt Nam và mức độ phát sinh ô nhiễm. Thống kê giai đoạn 2014–2016 ghi nhận Đồng bằng sông Hồng là khu vực có số lượng trang trại lớn nhất (34,8%), trong đó Hà Nội dẫn đầu với 979 trang trại năm 2014 và 1.528 trang trại năm 2016. Khảo sát của đề tài KC08.04/11-15 và tác giả tại các trang trại ở Vĩnh Phúc, Thái Bình, Hưng Yên, Hà Nội, Hòa Bình cho thấy lượng nước tiêu thụ biến động từ 15 đến 60 L/đầu lợn/ngày đêm.

Nước thải chăn nuôi có tải lượng ô nhiễm cực cao: Trước biogas, nồng độ COD đạt 860–4590 mg/L (trung bình 3587 mg/L), TN đạt 167–907 mg/L (trung bình 343 mg/L), N-NH4+ đạt 130–870 mg/L (trung bình 315 mg/L), TP đạt 250–295 mg/L (trung bình 92,2 mg/L), SS đạt 520–9520 mg/L (trung bình 2248 mg/L), Coliform đạt 372.10^4 MPN/100ml. Sau công đoạn biogas kỵ khí, các chỉ số vẫn ở mức cao: COD 391–1792 mg/L (trung bình 800 mg/L), TN 115–531 mg/L (trung bình 307 mg/L), N-NH4+ 110–506 mg/L (trung bình 289 mg/L), TP 19–127 mg/L (trung bình 62,1 mg/L), SS 360–3280 mg/L (trung bình 1431 mg/L), Coliform 226.10^4 MPN/100ml, vượt xa QCVN 62-MT:2016/BTNMT cột B. Khảo sát 4 nhóm công nghệ hiện hành tại các trang trại chỉ ra 50% cơ sở chỉ dùng biogas rồi xả ra kênh mương, 25% dùng biogas kết hợp ao sinh học, 8,3% dùng hồ kỵ khí phủ bạt, 8,3% có kết hợp lọc sinh học/aeroten và hồ TVTS, và 8,4% xả thẳng không xử lý.

Chương này cũng phân tích sâu đặc điểm sinh học của 8 loài TVTS nghiên cứu và so sánh hai dạng công nghệ đất ngập nước: dòng chảy mặt (yêu cầu diện tích lớn, chi phí thấp nhưng khả năng khử nitơ, photpho hạn chế, dễ phát sinh mùi và côn trùng) và dòng chảy ngầm (diện tích nhỏ hơn, hạn chế mùi và muỗi, xử lý COD/BOD/TSS hiệu quả nhưng tốn chi phí vật liệu lọc cát sỏi và có nguy cơ tắc nghẽn).

Thông số	Trước Biogas (Trung bình)	Sau Biogas (Trung bình)	QCVN 62-MT:2016/BTNMT (Cột B)
pH	7,56 (7,30–7,87)	7,76 (7,19–7,90)	5,5 – 9,0
DO (mg/L)	0,00 (0–0)	0,08 (0–0,60)	-
COD (mg/L)	3587 (860–4590)	800 (391–1792)	300
TN (mg/L)	343 (167–907)	307 (115–531)	150
N-NH4+ (mg/L)	315 (130–870)	289 (110–506)	-
TP (mg/L)	92,2 (250–295)	62,1 (19–127)	-
SS (mg/L)	2248 (520–9520)	1431 (360–3280)	150
Total Coliform (MPN/100ml)	372.10^4	226.10^4	-

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình chuẩn bị đối tượng, thiết kế mô hình và phương pháp phân tích. Đối tượng nước thải được lấy từ Trung tâm Nghiên cứu Lợn Thụy Phương và Trang trại Hòa Bình Xanh. Tám loài TVTS gồm Bèo tây, Bèo cái, Rau muống, Ngổ trâu, Cải xoong, Sậy, Cỏ Vetiver, Thủy trúc được thu thập từ tự nhiên và thuần dưỡng trong môi trường thủy canh kiểm soát.

Chương trình thực nghiệm được chia thành 3 phần:

1. Thí nghiệm đánh giá khả năng chống chịu sinh thái của TVTS trong môi trường nhân tạo và nước thải pha loãng ở các dải nồng độ COD, NH4+, NO3- và pH khác nhau; khảo sát hiệu quả xử lý COD, TSS, NH4+, TN, PO43-, TP theo phương thức nuôi cấy theo mẻ và bán liên tục.
2. Thí nghiệm quy mô pilot tại Trạm thực nghiệm Cổ Nhuế: Xây dựng các bể thực nghiệm dòng mặt (trồng Sậy, Rau muống), dòng ngầm (trồng Sậy, Vetiver), bể bèo nổi Bèo tây và các hệ phối hợp (Bèo tây - Sậy; Sậy - Thủy trúc - Bèo tây - Vetiver); vận hành ở các mức lưu lượng khác nhau để xác định tải nạp tối ưu.
3. Thí nghiệm quy mô hiện trường: Thiết kế, thi công mô hình sinh thái tích hợp công suất 30 m3/ngày đêm đặt sau hệ thống xử lý vi sinh vật kỵ khí tại Trang trại Hòa Bình Xanh (Lương Sơn, Hòa Bình).

Các thông số thủy lý, thủy hóa (COD, BOD5, DO, pH, TSS, TN, TP, NH4+, NO3-, PO43-) và vi sinh vật (Total Coliform) được xác định bằng các phương pháp chuẩn quốc gia (TCVN) và quốc tế.

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm qua các giai đoạn nghiên cứu:

1. Khả năng chống chịu và xử lý ô nhiễm của TVTS tại phòng thí nghiệm:

• Khả năng chống chịu: Các loài TVTS thể hiện mức độ đáp ứng khác nhau trước nồng độ ô nhiễm: Sậy, Bèo tây và Cỏ Vetiver thể hiện khả năng chịu tải cao nhất với dải nồng độ COD, NH4+, NO3- rộng và thích ứng tốt ở dải pH 6,0–8,5. Cải xoong và Ngổ trâu có khả năng chịu tải kém hơn, chỉ thích hợp ở nồng độ ô nhiễm thấp.
• Hiệu quả xử lý trong thí nghiệm mẻ và bán liên tục: Bèo tây và Sậy đạt hiệu suất khử amoni và COD cao nhất. Ở chế độ bán liên tục, hiệu suất xử lý COD trung bình của Bèo tây đạt trên 70%, hiệu suất xử lý NH4+ đạt trên 80%, TN và TP giảm đáng kể qua chu kỳ lưu mẫu.

2. Hiệu quả xử lý của các loại hình công nghệ sử dụng TVTS ở quy mô pilot:

• Công nghệ thực vật lá nổi (Bèo tây): Cho hiệu quả xử lý COD và TSS cao nhờ mạng lưới rễ bèo giữ cặn lơ lửng và tạo bề mặt bám dính cho vi sinh vật hiếu khí; tuy nhiên việc loại bỏ photpho còn hạn chế nếu không thu hoạch sinh khối định kỳ.
• Công nghệ dòng chảy trên bề mặt (trồng Sậy, Rau muống): Hệ thống trồng Sậy cho hiệu quả xử lý COD, TN vượt trội so với Rau muống; dòng chảy mặt tạo điều kiện thoáng khí tự nhiên tốt cho quá trình nitrat hóa.
• Công nghệ dòng chảy ngầm (trồng Sậy, Cỏ Vetiver): Hiệu quả loại bỏ TSS, COD và Coliform của hệ dòng ngầm trồng Sậy và Vetiver cao hơn rõ rệt so với dòng mặt nhờ tầng lọc cát sỏi; nồng độ chất ô nhiễm giảm nhanh trong 20% chiều dài đầu tiên của bể lọc.
• Hệ thống phối hợp thực vật thủy sinh: Mô hình kết hợp nối tiếp giữa Bèo tây và Sậy (hoặc hệ phối hợp Sậy – Thủy trúc – Bèo tây – Vetiver) đạt hiệu suất làm sạch đồng thời COD, TN và TP tối ưu nhất nhờ kết hợp vùng rễ ngập nước của bèo với đới hiếu khí/kỵ khí xen kẽ trong bãi lọc trồng Sậy.

3. Xây dựng, vận hành và đánh giá mô hình sinh thái (MHST) tại hiện trường Lương Sơn, Hòa Bình:

• Luận án đã tích hợp mô hình sinh thái vào hệ thống xử lý tổng thể của Trang trại Hòa Bình Xanh với quy mô công suất 30 m3/ngày đêm.
• Hiệu quả loại bỏ tại hiện trường: MHST sau công đoạn xử lý kỵ khí đã giảm thiểu mạnh mẽ COD, TN, TP; các thông số dòng ra đạt quy chuẩn xả thải môi trường hiện hành.
• Vận hành và hiệu quả kinh tế: Chi phí xây dựng mô hình sinh thái sử dụng vật liệu địa phương và cây thủy sinh bản địa có mức đầu tư thấp, chi phí năng lượng vận hành gần như bằng không (dựa vào dòng chảy tự nhiên), chứng minh tính khả thi cao khi nhân rộng tại các trang trại chăn nuôi lợn.

Kết quả và những đóng góp mới

Bảng tổng hợp so sánh hiệu quả xử lý các chỉ tiêu chính của các loại hình công nghệ sinh thái nghiên cứu tại quy mô pilot và mô hình hiện trường:

Loại hình công nghệ / Mô hình	Thực vật thủy sinh	Hiệu quả xử lý COD (%)	Hiệu quả xử lý TN (%)	Hiệu quả xử lý TP (%)
Bể thực vật nổi	Bèo tây (Eichhornia crassipes)	60 – 78%	33 – 72%	42 – 65%
Dòng chảy trên bề mặt (FWS)	Cây Sậy (Phragmites australis)	65 – 85%	60 – 80%	35 – 50%
Dòng chảy trên bề mặt (FWS)	Rau muống (Ipomoea aquatica)	45 – 65%	40 – 55%	30 – 42%
Dòng chảy ngầm (SSF)	Cây Sậy (Phragmites australis)	75 – 90%	62 – 86%	40 – 60%
Dòng chảy ngầm (SSF)	Cỏ Vetiver (Vetiveria zizanioides)	70 – 85%	55 – 75%	38 – 55%
Hệ thống phối hợp đa thực vật	Bèo tây – Sậy – Thủy trúc – Vetiver	80 – 93%	75 – 88%	55 – 70%
Mô hình sinh thái hiện trường (30 m3/ng.đêm)	Tích hợp TVTS đa bậc (Hòa Bình)	Đạt QCVN cột B	Đạt QCVN cột B	Đạt QCVN cột B

Những đóng góp mới về lý luận và khoa học:

• Lần đầu tiên tại Việt Nam, luận án đã đánh giá có hệ thống khả năng chống chịu sinh thái (đối với nồng độ COD, amôni, nitrat và dải pH) cũng như khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm này của các loài thực vật thủy sinh bản địa trong môi trường nước thải chăn nuôi lợn sau xử lý vi sinh vật.
• Xác lập cơ sở khoa học về động học quá trình chuyển hóa các dạng nitơ (amoni hóa, nitrat hóa, phản nitrat hóa) và cơ chế lưu giữ photpho trong các cấu hình đất ngập nước dòng mặt, dòng ngầm và hồ bèo nổi khi tiếp nhận nước thải sau biogas.
• Chứng minh công nghệ sinh thái ứng dụng TVTS là công đoạn xử lý bậc cao (xử lý bổ sung) bắt buộc và hiệu quả để loại bỏ triệt để nitơ và photpho, giải quyết triệt để nguy cơ phú dưỡng hóa nguồn nước tiếp nhận mà các công đoạn xử lý kỵ khí không xử lý được.

Những đóng góp mới về thực tiễn và công nghệ:

• Tuyển chọn được nhóm thực vật thủy sinh tối ưu nhất cho xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau xử lý vi sinh vật gồm Sậy (Phragmites australis), Bèo tây (Eichhornia crassipes), Thủy trúc (Cyperus alternifolius) và Cỏ Vetiver (Vetiveria zizanioides).
• Lựa chọn và chuẩn hóa được cấu hình công nghệ sinh thái phối hợp đa bậc (kết hợp giữa ao bèo nổi và bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm/dòng mặt), khắc phục nhược điểm riêng rẽ của từng loại hình công nghệ đơn lẻ.
• Tích hợp thành công công nghệ sinh thái vào hệ thống xử lý quy mô công suất 30 m3/ngày đêm tại Trang trại Hòa Bình Xanh (Lương Sơn, Hòa Bình), nước sau xử lý đạt quy chuẩn xả thải với chi phí xây dựng và vận hành thấp, quy trình quản lý đơn giản, phù hợp với năng lực kỹ thuật của các trang trại chăn nuôi tại Việt Nam.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất từ luận án:

• Cần áp dụng mô hình công nghệ sinh thái sử dụng TVTS làm công đoạn xử lý bắt buộc sau các công trình biogas kỵ khí tại các trang trại chăn nuôi quy mô vừa và lớn trước khi thải ra nguồn tiếp nhận.
• Định kỳ thu hoạch sinh khối bèo tây và cắt tỉa thực vật ngập nước nhằm duy trì tốc độ sinh trưởng của cây, đồng thời loại bỏ lượng nitơ, photpho đã tích lũy trong mô thực vật ra khỏi hệ thống, tránh tái ô nhiễm do lá mục nát lắng đọng.
• Sử dụng kết hợp bãi lọc trồng cây dòng ngầm để xử lý triệt để Coliform và khử mùi hôi, đảm bảo vệ sinh môi trường nông thôn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

• Hiệu suất xử lý của các hệ thống thực vật thủy sinh phụ thuộc vào điều kiện thời tiết tự nhiên; vào mùa đông hoặc những đợt mưa lớn kéo dài, tốc độ sinh trưởng của thực vật giảm dẫn đến hiệu quả loại bỏ chất dinh dưỡng dao động.
• Hệ thống đất ngập nước dòng chảy ngầm đòi hỏi phải quản lý tốt hàm lượng chất rắn lơ lửng (TSS) đầu vào để ngăn ngừa nguy cơ tắc nghẽn tầng lọc cát sỏi sau thời gian dài vận hành.
• Khả năng lưu giữ photpho của nền đất và vật liệu sỏi cát có giới hạn bão hòa theo thời gian, cần biện pháp bổ sung vật liệu hấp phụ chuyên dụng.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Nghiên cứu giải pháp thu gom, chế biến và tái sử dụng sinh khối thực vật thủy sinh thu hoạch từ mô hình xử lý (làm phân bón hữu cơ sinh học, giá thể trồng trọt hoặc ủ biogas bổ sung).
• Khảo sát chu kỳ bão hòa photpho của các loại vật liệu lọc và đánh giá tuổi thọ công trình bãi lọc dòng ngầm trong điều kiện vận hành liên tục nhiều năm.
• Nghiên cứu mở rộng ứng dụng mô hình công nghệ sinh thái cho các đối tượng chăn nuôi tập trung khác như gia cầm, bò sữa.

Giá trị tham khảo

Giá trị đối với công tác đào tạo và nghiên cứu học thuật:

• Cung cấp tài liệu tham khảo cho nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên các chuyên ngành Kỹ thuật môi trường, Quản lý tài nguyên môi trường, Sinh thái học ứng dụng và Nông nghiệp bền vững.
• Phần phương pháp nghiên cứu bố trí thí nghiệm 3 cấp (từ bình tam giác phòng thí nghiệm đến bể pilot và mô hình hiện trường 30 m3/ngày đêm) cùng các thông số tải nạp thủy lực là tài liệu hướng dẫn thực nghiệm cho các đề tài nghiên cứu về đất ngập nước nhân tạo.

Giá trị đối với cơ quan quản lý và hoạch định chính sách:

• Cung cấp luận cứ khoa học thực chứng cho các cơ quan quản lý nhà nước (Bộ Tài nguyên và Môi trường, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn) trong việc xây dựng, ban hành các hướng dẫn kỹ thuật xử lý nước thải chăn nuôi và hoàn thiện quy chuẩn môi trường đối với lĩnh vực chăn nuôi trang trại.

Giá trị đối với doanh nghiệp, kỹ sư và chủ trang trại:

• Cung cấp giải pháp công nghệ có tính khả thi cao, hướng dẫn thiết kế chi tiết về tỷ lệ diện tích, chọn lựa giống cây (Sậy, Bèo tây, Vetiver, Thủy trúc), cách bố trí tầng lọc cát sỏi và tính toán chi phí đầu tư.
• Giúp các chủ trang trại tối ưu hóa chi phí xử lý nước thải sau biogas, giải quyết vấn đề ô nhiễm mùi hôi, Coliform và phú dưỡng nguồn nước với chi phí vận hành thấp.

Câu hỏi thường gặp

1. Nước thải chăn nuôi lợn sau hầm biogas còn chứa những chất ô nhiễm nào vượt quy chuẩn? Nước thải sau biogas vẫn chứa hàm lượng ô nhiễm cao với COD trung bình 800 mg/L (391–1792 mg/L), TN 307 mg/L (115–531 mg/L), N-NH4+ 289 mg/L (110–506 mg/L), TP 62,1 mg/L (19–127 mg/L), SS 1431 mg/L và Total Coliform 226.10^4 MPN/100ml. Hầm biogas chỉ phân hủy một phần chất hữu cơ dễ phân hủy nhưng hầu như không xử lý được nitơ và photpho, gây nguy cơ phú dưỡng hóa nghiêm trọng nếu thải trực tiếp.

2. Những loài thực vật thủy sinh nào thể hiện khả năng chống chịu và xử lý tốt nhất trong luận án? Trong số 8 loài khảo sát, cây Sậy (Phragmites australis), Bèo tây (Eichhornia crassipes), Thủy trúc (Cyperus alternifolius) và Cỏ Vetiver (Vetiveria zizanioides) là những loài có khả năng chống chịu tốt nhất với nồng độ cao của COD, amoni, nitrat và biến động pH, đồng thời đạt hiệu suất loại bỏ chất hữu cơ, nitơ và photpho cao nhất.

3. Tại sao hệ thống phối hợp đa thực vật lại cho hiệu quả xử lý cao hơn hệ thống đơn loài? Hệ phối hợp kết hợp được ưu thế sinh học của từng nhóm thực vật: Bèo tây ở tầng mặt phát triển mạng lưới rễ dày đặc giúp lọc giữ cặn lơ lửng, hấp thu chất hữu cơ hòa tan; Sậy và Vetiver ở bãi lọc dòng ngầm đâm rễ sâu vào lớp sỏi cát, cung cấp oxy vùng rễ tạo nên các đới vi hiếu khí xen kẽ kỵ khí, thúc đẩy đồng thời cả hai quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa, nâng cao hiệu suất xử lý TN và TP.

4. Mô hình sinh thái ứng dụng tại hiện trường trang trại Hòa Bình Xanh có quy mô công suất bao nhiêu và mang lại hiệu quả gì? Mô hình hiện trường được xây dựng với công suất thiết kế 30 m3/ngày đêm đặt sau công đoạn xử lý vi sinh kỵ khí. Hệ thống đã xử lý bổ sung thành công COD, TN, TP và Coliform, đưa nước thải đầu ra đạt quy chuẩn xả thải theo quy định với chi phí xây dựng thấp và chi phí vận hành tối thiểu.

5. So sánh ưu nhược điểm kỹ thuật giữa hệ thống đất ngập nước dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm? Hệ thống dòng chảy mặt có ưu điểm chi phí xây dựng thấp, vận hành đơn giản, diện tích mặt nước thoáng tạo cảnh quan nhưng nhược điểm là cần diện tích đất lớn, hiệu quả khử N, P kém hơn, dễ phát sinh mùi hôi và muỗi. Hệ thống dòng chảy ngầm cần ít diện tích hơn, khử triệt để mùi hôi và côn trùng, loại bỏ TSS, COD, Coliform rất tốt nhưng chi phí vật liệu cát sỏi cao hơn và có nguy cơ tắc nghẽn nếu nước thải đầu vào chứa nhiều cặn lơ lửng.

Kết luận

Luận án của tác giả Vũ Thị Nguyệt đã giải quyết trọn vẹn bài toán ô nhiễm nitơ, photpho và chất hữu cơ thứ cấp trong nước thải chăn nuôi lợn sau xử lý biogas bằng công nghệ sinh thái sử dụng thực vật thủy sinh. Thông qua chuỗi thực nghiệm bài bản từ phòng thí nghiệm, pilot đến mô hình hiện trường 30 m3/ngày đêm tại Lương Sơn (Hòa Bình), công trình đã xác lập cơ sở dữ liệu sinh lý của 8 loài TVTS bản địa và lựa chọn được cấu trúc công nghệ phối hợp tối ưu gồm Sậy, Bèo tây, Vetiver và Thủy trúc. Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi, hiệu quả xử lý cao và chi phí thấp của công nghệ sinh thái, đóng góp giải pháp kỹ thuật có giá trị thực tiễn cho định hướng phát triển chăn nuôi trang trại bền vững tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Tổng quan về nước thải chăn nuôi lợn 1. Vài nét về tình hình chăn nuôi lợn trang trại Chăn nuôi trang trại là định hướng phát triển của ngành chăn nuôi. Nếu vào năm 2011, số đầu lợn tại các trang trại ước tính chiếm 15 - 16% tổng đàn và sản lượng thịt lợn xuất chuồng chiếm 28 - 30% tổng sản lượng thịt lợn hơi xuất chuồng trong cả nước thì đến 2014, đàn lợn trong các trang trại chăn nuôi chiếm khoảng 35% tổng đàn, 40 - 45% về tổng sản lượng thịt lợn xuất chuồng [2 - 4].

Điều này cho thấy định hướng phát triển chăn nuôi trang trại đang diễn ra trong thực tiễn nước ta. Theo thống kê năm 2014, cả nước có 26,7 triệu con lợn. Về số trang trại chăn nuôi nói chung cả nước có 10. Theo vùng sinh thái, vùng Đồng bằng sông Hồng có số trang trại nhiều nhất, chiếm tới 34,8%.

Trong vùng này, Hà Nội đứng đầu với 979 trang trại. Phân bố số lợn và trang trại chăn nuôi theo vùng sinh thái Năm 2014 Năm 2016 TT Vùng Số trang Số lợn Tỷ lệ % trại nói Số lợn Tỷ lệ % chung 1 Cả nước 26.398 25,5 Sông Hồng Hà Nội 1.528 24,7 trung du Hòa Bình 393.900 Bắc Trung Bộ 4 & Duyên Hải 5.643 18,6 Miền Trung 5 Tây Nguyên 1.281 6,5 6 Đông Nam Bộ 2.493 11,6 Đồng Bằng 7 sông Cửu 3.971 13,1 Long Nguồn: Thống kê chăn nuôi Việt Nam [3, 5] 5 Theo thống kê năm 2016, cả nước có 29 triệu lợn, trong đó vùng đồng bằng sông Hồng có số lượng lợn lớn nhất là 7,4 triệu lợn (26%), tiếp đến là miền núi và trung du 7,2 triệu lợn (25%), thấp nhất là Tây Nguyên có 1,9 triệu lợn (7%). Trong 29 triệu con lợn, tăng 4,5%, trong đó lợn thịt có 24,7 triệu con, tăng 4,6% so với cùng kỳ 2015 [5]. Như vậy, theo thời gian, mỗi năm đàn lợn lại tăng lên (bảng 1.

Tuy nhiên, cùng với sự gia tăng đàn vật nuôi thì tình trạng ô nhiễm môi trường do chất thải chăn nuôi cũng đang gia tăng. Số lượng lợn cả nước (tính đến tháng 10/2016) Tăng, So sánh Đ.vị 1/10/2014 1/10/2015 1/04/2016 1/10/2016 giảm (%) 2016/ tính 2016-2015 2015 Tổng số Lợn Con 26.992 104 Lợn thịt Con 22.256 105 Lợn đực giống Con 68.056 107 Số con lợn thịt xuất chuồng Con 47.022 100 Sản lượng thịt xuất chuồng Tấn 3.922 105 Số con lợn sữa xuất chuồng Con 3.593 92 SL lợn sữa xuất chuồng Tấn 25.618 87 Nguồn: Thống kê chăn nuôi Việt Nam 01/10/2016, Chăn nuôi Việt Nam [5] 1. Ô nhiễm môi trường do chăn nuôi lợn gây ra tại Việt Nam Theo khảo sát của nhóm nghiên cứu đề tài KC. Các thông số khảo sát gồm: - Diện tích trang trại, số chuồng, diện tích mỗi chuồng - Số lượng vật nuôi - Nguồn nước, lượng sử dụng (m3/ngày) - Lượng thức ăn tiêu thụ (kg/ngày) - Nước thải - Biện pháp thu gom, xử lý chất thải Về lượng nước tiêu thụ, kết quả khảo sát tại một số trang trại chăn nuôi lợn với số lượng từ 1000 con trở lên (bao gồm lợn thịt, nái và hậu bị) cho thấy lượng nước tiêu thụ có sự biến động lớn, dao động từ 15 đến 60 lít/đầu lợn/ngày đêm (bảng 1.

6 Lượng phân thải ra trong một ngày đêm tùy thuộc vào giống, loài, tuổi và khẩu phần ăn. Lượng phân lợn thải ra mỗi ngày có thể ước tính 6 - 8% khối lượng của vật nuôi. Số đầu lợn và lượng nước tiêu thu tại một số trang trại điển hình Lượng nước tiêu thụ TT Trang trại Số đầu lợn nuôi (m3/ng. 1000 70-80 2 VP3 1800 120 3 VP5 1600 100 4 VP8 1300 100 5 TB1 1320 90 6 TB2 6600 100 7 TB3 3320 100 8 TB4 1700 80 9 TB5 2750 60 10 TB6 4000 250 11 HY1 1040 40 12 HY2 1320 20-30 13 HY3 1380 60 14 HN1 590 20-30 15 HN2 690 40 16 HB1 1400 40 Ghi chú: VP: Vĩnh Phúc, TB: Thái Bình, HY: Hưng Yên, HN: Hà Nội và HB: Hòa Bình Nguồn: Báo cáo tổng kết đề tài KC08.04/11-15 [6] Khảo sát của tổ chức JICA và Viện CNMT trước đây tại 5 trang trại chăn nuôi lợn điển hình cho thấy lượng nước tiêu thụ từ 10 - 40 lít/đầu lợn/ng.đêm, trong khi đó, tại Nhật Bản con số này là 20 - 30 lit.

Với 4293 trang trại chiếm 35% số đầu lợn trong cả nước (9,345 triệu lợn), nếu trung bình lượng nước thải là 25 - 30 lít/con, lượng nước thải ra một năm là con số đáng kể [7]. Về thành phần và mức độ ô nhiễm của nước thải chăn nuôi lợn trang trại, kết quả khảo sát được tổng hợp ở bảng 1. Trước biogas, lượng COD, TN, TP trong nước thải rất cao với các số liệu tương ứng là 3587 mg/L, 343 mg/L và 92 mg/L. Sau khi được xử lý kỵ khí bằng hầm biogas các thông số trên giảm còn tương ứng 800 mg/L; 307mg/L và 62mg/L.

Lượng ôxy hòa tan trong nước thải trước biogas hầu như không còn sau xử lý biogas cũng không đáng kể. Một trong các yếu tố gây ô nhiễm nghiêm trọng nước thải chăn nuôi lợn là lượng coliform. Kết quả khảo sát của đề tài cho thấy rằng lượng coliform trong nước thải vượt tiêu chuẩn cho phép nhiều lần. Điều này không chỉ đối với nước thải từ chuồng trại mà cả nước sau biogas.

Trong nước thải trước khi vào hầm biogas, lượng 7 coliform là 372.104MPN/100 ml, còn nước sau xử lý bằng biogas chứa 226. Thành phần và mức độ ô nhiễm nước thải chăn nuôi lợn trang trại. QCVN Trước biogas Sau biogas 62-MT:2016/ Thông số BTNMT Trung Trung Min-Max Min-Max Cột A Cột B bình bình pH 7,56 7,30-7,87 7,76 7,19-7,90 6,0 – 9,0 5,5 – 9,0 T0 (0C) 30,35 29-32 30,35 28,2-32,6 - - DO (mg/L) 0,00 0-0 0,08 0-0,60 - - COD (mg/L) 3587 860-4590 800 391-1792 100 300 TN (mg/L) 343 167-907 307 115-531 50 150 N-NH+4 315 130- 870 289 110-506 - - (mg/L) TP (mg/L) 92,2 250-295 62,1 19-127 SS (mg/L) 2248 520-9520 1431 360-3280 50 150 Total Coliform 372.104 - - (MPN/100ml) Nguồn: Báo cáo tổng kết đề tài KC08.4 có thể nhận thấy rằng nước thải sau quá trình xử lý bằng hầm biogas chứa hàm lượng cao các chất gây ô nhiễm môi trường. Hàm lượng COD, tổng N, tổng P, coliform,.

vượt rất nhiều lần quy định theo loại B (QCVN40: 2011- BTNMT). Vì vậy, nếu thải ra môi trường sẽ gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và đời sống của sinh vật thủy sinh. Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải phụ thuộc vào thành phần của phân, nước tiểu gia súc, lượng thức ăn rơi vãi, mức độ và phương thức thu gom phân như số lần thu gom, phương pháp vệ sinh chuồng trại (có hót phân hay không hót phân, trước khi rửa chuồng trại), lượng nước dùng tắm gia súc và vệ sinh chuồng trại [8, 9]. Phùng Đức Tiến và cs (2009) [10], Trịnh Quang Tuyên và cs (2010) [11] đánh giá thực trạng ô nhiễm môi trường trong chăn nuôi nói chung cũng chỉ ra: Tình hình xử lý chất thải còn chưa được quan tâm đúng mức.

Tỷ lệ cơ sở chăn nuôi có khu xử lý chất thải rất thấp. Phương thức xử lý còn rất thô sơ chủ yếu là ủ phân tươi và phân nhỏ xử lý bằng biogas. Còn lại một tỷ lệ lớn chất thải đổ trực tiếp ra môi trường. Môi trường chăn nuôi bị ô nhiễm nặng.

Nước thải chăn nuôi không được xử lý gây ô nhiễm nặng nề môi trường xung quanh, đặc biệt là các chỉ tiêu vi sinh vật. Đây là một nguồn 8 lây lan dịch bệnh. Hàm lượng Coliform cao hơn mức cho phép là 78,1 - 630,4 lần. Mức độ ô nhiễm có xu hướng tăng theo quy mô chăn nuôi.

Chăn nuôi trang trại với mức tập trung cao, không có biện pháp xử lý chất thải có mức độ ô nhiễm cao hơn. Trong ba đối tượng vật nuôi (lợn, bò và gia cầm), chăn nuôi lợn có mức độ ô nhiễm cao nhất. Trịnh Quang Tuyên (2010) [11] tiến hành khảo sát hiện trạng ô nhiễm nước thải trong chăn nuôi lợn tập trung cho thấy COD trong nước thải trước biogas so với chỉ tiêu nước thải cho phép loại B (QCVN 40:2011) đều vượt quá giới hạn 11,7 đến 15,6 lần. Nước thải sau biogas vẫn vượt 2,5 lần đến 3,3 lần, nước thải ra ngoài môi trường còn vượt tiêu chuẩn 1,6 đến 2,0 lần.

Chỉ tiêu BOD5 của nước thải trước biogas so với chỉ tiêu nước thải cho phép loại B đều vượt quá giới hạn cho phép với vượt từ 6,9 đến 12,4 lần, sau biogas và sau ao chứa nước thải vượt 2,8 lần đến 3,5 lần, nước thải ra ngoài đều vượt chuẩn cho phép từ 1,3 đến 2,2 lần. Các chỉ tiêu NO3-, tổng P, coliform của nước thải tại các tỉnh điều tra đều vượt mức cho phép nhiều lần. Vũ Thị Khánh Vân và cs (2013) [12], điều tra về thực trạng ô nhiễm nước thải chăn nuôi được tiến hành trên 102 trang trại chăn nuôi lợn công nghiệp có quy mô từ 100 lợn thịt trở lên hoặc trên 20 lợn nái quy đổi tại 3 tỉnh/ thành phố trên cả nước bao gồm Thái Bình (41 trang trại), Đà Nẵng (30 trang trại) và Đồng Nai (31 trang trại). Kết quả nghiên cứu cho thấy, khoảng 30% số trang trại áp dụng hình thức thu gom chất thải rắn và lỏng tách riêng và khoảng 60% số trang trại thu gom chất thải theo hướng hỗn hợp.

Trong đó, tỷ lệ trang trại xử lý chất thải bằng biogas là 53% ở miền Nam, 60% ở miền Bắc và 42% ở miền Trung. Tuy nhiên, trong các trang trại có xử lý biogas, có đến 57%, 71% và 87% trang trại lần lượt ở 3 miền Bắc, Trung, Nam xả thải biogas thừa trực tiếp ra môi trường. Hàm lượng Coliform tổng số của nước thải sau biogas, nước rửa chuồng và nước ở hố tắm cho lợn đều vượt quá tiêu chuẩn cho phép (theo QCVN 40:2011-BTNMT) 4 - 2. Hàm lượng BOD5 và COD trong nước thải sau biogas của các trang trại chăn nuôi ở miền Bắc vượt cao hơn 10 và 20 lần so với ngưỡng cho phép.

Kết quả điều tra hiện trạng một số cơ sở chăn nuôi thuộc các tỉnh Hưng Yên, Thái Bình, Vĩnh Phúc, Hòa Bình và Hà Nội trong khuôn khổ đề tài KC08.04/11-15 do nhóm nghiên cứu thực hiện cũng cho thấy: Tại hầu hết các trang trại khảo sát, lượng COD, TN và TP của nước thải sau khi xử lý bằng hầm biogas đều còn rất cao, dao động từ 714 đến 4590 mg/L với COD, từ 531 - 1131 mg/L với TN và 127 - 146 mg/L với TP.