Tài liệu Nghiên cứu ứng dụng dịch thải sau hầm biogas làm phân bón dạng lỏng cho cây trồng

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN TRANG TÓM TẮT DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH DANH MỤC BẢNG DANH MỤC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................................... 2 2.1. Mục tiêu tổng quát ................................................................................................... 2 2.2. Mục tiêu cụ thể......................................................................................................... 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 2 3.1. Đối tượng nghiên cứu .............................................................................................. 2 3.2. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................. 2 4. Nội dung nghiên cứu ..................................................................................................... 2 4.1. Điều tra khảo sát xử lý chất thải chăn nuôi với quy mô trang trại ở huyện Hòa Vang ..................................................................................................................................... 2 4.2. Điều tra khảo sát xử lý chất thải chăn nuôi với quy mô hộ gia đình ở xã Hòa Liên, huyện Hòa Vang ......................................................................................................... 3 4.3. Nghiên cứu điều kiện diệt khuẩn Salmonella trong dịch thải bằng phương pháp nhiệt tại phòng thí nghiệm .................................................................................................. 3 4.4. Thực hiện mô hình trồng rau muống bằng dịch thải sau diệt khuẩn ................... 3 5. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................. 3 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................... 4 6.1. Ý nghĩa khoa học ..................................................................................................... 4 6.2. Ý nghĩa thực tiễn ...................................................................................................... 4 Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU........................................................................ 5 1.1. Tổng quan ngành chăn nuôi ..................................................................................... 5 1.1.1. Trên thế giới .......................................................................................................... 5 1.1.2. Ở Việt Nam ............................................................................................................ 6 1.2. Tổng quan về xử lý chất thải chăn nuôi.................................................................. 9 1.2.1. Chất thải chăn nuôi .............................................................................................. 9 1.2.2. Ảnh hưởng của chất thải chăn nuôi đến môi trường........................................ 11 1.2.3. Công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi ............................................................... 12 1.3. Tổng quan về công nghệ biogas ............................................................................. 13 1.3.1. Sơ lược về công nghệ biogas ............................................................................. 13 1.3.2. Nguồn nguyên liệu và sản lượng khí sinh ra .................................................... 14 1.3.3. Các giai đoạn chuyển hóa trong biogas ........................................................... 14 1.3.4. Một số kiểu hầm biogas ở Việt Nam .................................................................. 15 1.3.5. Dịch thải sau hầm biogas .................................................................................. 18 1.3.6. Xử lý chất thải chăn nuôi ở huyện Hòa Vang ................................................... 19 1.4. Tổng quan về vi khuẩn Salmonella ....................................................................... 21 1.4.1. Đặc tính sinh học ................................................................................................ 22 1.4.2. Phân loại ............................................................................................................ 22 1.4.3. Khả năng gây bệnh ............................................................................................. 23 1.4.4. Sức đề kháng ....................................................................................................... 23 1.5. Tổng quan cây rau muống và ngành phân bón ................................................... 23 1.5.1. Tổng quan cây rau muống ................................................................................. 23 1.5.2. Tổng quan về ngành phân bón .......................................................................... 25 1.5.3. Sử dụng phụ phẩm khí sinh học làm phân bón ................................................. 26 Chương 2. THỰC NGHIỆM................................................................................... 28 2.1. Nguyên liệu, nhiên liệu, hóa chất và dụng cụ ...................................................... 28 2.1.1. Nguyên liệu ......................................................................................................... 28 2.1.2. Nhiên liệu ............................................................................................................ 28 2.1.3. Hóa chất .............................................................................................................. 28 2.1.4. Dụng cụ ............................................................................................................... 28 2.2. Quy trình diệt khuẩn Salmonella bằng phương pháp nhiệt.............................. 28 2.2.1. Phòng thí nghiệm ................................................................................................ 28 2.2.2. Thực nghiệm ngoài hiện trường ........................................................................ 29 2.3. Mô hình thực hiện sử dụng dịch thải trên cây rau muống ................................ 29 2.4. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................ 31 2.4.1. Phương pháp thu thập thông tin ........................................................................ 31 2.4.2. Phương pháp tham vấn cộng đồng .................................................................... 31 2.4.3. Phương pháp thu mẫu và phân tích .................................................................. 31 2.4.4. Phương pháp qui hoạch thực nghiệm ............................................................... 32 2.4.5. Phương pháp thực nghiệm ................................................................................. 35 2.4.6. Phương pháp đối sánh trên cây trồng ............................................................... 35 2.4.7. Phương pháp so sánh với Thông tư, Quy chuẩn Việt Nam .............................. 35 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN................................................................... 37 3.1. Kết quả điều tra khảo sát xử lý chất thải chăn nuôi với quy mô trang trại ở huyện Hòa Vang .............................................................................................................. 37 3.1.1. Không gian phân bố, quy mô các trang trại ..................................................... 37 3.1.2. Hiện trạng xử lý chất thải chăn nuôi ở các trang trại ..................................... 38 3.2. Kết quả điều tra khảo sát xử lý chất thải chăn nuôi với quy mô hộ gia đình ở xã Hòa Liên, huyện Hòa Vang....................................................................................... 47 3.2.1. Quy mô các hộ chăn nuôi gia đình .................................................................... 47 3.2.2. Hiện trạng xử lý chất thải chăn nuôi ở các hộ gia đình .................................. 47 3.3. Nghiên cứu điều kiện diệt khuẩn Salmonella trong dịch thải bằng phương pháp nhiệt ......................................................................................................................... 53 3.3.1. Kết quả nghiên cứu thăm dò ảnh hưởng nhiệt độ theo thời gian đến khả năng diệt khuẩn Salmonella ....................................................................................................... 54 3.3.2. Tối ưu hóa quá trình thực nghiệm diệt khuẩn Salmonella trong dịch thải ..... 55 3.3.3. Kiểm chứng giá trị tối ưu tìm được ................................................................... 60 3.4. Kết quả thực hiện mô hình trồng rau muống bằng dịch thải sau diệt khuẩn 61 3.4.1. Chất lượng dịch thải sau hầm biogas ............................................................... 61 3.4.2. Sự phát triển của cây rau muống qua các giai đoạn bón phân ....................... 61 3.4.3. Khối lượng sinh khối của rau muống qua 3 ô thí nghiệm ................................ 62 3.4.4. Chất lượng của mẫu rau muống sau khi tưới dịch thải ................................... 63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................. 65 1. Kết luận ......................................................................................................................... 65 2. Kiến nghị....................................................................................................................... 65 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................. 67 1. Tài liệu tiếng Việt ........................................................................................................ 67 2. Tài liệu tiếng Anh ........................................................................................................ 68 3. Trang Website.............................................................................................................. 69 PHỤ LỤC TÍNH GIÁ TRỊ TỐI ƯU BẰNG CÔNG CỤ SOLVER – MS EXCEL PHỤ LỤC BẢNG TỔNG HỢP KẾT QUẢ PHÂN TÍCH PHỤ LỤC HÌNH ẢNH QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (BẢN SAO) HỒ SƠ HỘI ĐỒNG ĐÁNH GIÁ LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG DỊCH THẢI SAU HẦM BIOGAS LÀM PHÂN BÓN DẠNG LỎNG CHO CÂY TRỒNG Nguyễn Lê Anh Hào, học viên cao học K31, chuyên ngành Kỹ thuật môi trường Tóm tắt – Mô hình biogas trong xử lý chất thải chăn nuôi đang phát triển mạnh ở các vùng nông thôn tại Việt Nam. Tuy nhiên, nồng độ chất hữu cơ và chất dinh dưỡng trong dịch thải sau hầm biogas vẫn còn đạt ở ngưỡng cao, vượt quá Quy chuẩn Việt Nam nhiều lần. Việc tiếp tục xử lý nguồn dịch thải này trước khi đưa vào nguồn tiếp nhận đòi hỏi tốn kém về chi phí xây dựng, vận hành. Đề tài này được đưa ra để đánh giá khả năng tái sử dụng dịch thải sau hầm biogas làm phân bón dạng lỏng cho cây trồng. Đồng thời, kết quả sau phân tích đã nêu lên hiện trạng và chất lượng dịch thải sau biogas ở các trang trại, hộ chăn nuôi gia đình ở xã Hòa Liên, huyện Hòa Vang, thành phố Đà Nẵng. Trong nghiên cứu này, vi khuẩn Salmonella trong dịch thải được diệt khuẩn hoàn toàn bằng phương pháp nhiệt ở nhiệt độ 580C trong thời gian 47 phút. Kết quả sau khi bón thúc trên đối tượng rau muống, dịch thải sau biogas và phân hữu cơ vi sinh có rau muống sinh trưởng và phát triển tương đồng nhau. Từ khóa – “biogas”, “ô nhiễm môi trường”, “vi khuẩn Salmonella”, “phương pháp nhiệt”, “rau muống”. RESEARCH ON WASTEWATER AFTER BIOGAS TO MAKE LIQUID FERTILIZER FOR PLANTS Abstract – Biogas models in animal waste treatment are being applied and developed in rural areas in Vietnam. However, the concentration of organic matter and nutrients in wastewater after biogas digesters is still at a high level that exceeds the national standards for wastewater. Continouning to treat this source of waste prior to inclusion in the receiving source requires expensive construction costs. This research was conducted to evaluate the possibility of reusing of biogas to make liquid fertilizer for plants. The results of the analysis in the topic also show the current status and the quality of this waste in farm households in Hoalien commune, Hoavang District, Danang City. In this rearch, bacteria Salmonella. In this research, bacteria Salmonella in wastewater after biogas being extermination by heat method at 580C for 47 minutes. Result after manuring for spinach, wastewater after biogas and organic fertilizer have grow and develop similarly. Key words – “biogas”, “environmental polution”, “bacteria Salmonella”, “heat method”, “spinach”. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Biogas : Khí sinh học BNNPTNT : Bộ Nông nghiệp Phát triển nông thôn BOD : Nhu cầu oxy sinh hoá BTNMT : Bộ Tài nguyên Môi trường BYT : Bộ Y tế COD : Nhu cầu oxy hoá học MT : Môi trường NĐ – CP : Nghị định – Chính phủ Nts : Nitơ tổng số QCVN : Quy chuẩn Việt Nam SS : Chất rắn lơ lửng TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam TN : Nitơ tổng TNHH : Trách nhiệm hữu hạn TP : Phốtpho tổng TSS : Tổng chất rắn lơ lửng TT : Thông tư QCVN 40:2011/BTNMT : Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp QCVN 62–MT:2016/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải chăn nuôi QCVN 8–3:2012/BYT : Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia đối với ô nhiễm vi sinh vật trong thực phẩm DANH MỤC HÌNH Số Tên hình hiệu Trang 1.1 Các kích thước chính của thiết bị khí sinh học kiểu KT1 16 1.2 Các kích thước chính của thiết bị khí sinh học kiểu KT2 16 1.3 Túi biogas bằng plastic 17 1.4 Bồn biogas bằng vật liệu composite 17 1.5 Màu sắc dịch thải sau hầm biogas 19 1.6 Hầm biogas composite trước và sau khi lắp đặt ở hộ dân 20 1.7 Dịch thải sau biogas được thải thẳng ra môi trường tự nhiên 20 1.8 Hầm biogas và hố lắng dịch thải sau biogas ở trang trại gia cầm 21 1.9 Salmonella dưới kính hiển vi 21 2.1 Phân hữu cơ vi sinh và dịch thải sử dụng tưới thử nghiệm trên rau muống 30 2.2 Quy trình thực hiện mô hình 30 3.1 Sơ đồ xử lý chất thải chăn nuôi tại trang trại gia cầm Hòa Phú 41 3.2 Sơ đồ xử lý chất thải chăn nuôi tại trang trại gia súc Trung Sơn 41 3.3 Sơ đồ xử lý chất thải chăn nuôi tại trang trại gia súc Nhơn Sơn 41 3.4 Sơ đồ xử lý chất thải chăn nuôi ở các trang trại gia súc còn lại 42 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 Hầm biogas HPDE và hầm biogas xây bằng gạch ở các trang trại Lấy mẫu dịch thải sau hầm biogas Sơ đồ xử lý chất thải chăn nuôi bằng hầm biogas ở các hộ gia đình Dịch thải sau biogas xả trực tiếp ra ngoài môi trường Rau muống được trồng ngày đầu tiên và khi tưới dịch thải sau 20 ngày Rau muống sau thu hoạch và khối lượng sinh khối rau muống qua các ô thí nghiệm 42 42 49 49 61 62 DANH MỤC BẢNG Số Tên bảng hiệu Số lượng gia súc, gia cầm và sản lượng sản phẩm chăn nuôi Trang nước ta trong năm 2016 (thống kê tới thời điểm 01/10/2016) 6 1.2 Lượng phân trung bình của gia súc trong một ngày đêm 9 1.3 Thành phần hóa học của các loại phân gia súc, gia cầm 9 1.1 1.4 Nhóm vi khuẩn, ký sinh có trong phân gia súc và điều kiện tiêu diệt 10 1.5 Một số chỉ tiêu của nước thải chăn nuôi lợn 11 1.6 Đặc điểm các khí sinh ra khi phân hủy kị khí 11 1.7 Thành phần và tính chất cơ bản của các loại khí trong bể biogas 14 1.8 Đặc tính và sản lượng khí sinh học của một số loại nguyên liệu 14 1.9 Tóm tắt điều kiện tối ưu cho quá trình lên men tạo khí sinh học 15 1.10 So sánh hầm biogas composite và hầm biogas xây bằng gạch 18 1.11 Đặc điểm dịch thải sau hầm biogas 19 2.1 Phương pháp thử nghiệm trong phân tích dịch thải 32 2.1 Phương pháp thử nghiệm trong phân tích dịch thải (tt) 32 2.2 Phương pháp thử nghiệm trong phân tích mẫu lá rau muống 32 3.1 Tên trang trại, quy mô, sản phẩm các trang trại 37 3.2 Lưu lượng nước thải của các trang trại 39 3.3 Thể tích, kiểu hầm biogas ở các trang trại 40 3.4 3.5 Nồng độ các chất ô nhiễm sau hầm biogas ở trang trại Trung Sơn Nồng độ các chất ô nhiễm sau hầm biogas ở trang trại Lê Thị Tịch 43 44 3.6 Nồng độ các chất ô nhiễm sau hầm biogas ở trang trại Hòa Phú 44 3.7 Quy mô, sản phẩm các hộ chăn nuôi gia đình ở xã Hòa Liên 47 3.8 3.9 Lưu lượng nước thải từ hộ chăn nuôi gia đình tại thời điểm khảo sát Thể tích, kiểu hầm biogas ở các hộ gia đình chăn nuôi 48 48 3.10 3.11 3.12 Nồng độ các chất ô nhiễm sau hầm biogas ở các hộ gia đình khảo sát Kết quả phân tích Salmonella trong mẫu dịch thải ở các hộ chăn nuôi Kết quả thăm dò ảnh hưởng nhiệt độ theo thời gian đến khả năng diệt khuẩn Salmonella 50 52 54 3.13 Mức các yếu tố thí nghiệm 55 3.14 Kết quả tổng hợp hiệu suất diệt khuẩn Salmonella 56 3.15 Ma trận thực nghiệm cấp II cấu trúc có tâm (k=2) 56 3.16 Kết quả thí nghiệm theo ma trận trực giao cấp II 57 3.17 Kết quả kiểm chứng giá trị tối ưu 60 3.18 Kết quả phân tích mẫu dịch thải sau biogas 61 3.19 Bảng so sánh tổng khối lượng sinh khối của 3 ô thí nghiệm 62 3.20 Kết quả thử nghiệm phân tích mẫu lá rau muống 63 DANH MỤC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ Số Tên biểu đồ hiệu Trang 1.1 Phân bố chăn nuôi lợn trên lãnh thổ Việt Nam năm 2016 7 1.2 Diễn biến sản lượng thịt lợn (2000 – 2016) ở Việt Nam 7 1.3 Phân bố chăn nuôi gà trên lãnh thổ Việt Nam năm 2016 8 1.4 Diễn biến sản lượng thịt gà (2000 – 2016) ở Việt Nam 8 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 Tỷ lệ phân bố các trang trại chăn nuôi ở huyện Hòa Vang năm 2017 Nồng độ chất ô nhiễm sau hầm biogas ở trang trại Trung Sơn Nồng độ chất ô nhiễm sau hầm biogas ở trang trại bà Lê Thị Tịch, trang trại Hòa Phú Nồng độ chất ô nhiễm sau hầm biogas ở hộ gia đình ông Nguyễn Phước và ông Nguyễn Duy Tâm Đồ thị ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến hiệu suất diệt khuẩn Salmonella Khối lượng sinh khối rau muống ở các ô thí nghiệm 37 43 45 51 59 63 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong những năm qua, ngành chăn nuôi ở Việt Nam đã phát triển đáng kể. Từ năm 1990 cho đến nay, ngành có hướng phát triển tương đối ổn định, tốc độ tăng trưởng trong những năm gần đây đạt đến 9,1% [2]. Bên cạnh những thành tựu đạt được, ngành chăn nuôi đã và đang gây nên ảnh hưởng xấu đến môi trường từ chất thải mà chúng sinh ra [9]. Quá trình phân hủy sinh học kỵ khí là giải pháp thích hợp để xử lý chất thải có nồng độ chất hữu cơ và chất rắn cao như là chất thải chăn nuôi. Sản xuất khí sinh học (biogas) từ chất thải chăn nuôi là giải pháp tạo ra lợi ích kép: Giảm thiểu phát thải khí nhà kính và đồng thời chuyển hóa chất thải thành nguồn năng lượng sạch, hữu ích. Tuy nhiên, nồng độ chất hữu cơ và dinh dưỡng trong dịch thải sau hầm biogas vẫn còn đạt ở ngưỡng cao, vượt quá QCVN 62 – MT:2016/BTNTMT (Cột B), cụ thể là: 3,5 lần đối với BOD5; 1,7 lần với COD và 04 lần với TN [19]. Bên cạnh đó, dịch thải này còn chứa nhiều chủng loại vi sinh vật gây hại như: Vi khuẩn Salmonella, Ecoli, các nhóm ký sinh trùng và các yếu tố sinh học gây bệnh khác [9]. Hiện nay, các dự án khí sinh học đang được triển khai khắp cả nước, nhờ vào các chương trình quốc gia, hỗ trợ từ các tổ chức quốc tế,… Riêng ở khu vực vùng nông thôn, miền núi ở huyện Hòa Vang tính đến tháng 7 năm 2016, toàn huyện đã có 363 hầm biogas, trong đó 351 hầm theo quy mô hộ gia đình, 12 hầm theo quy mô công nghiệp, đạt tỉ lệ trên 69% tổng số các hộ đang xử lý chất thải chăn nuôi [1]. Tuy nhiên, dịch thải sau hầm biogas chỉ đang được xử lý ở các hộ chăn nuôi công nghiệp, thông qua các biện pháp xử lý sinh học tiếp theo (hồ sinh học tùy tiện, sinh học hiếu khí) trước khi thải vào nguồn tiếp nhận. Quá trình xử lý này đòi hỏi chi phí xây dựng, vận hành cao và tốn nhiều diện tích đất. Đối với những hộ chăn nuôi gia đình, dịch thải này chủ yếu là tự thấm vào môi trường đất, do đó rất dễ dàng phát sinh mùi hôi, ảnh hưởng đến nguồn nước ngầm, cũng như đời sống cộng đồng dân cư trước mắt cũng như lâu dài. Từ những lý do nêu trên, việc nghiên cứu, đánh giá khả năng tái sử dụng dịch thải sau hầm biogas để tạo ra sản phẩm là phân bón dạng lỏng với mục đích phục vụ cho hoạt động nông nghiệp là rất cần thiết, góp phần tích cực vào mục tiêu chung bảo vệ môi trường nông thôn, phát triển bền vững ở địa phương. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn, đề tài “Nghiên cứu ứng dụng dịch thải sau hầm biogas làm phân bón dạng lỏng cho cây trồng” đã được tác giả lựa chọn và thực hiện nghiên cứu. 2 2. Mục tiêu nghiên cứu 2.1. Mục tiêu tổng quát Tận dụng nguồn dịch thải sau hầm biogas làm phân bón dạng lỏng phục vụ cho cây trồng ở huyện Hòa Vang. 2.2. Mục tiêu cụ thể Tạo ra được phân bón dạng lỏng từ dịch thải sau hầm biogas. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu - Dịch thải sau hầm biogas: + Các trang trại chăn nuôi ở huyện Hòa Vang. + Các hộ chăn nuôi gia đình ở xã Hòa Liên, huyện Hòa Vang. + Vi khuẩn Salmonella. - Cây trồng: Rau muống (Ipomoea aquatica). 3.2. Phạm vi nghiên cứu - Thời gian: 12/2016 đến tháng 7/2017. - Không gian: + Điều tra, khảo sát tình hình xử lý chất thải chăn nuôi bằng hầm biogas: * Quy mô trang trại: Huyện Hòa Vang. * Quy mô hộ gia đình: Xã Hòa Liên, huyện Hòa Vang. + Nghiên cứu thực nghiệm: * Chọn 02 hộ xử lý chất thải chăn nuôi bằng hầm biogas (01 hộ chăn nuôi gia súc và 01 hộ chăn nuôi gia cầm) để tiến hành lấy mẫu, phân tích định lượng vi khuẩn Salmonella và chất lượng nước trong mẫu dịch thải. * Đối với mẫu có kết quả dương tính Salmonella, thực hiện diệt khuẩn bằng phương pháp nhiệt. Từ kết quả thăm dò ở phòng thí nghiệm, ứng dụng phương pháp qui hoạch thực nghiệm vào trong đề tài nhằm xác định giá trị nhiệt tối ưu. * Tưới thử nghiệm trên cây rau muống bằng dịch thải đã xử lý theo phương pháp nhiệt với giá trị tối ưu nghiên cứu được (mẫu dương tính Salmonella) tại 01 hộ gia đình ở xã Hòa Liên, huyện Hòa Vang. 4. Nội dung nghiên cứu 4.1. Điều tra khảo sát xử lý chất thải chăn nuôi với quy mô trang trại ở huyện Hòa Vang - Không gian phân bố, quy mô các trang trại chăn nuôi. - Hiện trạng xử lý chất thải chăn nuôi: loại hầm, kết cấu, chất lượng dịch thải sau hầm biogas (TSS, BOD5, COD, TN, TP, Coliform). - Định mức lượng nước thải ra của vật nuôi ở các trang trại. - Phân tích định lượng vi khuẩn Salmonella trong mẫu dịch thải sau biogas. 3 4.2. Điều tra khảo sát xử lý chất thải chăn nuôi với quy mô hộ gia đình ở xã Hòa Liên, huyện Hòa Vang - Quy mô các hộ chăn nuôi gia đình. - Hiện trạng xử lý chất thải chăn nuôi: loại hầm, kết cấu, chất lượng dịch thải sau hầm biogas (TSS, BOD5, COD, TN, TP, Coliform). - Định mức lượng nước thải ra của vật nuôi ở các hộ gia đình. - Phân tích định lượng vi khuẩn Salmonella trong mẫu dịch thải sau biogas. 4.3. Nghiên cứu điều kiện diệt khuẩn Salmonella bằng phương pháp nhiệt tại phòng thí nghiệm 4.3.1. Kết quả nghiên cứu thăm dò phương pháp nhiệt Trên cơ sở lý thuyết đã nghiên cứu ở phần tổng quan, thực hiện thí nghiệm thăm dò về sự ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến hiệu suất diệt khuẩn Salmonella trong mẫu dịch thải. 4.3.2. Tối ưu hóa quá trình thực nghiệm Dựa vào kết quả thăm dò ở phòng thí nghiệm, ứng dụng phương pháp qui hoạch thực nghiệm vào đề tài nhằm xác định giá trị nhiệt và thời gian tối ưu để diệt khuẩn hoàn toàn Salmonella trong mẫu dịch thải. 4.3.3. Kiểm chứng giá trị tối ưu Phân tích kiểm chứng Salmonella trong mẫu dịch thải sau khi xử lý theo phương pháp nhiệt với giá trị tối ưu đã nghiên cứu được. 4.4. Thực hiện mô hình trồng rau muống bằng dịch thải sau diệt khuẩn - Theo dõi sự sinh trưởng và phát triển của rau muống qua 3 ô thí nghiệm: phân hữu cơ vi sinh (ô đối chứng), 02 mẫu dịch thải sau biogas đã qua xử lý ở hộ chăn nuôi gia súc và hộ chăn nuôi gia cầm (2 ô thử nghiệm). - Đánh giá khả năng sinh trưởng và phát triển của rau muống ở 3 ô thí nghiệm. - Đánh giá chất lượng dịch thải đã qua xử lý khi tưới trên rau muống. - Xác định và so sánh khối lượng sinh khối rau muống qua 03 ô thí nghiệm (thời điểm thu hoạch). - Phân tích định lượng vi khuẩn Salmonella trên mẫu lá rau muống được tưới bằng 02 loại mẫu dịch thải. 5. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thu thập thông tin. - Phương pháp tham vấn cộng đồng. - Phương pháp thu mẫu và phân tích. - Phương pháp qui hoạch thực nghiệm. - Phương pháp thực nghiệm. - Phương pháp đối sánh trên cây trồng. - Phương pháp so sánh với Thông tư, Quy chuẩn Việt Nam. 4 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 6.1. Ý nghĩa khoa học Kết quả nghiên cứu có thể làm nguồn tài liệu tham khảo cho các học viên, sinh viên trong nghiên cứu bảo vệ môi trường ở nông thôn. 6.2. Ý nghĩa thực tiễn - Tái sử dụng nguồn nguyên liệu sẵn có phục vụ trong nông nghiệp nhằm hạn chế sự phát thải chất ô nhiễm vào môi trường tự nhiên. - Tiết kiệm chi phí mua phân bón, tăng thu nhập cho người nông dân. 5 Chương 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. Tổng quan ngành chăn nuôi Trong những năm qua, ngành chăn nuôi có nhiều bước biến chuyển về tốc độ phát triển, phân bố vùng chăn nuôi và phương thức sản xuất. Cùng với sự phát triển này, ngành chăn nuôi còn xuất hiện thêm nhiều yếu tố tiêu cực như ô nhiễm môi trường, an toàn thực phẩm và đồng thời phát sinh thêm nhiều dịch bệnh mới,... 1.1.1. Trên thế giới Ngày nay, nông nghiệp có vai trò quan trọng trong cung cấp lương thực và các loại thực phẩm của toàn nhân loại. Ngành chăn nuôi không chỉ đóng vai trò cung cấp thịt, trứng, sữa – là các nhóm thực phẩm cơ bản mà còn góp phần vào sự đa dạng nguồn gen và đa dạng sinh học trên Trái đất [21]. Theo bảng số liệu thống kê của tổ chức Nông lương thế giới (FAO), nhóm 05 loại vật nuôi đứng đầu trên thế giới là: Bò: 1.494,4 triệu con; Cừu: 1.172,8 triệu con; Dê: 1.005,6 triệu con; Lợn: 977 triệu con và Trâu: 199,8 triệu con. Đa số nhóm vật nuôi này phân bố chủ yếu ở các nước châu Á. Đối với chăn nuôi gia cầm, tổng đàn gà được thống kê là 14.191,1 triệu con và tổng đàn vịt là 1.008,3 triệu con. Tốc độ tăng trưởng số lượng vật nuôi trên thế giới trong thời gian qua đạt trên dưới 1% /năm [29]. Phương thức chăn nuôi hiện nay ở các nước trên thế giới có ba hình thức sản xuất cơ bản là chăn nuôi tự nhiên, chăn nuôi công nghiệp và chăn nuôi sinh thái [38]: - Chăn nuôi tự nhiên là phương thức phát triển chăn nuôi xuất hiện sớm nhất trong lịch sử phát triển của xã hội loài người, cơ sở thực hiện là dựa vào nguồn thức ăn sẵn có trong môi trường tự nhiên và vật nuôi sẽ tự kiếm sống. Trong chăn nuôi tự nhiên, người ta chủ yếu sử dụng các giống loài vật nuôi địa phương, bản địa; vốn dĩ đã thích nghi với môi trường sống, điều kiện thức ăn và phương thức kiếm ăn. Phương thức chăn nuôi này thường yêu cầu mức đầu tư thấp, không đòi hỏi cao về trình độ khoa học kỹ thuật song năng suất sản phẩm thấp, chất lượng sản phẩm thường mang đặc tính tự nhiên nên được nhiều thị trường ưa chuộng. - Chăn nuôi công nghiệp là phương thức chăn nuôi hoàn toàn đối lập với chăn nuôi tự nhiên. Phương châm cơ bản của chăn nuôi công nghiệp là tối đa hóa khả năng tiếp nhận thức ăn, tối thiểu hóa quá trình vận động để tiết kiệm năng lượng, nhằm rút ngắn thời gian tích lũy năng lượng, tăng khối lượng và năng suất sản phẩm. Phương thức này đòi hỏi mức đầu tư thâm canh cao, không phụ thuộc vào các điều kiện tự nhiên nên năng suất sản phẩm ổn định. - Chăn nuôi sinh thái là phương thức chăn nuôi tiên tiến nhất, nó kế thừa từ những ưu điểm của hai phương thức chăn nuôi tự nhiên và công nghiệp, đồng thời cũng khắc phục được các mặt yếu kém và tồn tại của hai phương thức trên. Chăn nuôi sinh thái tạo các điều kiện ngoại cảnh để vật nuôi được phát triển gần như ở trong môi trường tự nhiên nhưng do con người chủ động hình thành, do đó luôn đảm bảo tính cân 6 đối và đầy đủ chất dinh dưỡng. Phương thức chăn nuôi sinh thái đang được thịnh hành ở các nước đã phát triển, cung cấp những sản phẩm sang các thị trường yêu cầu sản phẩm phải đạt chất lượng cao. 1.1.2. Ở Việt Nam Ở nước ta, ngành chăn nuôi đang phát triển mạnh, trở thành như một ngành sản xuất chính. Ngành này đang được chuyển dịch mạnh từ phát triển chăn nuôi tự nhiên với mục đích lấy sức kéo chuyển sang hướng chăn nuôi công nghiệp thâm canh với mục tiêu lấy thịt – trứng – sữa [38]. Hiện nay, chăn nuôi quy mô nhỏ lẻ ở các hộ gia đình vẫn chiếm tỷ trọng lớn, đạt khoảng 65 – 70% về sản lượng. Tuy nhiên, ngành chăn nuôi nước ta đang dần có những bước dịch chuyển nhanh chóng từ chăn nuôi nhỏ lẻ sang chăn nuôi quy mô lớn như trang trại và công nghiệp. Theo kết quả điều tra dân số, tính đến ngày 26/6/2017, Việt Nam có tổng số dân là 95.396.476 người, chiếm 1,27 % dân số thế giới, dân số Việt Nam đứng thứ 14 trong số các quốc gia đông dân nhất thế giới, mật độ dân số cao (khoảng 308 người/km2) [37]. Do đó, nhu cầu thực phẩm trong điều kiện dân số, đời sống ngày càng tăng dần đã và đang đặt ra cho các nhà quản lý nông nghiệp phải nhanh chóng hiện đại hóa sản xuất trong lĩnh vực nông nghiệp. Bảng 1.1. Số lượng gia súc, gia cầm và sản lượng sản phẩm chăn nuôi nước ta trong năm 2016 (thống kê tới thời điểm 01/10/2016) [35] Sản phẩm Loại Stt Đơn vị tính Số lượng Thịt Sữa Trứng vật nuôi (Tấn) (Tấn) (Triệu quả) 1 Trâu Ngàn con 2.519,411 86.630 2 Bò Ngàn con 5.496,557 308.608 795.143 3 Lợn Ngàn con 29.075,315 3.664.556 4 Ngựa Ngàn con 54,117 1.235 5 Dê Ngàn con 2.021,003 21.142 6 Cừu Ngàn con 126,133 1.480 7 Gà Ngàn con 277,189 740.726 5.445,065 8 Vịt Ngàn con 71,286 166.995 3.912,878 9 Ngan Ngàn con 12,624 52.068 83,763 Từ bảng số liệu trên cho thấy sản lượng tiêu thịt ở nước ta khá lớn, nhóm thịt được người tiêu dùng hướng tới phổ biến nhất là thịt lợn, chiếm tỉ trọng hơn 70% so với tổng sản lượng thịt đang được tiêu dùng trên thị trường ở Việt Nam. 1.1.2.1. Tình hình chăn nuôi lợn ở nước ta Nước ta có nhiều tiềm năng thích hợp với đặc tính chăn nuôi lợn. Trước hết, sản xuất nông nghiệp ở nhiều vùng nông thôn thường mang tính chất đan xen nhiều loại 7 cây trồng lương thực, hoa màu – đây là nguồn cung cấp thức ăn sẵn có tại chỗ. Thêm vào đó, điều kiện khí hậu ở vùng lãnh thổ nông nghiệp nước ta cũng rất phù hợp với đặc tính sinh học phát triển của lợn. Chính vì vậy, đàn lợn có thể phát triển rộng khắp mọi nơi ở các vùng miền ở nông thôn Việt Nam [13]. Chăn nuôi lợn là ngành cung cấp thịt chủ yếu ở nước ta. Một đặc điểm quan trọng mang tính ưu việc của chăn nuôi lợn là thời gian chăn thả ngắn, sức tăng trưởng nhanh và chu kỳ tái sản xuất ngắn. Lợn là loại vật nuôi tiêu tốn ít thức ăn so với tỷ lệ thể trọng; thức ăn có thể tận dụng từ nhiều nguồn phế phụ phẩm trồng trọt công nghiệp, thực phẩm; phụ phẩm trồng trọt công nghiệp thực phẩm và phụ phẩm sinh hoạt. Chính vì vậy, trong điều kiện nguồn thức ăn có ít, không ổn định vẫn có thể phát triển chăn nuôi lợn theo quy mô hộ gia đình. Biểu đồ 1.1. Phân bố chăn nuôi lợn trên lãnh thổ Việt Nam năm 2016 [34] Biểu đồ 1.2. Diễn biến sản lượng thịt lợn (2000 – 2016) ở Việt Nam [34] Đối với nhiều vùng nông thôn, nhất là trong xu thế phát triển nền nông nghiệp hữu cơ sinh thái, chăn nuôi lợn còn cung cấp để tạo ra phân chuồng nhằm bón cho các nhóm cây trồng, phân lợn được đánh giá là một trong những nguồn phân hữu cơ tốt, có thể cải tạo và nâng cao độ phì của đất nếu bón đúng với một lượng vừa phải, đặc biệt 8 đối với nhóm đất nông nghiệp. Ngoài ra, nước tiểu của lợn còn chứa hàm lượng chất dinh dưỡng cao như là Nitơ và Phốt pho [13]. 1.1.2.2. Tình hình chăn nuôi gia cầm ở nước ta Việt Nam hiện có 8 triệu hộ đang tham gia trong ngành gia cầm; đứng thứ 20 trên thế giới; đóng góp 1,7% vào GDP. Theo số liệu thống kê từ Viện chăn nuôi, sản lượng tiêu thụ thịt gia cầm ở nước ta chiếm khoảng 17,5% (năm 2015) và 19% (năm 2016) trong tổng sản lượng thịt tiêu thụ. Trong khi đó, con số này ở các nước Đông Nam Á là 43%, châu Á là 29% [38]. Trong ngành gia cầm nói chung, chăn nuôi gà ở Việt Nam đã phát triển mạnh trong những năm qua. Xu hướng chăn nuôi đang từng bước chuyển dịch sang quy mô trang trại. Gà ở nước ta hiện được nuôi dưới ba hình thức: nuôi thả ở hộ gia đình với chu kỳ nuôi từ 6 – 7 tháng; nuôi bán công nghiệp từ 50 – 1.000 con có chu kỳ nuôi 70 – 90 ngày và nuôi công nghiệp từ 2.000 – 30.000 con với chu kỳ nuôi 42 – 45 ngày. Biểu đồ 1.3. Phân bố chăn nuôi gà trên lãnh thổ Việt Nam năm 2016 [34] Biểu đồ 1.4. Diễn biến sản lượng thịt gà (2000 – 2016) ở Việt Nam [34] 9 1.2. Tổng quan về xử lý chất thải chăn nuôi 1.2.1. Chất thải chăn nuôi Chăn nuôi được xác định là một trong những ngành sản xuất tạo ra chất thải nhiều nhất vào môi trường [9]. Chất thải chăn nuôi phát sinh chủ yếu từ: - Chất thải của bản thân các nhóm vật nuôi như phân, nước tiểu, lông, vảy da và các loại phủ tạng thải. - Nước thải từ quá trình tắm gia súc, vệ sinh chuồng. - Thức ăn thừa, các vật dụng thừa thải trong quá trình chăn nuôi. 1.2.1.1. Phân Bắt nguồn từ những thành phần thức ăn, nước uống mà cơ thể vật nuôi không hấp thụ được và thải ra ngoài cơ thể. Trong phân chứa một lượng lớn các chất như Nitơ, Phốt pho, Kali, Kẽm, Đồng. Tùy theo loại vật nuôi, thức ăn, độ tuổi, khẩu phần ăn khác nhau mà lượng phân thải ra cũng sẽ khác nhau về khối lượng lẫn thành phần. Bảng 1.2. Lượng phân trung bình của gia súc trong một ngày đêm [15] Loại gia súc Phân (kg/con.ngđ) Trâu 18 – 25 Bò 15 – 20 Lợn < 10 kg 0,5 – 1,0 Lợn 15 – 45 kg 1,0 – 3,0 Lợn 45 – 100 kg 3,0 – 5,0 Dê 1,5 – 2,5 Thành phần hóa học của phân phụ thuộc vào các chất dinh dưỡng trong thức ăn, tình trạng sức khỏe, cách nuôi dưỡng, chuồng trại, loại gia súc, gia cầm… Bảng 1.3. Thành phần hóa học của các loại phân gia súc, gia cầm [26] Vật nuôi Lợn Gà Mức Nitơ (%) P2 O5 (%) K2 O (%) C/N Tối đa 1,200 0,900 0,600 22 Tối thiểu 0,450 0,450 0,350 20 Trung bình 0,840 0,850 0,580 21 Tối đa 2,000 0,950 1,720 17 Tối thiểu 1,800 0,450 1,210 15 Trung bình 1,900 0,850 1,421 16 Ngoài ra, trong phân ở các loại vật nuôi nói chung còn chứa nhiều loại vi khuẩn gây hại phát sinh dịch bệnh, như các nhóm ký sinh trùng, trứng giun sán, … nó có thể tồn tại vài ngày đến vài tháng ở môi trường bên ngoài, do đó ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của con người và các nhóm vật nuôi khác. 10 Các loại vi sinh vật gây hại có thể bị tiêu diệt trong điều kiện nhiệt độ và thời gian được trình bày ở bảng 1.4 sau: Bảng 1.4. Nhóm vi khuẩn, ký sinh có trong phân gia súc và điều kiện tiêu diệt [16] Điều kiện tiêu diệt Tên vi khuẩn, Khả năng Nhiệt độ Thời gian ký sinh trùng gây bệnh 0 ( C) (phút) Salmonella typhi Thương hàn 55 30 Salmonella paratyphi Phó thương hàn 55 30 Shigella spp Lị 55 60 Vibrio Cholera Tả 55 60 Escherichia coli Viêm dạ dày, ruột 55 60 Hepatite A Viêm gan 55 3–5 Tenia Soginata Sán 50 3–5 Micrococcus var Ung nhọt 54 10 Streptococcus Sinh mủ 50 10 Ascarie cumbricoides Giun đũa 50 60 Mycobacterium Lao 60 20 Tubecudsis Bạch hầu 55 45 Corynerbarterium Bại liệt 65 30 Diptheriac Sởi 45 10 Polio virus Hominis Giun tóc 55 10 Coiardia lomblia Sán bò 60 30 Trichuris trichiura Sán lợn 60 30 1.2.1.2. Nước thải chăn nuôi Nước thải chăn nuôi là nước được thải ra trong quá trình chăn nuôi động vật, bao gồm nước phân, nước tiểu, nước rửa chuồng trại, dụng cụ chăn nuôi, phương tiện vận chuyển, dung dịch xử lý chuồng trại,… Chỉ tính riêng với chăn nuôi lợn, nếu trung bình lượng nước thải ra 25 lít/con/ngày thì lượng nước này trong 1 năm đạt khoảng 85 triệu m3 – một con số đáng kể [24]. Theo khảo sát của Trương Thanh Cảnh và các cộng tác viên trên gần 1.000 trại chăn nuôi lợn quy mô vừa và nhỏ cho thấy hầu hết các cơ sở chăn nuôi đều sử dụng một khối lượng lớn nước cho gia súc. Cứ 01 kg chất thải chăn nuôi do lợn thải ra sẽ được pha thêm với từ 20 đến 49 kg nước. Lượng nước lớn này có nguồn gốc từ các các hoạt động như tắm, vệ sinh cho gia súc hay dùng để rửa chuồng nuôi hằng ngày [26]. Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi phụ thuộc vào thành phần của phân, nước tiểu gia súc, lượng thức ăn rơi vãi, mức độ và phương thức thu gom (số lần gom, vệ sinh chuồng trại), lượng nước dùng tắm gia súc, vệ sinh chuồng trại,… 11 Qua kết quả khảo sát của Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, trường Đại học Bách khoa Hà Nội (2009), cho thấy, giá trị COD, TN, TP, TSS và Coliform trong nước thải chăn nuôi lợn rất cao, các giá trị tương ứng là 2.500 – 12.120 mg/l, 185 – 4.539 mg/l, 28 – 831 mg/l, 190 – 5.830 mg/l và 4x104 – 108 MPN/ml. Trong khi đó, kết quả về chất lượng nước thải tại trang trại Hòa Bình Xanh (xã Hợp Hòa, huyện Lương Sơn, tỉnh Hòa Bình) với khoảng 300 con lợn cho thấy các thông số ô nhiễm như COD, NH4+, TP và TSS tương ứng lần lượt là 5.630 ± 1.032, 544 ± 57, 60 ± 18 và 4.904 ± 901 (Cao Thế Hà và ncs, 2015). Các giá trị ô nhiễm này đều vượt nhiều lần so với Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia về nước thải (QCVN 62-MT:2016/BTNMT và QCVN 40:2011/BTNMT). Bảng 1.5. Một số chỉ tiêu của nước thải chăn nuôi lợn [26] Chỉ tiêu Đơn vị Nồng độ Độ màu Pt – Co 350 – 870 Độ đục mg/l 420 – 550 BOD5 mg/l 3.500 – 9.800 COD mg/l 5.000 – 12.000 SS mg/l 680 – 1.200 1.2.2. Ảnh hưởng của chất thải chăn nuôi đến môi trường Nước thải chăn nuôi có nồng độ chất hữu cơ, chất dinh dưỡng cao và các nhóm vi sinh vật, vi trùng gây hại, không những gây ô nhiễm đến môi trường không khí mà còn làm ô nhiễm đến môi trường đất, làm rối loạn độ phì trong đất, nước mặt và cả nguồn nước ngầm. Khi chăn nuôi tập trung, mật độ chăn nuôi tăng cao dẫn đến tải lượng và nồng độ chất ô nhiễm cũng tăng cao, gây ảnh hưởng xấu đến môi trường sống và sức khỏe của cộng đồng. 1.2.2.1. Ô nhiễm không khí Nguyên nhân phát sinh mùi hôi là do quá trình phân huỷ kị khí của chất thải chăn nuôi, tạo ra khí N-NH3+, H2S. Trong thời gian đầu (3 – 5 ngày), vi sinh vật chưa kịp phân huỷ các chất thải nên mùi ít sinh ra, nhưng sau một thời gian xuất hiện mùi hôi rất khó chịu. Khí H2S có mùi trứng thối, gây buồn nôn, choáng, nhức đầu. Khí N-NH3+ kích thích mắt và đường hô hấp trên, gây ngạt ở nồng độ cao [23]. Bảng 1.6. Đặc điểm các khí sinh ra khi phân hủy kị khí [27] Giới hạn Loại khí Mùi Tác hại tiếp xúc Mùi Kích thích mắt và đường hô hấp trên gây NH3 20 ppm hăng, xốc ngạt ở nồng độ cao, dẫn đến tử vong Gây uể oải, nhức đầu, có thể gây ngạt dẫn CO2 Không mùi 1.000 ppm đến tử vong ở nồng độ cao