Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa tại Việt Nam, nông nghiệp vẫn giữ vị trí trọng yếu đối với kinh tế – xã hội khi có khoảng 70% dân số sinh sống ở khu vực nông thôn. Ngành chăn nuôi, đặc biệt là chăn nuôi lợn, ghi nhận sự gia tăng nhanh về số lượng và quy mô tập trung. Theo thống kê năm 2014, tổng đàn lợn cả nước đạt khoảng 28,6 triệu con, thải ra môi trường từ 75 đến 85 triệu tấn phân mỗi năm. Tình trạng phát triển chăn nuôi thiếu quy hoạch đồng bộ, chuồng trại chưa đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật dẫn đến sự ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.
Nước thải chăn nuôi lợn chứa hàm lượng rất cao các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học (cacbonhydrat, protein, lipid), các chất dinh dưỡng vô cơ (chủ yếu là nitơ và phospho), cùng nhiều vi sinh vật gây bệnh như Salmonella, Leptospira, Clostridium, vi khuẩn đóng dấu (Erysipelothrix insidiosa) và trứng ấu trùng giun sán. Quá trình phân hủy kỵ khí tự nhiên phát sinh các khí độc như $\text{NH}_3$, $\text{H}_2\text{S}$, $\text{CH}_4$, $\text{CO}_2$, gây suy giảm chất lượng không khí, ảnh hưởng đến hệ hô hấp, tim mạch của con người và vật nuôi, đồng thời gây axit hóa đất và ô nhiễm các tầng nước mặt, nước ngầm.
Thực tế tại các trang trại cho thấy, nước thải sau khi đi qua hầm ủ biogas kỵ khí vẫn còn nồng độ các chất ô nhiễm vượt xa quy chuẩn môi trường: chỉ tiêu $\text{COD}$ dao động từ $775,53$ đến $1985,98\text{ mg/l}$, tổng nitơ ($\text{T-N}$) từ $744,59$ đến $1114,24\text{ mg/l}$ (chủ yếu tồn tại dưới dạng $\text{NH}_4^+$ từ $703,82$ đến $892,11\text{ mg/l}$) và tổng phospho ($\text{T-P}$) từ $50,04$ đến $115,24\text{ mg/l}$. Do đó, việc nghiên cứu các giải pháp xử lý bổ sung sau giai đoạn kỵ khí bằng phương pháp sinh học thân thiện với môi trường, chi phí thấp là yêu cầu cấp thiết.
Khóa luận xác định mục đích và các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể như sau:
- Mục đích nghiên cứu: Đánh giá hiệu suất xử lý các hợp chất vô cơ của nitơ, phospho và $\text{COD}$ trong nước thải chăn nuôi lợn sau khâu xử lý vi sinh của hệ thống thực vật thủy sinh phối hợp giữa bèo tây và cỏ Vetiver, qua đó đưa ra mô hình xử lý thích hợp ứng dụng cho quy mô lớn hơn.
- Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu:
- Xác định các chỉ tiêu hóa lý của nước thải chăn nuôi sau quá trình vi sinh để làm cơ sở cho việc đề xuất các phương án xử lý và lựa chọn phương án khả thi nhất để tính toán thiết kế.
- Xác định hiệu suất xử lý của hệ thống đối với các chất: Nitơ (các dạng $\text{NH}_4^+$, $\text{NO}_2^-$, $\text{NO}_3^-$, $\text{T-N}$), Phospho (dạng $\text{PO}_4^{3-}$, $\text{T-P}$) và $\text{COD}$.
- Xác định các thông số vận hành hệ thống nhằm áp dụng xử lý ở quy mô lớn (theo các mức tải lượng dòng chảy khác nhau).
- Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Cây bèo tây (Eichhornia crassipes Solms), cỏ Vetiver (Vetiveria zizanioides L.) và nước thải chăn nuôi lợn sau xử lý kỵ khí thu gom tại Trung tâm nghiên cứu lợn Thụy Phương (Viện Chăn nuôi).
- Phạm vi nghiên cứu: Khảo sát mô hình kết hợp nối tiếp gồm bèo tây (dòng chảy mặt) và cỏ Vetiver (dòng chảy ngầm) tiếp nhận nguồn nước thải đã qua xử lý sơ bộ qua hệ thống thủy trúc.
- Địa điểm và thời gian thực hiện: Viện Công nghệ môi trường – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, từ tháng 11/2014 đến tháng 05/2015.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết và cơ chế xử lý của thực vật thủy sinh
Nghiên cứu ứng dụng nguyên lý của công nghệ đất ngập nước nhân tạo (Constructed Wetland), khai thác tương tác cộng sinh giữa hệ thực vật thủy sinh và quần xã vi sinh vật vùng rễ:
- Bèo tây (Eichhornia crassipes): Thuộc nhóm thực vật thủy sinh trôi nổi (Floating plants), có tốc độ tăng trưởng sinh khối từ $10,33$ đến $19,15\text{ kg/ha/ngày}$, có khả năng tăng gấp đôi sinh khối trong 14 ngày. Hệ rễ chìm phát triển mạnh đóng vai trò làm giá thể cho vi sinh vật bám dính, đồng thời che chắn bề mặt hạn chế sự phát triển của tảo nở hoa.
- Cỏ Vetiver (Vetiveria zizanioides): Cây thân thảo có bộ rễ đồ sộ ăn sâu (đạt tới $3,6\text{ m}$ sau 12 tháng), đường kính rễ mịn ($0,5 - 1,0\text{ mm}$) tạo diện tích tiếp xúc lớn. Cây có sức chống chịu biên độ nhiệt từ $-10^\circ\text{C}$ đến $48^\circ\text{C}$, chịu ngập úng tới 45 ngày ở độ sâu $0,6 - 0,8\text{ m}$ và thích nghi tốt với môi trường pH khắc nghiệt.
- Cơ chế loại bỏ chất ô nhiễm:
- Nitơ: Chuyển hóa qua các quá trình nitrat hóa (amoni $\text{NH}_4^+$ chuyển thành nitrit $\text{NO}_2^-$ rồi thành nitrat $\text{NO}_3^-$ nhờ vi khuẩn hiếu khí vùng rễ) và khử nitrat (chuyển $\text{NO}_3^-$ thành khí $\text{N}_2$ trong điều kiện thiếu khí/kỵ khí tại lớp trầm tích đáy khi có nguồn cacbon), kết hợp sự hấp thu trực tiếp của thực vật và bay hơi amoniac.
- Phospho: Loại bỏ thông qua sự đồng hóa của vi sinh vật, sự hấp thu vào mô thực vật và quá trình hấp phụ/lắng đọng trên bề mặt giá thể.
- Chất hữu cơ ($\text{COD}$): Phân hủy sinh học bởi vi sinh vật hiếu khí và kỵ khí bám dính trên hệ thống rễ cây và lớp sỏi/đất nền.
Phương pháp bố trí và vận hành thí nghiệm
Thí nghiệm được thiết kế theo mô hình dòng chảy phối hợp gồm hai bậc kế tiếp nhau:
- Bể bèo tây: Vận hành theo công nghệ dòng chảy bề mặt (Free water surface constructed wetland).
- Bể cỏ Vetiver: Vận hành theo công nghệ dòng chảy ngầm (Subsurface flow wetland).
Các mô-đun được bố trí trong thùng xốp kích thước trong $45\text{ cm} \times 32\text{ cm} \times 28\text{ cm}$ (dài $\times$ rộng $\times$ sâu). Nước thải được cấp và thu gom định kỳ bằng hệ thống nhỏ giọt. Quá trình vận hành khảo sát trên hai mức tải lượng thủy lực:
- Tải lượng $8\text{ lít/ngày}$: Thời gian lưu nước danh định tính toán đạt $T \approx 4,68 \approx 5\text{ ngày}$. Lấy mẫu phân tích tại 4 thời điểm: ngày 0 (08/04/2015), ngày 7 (15/04/2015), ngày 13 (21/04/2015) và ngày 29 (07/05/2015).
- Tải lượng $15\text{ lít/ngày}$: Thời gian lưu nước danh định tính toán đạt $T \approx 2,496 \approx 3\text{ ngày}$. Lấy mẫu phân tích tại 4 thời điểm: ngày 0 (13/05/2015), ngày 2 (15/05/2015), ngày 6 (19/05/2015) và ngày 9 (21/05/2015).
Phương pháp phân tích các chỉ tiêu hóa lý
Mẫu nước thải tại các vị trí đầu vào, sau bể bèo tây và đầu ra sau bể cỏ Vetiver được phân tích theo các phương pháp tiêu chuẩn của APHA (Mỹ, 1995) và quy trình chuẩn của phòng thí nghiệm UMR Sisyphe (Đại học Paris VI, Pháp) trên máy quang phổ hấp thụ phân tử UV-Vis 2450 (Shimadzu, Nhật Bản):
| Chỉ tiêu phân tích |
Đơn vị |
Phương pháp và nguyên lý hóa học |
Bước sóng đo quang ($\lambda$) |
| Amoni ($\text{N-NH}_4^+$) |
$\text{mg/l}$ |
Phản ứng giữa $\text{NH}_3$ với thuốc thử Nessler ($\text{K}_2\text{HgI}_4$) trong môi trường kiềm có muối Rochelle ($\text{KNaC}_4\text{H}_4\text{O}_6\cdot 4\text{H}_2\text{O}$) tạo phức màu vàng nâu. |
$410\text{ nm}$ |
| Tổng Nitơ ($\text{T-N}$) |
$\text{mg/l}$ |
Vô cơ hóa mẫu bằng $\text{H}_2\text{SO}_4$ đun sôi 2 giờ, chưng cất thu hồi amoniac vào dung dịch $\text{H}_2\text{SO}_4$ $0,02\text{N}$, so màu bằng thuốc thử Nessler. |
$410\text{ nm}$ |
| Nitrat ($\text{NO}_3^-$) |
$\text{mg/l}$ |
Phản ứng giữa ion nitrat với Brucine-sulfanilic trong môi trường axit $\text{H}_2\text{SO}_4$ ở $100^\circ\text{C}$ tạo phức màu vàng. |
$410\text{ nm}$ |
| Nitrit ($\text{NO}_2^-$) |
$\text{mg/l}$ |
Phản ứng diazo hóa giữa nitrit với sulfanilamide và $\alpha$-naphthylamin tạo hợp chất màu hồng. |
$520 - 540\text{ nm}$ |
| Photphat ($\text{PO}_4^{3-}$) |
$\text{mg/l}$ |
Phản ứng với amoni molybdat và axit ascorbic có xúc tác kali antimon tartrat tạo phức màu xanh photphomolybdic. |
$880\text{ nm}$ |
| Tổng Phospho ($\text{T-P}$) |
$\text{mg/l}$ |
Chuyển hóa toàn bộ phospho hữu cơ thành orthophotphat bằng $\text{K}_2\text{S}_2\text{O}_8$ trong môi trường axit đun 120 phút, sau đó đo màu photphat. |
$880\text{ nm}$ |
| Nhu cầu oxy hóa học ($\text{COD}$) |
$\text{mg/l}$ |
Oxy hóa các hợp chất hữu cơ bằng dung dịch $\text{K}_2\text{Cr}_2\text{O}_7$ $0,25\text{N}$ trong môi trường axit $\text{H}_2\text{SO}_4$, đun kín ở $150^\circ\text{C}$ trong 2 giờ, đo độ suy giảm quang phổ. |
$600\text{ nm}$ |
Nội dung chính theo từng phần của khóa luận
Phần 1: Mở đầu
Tác giả trình bày tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ thực trạng ô nhiễm môi trường do chất thải chăn nuôi lợn tại Việt Nam, đặc biệt là lượng phân và nước thải lớn phát sinh hàng năm. Phân tích rõ những tác hại đối với nguồn nước ngầm, nước mặt và sức khỏe cộng đồng từ các khí độc ($\text{NH}_3$, $\text{H}_2\text{S}$) và vi sinh vật gây bệnh. Xác định rõ mục đích, 3 mục tiêu cụ thể và ý nghĩa khoa học – thực tiễn của việc kết hợp hai loài thực vật thủy sinh nhằm xử lý triệt để các chất dinh dưỡng và chất hữu cơ sau xử lý kỵ khí.
Phần 2: Tổng quan tài liệu
Chương tổng quan tập trung hệ thống hóa:
- Đặc tính nước thải chăn nuôi lợn tại các trại tập trung (Đan Phượng, Thụy Phương, Tam Điệp, Gia Điệp, Nam Hồng) với nồng độ $\text{BOD}_5$ từ $783,4$ đến $1339,4\text{ mg/l}$, $\text{COD}$ từ $2224,6$ đến $3397,6\text{ mg/l}$ và $\text{N-tổng}$ từ $204,8$ đến $332,8\text{ mg/l}$.
- Cơ chế sinh học làm sạch môi trường nước của 3 nhóm thực vật thủy sinh (chìm, nổi, nửa ngập nước).
- Ưu, nhược điểm của công nghệ đất ngập nước nhân tạo và các kiểu dòng chảy (dòng chảy mặt, dòng chảy ngầm ngang/đứng, dòng chảy phối hợp).
- Đặc điểm thực vật học, sinh thái học và khả năng hấp thụ kim loại nặng, dinh dưỡng của bèo tây (Eichhornia crassipes) và cỏ Vetiver (Vetiveria zizanioides).
- Tổng kết các công trình nghiên cứu tiêu biểu trên thế giới (Mỹ, Pháp, Đức, Trung Quốc, Australia) và tại Việt Nam liên quan đến xử lý nước thải sinh hoạt, công nghiệp và chăn nuôi bằng thực vật.
Phần 3: Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu
Trình bày chi tiết thông số nguồn nước thải đầu vào từ hầm biogas Trung tâm nghiên cứu lợn Thụy Phương: pH $7,83 - 8,20$; $\text{TSS}$ $5460 - 9450\text{ mg/l}$; $\text{COD}$ $775,53 - 1985,98\text{ mg/l}$; $\text{NH}_4^+$ $703,82 - 892,11\text{ mg/l}$; $\text{T-N}$ $744,59 - 1114,24\text{ mg/l}$; $\text{T-P}$ $50,04 - 115,24\text{ mg/l}$. Mô tả quy trình nhân giống, thuần hóa thực vật trong dung dịch dinh dưỡng thủy canh, kết cấu bể thí nghiệm thùng xốp và phương pháp nhỏ giọt thu mẫu nước. Trình bày chi tiết nguyên lý hóa học và quy trình thực hiện giải tích cho 7 chỉ tiêu chất lượng nước trên máy đo quang UV-Vis 2450.
Phần 4: Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Chương kết quả phản ánh diễn biến chi tiết của quá trình xử lý qua từng chỉ tiêu ở hai chế độ vận hành:
- Tại tải lượng $8\text{ lít/ngày}$ (thời gian lưu 5 ngày): Hệ thống đạt hiệu suất cao đối với $\text{NO}_2^-$ ($99,70%$), $\text{NH}_4^+$ ($84,06%$), $\text{COD}$ ($77,85%$), $\text{T-P}$ ($84,47%$) và $\text{PO}_4^{3-}$ ($64,65%$) sau 29 ngày vận hành. Bèo tây thể hiện ưu thế vượt trội trong xử lý $\text{COD}$, $\text{NO}_3^-$ và $\text{NO}_2^-$, trong khi cỏ Vetiver xử lý $\text{T-P}$ hiệu quả hơn.
- Tại tải lượng $15\text{ lít/ngày}$ (thời gian lưu 3 ngày): Hệ thống đạt hiệu suất xử lý $\text{NO}_2^-$ từ $85,08%$ đến $86,67%$, $\text{NH}_4^+$ từ $58,88%$ đến $62,01%$, $\text{T-N}$ từ $39,73%$ đến $42,23%$, $\text{PO}_4^{3-}$ từ $40,36%$ đến $50,45%$ và $\text{T-P}$ từ $41,18%$ đến $50,39%$. Nồng độ đầu ra của hầu hết các chỉ tiêu đều giảm sâu.
- Phân tích mối quan hệ tương hỗ giữa các quá trình nitrat hóa và khử nitrat trong việc biến đổi nồng độ $\text{NH}_4^+$, $\text{NO}_2^-$ và $\text{NO}_3^-$.
Phần 5: Kết luận và đề nghị
Đưa ra kết luận tổng hợp về hiệu quả làm sạch nước thải của hệ thống phối hợp ở hai mức tải lượng và khả năng đáp ứng QCVN 40:2011/BTNMT. Nêu các kiến nghị về việc áp dụng mô hình và các định hướng nghiên cứu hoàn thiện.
Kết quả và đóng góp
Số liệu thực nghiệm chi tiết
Kết quả phân tích nồng độ trung bình các chỉ tiêu ô nhiễm qua các công đoạn xử lý ở hai mức tải lượng được tổng hợp trong bảng sau:
| Chỉ tiêu phân tích |
Đơn vị |
Tải lượng $8\text{ lít/ngày}$ (HRT $\approx 5\text{ ngày}$) |
|
|
Tải lượng $15\text{ lít/ngày}$ (HRT $\approx 3\text{ ngày}$) |
|
|
Quy chuẩn so sánh (QCVN 40:2011/BTNMT) |
|
|
Đầu vào |
Sau Bèo |
Sau Cỏ (Đầu ra) |
Đầu vào |
Sau Bèo |
Sau Cỏ (Đầu ra) |
|
| $\text{NH}_4^+$ |
$\text{mg/l}$ |
$13,453$ |
$9,866$ |
$8,190$ |
$2,514$ |
$0,870$ |
$1,033$ |
Cột B: $10\text{ mg/l}$; Cột A: $5\text{ mg/l}$ |
| $\text{NO}_2^-$ |
$\text{mg/l}$ |
$11,523$ |
$1,651$ |
$0,422$ |
$0,788$ |
$0,573$ |
$0,118$ |
-- |
| $\text{NO}_3^-$ |
$\text{mg/l}$ |
$13,330$ |
$6,553$ |
$4,948$ |
$9,680$ |
$6,652$ |
$5,666$ |
-- |
| $\text{T-N}$ |
$\text{mg/l}$ |
$51,002$ |
$38,526$ |
$29,493$ |
$31,998$ |
$25,794$ |
$19,287$ |
Cột B: $40\text{ mg/l}$; Cột A: $20\text{ mg/l}$ |
| $\text{PO}_4^{3-}$ |
$\text{mg/l}$ |
$5,516$ |
$4,431$ |
$3,650$ |
$4,460$ |
$3,385$ |
$2,660$ |
-- |
| $\text{T-P}$ |
$\text{mg/l}$ |
$6,911$ |
$6,410$ |
$4,651$ |
$4,535$ |
$3,358$ |
$2,668$ |
Cột B: $6\text{ mg/l}$; Cột A: $4\text{ mg/l}$ |
| $\text{COD}$ |
$\text{mg/l}$ |
$91,548$ |
$53,772$ |
$36,696$ |
$88,498$ |
$67,441$ |
$51,621$ |
Cột A: $75\text{ mg/l}$ |
Biến động hiệu suất xử lý của từng loài thực vật và toàn hệ thống tại các mốc thời gian thực nghiệm:
| Chỉ tiêu |
Mức tải lượng |
Hiệu suất sau Bèo tây (%) |
Hiệu suất sau Cỏ Vetiver (%) |
Hiệu suất toàn hệ thống (%) |
| $\text{NH}_4^+$ |
$8\text{ l/ngày}$ (ngày 29)
$15\text{ l/ngày}$ (ngày 9) |
$82,90%$
$84,09%$ |
$78,26%$
$90,81%$ |
$84,06%$
$58,88%$ |
| $\text{NO}_2^-$ |
$8\text{ l/ngày}$ (ngày 29)
$15\text{ l/ngày}$ (ngày 9) |
$95,92%$
$61,27%$ |
$97,88%$
$53,75%$ |
$99,70%$
$85,08%$ |
| $\text{NO}_3^-$ |
$8\text{ l/ngày}$ (ngày 29)
$15\text{ l/ngày}$ (ngày 9) |
$71,58%$
$55,06%$ |
$0,00%$
$38,97%$ |
$36,41%$
$41,46%$ |
| $\text{T-N}$ |
$8\text{ l/ngày}$ (ngày 29)
$15\text{ l/ngày}$ (ngày 9) |
$34,50%$
$16,03%$ |
$32,65%$
$14,34%$ |
$49,12%$
$39,73%$ |
| $\text{PO}_4^{3-}$ |
$8\text{ l/ngày}$ (ngày 29)
$15\text{ l/ngày}$ (ngày 9) |
$57,85%$
$15,70%$ |
$55,99%$
$13,74%$ |
$64,65%$
$40,36%$ |
| $\text{T-P}$ |
$8\text{ l/ngày}$ (ngày 29)
$15\text{ l/ngày}$ (ngày 9) |
$74,65%$
$27,01%$ |
$82,53%$
$20,18%$ |
$84,47%$
$41,18%$ |
| $\text{COD}$ |
$8\text{ l/ngày}$ (ngày 29)
$15\text{ l/ngày}$ (ngày 9) |
$46,04%$
-- |
$62,30%$
-- |
$77,85%$
-- |
Đóng góp khoa học và giải pháp đề xuất
- Đánh giá hiệu quả quy chuẩn:
- Ở tải lượng $8\text{ lít/ngày}$ (thời gian lưu 5 ngày), nước thải đầu ra đạt tiêu chuẩn Cột B QCVN 40:2011/BTNMT đối với $\text{NH}_4^+$ ($8,190\text{ mg/l} < 10\text{ mg/l}$), $\text{T-N}$ ($29,493\text{ mg/l} < 40\text{ mg/l}$), $\text{T-P}$ ($4,651\text{ mg/l} < 6\text{ mg/l}$) và đạt tiêu chuẩn Cột A đối với $\text{COD}$ ($36,696\text{ mg/l} < 75\text{ mg/l}$).
- Ở tải lượng $15\text{ lít/ngày}$ (thời gian lưu 3 ngày), nước thải đầu ra đạt tiêu chuẩn Cột A QCVN 40:2011/BTNMT đối với $\text{NH}_4^+$ ($1,033\text{ mg/l} < 5\text{ mg/l}$), $\text{T-N}$ ($19,287\text{ mg/l} < 20\text{ mg/l}$) và $\text{T-P}$ ($2,668\text{ mg/l} < 4\text{ mg/l}$).
- Cơ chế phối hợp thực vật: Nghiên cứu chứng minh sự kết hợp giữa mô hình dòng chảy mặt (bèo tây) và dòng chảy ngầm (cỏ Vetiver) giúp nâng cao tính ổn định và hiệu suất xử lý tổng thể so với các bể đơn lẻ. Bèo tây phát huy hiệu quả cao trong việc xử lý $\text{COD}$, $\text{NO}_3^-$ và $\text{NO}_2^-$, trong khi cỏ Vetiver có khả năng loại bỏ $\text{T-P}$ vượt trội (hiệu suất xử lý $\text{T-P}$ của cỏ Vetiver cao gấp $1,1 - 1,2$ lần so với bèo tây).
- Đề xuất giải pháp kỹ thuật: Do nồng độ amoni trong nước thải sau biogas rất cao ($703,82 - 892,11\text{ mg/l}$) gây độc cho thực vật, tác giả đề xuất phải có công đoạn tiền xử lý hiếu khí – thiếu khí (như bể phản ứng theo mẻ SBR) hoặc pha loãng nước thải trước khi đưa vào hệ thống bãi lọc thực vật thủy sinh.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế của nghiên cứu:
- Thí nghiệm được thực hiện ở quy mô mô hình thùng xốp trong điều kiện phòng thí nghiệm bán tự nhiên, chưa phản ánh đầy đủ các tác động phức tạp của thời tiết thực địa (mưa lớn gây loãng dòng, bốc thoát hơi nước mạnh mùa khô).
- Thời gian thực nghiệm và lấy mẫu theo các chu kỳ ngắn ($9 - 29\text{ ngày}$), chưa khảo sát được ngưỡng bão hòa hấp thụ photpho của giá thể đất/rễ và hiện tượng già cỗi sinh khối thực vật khi vận hành dài hạn.
- Phạm vi nghiên cứu mới tập trung vào 2 loài thực vật (bèo tây và cỏ Vetiver) trên nguồn nước đã qua xử lý bậc trước (thủy trúc), chưa đánh giá toàn diện chuỗi liên hoàn 4 loài (sậy, thủy trúc, bèo tây, cỏ Vetiver).
- Hướng phát triển tiếp theo:
- Triển khai mô hình ở quy mô pilot và thực tế ngoài trang trại chăn nuôi với hệ thống cấp dòng liên tục.
- Nghiên cứu chu kỳ thu hoạch sinh khối bèo tây định kỳ để duy trì tốc độ sinh trưởng tối ưu ($500 - 2000\text{ g/m}^2$) và tận dụng sinh khối làm thức ăn chăn nuôi hoặc phân bón hữu cơ.
- Tận dụng lá và thân cỏ Vetiver sau thu hoạch làm nguyên liệu thủ công mỹ nghệ hoặc phủ đất chống xói mòn.
Giá trị tham khảo
- Đối tượng sử dụng tài liệu:
- Sinh viên, học viên cao học chuyên ngành Công nghệ sinh học, Khoa học môi trường, Kỹ thuật môi trường và Nông nghiệp sinh thái.
- Kỹ sư môi trường và cán bộ kỹ thuật tại các trang trại chăn nuôi lợn tập trung quy mô vừa và nhỏ đang tìm kiếm giải pháp xử lý nước thải chi phí thấp, dễ vận hành.
- Nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu:
- Quy trình phân tích định lượng quang phổ UV-Vis cho các dạng hợp chất vô cơ của nitơ ($\text{NH}_4^+$, $\text{NO}_2^-$, $\text{NO}_3^-$, $\text{T-N}$) và photpho ($\text{PO}_4^{3-}$, $\text{T-P}$) theo chuẩn APHA và UMR Sisyphe.
- Bộ dữ liệu thực nghiệm về thời gian lưu nước ($3\text{ ngày}$ và $5\text{ ngày}$), tải lượng nạp và hiệu suất chuyển hóa nitơ – photpho qua hệ thống bãi lọc kết hợp bèo tây và cỏ Vetiver.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao nước thải sau hầm biogas cần được pha loãng hoặc xử lý sơ bộ trước khi đưa vào hệ thống thực vật?
Nước thải sau hầm biogas tại Trung tâm nghiên cứu lợn Thụy Phương có hàm lượng amoni ($\text{NH}_4^+$) rất cao, dao động từ $703,82$ đến $892,11\text{ mg/l}$. Amoni ở nồng độ cao gây độc trực tiếp cho hệ thực vật thủy sinh và ức chế sự phát triển của vi sinh vật vùng rễ. Do đó, nước thải cần được pha loãng hoặc qua các khâu xử lý hiếu khí – thiếu khí (SBR) hoặc bãi lọc sơ bộ (thủy trúc) để đưa nồng độ $\text{NH}_4^+$ về ngưỡng chịu đựng của bèo tây ($40 - 120\text{ mg/l}$) trước khi vào hệ thống chính.
2. Mô hình phối hợp giữa bèo tây và cỏ Vetiver trong khóa luận được thiết kế như thế nào?
Mô hình gồm 2 bậc nối tiếp đặt trong thùng xốp kích thước $45\text{ cm} \times 32\text{ cm} \times 28\text{ cm}$:
- Bậc 1: Bể bèo tây áp dụng công nghệ dòng chảy bề mặt (Free water surface), tận dụng hệ rễ chìm và sự che phủ bề mặt của bèo để xử lý chất hữu cơ, nitrat và ngăn chặn tảo.
- Bậc 2: Bể cỏ Vetiver áp dụng công nghệ dòng chảy ngầm (Subsurface flow), tận dụng mạng lưới rễ mịn ăn sâu để lọc cặn lơ lửng, tạo vùng hiếu khí/kỵ khí xen kẽ và hấp thụ photpho.
Nước thải được dẫn qua hệ thống phân phối và thu gom dạng nhỏ giọt.
3. Hiệu suất loại bỏ chất ô nhiễm của toàn hệ thống ở tải lượng $8\text{ lít/ngày}$ đạt bao nhiêu và có đáp ứng quy chuẩn không?
Sau 29 ngày vận hành ở tải lượng $8\text{ lít/ngày}$ (thời gian lưu nước khoảng 5 ngày), hiệu suất xử lý của toàn hệ thống đạt: $\text{NO}_2^-$ đạt $99,70%$, $\text{NH}_4^+$ đạt $84,06%$, $\text{T-P}$ đạt $84,47%$, $\text{COD}$ đạt $77,85%$, $\text{PO}_4^{3-}$ đạt $64,65%$ và $\text{T-N}$ đạt $49,12%$. Nồng độ đầu ra đạt quy chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT Cột A đối với $\text{COD}$ ($36,696\text{ mg/l}$) và Cột B đối với $\text{NH}_4^+$ ($8,190\text{ mg/l}$), $\text{T-N}$ ($29,493\text{ mg/l}$) và $\text{T-P}$ ($4,651\text{ mg/l}$).
4. Bèo tây và cỏ Vetiver có ưu thế khác nhau như thế nào trong quá trình xử lý nước thải?
Thực nghiệm cho thấy:
- Bèo tây: Xử lý hiệu quả và ổn định hơn đối với $\text{COD}$ (hiệu suất đạt $39,00 - 47,86%$), $\text{NO}_3^-$ ($71,58 - 87,54%$) và $\text{NO}_2^-$ ($76,92 - 95,92%$) nhờ khả năng che phủ mặt nước và hoạt động của vi sinh vật khử nitrat.
- Cỏ Vetiver: Xử lý vượt trội đối với tổng phospho $\text{T-P}$ (hiệu suất đạt $45,63 - 82,53%$, cao gấp $1,1 - 1,2$ lần bèo tây) nhờ bề mặt tiếp xúc lớn của hệ rễ mịn và cơ chế giữ photpho trong lớp giá thể dòng chảy ngầm.
5. Thời gian lưu nước (HRT) ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất làm sạch của hệ thống?
Thời gian lưu nước tỷ lệ thuận với hiệu quả xử lý:
- Ở tải lượng $8\text{ lít/ngày}$ (thời gian lưu $\approx 5\text{ ngày}$), hệ vi sinh vật bám dính có đủ thời gian thích nghi và thực vật có đủ thời gian hấp thu dinh dưỡng, giúp hiệu suất xử lý $\text{NH}_4^+$, $\text{NO}_2^-$, $\text{T-P}$ và $\text{COD}$ tăng đều theo các mốc 7, 13 và 29 ngày.
- Ở tải lượng $15\text{ lít/ngày}$ (thời gian lưu $\approx 3\text{ ngày}$), thời gian nước lưu ngắn khiến hiệu suất xử lý một số chỉ tiêu ($\text{NH}_4^+$, $\text{T-N}$, $\text{PO}_4^{3-}$) ở những ngày đầu đạt thấp do vi sinh vật và rễ cây chưa kịp phản ứng hấp thụ triệt để.
Kết luận
Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Lê Thị Phượng đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của mô hình dòng chảy phối hợp sử dụng bèo tây (dòng chảy mặt) kết hợp cỏ Vetiver (dòng chảy ngầm) để xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau giai đoạn kỵ khí. Với thời gian lưu nước thích hợp từ 3 đến 5 ngày, hệ thống xử lý triệt để các dạng nitơ, photpho và $\text{COD}$, đưa chất lượng nước thải đầu ra đạt các chỉ tiêu theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia QCVN 40:2011/BTNMT (Cột A và Cột B). Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm quan trọng cho việc thiết kế và ứng dụng công nghệ đất ngập nước nhân tạo chi phí thấp tại các vùng nông thôn chăn nuôi tập trung.
