Luận văn Thạc sĩ Sinh học: Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải chăn nuôi sau biogas của một số loài thực vật thủy sinh trên mô hình đất ngập nước lai hợp

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:87

Thêm vào BST

Báo xấu

46
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của Luận văn nhằm đánh giá được khả năng thích nghi và xử lý nước thải chăn nuôi sau biogas của 2 loài thực vật thủy sinh là Bồn bồn và Thủy trúc. Đánh giá được hiệu quả của mô hình đất ngập nước lai hợp sử dụng thực vật thủy sinh (Bồn bồn, Thủy trúc) trong xử lý nước thải chăn nuôi sau biogas. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Sinh học: Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải chăn nuôi sau biogas của một số loài thực vật thủy sinh trên mô hình đất ngập nước lai hợp

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Mai Quang Tuyến NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI SAU BIOGAS CỦA MỘT SỐ LOÀI THỰC VẬT THỦY SINH TRÊN MÔ HÌNH ĐẤT NGẬP NƯỚC LAI HỢP LUẬN VĂN THẠC SĨ: SINH HỌC Thành phố Hồ Chí Minh - năm 2020
BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ ĐÀO TẠO VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Mai Quang Tuyến NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI SAU BIOGAS CỦA MỘT SỐ LOÀI THỰC VẬT THỦY SINH TRÊN MÔ HÌNH ĐẤT NGẬP NƯỚC LAI HỢP Chuyên ngành : Sinh học thực nghiệm Mã số : 8420114 LUẬN VĂN THẠC SĨ: SINH HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Bùi Quang Minh Thành phố Hồ Chí Minh - 2020
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những thông tin được viết trong luận văn này là do tôi thực hiện và sự hướng dẫn nhiệt tình của ThS. Nguyễn Văn Thành Nam và TS. Bùi Quang Minh. Mọi kết quả nghiên cứu cũng như ý tưởng, cùng với các thông tin nghiên cứu khác được trích dẫn rõ ràng, cụ thể trong luận văn. Đây là đề tài nghiên cứu mới, không trùng lặp với các đề tài luận văn nào trước đây, do đó không có sự sao chép của bất kì luận văn nào. Nội dung của luận văn được thể hiện theo đúng quy định, các nguồn tài liệu, tư liệu nghiên cứu và sử dụng trong luận văn đều được trích dẫn nguồn. Trong luận văn có sử dụng một số số liệu thực nghiệm từ đề tài cấp tỉnh Bình Phước năm 2018 “Ứng dụng thực vật thủy sinh để xây dựng mô hình xử lý nước thải sau biogas của các cơ sở chăn nuôi trên địa bàn tỉnh Bình Phước” do Chi nhánh phía Nam, Trung tâm Nhiệt đới Việt – Nga chủ trì thực hiện và ThS. Nguyễn Văn Thành Nam là Chủ nhiệm đề tài và tôi là người tham gia thực hiện. Nếu xảy ra vấn đề gì với nôi dung luận văn này, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm theo quy định./. Tp. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2020 Người cam đoan Mai Quang Tuyến
ii LỜI CẢM ƠN Luận văn được hoàn thành nhờ vào sự hướng dẫn nhiệt tình của ThS. Nguyễn Văn Thành Nam và TS. Bùi Quang Minh. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy, cảm ơn các thầy đã giúp tôi hoàn thành luận văn này. Cảm ơn Đảng ủy, Ban giám đốc và các đồng nghiệp Trung tâm Nhiệt đới Việt - Nga, Chi nhánh phía Nam đã tạo điều kiện thuận lợi nhất giúp tôi hoàn thành khóa học. Tôi xin cảm ơn các thầy cô của Học Viện Khoa Học và Công Nghệ, Viện Hàn Lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam. Cảm ơn tập thể lớp Cao học Sinh học thực nghiệm 2017A đã hỗ trợ, chia sẽ tài liệu, kiến thức cho tôi trong quá trình học tập. Vì những kinh nghiệm và kiến thức của bản thân còn hạn chế, luận văn được hoàn thành trong thời gian có hạn nên không tránh khỏi những thiếu sót. Tôi mong sẽ nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô cùng toàn thể các bạn đọc để luận văn tốt nghiệp này được hoàn thiện hơn nữa. Tp. HCM, tháng 12 năm 2020 Học viên Mai Quang Tuyến
iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí tự Tiếng Anh Tiếng Việt BB Typha orientalis Bồn bồn BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh hóa Ministry of Natural Resources & Bộ Tài nguyên và Môi trường BTN&MT Environment Bt Normal Bình thường COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học DO Dissolved Oxygen Oxy hòa tan ĐC Đối chứng ĐNN Wetland Đất ngập nước HRT Hydraulic retention time Thời gian lưu nước MH Paradigm Mô hình Ministry of Agriculture & Rural Nông Nghiệp và Phát triển NN&PTNT Development nông thôn NT Nước thải đầu vào Nghiệm thức QCVN Vietnamese standard Quy chuẩn Việt Nam TBB Tổng Bồn bồn lai hợp TN Total nitrogen Tổng nitơ TSS Total Suspended Solids Hàm lượng chất rắn lơ lửng TT Cyperus alternifolius Thủy trúc TTT Tổng Thủy trúc lai hợp TVTS Aquatic plants Thực vật thủy sinh Bể xử lý sinh học dòng chảy UASB Upflow anaerobic sludge blanket ngược qua tầng bùn kỵ khí VSV Microorganism Vi sinh vật
iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1. Thành phần hóa học của phân lợn ................................................... 6 Bảng 1. 2. Chất lượng nước thải chăn nuôi trước và sau khi xử lý bằng biogas ........................................................................................................................... 7 Bảng 1. 3. Vai trò của thực vật thuỷ sinh trong hệ sinh thái nước.................. 19 Bảng 3. 1. Chất lượng nước thải đầu vào hầm biogas của một số cơ sở chăn nuôi đã khảo sát ............................................................................................... 34 Bảng 3. 2. Chất lượng nước thải (đầu ra) sau quá trình xử lý biogas tại một số cơ sở chăn nuôi đã khảo sát............................................................................. 35 Bảng 3. 3. Kết quả theo dõi khả năng thích nghi của Bồn bồn và Thủy trúc đối với nước thải chăn nuôi sau biogas ................................................................. 38 Bảng 3. 4. Kết quả đánh giá khả năng xử lý COD trên mô hình đất ngập nước dòng chảy đứng và dòng chảy ngang .............................................................. 40 Bảng 3. 5. Kết quả đánh giá khả năng xử lý BOD5 trên mô hình đất ngập nước dòng chảy đứng và dòng chảy ngang .............................................................. 41 Bảng 3. 6. Kết quả đánh giá khả năng xử lý nitơ trên mô hình đất ngập nước dòng chảy đứng và dòng chảy ngang .............................................................. 43 Bảng 3. 7. Kết quả đánh giá khả năng xử lý amoni trên mô hình đất ngập nước dòng chảy đứng và dòng chảy ngang ..................................................... 44 Bảng 3. 8. Kết quả theo dõi hàm lượng nitrat trong nước thải trên mô hình đất ngập nước dòng chảy đứng và dòng chảy ngang ............................................ 46 Bảng 3. 9. Kết quả đánh giá theo dõi hàm lượng phốt pho trong nước thải trên mô hình đất ngập nước dòng chảy đứng và dòng chảy ngang ........................ 48 Bảng 3. 10. Kết quả theo dõi hàm lượng kẽm trong nước thải trên mô hình đất ngập nước dòng chảy đứng và dòng chảy ngang ............................................ 50 Bảng 3. 11. Kết quả theo dõi hàm lượng coliform trên mô hình đất ngập nước dòng chảy đứng và dòng chảy ngang .............................................................. 50
v Bảng 3. 12. Sự thay đổi của pH trong các mô hình dòng chảy đứng và dòng chảy ngang....................................................................................................... 52 Bảng 3. 13. Kết quả nhiệt độ của nước thải .................................................... 52 Bảng 3. 14. Kết quả hàm lượng oxy hòa tan trong nước thải trên mô hình đất ngập nước dòng chảy đứng và dòng chảy ngang ............................................ 53 Bảng 3. 15. Kết quả xử lý COD trên mô hình đất ngập nước lai hợp ............ 54 Bảng 3. 16. Kết quả đánh giá khả năng xử lý BOD5 trên mô hình đất ngập nước lai hợp ..................................................................................................... 55 Bảng 3. 17. Sự thay đổi của pH nước thải trong các bể xử lý ........................ 57 Bảng 3. 18. Kết quả theo dõi hàm lượng oxy hòa tan trong nước thải xử lý bằng mô hình đất ngập nước lai hợp ............................................................... 57 Bảng 3. 19. Kết quả đánh giá khả năng xử lý amoni trong nước thải của mô hình đất ngập nước lai hợp .............................................................................. 58 Bảng 3. 20. Kết quả đánh giá khả năng xử lý nitrat trong nước thải của mô hình đất ngập nước lai hợp .............................................................................. 59 Bảng 3. 21. Kết quả đánh giá khả năng xử lý tổng nitơ trong nước thải của mô hình đất ngập nước lai hợp .............................................................................. 60
vi DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1. 1. Số lượng đàn lợn theo phân vùng trên cả nước năm 2018 .............. 4 Hình 1. 2. Sơ đồ hệ thống đất ngập nước ........................................................ 12 Hình 1. 3. Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm theo phương ngang. (Vymazal, 1997) .............................................................................................. 13 Hình 1. 4. Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầng theo phương đứng. (Cooper, 1996) ................................................................................................ 14 Hình 2. 1. Cây Thủy trúc (trái) và cây Bồn bồn (phải) ................................... 25 Hình 2. 2. Đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa Hằng số phân hủy BOD và nhiệt độ của hệ thống đất ngập nước dòng chảy ngang .................................. 28 Hình 2. 3. Đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa Hằng số phân hủy BOD và nhiệt độ của hệ thống đất ngập nước dòng chảy đứng.................................... 29 Hình 2. 4. Sơ đồ bố trí vật liệu trong mô hình đất ngập nước dòng chảy đứng ......................................................................................................................... 31 Hình 2. 5. Sơ đồ bố trí vật liệu trong mô hình ĐNN dòng chảy đứng............ 31 Hình 2. 6. Sơ đồ bố trí mô hình đất ngập nước lai hợp................................... 31 Hình 3. 1. Một số loại hầm biogas tại các cơ sở chăn nuôi heo tỉnh Bình Phước............................................................................................................... 34 Hình 3. 2. Đặc điểm nước thải nuôi lợn trước và sau biogas.......................... 37 Hình 3. 3. Đánh giá khả năng thích nghi của cây Bồn bồn với nước thải chăn nuôi sau biogas ................................................................................................ 39 Hình 3. 4. Đánh giá khả năng thích nghi của cây Thủy trúc với nước thải chăn nuôi sau biogas ................................................................................................ 39 Hình 3. 5. Sự thay đổi hàm lượng COD trong các mô hình .......................... 41 Hình 3. 6. So sánh hiệu suất loại bỏ COD của Bồn bồn và Thủy trúc trên mô hình đất ngập nước dòng chảy đứng ............................................................... 41 Hình 3. 7. Sự thay đổi của hàm lượng BOD5 trong các mô hình ................... 42
vii Hình 3. 8. So sánh hiệu suất loại bỏ BOD5 của Bồn bồn và Thủy trúc trên mô hình đất ngập nước dòng chảy đứng ............................................................... 42 Hình 3. 9. Sự thay đổi hàm lượng tổng nitơ trong các mô hình xử lý ............ 44 Hình 3. 10. So sánh hiệu suất loại bỏ tổng nitơ của Bồn bồn và Thủy trúc trên mô hình đất ngập nước dòng chảy đứng ......................................................... 44 Hình 3. 11. Sự thay đổi hàm lượng amoni trong các mô hình đất ngập nước 45 Hình 3. 12. So sánh hiệu suất xử lý amoni của Bồn bồn và Thủy trúc trên mô hình đất ngập nước dòng chảy đứng ............................................................... 46 Hình 3. 13. Sự thay đổi hàm lượng nitrat trong các mô hình ......................... 47 Hình 3. 14. Sự thay đổi hàm lượng phốt pho tổng trong các mô hình xử lý .. 49 Hình 3. 15. Sự biến thiên của hàm lượng oxy hòa tan trong nước thải sau khi đi qua các mô hình xử lý ................................................................................. 53 Hình 3. 16. So sánh hiệu xuất xử lý COD của Bồn bồn và Thủy trúc trên mô hình đất ngập nước lai hợp .............................................................................. 55 Hình 3. 17. So sánh hiệu xuất xử lý BOD5 của Bồn bồn và Thủy trúc trên mô hình đất ngập nước lai hợp .............................................................................. 56 Hình 3. 18. Sự biến thiên của hàm lượng oxy hòa tan trong nước thải trên mô hình đất ngập nước lai hợp .............................................................................. 58 Hình 3. 19. Hàm lượng amoni trong nước thải sau khi xử lý trên mô hình đất ngập nước lai hợp sự dụng Bồn bồn và Thủy trúc .......................................... 59 Hình 3. 20. Sự biến thiên hàm lượng nitrat trong nước thải tại các bể xử lý trong mô hình đất ngập nước lai hợp .............................................................. 60 Hình 3. 21. Hiệu suất xử lý tổng nitơ của Bồn bồn và Thủy trúc trên mô hình đất ngập nước lai hợp ...................................................................................... 61
viii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................... iii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU .................................................................... iv DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ...................................................................... vi MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ........................................................... 3 1.1. TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG ..................................... 3 1.2. HIỆN TRẠNG CHĂN NUÔI Ở VIỆT NAM ....................................... 3 1.3. NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI .................................................................. 4 1.3.1. Tổng quan về nước thải chăn nuôi ...................................................... 4 1.3.2. Ảnh hưởng của chất thải chăn nuôi đến môi trường........................... 9 1.4. CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI TRONG CHĂN NUÔI. .............. 10 1.4.1. Công nghệ đất ngập nước kiến tạo xử lý nước thải chăn nuôi. ........ 10 1.4.2. Cơ chế loại bỏ các chất ô nhiễm trong mô hình đất ngập nước........ 15 1.4.3. Vai trò của thực vật thủy sinh trong hệ thống đất ngập nước ........... 17 1.4.4. Tình hình nghiên cứu về ứng dụng thực vật thủy sinh để xử lý nước thải chăn nuôi .................................................................................................. 20 CHƯƠNG 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.24 2.1. NGUYÊN VẬT LIỆU ......................................................................... 24 2.2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU..................................... 25 2.3. THỜI GIAN VÀ ĐỊA ĐIỂM NGHIÊN CỨU ..................................... 26 2.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................................................... 26 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................. 32 3.1. KHẢO SÁT SƠ BỘ HIỆN TRẠNG MỘT SỐ CƠ SỞ CHĂN NUÔI. ......................................................................................................................... 32 3.1.1. Quản lý chuồng trại. .......................................................................... 32 3.1.2 Hiện trạng các biện pháp xử lý chất thải và nước thải chăn nuôi. ..... 32 3.2. ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG THÍCH NGHI CỦA THỰC VẬT THỦY SINH ĐỐI VỚI NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI SAU BIOGAS........................ 37
ix 3.3. ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI CỦA THỰC VẬT THỦY SINH TRÊN MỘT SỐ MÔ HÌNH ĐNN ...................... 40 3.3.1. Đánh giá khả năng xử lý COD. ........................................................ 40 3.3.2. Đánh giá khả năng xử lý BOD5 ........................................................ 41 3.3.3. Đánh giá khả năng xử lý tổng Nitơ. .................................................. 43 3.3.4. Hiệu quả xử lý amoni ........................................................................ 44 3.3.5. Sự biến thiên hàm lượng nitrat trong các mô hình. .......................... 46 3.3.6. Khả năng xử lý Phốt pho................................................................... 48 3.3.7. Khả năng xử lý Cu, Zn ...................................................................... 50 3.3.8. Khả năng loại bỏ coliform ................................................................ 50 3.3.9. Sự thay đổi của pH, nhiệt độ và hàm lượng oxy hòa tan trong các mô hình đất ngập nước .......................................................................................... 52 3.4. THỬ NGHIỆM KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI TRÊN MÔ HÌNH ĐẤT NGẬP NƯỚC LAI HỢP. ........................................ 54 3.4.1. Đánh giá hiệu quả xử lý COD của mô hình ĐNN lai hợp. ............... 54 3.4.2. Đánh giá hiệu quả xử lý BOD5 của mô hình ĐNN lai hợp............... 55 3.4.3. Sự thay đổi pH và hàm lượng oxy hòa tan của nước thải trong mô hình đất ngập nước lai hợp. ............................................................................. 57 3.4.4. Đánh giá hiệu quả xử lý nitơ của mô hình ĐNN lai hợp. ................. 58 CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................. 63 4.1. KẾT LUẬN .......................................................................................... 63 4.2. KIẾN NGHỊ. ........................................................................................ 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 64 PHỤ LỤC ........................................................................................................ 73
1 MỞ ĐẦU ➢ Tính cấp thiết của đề tài Trong những năm gần đây, ngành chăn nuôi tại Việt Nam đang tăng trưởng và phát triển mạnh, góp phần quan trọng vào sự phát triển kinh tế của đất nước. Bên cạnh những lợi ích về kinh tế thì ngành chăn nuôi cũng đã tạo ra một khối lượng lớn chất thải chưa được xử lý triệt để, gây ra những ảnh hưởng tiêu cực tác động lên hệ sinh thái tự nhiên và môi trường sống. Một số cơ sở chăn nuôi đã sử dụng nước thải sau biogas chưa qua xử lý làm nước tưới tiêu trực tiếp cho cây trồng, gây ảnh hưởng đến an toàn thực phẩm, gây ô nhiễm nguồn môi trường. Theo cục chăn nuôi 2015, có khoảng 40% nước thải chăn nuôi đã qua hoặc chưa qua xử lý biogas, được xả thải trực tiếp ra môi trường. Có rất nhiều phương pháp để xử lý nguồn nước thải ô nhiễm sau chăn nuôi, như: phương pháp cơ học, hóa lý, hóa sinh, sinh học,… các phương pháp này thường đòi hỏi chi phí đầu tư trang thiết bị cũng như yêu cầu về kỹ thuật, chi phí vận hành cao, do đó sẽ gặp nhiều khó khăn khi áp dụng cho các cơ sở chăn nuôi, đặc biệt đối với các cơ sở chăn nuôi có qui mô không lớn, nguồn vốn đầu tư thấp. Từ những thập niên 60 của thế kỷ 20, các nhà nghiên cứu, nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu và ứng dụng bãi lọc trồng cây, đất ngập nước trong việc xử lý ô nhiễm môi trường nước trong đó có nước thải chăn nuôi đạt hiệu quả cao, có tính bền vững và thân thiện với môi trường [1], [2], [3], [4], [5]. Phương pháp xử lý ô nhiễm môi trường bằng thực vật thủy sinh (bãi lọc trồng cây – đất ngập nước) còn gọi là công nghệ sinh thái, gần đây được nghiên cứu và ứng dụng nhiều trên thế giới như là một giải pháp công nghệ xử lý nước thải cấp 2 trong điều kiện tự nhiên, đạt hiệu quả cao, chi phí thấp đồng thời góp phần cải tạo cảnh quan môi trường [6], [7]. Vì vậy tôi đề xuất thực hiện đề tài: “Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải chăn nuôi sau biogas của một số loài thực vật thủy sinh trên mô hình đất ngập nước lai hợp”.
2 ➢ Mục tiêu nghiên cứu Đánh giá được khả năng thích nghi và xử lý nước thải chăn nuôi sau biogas của 2 loài thực vật thủy sinh là Bồn bồn và Thủy trúc. Đánh giá được hiệu quả của mô hình đất ngập nước lai hợp sử dụng thực vật thủy sinh (Bồn bồn, Thủy trúc) trong xử lý nước thải chăn nuôi sau biogas. ➢ Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu hiện trạng nước thải tại một số cơ sở chăn nuôi trên địa bàn tỉnh Bình Phước. - Nghiên cứu khả năng thích nghi của cây Bồn bồn và Thủy trúc với nước thải chăn nuôi lợn sau biogas. - Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau biogas trên mô hình đất ngập nước. - Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải nuôi lợn sau biogas trên mô hình đất ngập nước lai hợp. ➢ Ý nghĩa khoa học Cung cấp cơ sở khoa học cho việc sử dụng thực vật thủy sinh (Bồn bồn và Thủy trúc) để xử lý nước thải chăn nuôi sau biogas bằng mô hình đất ngập nước lai hợp. ➢ Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu góp phần cung cấp cơ sở thực tiễn, một số dữ liệu cho việc thiết kế hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi sau biogas bằng công nghệ sinh thái, giảm và ngăn chặn nguy cơ gây ô nhiễm môi trường (đất, nguồn nước mặt, nước ngầm,...). Qua đó phát triển ngành chăn nuôi một cách bền vững, thân thiện với môi trường. Cung cấp số liệu, nguồn tài liệu tham khảo cho những nghiên cứu tiếp theo về xử lý nước thải chăn nuôi bằng thực vật thủy sinh trên mô hình đất ngập nước.
3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. TỔNG QUAN VỀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG Theo quan niệm thông thường, ô nhiễm môi trường là sự thay đổi các tính chất tự nhiên (về sinh học, vật lý và hóa học) của môi trường, mà sự thay đổi ấy thường có hại cho sức khỏe và hoạt động của con người cũng như có hại cho các loài sinh vật khác. Sự thay đổi tính chất hóa học của môi trường có thể được biểu hiện bằng sự xuất hiện hay gia tăng của một hay nhiều chất độc hại được gọi là chất gây ô nhiễm và những biểu hiện khác nữa [8], [9], [10]. Theo quan niệm sinh thái học, môi trường gồm các kho vật chất có kích thước (lượng vật chất) nhất định của mỗi nguyên tố hóa học; và sự ô nhiễm môi trường là sự mất khả năng tự điều chỉnh kích thước của các kho ấy. Ví dụ, nguyên tố cacbon được chứa trong rất nhiều kho như kho CO 2 và rất nhiều kho chất hữu cơ và vô cơ ; hiện nay kho CO2 đã vượt quá rất nhiều so với kích thước vốn có của nó trong điều kiện tự nhiên nhiều thế kỷ trước đây, và vẫn gia tăng không ngừng, tức là mất đi khả năng tự điều chỉnh về mức cũ; đó chỉ là một biểu hiện của sự ô nhiễm môi trường theo quan điểm sinh thái học. Ô nhiễm môi trường có thể do các nguyên nhân tự nhiên (hoạt động của núi lửa, động đất, bão, lụt, v..v..) hoặc do các hoạt động của con người (công nghiệp, nông nghiệp, giao thông, v..v..). 1.2. HIỆN TRẠNG CHĂN NUÔI Ở VIỆT NAM Hiện nay ngành chăn nuôi đang đóng một vai trò quan trọng trong việc cung cấp thực phẩm cho thị trường tiêu dùng Việt Nam. Chăn nuôi luôn chiếm vị trí quan trọng trong ngành nông nghiệp ở Việt Nam. Trong đó, chăn nuôi lợn giữ vị trí đứng đầu trong việc cung cấp sản lượng thịt của ngành chăn nuôi. Chăn nuôi lợn đã và đang tạo ra công ăn việc làm, mang lại thu nhập và góp phần ổn định sinh kế của phần lớn cộng đồng dân cư khu vực nông thôn trên toàn quốc. Hầu hết các vùng của Việt Nam đều phát triển chăn nuôi heo. Giá trị sản xuất của ngành chăn nuôi năm 2010 là 135.137,1 tỷ đồng; năm 2011 là
4 199.171,8 tỷ đồng; năm 2012 là 200.849,8 tỷ đồng; năm 2013 là 196.955,1 tỷ đồng [11], [12], [13], [14]. Theo Cục chăn nuôi năm 2018, hiện nước ta có đàn lợn 29 triệu con, đứng đầu ASEAN, đứng thứ 2 ở châu Á, nằm trong top 15 nước có đàn lợn lớn nhất thế giới. Tốc độ tăng trưởng đàn lợn giai đoạn 1997-2007 đạt 5,06%; giai đoạn 2007-2017 đạt 0,91%. Sản lượng thịt lợn trong năm 2016 đã đạt mức kỷ lục với 3,36 triệu tấn thịt lợn hơi, tăng 5% so với năm 2015 và đứng thứ 7 trên thế giới sau Trung Quốc, Mỹ, Đức, Tây Ban Nha, Braxin và Nga. Ngành chăn nuôi tại Việt Nam đóng một vai trò quan trọng trong nông nghiệp. Nó chiếm 28% giá trị sản xuất nông nghiệp. Trong năm 2014, đã có 4,58 triệu tấn thịt lợn được giết mổ tại Việt Nam, thịt lợn chiếm ưu thế trong sản xuất thịt tại Việt Nam (72,6%). 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0 ĐB sông Hồng TD và MN phía bắc BTB và DHMT Tây nguyên Đông Nam bộ ĐB sông C.Long Hình 1. 1. Số lượng đàn lợn theo phân vùng trên cả nước năm 2018 (Nguồn: Tổng cục thống kê năm 2018) 1.3. NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI 1.3.1. Tổng quan về nước thải chăn nuôi Chăn nuôi là một trong những phân ngành phát triển nhanh chóng nhất của sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam. Trong 10 năm qua, sản xuất chăn nuôi đã có sự thay đổi lớn, số lượng vật nuôi tăng lên trong khi số hộ chăn nuôi giảm xuống. Chăn nuôi thâm canh tại những cơ sở chăn nuôi lớn thường tạo nhiều chất thải hơn so với khả năng tái chế sử dụng làm phân bón hay khí đốt sinh học. Kết quả là việc xả thải không hợp lý và thiếu sót trong quá trình xử lý chất
5 thải trước khi xả thải vào môi trường xung quanh đã gây ra những cấp độ ô nhiễm cục bộ khác nhau đối với môi trường nước, đất và không khí, đồng thời ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường sống của cư dân xung quanh và đến hệ sinh thái khu vực [15], [16]. Nguồn nước thải chăn nuôi chủ yếu được phát sinh từ chăn nuôi lợn, nước thải có hàm lượng các chất hữu cơ, chất rắn lơ lửng, tổng nitơ, tổng phốt pho và các vi sinh vật cao. Trung bình, 1 con lợn nuôi thành phẩm phát sinh khoảng 30 lít nước thải trên một ngày đêm. Nước thải do quá trình tắm, rửa chuồng trại cho lợn, nước phân, nước tiểu của lợn. Đây được xem là một trong những loại gây ô nhiễm nặng nhất trong các loại nước thải vì chứa nhiều tạp chất như vô cơ, hữu cơ, khoáng chất...[17], [18]. Đặc biệt nguy hại hơn đó là trong nước thải chăn nuôi có chứa các vi khuẩn gây bệnh dịch như: E.coli, streptococcussp, salmonellasp, shigellasp, proteus, clostridiumsp,... là các vi khuẩn gây bệnh tả, lỵ, thương hàn, kiết lỵ. Các loại virus có thể tìm thấy trong nước thải như: coronavirus, poliovirus, aphthovirus... và ký sinh trùng trong nước gồm các loại trứng và ấu trùng, ký sinh trùng đều được thải qua phân, nước tiểu và dễ dàng hòa nhập vào nguồn nước. Chất thải chăn nuôi được phát sinh chủ yếu từ: chất thải từ bản thân gia súc như phân, nước tiểu, lông...; nước thải từ quá trình tắm gia súc, rửa chuồng hay rửa dụng cụ và thiết bị chăn nuôi, nước làm mát hay từ các hệ thống dịch vụ chăn nuôi, thức ăn thừa,..[19], [20]. Theo thống kê của tác giả Nguyễn Thế Hinh (2017), mỗi năm khối lượng nguồn thải ra từ chăn nuôi ra môi trường là một con số khổng lồ - khoảng 84,5 triệu tấn/năm. Trong đó, chỉ khoảng 20% được sử dụng hiệu quả thành các nhiên liệu và vật liệu tái tạo như khí sinh học, ủ phân, nuôi trùn, cho cá ăn,…, còn lại khoảng 80% lượng chất thải chăn nuôi đã bị lãng phí và phần lớn thải ra môi trường gây ô nhiễm [17], [21]. Chất thải trong chăn nuôi được chia làm ba loại: chất thải rắn, chất thải lỏng và chất thải khí. Trong chất thải chăn nuôi có nhiều hỗn hợp hữu cơ, vô cơ, vi sinh vật và trứng ký sinh trùng có thể gây bệnh cho động vật và con người. Chất thải rắn bao gồm chủ yếu là phân, xác súc vật chết, thức ăn dư thừa của vật nuôi, vật liệu lót chuồng và các chất thải khác, độ ẩm từ 56% - 83% và
6 tỷ lệ NPK cao. Lượng chất thải rắn rất khác nhau tùy theo loài số lượng vật nuôi và phương thức chăn nuôi. Thông thường, chăn nuôi theo phương thức quảng canh lượng phân thải ra của gia súc, gia cầm thường lớn hơn phương thức chăn nuôi thâm canh, nuôi có chất đệm lót cũng sẽ tạo ra lượng chất thải lớn hơn nuôi trên sàn. Khối lượng phân và nước tiểu được thải ra có thể chiếm 1,6-5% khối lượng cơ thể của gia súc [22], [23]. Ước tính lượng phân thải ra là 15kg/con/ngày đối với bò, 1,5-2,5 kg/con/ngày đối với lợn [13], 15], [24]. Đặc trưng thành phần hóa học của phân lợn từ 70 – 100kg được nêu trong bảng sau: Bảng 1. 1. Thành phần hóa học của phân lợn STT Chỉ tiêu Đơn vị tính Giá trị 1 Vật chất khô g/kg 213 – 342 2 NH4-N g/kg 0,66- 0,76 3 N tổng g/kg 7,99 – 9,32 4 Tro g/kg 32,5 – 93,3 5 Chất xơ g/kg 151 – 261 6 Carbonat g/kg 0,23 – 0,41 7 Các axit mạch ngắn g/kg 3,83 – 4,47 8 pH - 6,47 – 6,95 (Nguồn: Bùi Hữu Đoàn và cộng sự, 2011) Chất thải lỏng có độ ẩm cao hơn, trung bình khoảng 93% - 98% gồm phần lớn là nước thải của vật nuôi, nước rửa chuồng và phần phân lỏng hòa tan. Trong các dạng của chất thải của chăn nuôi, chất thải lỏng là loại chất thải có khối lượng lớn nhất. Đặc biệt khi lượng nước thải rửa chuồng được hòa chung với nước tiểu, nước tắm, phân của gia súc. Đây cũng là loại chất thải khó quản lý, khó sử dụng một cách tối ưu. Tùy thuộc vào đặc điểm của các hệ thống chăn nuôi khác nhau mà nước thải từ khu vực chăn nuôi có thể bao gồm cả chất thải rắn của vật nuôi hoặc không. Do đó, hàm lượng các chất ô nhiễm trong nước nước thải phát sinh từ các khu vực chuồng, trại chăn nuôi có thể rất khác nhau.
7 Chính vì vậy, đây là yếu tố làm ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý của hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi. Mặt khác, nước thải chăn nuôi có ảnh hưởng rất lớn đến môi trường nhưng người chăn nuôi ít để ý đến việc xử lý nó. Tùy vào chủng loại, độ tuổi của vật nuôi, qui mô sản xuất, cách vận hành, quản lý lưu lượng và chất lượng nước thải của các cơ sở chăn nuôi thường dao động khá nhiều. Đặc trưng quan trọng nhất của nước thải phát sinh từ các trang trại chăn nuôi, đặc biệt là chăn nuôi lợn: hàm lượng các chất hữu cơ, chất dinh dưỡng được biểu thị qua các thông số như: COD, BOD5, tổng nitơ, tổng phốt pho, TSS…những thông số này là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường chính. Đây là những thành phần dễ phân hủy, gây mùi hôi thối, phát sinh khí độc, làm sụt giảm lượng ôxy hòa tan trong nước và đặc biệt nếu không được xử lý khi thải ra nguồn tiếp nhận sẽ gây ô nhiễm môi trường, gây phì dưỡng hệ sinh thái, làm ảnh hưởng đến cây trồng và là nguồn dinh dưỡng quan trọng để các vi khuẩn gây hại phát triển. Ngoài ra trong nước thải của trang trại chăn nuôi có chứa hàm lượng lớn các vi khuẩn gây bệnh dịch, đây là yếu tố ảnh hưởng trực tiếp tới sức khỏe của con người cũng như động vật trong khu vực. Kết quả điều tra của Trần Thị Dân và cộng sự. tại một số vực phía Nam Việt Nam cho thấy, chỉ tiêu COD trong nước thải chăn nuôi lợn dao động từ 4.373 – 12.852 mg/l vào mùa khô và 827 – 32.750 mg/l vào mùa mưa, và lượng nước sử dụng là 100 lít/con/ngày đối với lợn [16], [25]. Vũ Đình Tôn và cộng sự, khảo sát tại các cơ sở chăn nuôi tại các tỉnh Hải Dương, Hưng Yên, Bắc Ninh đã đưa ra kết quả về chất lượng nước thải chăn nuôi trước và sau khi xử lý bằng hầm biogas như sau [23]. Bảng 1. 2. Chất lượng nước thải chăn nuôi trước và sau khi xử lý bằng biogas Giá trị STT Chỉ tiêu Đơn vị tính Trước biogas Sau biogas 1 BOD5 mg/l 799,8 – 1250,7 161,8 – 290,7 2 COD mg/l 1.472,7 – 2.527,7 445,8 – 849,3 3 Sunfur mg/l 25,5 – 50,4 3,63 – 7,25 4 Cu2+ mg/l 0,6 – 16 0,3 – 11,5
8 Giá trị STT Chỉ tiêu Đơn vị tính Trước biogas Sau biogas 5 Zn2+ mg/l 0,04 – 1,2 0,01 – 0,7 6 Cl- mg/l 1.260 – 1.880 1.120 – 1.524 7 NH4-N mg/l 21,22 – 31,31 26,51 – 32,78 8 TN mg/l 150,8 – 241,6 135,6 – 187,6 (Nguồn: Vũ Đình Tôn và cộng sự, 2008) Các vi sinh vật gây bệnh và trứng ký sinh trùng, thời gian tồn tại của chúng trong nước thải khá lâu. Theo các số liệu nghiên cứu cho thấy: Erysipelothrise insidiosa 92 - 157 ngày, brucella 105 - 171 ngày, mycobacterium 475 ngày, virus lở mồm long móng 190 ngày, leptospira 21 ngày, trứng ký sinh trùng đường ruột 12 - 15 tháng. Đây là nguồn truyền bệnh dịch rất nguy hiểm [13], [17], [26]. Khi lượng chất thải chăn nuôi không được xử lý đúng cách thải vào môi trường quá lớn làm gia tăng hàm lượng chất hữu cơ và vô cơ trong nước. Chúng làm giảm quá mức lượng oxy hòa tan, giảm chất lượng nước mặt ảnh hưởng đến hệ vi sinh vật nước, và là nguyên nhân tạo nên dòng nước chết (nước đen, hôi thối, sinh vật không thể tồn tại) ảnh hưởng đến sức khỏe con người, động vật và môi trường sinh thái. Hai chất dinh dưỡng trong nước thải dễ gây nên vấn đề ô nhiễm nguồn nước đó là nitơ (nhất là ở dạng nitrat) và phốt pho. Hiện nay, việc sử dụng nước thải hầm biogas trong canh tác và sản xuất nông nghiệp là rất phổ biến và mang lại nhiều lợi ích. Các thông số ô nhiễm trước và sau biogas đã giảm tương đối nhiều. Tuy nhiên, nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải đầu ra của hầm biogas còn khá cao và vượt tiêu chuẩn cho phép nhiều lần (theo QCVN 62-MT:2016/BTNMT), đặc biệt là chất dinh dưỡng. Quá trình xử lý chất thải bằng hầm biogas đã giảm đáng kể các vi sinh vật và một số chỉ số hóa học trong chất thải. Nhưng, quá trình xử lý này chưa triệt để, các tác nhân gây bệnh như Salmonella, Giardia, Cryptosporidium vẫn
9 hiện diện trong nước thải hầm biogas [5], [6], [27], [28]. Để đủ điều kiện xả thải ra môi trường, nước thải đầu ra sau biogas cần được tiếp tục xử lý. 1.3.2. Ảnh hưởng của chất thải chăn nuôi đến môi trường Ngành chăn nuôi đang tăng trưởng, phát triển mạnh, cùng với đó thì tình trạng ô nhiễm môi trường do chất thải thải ra trong quá trình chăn nuôi cũng gia tăng. Nguồn chất thải vượt quá khả năng chịu tải của môi trường tự nhiên đã làm ảnh hưởng trực tiếp đến hệ sinh thái, cảnh quan môi sinh, đe dọa tác động trực tiếp tới cuộc sống của người dân [3], [29], [30], [31]. Thành phần chất thải chủ yếu của trang trại chăn nuôi gồm có: phân, nước tiểu vật nuôi, thức ăn chăn nuôi dư thừa; xác gia súc, gia cầm chết; các hoá chất thất thoát (hoá chất tiêu độc, khử trùng); các phụ phẩm nông nghiệp (thân cây, cành, lá, vỏ, hạt); ... Trong đó, nước thải chăn nuôi chiếm phần lớn thành phần chất thải nêu trên. Nước tắm rửa, nước phân, nước tiểu,… Trung bình, cứ 1kg chất thải chăn nuôi do lợn thải ra được pha thêm 20 – 40kg nước. Tính trung bình lượng nước thải trên đầu lợn khoảng 30 lít/ ngày đêm thì lượng nước thải của ngành chăn nuôi lơn trên cả nước là 7,2 triệu m3/ngày đêm [13], [18], [32]. Thành phần N, P và các VSV gây hại có trong chất thải chăn nuôi gây ô nhiễm môi trường không khí, môi trường đất, nước mặt và cả nguồn nước ngầm. Quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ trong phân gia súc (nhất là protein trong điều kiện yếm khí) thường sản sinh ra các chất khí có mùi hôi thối (indol, H2S, NH3) gây ô nhiễm không khí. Trong nước thải chăn nuôi, hàm lượng N, P cao khi xả ra môi trường gây hiện tượng phú dưỡng môi trường nước các thuỷ vực tiếp nhận dẫn đến hiện tượng “nở hoa nước” do vi tảo bao gồm vi khuẩn lam độc phát triển mạnh, làm mất cân bằng sinh thái và suy giảm chất lượng nước, ảnh hưởng xấu đến môi trường sống và sức khỏe cộng đồng (Đặng Đình Kim và cs, 2005). Bên cạnh đó, do nước thải cũng chứa hàm lượng chất hữu cơ cao nên làm giảm nồng độ ôxy hoà tan cho nguồn nước tiếp nhận, ảnh hưởng đến hệ sinh thái thuỷ sinh vật nguồn nước tiếp nhận. Ngoài ra, trong trường hợp gia súc mắc các bệnh truyền nhiễm hoặc ký sinh trùng, côn trùng