Tài liệu Nghiên cứu lựa chọn thực vật tối ưu cho xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau biogas

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM PHẠM THƯƠNG GIANG NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN THỰC VẬT TỐI ƯU CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN SAU BIOGAS LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC THÁI NGUYÊN - 2020 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM PHẠM THƯƠNG GIANG NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN THỰC VẬT TỐI ƯU CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN SAU BIOGAS Ngành: Sinh thái học Mã số: 8.42.01.20 LUẬN VĂN THẠC SĨ SINH HỌC Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS Bùi Thị Kim Anh 2. TS. Lương Thị Thúy Vân THÁI NGUYÊN - 2020 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan luận văn thạc sĩ với đề tài “Nghiên cứu lựa chọn thực vật tối ưu cho xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau biogas” là do em thực hiện với sự hướng dẫn của PGS.TS. Bùi Thị Kim Anh - Phòng Thủy sinh học môi trường - Viện Công nghệ môi trường - Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam và TS. Lương Thị Thúy Vân- Khoa Sinh Học- Trường Đại học Sư phạm - Đại học Thái Nguyên. Các số liệu kết quả thu được trong luận văn là do quá trình nghiên cứu và thực hiện của em tại phòng thí nghiệm thuộc Phòng Thủy sinh học môi trường - Viện Công nghệ môi trường - Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Các kết quả trong luận văn tốt nghiệp này là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ mọi hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo theo đúng quy định. Em xin chịu trách nhiệm về những nội dung mà em trình bày trong luận văn này. Thái Nguyên, tháng 8 năm 2020 Tác Giả Phạm Thương Giang Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn em nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của các tổ chức, cá nhân trong và ngoài trường. Trước tiên em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Bùi Thị Kim Anh, phòng Thủy sinh học môi trường, Viện Công nghệ môi trường, Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam và TS. Lương Thị Thúy Vân, Khoa Sinh Học, Trường Đại học Sư phạm, Đại học Thái Nguyên đã chỉ bảo tận tình và giúp đỡ em trong thời gian thực hiện đề tài. Em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Sinh học, Trường Đại học sư phạm Thái Nguyên đã truyền đạt kiến thức quý báu trong suốt thời gian em học tập tại trường. Em cũng xin cảm ơn CN. Nguyễn Văn Thành phòng Thủy sinh học môi trường - Viện Công nghệ môi trường - Viện Hàn Lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, đã luôn tận tình hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành các thí nghiệm. Cuối cùng em xin cảm ơn gia đình và bạn bè luôn ủng hộ và động viên trong quá trình học tập cũng như hoàn thành luận văn. Thái Nguyên, tháng 8 năm 2020 Tác Giả Phạm Thương Giang Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn MỤC LỤC Lời cam đoan ..................................................................................................................i Lời cảm ơn .....................................................................................................................ii Mục lục ........................................................................................................................ iii Danh mục chữ viết tắt .................................................................................................... v Danh mục các bảng .......................................................................................................vi Danh mục các hình .................................................................................................... viii MỞ ĐẦU .......................................................................................................................1 1. Đặt vấn đề ..................................................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................................2 Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU .........................................................................3 1.1. Tổng quan về nước thải chăn nuôi lợn ...................................................................3 1.1.1. Đặc tính nước thải chăn nuôi lợn .........................................................................3 1.1.2. Tác động của nước thải chăn nuôi lên môi trường ..............................................6 1.1.3. Công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi hiện nay ...................................................8 1.1.4. Hiện trạng chất lượng nước thải tại các trang trại chăn nuôi lợn tại Việt Nam ..........9 1.2. Tổng quan về công nghệ sinh thái trong xử lý ô nhiễm môi trường nước ...........11 1.2.1. Khái niệm ...........................................................................................................12 1.2.2. Thực vật thủy sinh được sử dụng trong công nghệ sinh thái .............................12 1.3. Tổng quan về một số loài thực vật thủy sinh trong nghiên cứu ...........................16 1.3.1. Cây Sậy (Phragmites australis) .........................................................................16 1.3.2. Rau muống (Ipomoea aquatica) ........................................................................17 1.3.3. Thủy Trúc (Cyperus alternifolius) .....................................................................19 1.3.4. Cỏ Nến (Typha orientalis) .................................................................................20 1.3.5. Cỏ vetiver (Vetiveria zizanioides) .....................................................................22 1.3.6. Khoai nước (Colocasia esculenta) ....................................................................23 1.4. Ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn .......................25 1.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ....................................................................25 1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ......................................................................26 Chương 2: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...28 2.1. Đối tượng nghiên cứu ...........................................................................................28 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn 2.2. Phạm vi nghiên cứu ..............................................................................................28 2.3. Nội dung nghiên cứu.............................................................................................29 2.4. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................29 2.4.1. Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu ........................................................29 2.4.2. Phương pháp lấy mẫu, vận chuyển và bảo quản mẫu ........................................29 2.4.3. Phương pháp bố trí thí nghiệm ..........................................................................30 2.4.4. Phương pháp phân tích ......................................................................................32 2.4.5. Phương pháp xử lý, so sánh số liệu ...................................................................33 Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .....................................................................34 3.1. Kết quả đánh giá khả năng chống chịu (COD, NH4+, pH) của thực vật thủy sinh ..............................................................................................................................34 3.1.1. Khả năng chống chịu (COD, NH4+, pH) của cây Sậy .......................................34 3.1.2. Khả năng chống chịu (COD, NH4+, pH) của cây Rau muống ...........................37 3.1.3. Khả năng chống chịu (COD, NH4+, pH) của cây Thủy trúc ..............................40 3.1.4. Khả năng chống chịu (COD, NH4+, pH) của cỏ Vetiver ...................................44 3.1.5. Khả năng chống chịu (COD, NH4+, pH) của cỏ Nến.........................................47 3.1.6. Khả năng chống chịu (COD, NH4+, pH) của cây Khoai nước...........................51 3.2. Đánh giá hiệu suất loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi lợn sau biogas của các loài thực vật thủy sinh .........................................................................54 3.2.1. Khả năng xử lý pH của các loài thực vật thủy sinh ...........................................54 3.2.2. Khả năng xử lý TSS của các loài thực vật thủy sinh .........................................55 3.2.3. Khả năng xử lý COD của các loài thực vật thủy sinh .......................................58 3.2.4. Khả năng xử lý Nitơ của các loài thực vật thủy sinh .........................................61 3.2.5. Khả năng xử lý Phốt pho (T-P) của các loài thực vật thủy sinh ........................66 3.3. Lựa chọn loài thực vật phù hợp để xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau biogas .....69 3.3.1. So sánh khả năng chống chịu của các loài TVTS ..............................................69 3.3.2. So sánh khả năng xử lý chất ô nhiễm của các loài TVTS .................................71 3.3.3. Lựa chọn loài TVTS phù hợp cho hệ thống xử lý .............................................72 3.4. Đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình thực tế .......................................................74 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................76 TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................78 PHỤ LỤC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT CT : Công thức CS : Cộng sự ĐC : Đối chứng ĐV : Đầu vào QCVN : Quy chuẩn Việt Nam TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam TVTS : Thực vật thủy sinh VSV : Vi sinh vật BIOGAS (Biological Gas) : Khí sinh học COD (Chemical oxygen demand) : Nhu cầu oxy sinh hóa T-N : Tổng nitơ (mg/l) T-P : Tổng phốtpho (mg/l) TSS (Total suspended solids) : Tổng chất rắn lơ lửng WHO : Tổ chức y tế Thế giới ppt : đơn vị đô độ mặn phần ngàn SS (Suspended solid) : Hàm lượng chất rắn lơ lửng BOD (Biochemical oxygen demand) : Nhu cầu oxi sinh hóa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Lượng phân và nước tiểu thải ra hàng ngày .............................................. 3 Bảng 1.2. Thành phần hóa học của phân và nước tiểu .............................................. 4 Bảng 1.3. Các bệnh liên quan đến nước thải chăn nuôi ............................................. 5 Bảng 1.4. Thành phần và mức độ ô nhiễm nước thải chăn nuôi lợn trước và sau xử lý biogas ............................................................................................. 10 Bảng 1.5. Vai trò của thực vật thủy sinh trong hệ thống xử lý nước thải ................ 14 Bảng 2.1. Thông số chất lượng nước thải đầu vào .................................................. 28 Bảng 2.2. Thành phần môi trường thủy canh cho cây ............................................. 30 Bảng 2.3. Các công thức thí nghiệm khả năng chống chịu...................................... 31 Bảng 3.1. Sự biến động sinh khối của Sậy với nồng độ pH .................................... 34 Bảng 3.2. Sự biến động sinh khối của Sậy với nồng độ COD ................................. 35 Bảng 3.3. Sự biến động sinh khối của Sậy với nồng độ NH4+................................. 36 Bảng 3.4. Sự biến động sinh khối của Rau muống với nồng độ pH ........................ 37 Bảng 3.5. Sự biến động sinh khối của Rau muống với nồng độ COD .................... 38 Bảng 3.6. Sự biến động sinh khối của Rau muống với nồng độ NH4+ .................... 39 Bảng 3.7. Sự biến động sinh khối của Thủy trúc với nồng độ pH ........................... 41 Bảng 3.8. Sự biến động sinh khối của Thủy trúc với nồng độ COD ....................... 42 Bảng 3.9. Sự biến động sinh khối của Thủy trúc với nồng độ NH4+ ....................... 43 Bảng 3.10. Sự biến động sinh khối của cỏ Vetiver với nồng độ pH ......................... 44 Bảng 3.11. Sự biến động sinh khối của cỏ Vetiver với nồng độ COD ...................... 45 Bảng 3.12. Sự biến động sinh khối của cỏ Vetiver với nồng độ NH4+ ...................... 46 Bảng 3.13. Sự biến động sinh khối của cỏ Nến với nồng độ ..................................... 47 Bảng 3.14. Sự biến động sinh khối của cỏ Nến với nồng độ COD ........................... 49 Bảng 3.15. Sự biến động sinh khối của cỏ Nến với nồng độ NH4+ ........................... 50 Bảng 3.16. Sự biến động sinh khối của Khoai nước với nồng độ pH ....................... 51 Bảng 3.17. Sự biến động sinh khối của Khoai nước với nồng độ COD .................... 52 Bảng 3.18. Sự biến động sinh khối của Khoai nước với nồng độ NH4+ .................... 53 Bảng 3.19. Giá trị pH trong nước thải đầu vào và đầu ra tại các thí nghiệm ............ 55 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Bảng 3.20. Kết quả quan trắc nồng độ TSS trong nước thải theo thời gian tại các thí nghiệm ................................................................................................ 56 Bảng 3.21. Kết quả quan trắc nồng độ COD trong nước thải theo thời gian tại các thí nghiệm ................................................................................................ 59 Bảng 3.22. Kết quả quan trắc nồng độ NH4+ trong nước thải theo thời gian tại các thí nghiệm ................................................................................................ 62 Bảng 3.23. Kết quả quan trắc nồng độ T-N trong nước thải theo thời gian tại các thí nghiệm ................................................................................................ 64 Bảng 3.24. Kết quả quan trắc nồng độ T-P trong nước thải theo thời gian tại các thí nghiệm ................................................................................................ 67 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Cây sậy (Phragmites australis) .................................................................. 16 Hình 1.2. Cây Rau muống (Ipomoea aquatica) .......................................................... 18 Hình 1.3. Cây Thủy Trúc (Cyperus alternifolius) ...................................................... 20 Hình 1.4. Cỏ nến (Typha orientalis) ........................................................................... 21 Hình 1.5. Cỏ Vetiver (Vetiveria zizanioides L.) ......................................................... 22 Hình 1.6. Khoai nước (Colocasia esculenta) ............................................................. 24 Hình 3.1. Sự biến động sinh khối của Sậy với nồng độ pH ....................................... 34 Hình 3.2. Sự biến động sinh khối của Sậy với nồng độ COD .................................... 36 Hình 3.3. Sự biến động sinh khối của Sậy với nồng độ NH4+ .................................... 37 Hình 3.4. Sự biến động sinh khối của Rau muống với nồng độ pH ........................... 38 Hình 3.5. Sự biến động sinh khối của Rau muống với nồng độ COD ....................... 39 Hình 3.6. Sự biến động sinh khối của Rau muống với nồng độ NH4+ ....................... 40 Hình 3.7. Sự biến động sinh khối của Thủy trúc với nồng độ pH .............................. 41 Hình 3.8. Sự biến động sinh khối của Thủy trúc với nồng độ COD .......................... 42 Hình 3.9. Sự biến động sinh khối của Thủy trúc với nồng độ NH4+ .......................... 43 Hình 3.10. Sự biến động sinh khối của cỏ Vetiver với nồng độ pH ........................... 45 Hình 3.11. Sự biến động sinh khối của cỏ Vetiver với nồng độ COD ....................... 46 Hình 3.12. Sự biến động sinh khối của cỏ Vetiver với nồng độ NH4+ ....................... 47 Hình 3.13. Sự biến động sinh khối của cỏ Nến với nồng độ pH ................................ 48 Hình 3.14. Sự biến động sinh khối của cỏ Nến với nồng độ COD ............................ 49 Hình 3.15. Sự biến động sinh khối của cỏ Nến với nồng độ NH4+ ............................ 50 Hình 3.16. Sự biến động sinh khối của Khoai nước với nồng độ pH......................... 52 Hình 3.17. Sự biến động sinh khối của Khoai nước với nồng độ COD ..................... 53 Hình 3.18. Sự biến động sinh khối của Khoai nước với nồng độ NH4+ ..................... 54 Hình 3. 19. Khả năng xử lý TSS của các loài TVTS .................................................. 57 Hình 3.20. Khả năng xử lý COD của các loài TVTS ................................................. 60 Hình 3.21. Khả năng xử lý NH4+ của các loài TVTS ................................................. 63 Hình 3.22. Khả năng xử lý T-N của các loài TVTS ................................................... 65 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Hình 3.23. Khả năng xử lý T-P của các loài TVTS .................................................... 68 Hình 3.24. Sự thay đổi sinh khối của các loài TVTS ở các giá trị pH khác nhau ...... 70 Hình 3.25. Sự thay đổi sinh khối của các loài TVTS ở các giá trị COD khác nhau .. 70 Hình 3.26. Sự thay đổi sinh khối của các loài TVTS ở các giá trị NH4+ khác nhau .. 71 Hình 3.27. Khả năng chống chịu và hiệu quả xử lý của các loài TVTS .................... 73 Hình 3.28. Chất lượng nước thải đầu vào, đầu ra của hệ thống xử lý (A.pH; B.TSS; C.COD; D.T-N; E.NH4+; F.T-P).............................................................. 74 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Chăn nuôi là lĩnh vực nông nghiệp gắn liền với Việt Nam từ xưa đến nay, trong đó chăn nuôi lợn được coi là thế mạnh của ngành nông nghiệp nên rất được quan tâm đầu tư. Hiện nay chăn nuôi quy mô công nghiệp tăng nhanh và tạo được khả năng cạnh tranh trên thị trường. Tuy nhiên cùng với hiệu quả kinh tế mang lại, nguồn chất thải phát sinh từ hoạt động chăn nuôi lợn gây ô nhiễm môi trường hiện đang là vấn đề lo lắng của các nhà quản lý. Qua các khảo sát thực tế và tài liệu tham khảo trong các cơ sở chăn nuôi lợn chủ yếu là lắp đặt hệ thống xử lý biogas. Theo kết quả điều tra của Bộ NN&PTNT năm 2013 tại 54 tỉnh thành trên cả nước, hiện có 3.950 trang trại trên tổng số 12.427 trang trại được điều tra có xây dựng hầm biogas, chiếm 31,79%, trong đó có 196 trang trại xây dựng công trình có thể tích trên 300 m3, còn đa phần các hầm biogas được xây dựng với quy mô nhỏ [24]. Hệ thống này có thể xử lý được chất thải và còn góp phần giải quyết các bài toán năng lượng phục vụ sản xuất nhờ việc thu hồi nhiên liệu khí sinh. Tuy nhiên, chất lượng nước sau xử lý bằng hầm biogas vẫn chưa đạt yêu cầu xả thải, hàm lượng COD, T-N, T-P và lượng coliform trong nước thải vẫn vượt quá quy chuẩn QCVN 62-MT:2016/BTNMT. Nếu nước thải này không được xử lý mà thải ra môi trường sẽ gây ô nhiễm nghiêm trọng, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và sinh vật. Để giải quyết các vấn đề nêu trên, việc kết hợp các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi với công nghệ sinh thái sử dụng thực vật thủy sinh (TVTS) đã được nhiều tác giả nghiên cứu, áp dụng và thu được kết quả khả quan. Nghiên cứu của Stone và cs (2002) sử dụng cỏ Bắc, cây Cói, cỏ Nến để xử lý nước thải chăn nuôi lợn [64]; Xindi và cs (2003) sử dụng cỏ Vetiver và Thủy trúc (Cyperus alternifolius) để xử lý nước thải chăn nuôi lợn [76]. Ở Việt Nam đã có một số công trình của các nhà khoa học nghiên cứu như Trần Văn Tựa và cs (2010) sử dụng 4 loại TVTS Bèo tây, Rau muống, Ngổ trâu, Cải xoong để xử lý nước phú dưỡng [28]; Trương Thị Nga và cs (2010) nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi bằng cây Rau ngổ và Bèo tây Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn [13]... Các nghiên cứu đều cho rằng công nghệ sinh thái sử dụng TVTS có nhiều ưu diểm như thân thiện môi trường, chi phí rẻ, dễ dàng vận hành và hiệu suất xử lý cao đối với nước thải chăn nuôi. Theo GS.TS. Nguyễn Nghĩa Thìn (Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội), ở Việt Nam có nhiều loại cây có thể sử dụng để làm sạch môi trường nước, rất dễ tìm ngoài tự nhiên và chúng có sức sống khá mạnh mẽ. Các loài thực vật thủy sinh như cây Sậy (Phragmites australis), cây Rau muống (Ipomoea aquatica), cây Thủy trúc (Cyperus alternifolius), Cỏ nến (Typha orientalis), cỏ Vetiver (Vetiveria zizanioides), Khoai nước (Colocasia esculenta) đã được ứng dụng nhiều trong xử lý ô nhiễm tại Việt Nam và trên thế giới [3],[6],[9]. Tuy nhiên chưa có nghiên cứu đánh giá chi tiết, so sánh hiệu quả giữa các loài thực vật để tìm ra loài thực vật tối ưu trong xử lý được nước thải. Đồng thời việc nghiên cứu và ứng dụng sử dụng TVTS trong xử lý ô nhiễm nước thải chăn nuôi lợn vẫn còn ít được quan tâm và thiếu tính hệ thống. Xuất phát từ những tồn tại nêu trên, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài "Nghiên cứu lựa chọn thực vật tối ưu cho xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau biogas" để đánh giá lựa chọn được loại TVTS tối ưu nhất trong việc xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau biogas cũng như tăng khả năng ứng dụng được các loài thực vật này trong thực tiễn nhằm góp phần giải quyết các vấn đề môi trường . 2. Mục tiêu nghiên cứu Chọn lọc được loại cây thủy sinh phù hợp trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau biogas nhằm nâng cao hiệu quả xử lý nước thải bằng công nghệ có chi phí thấp, phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam. Áp dụng được các loài thực vật lựa chọn vào thực tế để xử lý nước thải chăn nuôi lợn tại 01 trang trại cụ thể. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Tổng quan về nước thải chăn nuôi lợn 1.1.1. Đặc tính nước thải chăn nuôi lợn Hiện nay trong việc cung cấp thực phẩm cho thị trường tiêu dùng Việt Nam thì ngành chăn nuôi đang đóng một vai trò quan trọng. Tuy nhiên, các chất thải phát sinh trong hoạt động sản xuất chăn nuôi là vấn đề nghiêm trọng cần được giải quyết. Không khí phát sinh từ chuồng trại có nồng độ các khí H2S, NH3 cao. Nước thải chứa nồng độ ô nhiễm chất hữu cơ nghiêm trọng. Xử lý chất thải trong quá trình chăn nuôi luôn là một trong những trở ngại cần phải giải quyết ngay lúc này. Nước thải chăn nuôi là hỗn hợp bao gồm cả nước tiểu, nước tắm gia súc, rửa chuồng, thức ăn, ổ lót, và phân gia súc, gia cầm thải ra. Khối lượng chất thải sinh ra từ vật nuôi phụ thuộc vào chủng loại, giống, giai đoạn sinh trưởng, chế dộ dinh dưỡng và phương thức vệ sinh chuồng trại. Nước thải là dạng chất thải chiếm khối lượng lớn nhất trong hoạt động chăn nuôi. Trương Thanh Cảnh và các cộng tác viên (2010) đã khảo sát hơn 1.000 trang trại chăn nuôi lợn quy mô vừa và nhỏ ở một số tỉnh phía Nam và nhận thấy hầu hết các cơ sở chăn nuôi đều sử dụng một khối lượng lớn nước cho gia súc. Cứ 1 kg chất thải chăn nuôi do lợn thải ra được pha thêm với từ 20 đến 49 kg nước. Lượng lớn nước này phát sinh từ hoạt động tắm cho gia súc hay vệ sinh chuồng trại hàng ngày, điều này làm tăng đáng kể lượng nước thải, gây khó khăn cho việc thu gom và xử lý nước thải sau này [7]. Ngoài ra khi chăn nuôi tập trung và mật độ chăn nuôi cao dẫn đến tải lượng và nồng độ chất ô nhiễm cũng tăng cao. Bảng 1.1. Lượng phân và nước tiểu thải ra hàng ngày Trọng lượng gia súc Lượng phân (kg/ngày) Lượng nước tiểu (l/ ngày) Dưới 10kg 0,5 - 1,0 0,3 - 0,7 Từ 15- 45 kg 1,0 - 3,0 0,7 - 2,0 Từ 45-100 kg 3,0 - 5,0 2,0 - 4,0 Từ 100 trở lên 5,0 - 7,0 4,0 - 5,0 (Nguồn: Đào Thị Huyền Trang, 2016) [26] Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Như vậy, qua bảng có thể thấy rằng một đầu lợn nuôi kiểu công nghiệp trung bình hàng ngày thải ra lượng phân và nước tiểu 6-8% khối lượng của nó. Nếu không được xử lý phù hợp, nước thải chăn nuôi sẽ là một trong các nguồn chất thải lớn có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường ở nước ta. Đặc trưng quan trọng nhất của nước thải phát sinh trong chăn nuôi, đặc biệt là chăn nuôi lợn là hàm lượng các chất hữu cơ, chất dinh dưỡng. Nước thải chăn nuôi biến động rất lớn, đặc tính nước thải bị ảnh hưởng nhiều nhất bởi sự pha loãng, lưu trữ và cách tách loại rắn lỏng . Bảng 1.2. Thành phần hóa học của phân và nước tiểu Đặc tính Đơn vị Phân Nước tiểu pH - 6,47 - 6, 95 6,77 - 8,19 Vật chất khô g/kg 213 - 342 30,9 - 35,9 NH4 - N g/kg 0,66 - 0,76 0,13 - 0,40 N g/kg 7,99 - 9,32 4,90 - 6,63 Tro g/kg 32,5 - 93,3 8,5 - 16,3 Chất xơ g/kg 151 - 261 - Carbonate g/kg 0,23 - 2,11 0,11 - 0,19 Các axit béo mạch ngắn g/kg 3,83 - 4,47 - ure mol/l - 123 - 196 (Nguồn: Bùi Hữu Đoàn 2011) [10] Trong nước thải hợp chất hữu cơ chiếm 70-80% gồm cellulose, protit, hidrat carbon, acid amin, chất béo, và các dẫn xuất của chúng có trong phân, nước tiểu và thức ăn thừa. Hầu hết các chất hữu cơ dễ phân hủy, các chất vô cơ chiếm 20-30% gồm cát, đất, muối, urê, amonium, muối, chlorua, SO42-… Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Số liệu trong bảng 1.2 cho thấy hàm lượng N và P trong phân và nước tiểu cao vì khả năng hấp thụ N và P của các loại gia súc, gia cầm kém nên khi ăn thức ăn có chứa N và P thì chúng sẽ bài tiết ra ngoài theo đường phân và nước tiểu. Nếu trong điều kiện thiếu oxy, sự phân hủy các hợp chất hữu cơ theo con đường yếm khí tạo ra các sản phẩm CH4, N2, NH3… các chất khí này tạo nên mùi hôi thối trong khu vực chăn nuôi làm ảnh hưởng xấu tới môi trường không khí. Ngoài ra, nước thải chăn nuôi chứa nhiều loại vi trùng, virus và trứng ấu trùng giun sán gây bệnh E.coli, Shigella, Samonella, Vibrio comma,… [19]. Theo nghiên cứu của nhiều tác giả (A. Kigirov, 1982; G. Rheiheinmer, 1985…) Samonella có thể tồn tại trong phân 6 - 7 tháng, virus lở mồm long móng trong nước thải là 100 - 120 ngày. Trứng giun sán với các loại điển hình như Fasciola hepatica, Fasciola gigantica, Fasciola buski, Ascarisum, Oesphagostomum sp, Trichocephalus dentatus có thể phát triển đến giai đoạn gây nhiễm sau 6 - 8 ngày và tồn tại 5 - 6 tháng [9]. Bảng 1.3. Các bệnh liên quan đến nước thải chăn nuôi Gây bệnh Tên mầm bệnh Loại Đường ô nhiễm E.coli Vi trùng Salmonella Vật nuôi Người Nước, thức ăn + + Vi trùng Nước, thức ăn + + leptospira Vi trùng Nước, thức ăn + + Dịch tả lợn Virut Nước, thức ăn + - Ascarissuum Kí sinh trùng Nước, thức ăn + + Bệnh ngoài da Nấm, kí sinh trùng Nước, thức ăn, + + Kí sinh trùng Nước, thức ăn + + C. parium da niêm mạc (Nguồn: Viện chăn nuôi 2006)[30] Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn Qua đó ta thấy rằng phân và nước thải chăn nuôi nếu không được thu gom xử lý hợp lý có thể gây ảnh hưởng đến năng suất vật nuôi, ô nhiễm môi trường và sức khỏe của con người. 1.1.2. Tác động của nước thải chăn nuôi lên môi trường Trong những năm gần đây, ngành chăn nuôi nước ta phát triển nhanh chóng cả về số lượng vật nuôi cũng như quy mô trang trại. Tốc độ tăng trưởng ngành chăn nuôi tuy có nhiều biến động do dịch bệnh nhưng luôn giữ mức cao trong nhiều năm qua, trung bình 5 - 6%/năm, góp phần trong việc duy trì mức tăng trưởng chung của ngành nông nghiệp, đáp ứng cơ bản nhu cầu thực phẩm cho tiêu dùng trong nước. Bên cạnh đó, nhà nước đã khuyến khích hình thành nhiều chuỗi liên kết trong sản xuất chăn nuôi, dưới nhiều hình thức khác nhau như chăn nuôi gia công, hợp tác xã chăn nuôi, doanh nghiệp và nông dân cùng làm… Cụ thể theo Tổng cục thống kê đầu năm 2019 cả nước có hơn 23.500 trang trại chăn nuôi tập trung. Tuy nhiên cũng phải thừa nhận ngành chăn nuôi sản xuất tốt nhưng dịch bệnh, vệ sinh an toàn thực phẩm, công nghiệp chế biến còn yếu. Đặc biệt chất thải chăn nuôi không được xử lý triệt để khi xả ra môi trường gây ô nhiễm nguồn nước mặt, nước ngầm, môi trường đất, không khí và các sản phẩm nông nghiệp. Hàm lượng các chất hữu cơ, chất dinh dưỡng được biểu thị qua thông số như: COD, BOD, T-N, T-P, TSS… những thông số này là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường và có hàm lượng cao trong chất thải chăn nuôi. Đây là những thành phần dễ phân hủy, phát sinh khí độc, gây mùi hôi thối, làm sụt giảm lượng oxy hòa tan trong nước và đặc biệt nếu không được xử lý khi thải ra nguồn tiếp nhận sẽ làm ảnh hưởng đến môi trường xung quanh, gây phì dưỡng hệ sinh thái, làm ảnh hưởng đến cây trồng và là nguồn sinh dưỡng quan trọng để các vi khuẩn gây hại phát triển. Ô nhiễm môi trường không những làm giảm sức đề kháng vật nuôi, tăng tỷ lệ mắc bệnh dẫn đến năng suất chăn nuôi bị giảm, các chi phí phòng trị bệnh gia tăng, hiệu quả kinh tế không cao mà còn ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe con người. Sức đề kháng của vật nuôi giảm sút sẽ là nguy cơ gây nên bùng phát dịch bệnh. Tính riêng năm 2019 ngành chăn nuôi thải ra môi trường một lượng lớn chất thải - khoảng gần 85 triệu tấn/năm trong đó chỉ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn khoảng 1/5 trong số đó được sử dụng có hiệu quả như làm khí sinh học, ủ phân, làm thức ăn cho cá, số còn lại hầu như bị lãng phí và thải ra môi trường gây ô nhiễm nghiêm trọng [25]. Tổ chức y tế thế giới (WHO) đã khuyến cáo: cần có các biện pháp thu gom và xử lý chất thải chăn nuôi một cách thích hợp để tăng cường được sức khỏe cho vật nuôi, đảm bảo an toàn sinh học và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các chất thải chăn nuôi gây ô nhiễm môi trường từ vi sinh vật rất nguy hiểm, đặc biệt là các virus biến thể từ các dịch bệnh như lở mồm long móng, dịch bệnh tai xanh, dịch tả lợn Châu Phi có thể lây lan nhanh chóng và có thể cướp đi sinh mạng của rất nhiều người. Ô nhiễm môi trường không khí trong chăn nuôi chủ yếu do các khí như H2S, NH3,... phát sinh từ sự phân hủy và bốc hơi của chất thải vật nuôi. Sự tích lũy NH 3 trong không khí kích thích sự phát triển của tảo độc dẫn đến giảm nhiều loài thủy sinh, có thể gây ra sự phì nhiêu nước mặt. Đặc biệt, sự tích tụ NH3 trong các chuồng trại kém thông thoáng có thể ảnh hưởng đến sức khỏe vật nuôi. Trong điều kiện kỵ khí cộng với sự có mặt của vi khuẩn trong phân và nước thải xảy ra quá trình khử các ion sunphat (SO42-) thành sunphua (S2-). Trong điều kiện bình thường thì H2S là một trong những nguyên nhân gây ra các vấn đề về màu và mùi [9]. Nước thải chăn nuôi lợn chứa hàm lượng N và P cao nếu không được loại bỏ thì có thể tích tụ trong đất gây ra hiện tượng phú dưỡng làm cho nồng độ nitrat tăng cao trong đất, sẽ gây độc cho hệ sinh vật đất cũng như cây trồng. Đồng thời, tạo điều kiện thuận lợi cho các vi sinh vật ưa nito, photpho phát triển, ức chế sự sinh trưởng của các chủng vi sinh vật khác, gây mất cân bằng hệ sinh thái đất. Bên cạnh đó trong phân tươi của vật nuôi chứa nhiều vi sinh vật gây bệnh, chúng có thể tồn tại và phát triển trong đất dẫn đến nguy cơ phát tán đi khắp nơi gây nhiễm bệnh cho người và động vật nuôi. Trong môi trường đất photpho có khả năng kết hợp với các nguyên tố Cu, Al…tạo thành các hợp chất phức tạp, khó phân hủy được làm cho đất cằn cỗi, ảnh hưởng tới sự phát triển của thực vật. Trong khi chất thải chăn nuôi có chứa các chất hữu cơ, kim loại... được thải trực tiếp ra đất theo mưa, nước chảy tràn thấm qua đất vào nước ngầm gây ô nhiễm nước ngầm. Ngoài ra, nước thải chăn nuôi khi chưa được xử lý hay đã qua xử lý nhưng vẫn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn chưa đạt yêu cầu được thải ra môi trường sẽ ô nhiễm hết sức nghiêm trọng. Bên cạnh đó, quá trình vệ sinh chuồng trại và tắm cho vật nuôi cũng thải ra môi trường một lượng lớn nước thải gây ô nhiễm nguồn nước và suy giảm nguồn tài nguyên nước. 1.1.3. Công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi hiện nay Do nước thải chăn nuôi có tính chất đặc thù nên phương pháp xử lý chủ yếu là dung kết hợp các phương pháp sinh học hóa lý nhằm giảm nồng độ các chất ô nhiễm đến nồng độ cho phép theo quy chuẩn của nhà nước để có thể xả ra môi trường. - Phương pháp xử lý yếm khí: Nước thải chăn nuôi thuộc loại giàu COD, N, P, SS vì vậy để xử lý phương pháp yếm khí luôn được lựa chọn đầu tiên. Vi khuẩn là tác nhân phát triển và là động lực chính. Đây là một quá trình sinh hóa phức tạp với hàng trăm phản ứng và hợp chất trung gian và cho ra sản phẩm cuối là biogas - thành phần khí (là biogas khí sinh học). Phương pháp này hiện nay được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi. Có thể nói xử lý yếm khí có thể xử lý tới khoảng 70% ô nhiễm hữu cơ nhưng sau yếu khí vẫn phải xử lý hiếu khí. Phương pháp này là phương pháp khó có thể thay thế khi xử lý nước thải bao gồm cả phân, do hàm lượng chất khô cao và hàm lượng chất hữu cơ lớn do đó nếu sử dụng biện pháp khác có thể sẽ quá tải và không hiệu quả. - Phương pháp xử lý hiếu khí: Nước thải được tách ra sau quá trình phân hủy yếm khí được xử lý bằng phương pháp này vì khi xử lý bằng phương pháp yếm khí thì nước thải sau hệ thống vẫn chưa thể đạt được tiêu chuẩn xả. Hiếu khí là quá trình tiêu thụ năng lượng thuần tuy nhiên có khả năng oxi hóa các hợp chất hữu cơ và các hợp chất gây ô nhiễm khác. Phương pháp này có thể áp dụng theo nhiều dạng khác nhau như: lọc sinh học qua lớp vật liệu, bùn hoạt tính lơ lửng, mương oxy hóa. - Phương pháp xử lý bằng hồ sinh học: Các cơ sở chăn nuôi có diện tích lớn thường áp dụng phương pháp này để xử lý nước thải sau công đoạn xử lý yếm khí sau biogas. Ưu điểm phương pháp này là có thể kết hợp vừa xử lý nước thải vừa có thể nuôi trồng thủy sản. Nhược điểm hiệu quả xử lý còn chưa cao và có thể gây ô nhiễm môi trường hồ do thừa dinh dưỡng là tảo và các thực vật thủy sinh phát triển mạnh. - Phương pháp xử lý bằng bãi lọc trồng cây: Đây có thể coi là phương pháp mới ở Việt Nam tuy nhiên nó đã được áp dụng khá nhiều trên thê giới. Được áp dụng ở Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn công đoạn sau cùng loại bỏ triệt để các chất dinh dưỡng, vi sinh vật, cặn … Thực vật thủy sinh chịu nước được dùng chủ yếu trong phương pháp này tạo ra hệ sinh vật hấp thụ các chất dinh dưỡng còn lại trong nước thải đã xử lý trước đó - Phương pháp hóa - lý: Áp dụng phương pháp keo tụ để loại bỏ các chất hữu cơ. Các chất keo tụ thường sử dụng là phèn nhôm, phèn sắt, phèn bùn kết hợp với polyme trợ keo tụ để tăng quá trình keo tụ. Phương pháp này loại bỏ được hầu hết các chất bẩn có trong nước thải chăn nuôi tuy nhiên nhược điểm là chi phí xử lý cao, không hiệu quả về mặt kinh tế. Ngoài ra tuyển nổi cũng là một phương pháp để tách các hạt có khả năng lắng kém nhưng có thể kết dính vào các bọt khí nổi lên, tuy nhiên chi phí đầu tư, vận hành cho phương pháp này cao cũng không hiệu quả về mặt kinh tế. Thông qua khảo sát thì hiện tại có bốn loại hình công nghệ điển hình được các trang trại áp dụng xử lý nước thải chăn nuôi: - Nước thải chăn nuôi (có thể lẫn phân hoặc tách phân) được xử lý bằng hồ kị khí có phủ bạt sau đó qua ao sinh thái rồi thải ra môi trường, có khoảng 8,3 % trang trại sử dụng biện pháp này - Nước thải chăn nuôi được xử lý qua hầm biogas, sau đó được thải ra kênh mương, chiếm 50% số trang trại khảo sát - Nước thải chăn nuôi được xử lý kỵ khí, sau đó bằng phương pháp lọc sinh học kị khí hoặc aeroten, cuối cùng qua hồ thực vật thủy sinh rồi thải ra ngoài môi trường chiếm 8,3% - Còn lại 8,4% không qua xử lý mà thải trực tiếp ra kênh mương hoặc ao hồ làm ô nhiễm môi trường xung quanh một cách nghiêm trọng [15] Ngoài ra còn rất nhiều các giải pháp khác tùy thuộc vào điều kiện của trang trại, lượng nước thải, yêu cầu về công nghệ vệ sinh nước để lựa chọn được phương pháp làm sạch phù hợp và đem lại hiệu quả xử lý tốt đối với chủ chăn nuôi. 1.1.4. Hiện trạng chất lượng nước thải tại các trang trại chăn nuôi lợn tại Việt Nam Số hóa bởi Trung tâm Học liệu và Công nghệ thông tin – ĐHTN http://lrc.tnu.edu.vn