Nghiên cứu công nghệ xử lý và tuần hoàn nước thải chăn nuôi sử dụng kết hợp mô hình đất ngập nước kiến tạo và mô hình Aquaponics (LV thạc sĩ)

Nghiên cứu công nghệ xử lý và tuần hoàn nước thải chăn nuôi sử dụng kết hợp mô hình đất ngập nước kiến tạo và mô hình Aquaponics (LV thạc sĩ)Nghiên cứu công nghệ xử lý và tuần hoàn nước thải chăn nuôi sử dụng kết hợp mô hình đất ngập nước kiến tạo và mô hình Aquaponics (LV thạc sĩ)Nghiên cứu công nghệ xử lý và tuần hoàn nước thải chăn nuôi sử dụng kết hợp mô hình đất ngập nước kiến tạo và mô hình Aquaponics (LV thạc sĩ)Nghiên cứu công nghệ xử lý và tuần hoàn nước thải chăn nuôi sử dụng kết hợp mô hình đất ngập nước kiến tạo và mô hình Aquaponics (LV thạc sĩ)Nghiên cứu công nghệ xử lý và tuần hoàn nước thải chăn nuôi sử dụng kết hợp mô hình đất ngập nước kiến tạo và mô hình Aquaponics (LV thạc sĩ)Nghiên cứu công nghệ xử lý và tuần hoàn nước thải chăn nuôi sử dụng kết hợp mô hình đất ngập nước kiến tạo và mô hình Aquaponics (LV thạc sĩ)Nghiên cứu công nghệ xử lý và tuần hoàn nước thải chăn nuôi sử dụng kết hợp mô hình đất ngập nước kiến tạo và mô hình Aquaponics (LV thạc sĩ)Nghiên cứu công nghệ xử lý và tuần hoàn nước thải chăn nuôi sử dụng kết hợp mô hình đất ngập nước kiến tạo và mô hình Aquaponics (LV thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng của tôi Các số liệu, kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kì công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được chỉ rõ nguồn gốc./

Tác giả luận văn

Lưu Thị Cúc

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài, tôi đã nhận được sự giúp

đỡ tạo điều kiện thuận lợi nhất, những ý kiến đóng góp và những lời chỉ bảo quý báu của tập thể và cá nhân trong và ngoài trường đại học Nông Lâm Thái Nguyên Đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc TS Dư Ngọc Thành là người trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian nghiên cứu đề tài

và hoàn thành luận văn Tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của Ủy ban nhân dân thành phố Lào Cai, Công ty TNHH Giải pháp Kỹ thuật và Truyền thông môi trường và các cơ quan ban ngành khác có liên quan tạo điều kiện cho tôi thu thập số liệu, những thông tin cần thiết để thực hiện luận văn này

Tôi xin được bày tỏ lòng cảm ơn chân thành và sâu sắc tới sự giúp đỡ tận tình, quý báu đó!

Xin trân trọng cảm ơn!

Tác giả luận văn

Lưu Thị Cúc

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC HÌNH viii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu của đề tài 3

3 Ý nghĩa của đề tài 3

Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

1.1 Các khái niệm cơ bản 4

1.2 Tổng quan về nước thải chăn nuôi 4

1.2.1 Khái niệm về ô nhiễm môi trường trong chăn nuôi 4

1.2.2 Nguồn gốc phát sinh chất thải chăn nuôi 5

1.2.3 Thành phần tính chất nước thải chăn nuôi 5

1.2.4 Các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi lợn 7

1.2.5 Thực trạng xử lý nước thải chăn nuôi hiện nay ở Việt Nam 8

1.3 Tổng quan về đất ngập nước kiến tạo 10

1.3.1 Khái niệm đất ngập nước kiến tạo 10

1.3.2 Các loại hình đất ngập nước nhân tạo 11

1.3.3 Cấu tạo của đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm hay bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm (SSF) 13

1.4 Tổng quan về Aquaponics 14

1.4.1 Khái niệm về Aquaponics 14

1.4.2 Đặc trưng cơ bản của Aquaponics 14

1.4.3 Cấu tạo và cơ chế hoạt động của mô hình Aquaponics 16

1.4.4 Lợi ích sử dụng Aquaponics 16

1.5 Cơ sở khoa học của nghiên cứu 17

1.5.1 Các nghiên cứu ở nước ngoài 17

1.5.2 Các nghiên cứu ở trong nước 24

Chương 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29

2.1 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 29

2.2 Thời gian và địa điểm nghiên cứu 29

2.3 Nội dung nghiên cứu và các chỉ tiêu theo dõi 29

2.4 Phương pháp nghiên cứu 30

2.4.1 Phương pháp thiết kế mô hình thí nghiệm 30

2.4.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm 34

2.4.3 Phương pháp lấy mẫu và phân tích 35

2.4.4 Phương pháp tổng hợp và so sánh 37

2.4.5 Phương pháp xử lý số liệu 37

Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 39

3.1 Điều kiện tự nhiên, thời tiết - khí hậu khu vực nghiên cứu 39

3.1.1 Vị trí địa lý 39

3.1.2 Thời tiết - Khí hậu 39

3.1.3 Ảnh hưởng của điều kiện tự nhiên, thời tiết - khí hậu đến nghiên cứu 40

3.2 Hiệu quả xử lý nước thải của mô hình nghiên cứu với các công thức thí nghiệm khác nhau 42

3.2.1 Đánh giá chất lượng nước thải đầu vào 42

3.2.2 Đánh giá chất lượng nước thải sau xử lý của các công thức thí nghiệm 44

3.2.3 So sánh hiệu quả xử lý nước thải của các công thức thí nghiệm 51

3.3 Đánh giá hiệu quả kinh tế và đề xuất giải pháp 55

3.3.1 Tính toán tổng thu của từng công thức 55

3.4.2 Tính toán tổng chi phí đầu tư của từng công thức 57

3.4.3 Hạch toán hiệu quả kinh tế của các công thức thí nghiệm 58

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 60

1 Kết luận 60

2 Kiến nghị 61

TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

PHỤ LỤC 65

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa sinh hóa COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa hóa học

CV Coefficient of variation Hệ số biến động

DO Dissolved Oxygen Oxy hòa tan

LSD Least significant difference Sai khác nhỏ nhất

QCVN National Technical Regulation

on industrial wastewater

Qui chuẩn Việt Nam

TSS Total Suspended Solids Hàm lượng chất rắn lơ lửng

T-P Total phosphorus Tổng lân

TNMT Resources - Environment Tài nguyên - Môi trường

DANH MỤC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Thành phần hóa học nước thải của lợn [15] 6

Bảng 1.2 Tính chất nước thải chăn nuôi lợn [15] 6

Bảng 1.3 Kết quả phân tích một số chỉ tiêu vật lý, hoá học của nước thải chăn nuôi sau công trình khí sinh học Biogas [8] 9

Bảng 2.1 Các loại vật liệu lọc sử dụng trong mô hình thí nghiệm 30

Bảng 2.2 Hệ thực vật được sử dụng trong mô hình thí nghiệm 30

Bảng 2.3 Hệ động vật sử dụng trong mô hình Aquaponics 30

Bảng 2.4 Các chỉ tiêu theo dõi và phương pháp phân tích 36

Bảng 3.1 Kết quả phân tích một số chỉ tiêu hóa – sinh học của nước thải đầu vào 42

Bảng 3.2 Kết quả phân tích một số chỉ tiêu Vật lý của nước thải đầu vào 43

Bảng 3.3 Khả năng xử lý BOD5 trong nước thải của các công thức thí nghiệm 44

Bảng 3.4 Khả năng xử lý COD trong nước thải của các công thức thí nghiệm 45

Bảng 3.5 Khả năng xử lý T-P trong nước thải của các công thức thí nghiệm 46

Bảng 3.6 Khả năng xử lý T-N trong nước thải của các công thức thí nghiệm 47

Bảng 3.7 Khả năng xử lý Coliform trong nước thải của các công thức thí nghiệm 48

Bảng 3.8 Khả năng xử lý TSS trong nước thải của các công thức thí nghiệm 50

Bảng 3.9 Khả năng xử lý EC và pH của các công thức thí nghiệm 50

Bảng 3.10 Khả năng xử lý Màu và mùi nước thải của các công thức thí nghiệm 51

Bảng 3.11 Đặc điểm sinh trưởng, phát triển của thực - động vật trong mô hình nghiên cứu 55

Bảng 3.12 Tổng thu của 3 công thức sau 03 tháng chạy mô hình 56

Bảng 3.13 Tổng chi của 3 công thức sau 3 tháng chạy mô hình 58

Bảng 3.14 So sánh hiệu quả kinh tế của 3 công thức thí nghiệm sau 03 tháng chạy mô hình 58

DANH MỤC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Bãi lọc trồng cây dòng chảy mặt 11

Hình 1.2 Bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm 12

Hình 1.3 Chu kỳ Nito trong mô hình Aquaponics 15

Hình 1.4 Cấu tạo 1 mô hình Aquaponics điển hình 16

Hình 1.5 Thành phần trái dừa 25

Hình 1.5.a: Lớp vỏ trong 26

Hình 1.5.b: Lớp vỏ trong và gáo dừa 26

Hình 1.5.c: Lớp vỏ trong và ngoài 26

Hình 2.1 Mô hình thí nghiệm 34

Hình 2.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 35

Hình 3.1 Khả năng xử lý BOD5 của các công thức thí nghiệm 45

Hình 3.2 Khả năng xử lý Coliform của các công thức thí nghiệm 49

Hình 3.3: Khả năng xử lý nước thải của các công thức thí nghiệm 53

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nước là cội nguồn của sự sống, là yếu tố quan trọng hàng đầu cho sự tồn tại và phát triển của con người cũng như sinh vật Tuy nhiên hiện nay, tài nguyên nước đang suy giảm nghiêm trọng cả về số lượng và chất lượng mà nguyên nhân chủ yếu - không ai khác lại là chính con người

Kinh tế phát triển, nhu cầu sử dụng nước ngày một tăng và nước thải là một hệ quả tất yếu Nước thải phát sinh từ mọi hoạt động sống, hoạt động sản xuất của con người và nếu không có biện pháp quản lý và xử lý kịp thời thì ô nhiễm môi trường nước do nước thải chỉ còn là vấn đề thời gian Một trong những nguồn nước thải có tải trọng lớn, ảnh hưởng trực tiếp đến tài nguyên nước của nước ta hiện nay là: nước thải chăn nuôi [8]

Cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội, hội nhập nền kinh tế thế giới, các ngành nghề đều được đẩy mạnh phát triển Chăn nuôi cũng vậy: các cơ sở chăn nuôi ngày càng tăng dù là số lượng hay quy mô Phát triển chăn nuôi đem lại hiệu quả kinh tế cao, tuy nhiên bên cạnh những đóng góp về mặt kinh

tế, chăn nuôi cũng bộc lộ nhiều nhược điểm Các trang trại chăn nuôi với mặt bằng hạn hẹp không đảm bảo các điều kiện về vệ sinh thú y và nhất là không

xử lý chất thải trước khi thải ra ngoài môi trường làm cho đất, nước, không khí ở những khu vực xung quanh bị ô nhiễm nặng Tình trạng ô nhiễm môi trường xung quanh các cơ sở chăn nuôi ở Việt Nam đã đến mức báo động Phần lớn nước thải từ chăn nuôi đều chưa được xử lý hoặc xử lý nhưng không đúng quy cách nên vẫn gây ô nhiễm đến môi trường Theo kết quả khảo sát đánh giá các loại mô hình khí sinh học của Viện Khoa học và Công nghệ môi trường, Đại học Bách Khoa năm 2010 cho biết nước thải từ việc chăn nuôi mặc dù đã được xử lý bằng hầm biogas, bể yếm khí, hồ phủ màng HDPE, nhưng nước thải đầu ra xả vào nguồn hầu hết đều chưa đạt được qui chuẩn

môi trường (QCVN 40:2011/BTNMT- Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp) Chỉ tính riêng COD, hiệu quả xử lý của các công trình này đạt 39 - 82%, vượt 2 - 30 lần, tổng N, tổng P, vi khuẩn gây bệnh đều vượt tiêu chuẩn từ 2 - 6 lần Cùng với các thành phần trên nước thải còn phát sinh các chất khí như CO2, NH3, H2S, CH4, N2 tạo nên mùi hôi thối trong khu vực nuôi ảnh hưởng xấu tới môi trường không khí xung quanh, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước gây bức xúc những người dân

Hiện nay có nhiều biện pháp xử lý nước thải như: cơ học, lý - hoá học, Bãi lọc trồng cây (Constructed wetland) những năm gần đây đã được biết đến trên thế giới như một giải pháp công nghệ xử lý nước thải mức độ

xử lý cấp 2 trong điều kiện tự nhiên, đạt hiệu suất xử lý cao Tuy nhiên, lợi ích về kinh tế là không nhiều và cũng chưa được quan tâm nghiên cứu Ngược lại, Aquaponics là hệ thống canh tác nông nghiệp bền vững với hiệu quả kinh tế cao nhưng đòi hỏi người quản lý phải có trình độ kỹ thuật nhất định và tương đối khó khăn trong việc bổ sung chất dinh dưỡng (phân bón, các yếu tố vi lượng,…) tối ưu cho sự phát triển của cây trồng cũng như cân bằng T - N trong hệ thống Tồn tại phổ biến nhất của Aquaponics là vấn đề xử

lý nước bể nuôi cá cũng như việc phải bổ sung dinh dưỡng cho phù hợp với

sự phát triển của cây trong mô hình Việc thay nước và bổ sung dung dịch dinh dưỡng cho hệ thống sau một thời gian sử dụng gây tốn kém, khó khăn cho vận hành và gây ô nhiễm môi trường [3]

Xử lý và tái sử dụng nước thải sau xử lý đang là một hướng đi mới đầy triển vọng, đảm bảo cho sự phát triển bền vững của tương lai, đã được triển khai nghiên cứu ở nhiều nước trên thế giới Câu hỏi đặt ra ở đây là: “Làm thế nào để kết hợp được hiệu quả về mặt môi trường và hiệu quả kinh tế trên cùng một hệ thống xử lý nước thải, cụ thể ở đây là nước thải chăn nuôi, đồng thời đảm bảo tái sử dụng hiệu quả nước sau xử lý?” Xuất phát từ trăn trở đó, tôi

tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu công nghệ xử lý và tuần hoàn nước

thải chăn nuôi sử dụng kết hợp mô hình đất ngập nước kiến tạo và mô hình Aquaponics” Kết quả của đề tài sẽ góp phần giải quyết hiệu quả bài

toán về môi trường và kinh tế: vừa bảo vệ chất lượng nguồn nước, làm tăng hiệu quả sử dụng đồng thời giảm chi phí xử lý nước thải chăn nuôi, bảo vệ sức khỏe người lao động, rất thích hợp với điều kiện của Việt Nam; vừa cung cấp lợi ích thiệt thực về kinh tế thông qua lượng sinh khối thu được từ mô hình Aquaponics

2 Mục tiêu của đề tài

- Đánh giá hiệu quả kinh tế và đề xuất giải pháp

3 Ý nghĩa của đề tài

3.1 Ý nghĩa trong học tập và nghiên cứu khoa học

- Vận dụng và phát huy những kiến thức đã học vào nghiên cứu

- Nâng cao kiến thức, kĩ năng bố trí thí nghiệm và phân tích các chỉ tiêu nghiên cứu, rút ra những kinh nghiệm thực tế phục vụ cho các nghiên cứu sau này

- Nâng cao khả năng tự học, tự nghiên cứu và tra cứu tài liệu

- Bổ sung tư liệu cho học tập

3.2 Ý nghĩa thực tiễn

- Đưa ra 1 đi hướng mới trong công nghệ xử lý môi trường: kết hợp xử

lý và tuần hoàn nước thải, kết hợp việc đảm bảo lợi ích về môi trường (đất ngập nước kiến tạo) và lợi ích kinh tế (Aquaponics)

- Xử lý được nước thải chăn nuôi, bảo vệ môi trường

Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Các khái niệm cơ bản

* Môi trường: Trong Luật Bảo vệ môi trường đã được Quốc hội nước

Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam khoá XI, kỳ họp thứ 8 thông qua ngày

29 tháng 11 năm 2005, định nghĩa như sau: “Môi trường bao gồm các yếu tố

tự nhiên và vật chất nhân tạo bao quanh con người, có ảnh hưởng đến đời sống, sản xuất, sự tồn tại, phát triển của con người và sinh vật”

* Ô nhiễm môi trường nước: Là sự thay đổi thành phần và chất lượng

nước không đáp ứng cho các mục đích sử dụng khác nhau, vượt quá tiêu chuẩn cho phép và có ảnh hưởng xấu đến đời sống con người và sinh vật Nước trong

tự nhiên tồn tại dưới nhiều hình thức khác nhau: Nước ngầm, nước ở các sông

hồ, tồn tại ở thể hơi trong không khí, Nước bị ô nhiễm nghĩa là thành phần của nó tồn tại các chất khác, mà các chất này có thể gây hại cho con người và cuộc sống các sinh vật trong tự nhiên Nước ô nhiễm thường là khó khắc phục

mà phải phòng tránh từ đầu

* Nước thải chăn nuôi: Nước thải chăn nuôi là một loại nước thải rất

đặc trưng và có khả năng gây ô nhiễm môi trường cao do có chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ, cặn lơ lửng, N, P và VSV gây bệnh [8]

1.2 Tổng quan về nước thải chăn nuôi

1.2.1 Khái niệm về ô nhiễm môi trường trong chăn nuôi

Ô nhiễm môi trường trong chăn nuôi là: sự thay đổi bất lợi môi trường không khí, môi trường đất và môi trường nước hoàn toàn hay đại bộ phận do hoạt động chăn nuôi các hoạt động nuôi trồng thủy sản do con người tạo nên Những hoạt động này tác dụng trực tiếp, gián tiếp đến sự thay đổi về mặt năng lượng, mức độ bức xạ, thành phần hóa học, tính chất vật lý, Những thay đổi đó tác động có hại đến con người và sinh vật trên trái đất [15]

1.2.2 Nguồn gốc phát sinh chất thải chăn nuôi

Nguồn gốc phát sinh ô nhiễm môi trường nước trong hoạt động chăn nuôi chủ yếu được gây ra do nước thải trong khi rửa chuồng, nước tiểu lợn

Ô nhiễm chất thải rắn do phân, thức ăn thừa của lợn vương vãi ra nền chuồng mà không được thu gom kịp thời Các chất này là các chất dễ phân hủy sinh học: carbonhydrate, protein, chất béo dẫn đến các vi sinh vật phân hủy làm phát tán mùi hôi thối ra môi trường Đây là các chất gây ô nhiễm nặng nhất và thường thấy ở các trang trại chăn nuôi tập trung [15]

1.2.3 Thành phần tính chất nước thải chăn nuôi

- Các chất hữu cơ và vô cơ: Trong nước thải chăn nuôi hợp chất hữu cơ chiếm 70 - 80% gồm cellulose, protit, acid amin, chất béo, hidratcarbon và các dẫn xuất của chúng có trong phân, thức ăn thừa Hầu hết các chất hữu cơ

dễ phân hủy, các chất vô cơ chiếm 20 - 30% gồm cát, đất, muối, ure, ammonium, muối chlorua, SO42-

- Sinh vật gây bệnh: Nước thải chăn nuôi chứa nhiều loại vi khuẩn như Salmonella, Shigella, Proteus, Arizona Trứng giun sán trong nước thải với những loại điển hình là Fasiola hepatica, Fasiolagigantiac, Fasiolosis buski,

có thể gây bệnh cho người và gia súc [8]

- Thành phần hóa học nước tiểu lợn

Bảng 1.1 Thành phần hóa học nước thải của lợn [15]

Tính chất của nước thải chăn nuôi lợn: Nhìn chung nước thải chăn nuôi không chứa các chất độc hại như nước thải của các ngành công nghiệp khác nhưng chứa nhiều ấu trùng, vi trùng, trứng giun sán: Điển hình là nhóm vi trùng đường ruột với các genus như E.Coli, Salmonella, Shigella, Proteus, Arizona Trứng giun sán trong nước thải với những loại điển hình là Fasiola hepatica, Fasiolagigantiac, Fasiolosis buski, có thể phát triển đến giai đoạn gây nhiễm sau 6 - 28 ngày ở nhiệt độ và khí hậu nước ta và có thể tồn tại được 2 - 5 tháng Nhiều loại mầm bệnh có khả năng xâm nhập vào mạch

nước ngầm như B.anthracis, Salmonella, E.Coli, [8]

Bảng 1.2 Tính chất nước thải chăn nuôi lợn [15]

8 Dầu mỡ mg/l 5 - 58

1.2.4 Các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi lợn

* Phương pháp hóa lý: Nước thải chăn nuôi còn chứa nhiều chất hữu

cơ, chất vô cơ dạng hạt có kích thước nhỏ, khó lắng, khó có thể tách ra bằng phương pháp cơ học thông thường vì tốn nhiều thời gian và hiệu quả không cao Ta có thể áp dụng phương pháp keo tụ để loại bỏ chúng 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

Theo nghiên cứu của Trương Thanh Cảnh (2001) tại trại chăn nuôi lợn 2/9 phương pháp keo tụ có thể tách được 80 - 90 % hàm lượng chất lơ lửng có trong nước thải chăn nuôi lợn Tuy nhiên chi phí xử lý cao Áp dụng phương pháp này để xử lý nước thải chăn nuôi là 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

* Phương pháp xử lý sinh học: Phương pháp này dựa trên sự hoạt

động của các vi sinh vật có khả năng phân hủy các chất hữu cơ Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và các chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng Tùy theo từng nhóm vi khuẩn mà sử dụng là hiếu khí hay kỵ khí

mà người ta thiết kế các công trình khác nhau và phụ thuộc vào khả năng tài chính, diện tích đất mà người ta có thể sử dụng hồ sinh học hay các bể nhân tạo để xử lý

* Các hệ thống xử lý nhân tạo bằng phương pháp sinh học:

- Xử lý theo phương pháp hiếu khí:

+ Bể aeroten thông thường;

+ Bể aeroten xáo trộn hoàn toàn;

+ Bể aeroten mở rộng;

+ Mương oxy hóa;

+ Bể hoạt động gián đoạn (SBR);

+ Vùng đất ngập nước (bãi lọc ngầm trồng cây - Constructed Wetland)

1.2.5 Thực trạng xử lý nước thải chăn nuôi hiện nay ở Việt Nam

Phương pháp được áp dụng chủ yếu trong các trang trại chăn nuôi hiện nay là bể biogas và nó đã cho thấy hiệu quả rõ rệt Tuy nhiên, phần nước thải sau biogas lại chưa được quan tâm nhiều, qua quá trình xử lý biogas ban đầu

về thành phần các chất thải đã giảm đi nhiều nhưng chưa thật sự triệt để: nó vẫn còn mang nhiều mầm bệnh và các chất hữu cơ, phần nước này được xả thẳng ra sông, ngòi, ao, hồ, gây ô nhiễm môi trường

Việc sử dụng hầm biogas để xử lý nước thải chăn nuôi lợn đã làm giảm đáng kể nồng độ các chất ô nhiễm Trung bình, COD giảm 84,7%, BOD5 giảm

76,3%, SS giảm 86,1%, VSS giảm 85,4%, TKN giảm 11,8%, T-P giảm 7,0%

và Fecal coliform giảm 51,2% Tuy nhiên, nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải đầu ra vẫn còn khá cao, vượt tiêu chuẩn cho phép (QCVN 24:2009/BTNMT, cột B, TCN 678 - 2006) Đặc biệt đáng quan tâm là nồng độ các chất dinh dưỡng ở các mẫu này rất cao, tiềm ẩn nguy cơ gây phú dưỡng khi

xả thải vào các vực nước mặt [8]

Bảng 1.3 Kết quả phân tích một số chỉ tiêu vật lý, hoá học của nước thải

chăn nuôi sau công trình khí sinh học Biogas [8]

Chỉ tiêu Đơn vị Kết quả QCVN 40-20111(cột B)

- T-N là 410.43 mg/l trong đó TCCP là 40mg/l, như vậy vượt TCCP 10.26 lần

- T-P là 76.24 mg/l trong đó TCCP là 6 mg/l, như vậy vượt TCCP 12.7 lần

- TDS là 4259 ppm, đây cũng là hàm lượng khá cao so với nguồn nước mặt

Nguồn nước thải sau biogas vẫn có mùi hôi và màu xám đen đặc trưng;

độ dẫn diện EC trong nước rất cao (8518 mS/m) chứng tỏ trong nước thải chứa một lượng lớn các hợp chất hữu cơ và vô cơ bởi đây là những thành phần chứa các anion và cation có khả năng dẫn điện tốt trong nước Chỉ có duy nhất chỉ tiêu pH nằm trong TCCP theo QCVN 40-2011/BTNMT với pH là 7.96

Từ tất cả các phân tích trên, ta thấy rằng nước thải sau biogas tuy đã được xử lý bậc 1 nhưng vẫn còn nồng độ khá cao các chất ô nhiễm, chưa đạt QCVN 40/2011 Do đó cần phải có biện pháp xử lý cấp 2 để giảm bớt các chất

ô nhiễm trước khi xả ra môi trường

1.3 Tổng quan về đất ngập nước kiến tạo

1.3.1 Khái niệm đất ngập nước kiến tạo

Đất ngập nước kiến tạo (ĐNNKT) hay đất ngập nước nhân tạo là:“Hệ

thống được thiết kế và xây dựng như một vùng đất ngập nước nhưng việc xử

lý nước thải hiệu quả hơn, giảm diện tích và đặc biệt có thể quản lý được quá trình vận hành ở mức đơn giản” [1]

ĐNNKT gần đây đã được biết đến trên thế giới như một giải pháp công nghệ mới, xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên với hiệu suất cao, chi phí thấp

và ổn định, ngày càng được áp dụng rộng rãi Ở Việt Nam, công nghệ trên thực chất còn rất mới

ĐNNKT dùng để xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên Với các thông số làm việc khác nhau, đất ngập nước kiến tạođược sử dụng rộng rãi trong xử lý nhiều loại nước thải Khác với bãi đất ngập nước tự nhiên, thường

là nơi tiếp nhận nước thải sau khi xử lý, với chất lượng đã đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn và chúng chỉ làm nhiệm vụ xử lý bậc cao hơn, ĐNNKT là một thành phần trong hệ thống các công trình xử lý nước thải sau bể tự hoại hay sau xử lý bậc hai [1]

1.3.2 Các loại hình đất ngập nước nhân tạo

Có 2 kiểu phân loại đất ngập nước kiến tạo cơ bản theo hình thức chảy:

Loại dòng chảy tự do trên mặt đất (Free surface flow) và loại chạy ngầm trong đất (Subsurface slow)

1.3.2.1 Đất ngập nước có dòng chảy bề mặt (Surface flow wetland - SFW) hay bãi lọc trồng cây ngập nước

Hệ thống này mô phỏng một đầm lầy hay đất ngập nước trong điều kiện

tự nhiên Dưới đáy bãi lọc là một lớp đất sét tự nhiên hay nhân tạo, hoặc rải một lớp vải nhựa chống thấm Trên lớp chống thấm là đất hoặc vật liệu phù hợp cho

sự phát triển của thực vật có thân nhô lên khỏi mặt nước Dòng nước thải chảy ngang trên bề mặt lớp vật liệu lọc Hình dạng bãi lọc này thường là kênh dài hẹp, vận tốc dòng chảy chậm, thân cây trồng nhô lên trong bãi lọc là những điều kiện cần thiết để tạo nên chế độ thuỷ kiểu dòng chảy đẩy (plug-flow) [1]

Hình 1.1 Bãi lọc trồng cây dòng chảy mặt

1.3.2.2 Bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm hay đất ngập nước dòng chảy dưới

bề mặt đất ngập nước (Subsurface flow wetland)

Hệ thống này chỉ mới xuất hiện gần đây và được biết đến với các tên gọi khác nhau như lọc ngầm trồng cây (Vegetated submerged bed - VBS), hệ thống xử lý với vùng rễ (Root zone system), bể lọc với vật liệu sỏi trồng sậy

(Rock reed filter) hay bể lọc vi sinh và vật liệu (Microbial rock filter) Cấu tạo của bãi lọc ngầm trồng cây về cơ bản cũng gồm các thành phần tương tự như bãi lọc trồng cây ngập nước nhưng nước thải chảy ngầm trong phần lọc của bãi lọc Lớp lọc, nơi thực vật phát triển trên đó, thường gồm có đất, cát, sỏi,

đá dăm và được xếp theo thứ tự từ trên xuống dưới, giữ độ xốp của lớp lọc Dòng chảy có thể có dạng chảy từ dưới lên, từ trên xuống dưới hoặc chảy theo phương nằm ngang Dòng chảy phổ biến nhất ở bãi lọc ngầm là dòng chảy ngang Hầu hết các hệ thống được thiết kế với độ dốc 1% hoặc hơn [15]

Khi chảy qua lớp vật liệu lọc, nước thải được lọc sạch nhờ tiếp xúc với

bề mặt của các hạt vật liệu lọc và vùng rễ của thực vật trồng trong bãi lọc Vùng ngập nước thường thiếu oxy, nhưng thực vật của bãi lọc có thể vận chuyển một lượng oxy đáng kể tới hệ thống rễ tạo nên tiểu vùng hiếu khí cạnh

rễ và vùng rễ, cũng có một vùng hiếu khí trong lớp lọc sát bề mặt tiếp giáp giữa đất và không khí

Bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy ngang có khả năng xử lý chất hữu cơ

và rắn lơ lửng tốt, nhưng khả năng xử lý các chất dinh dưỡng lại thấp, do điều kiện thiếu oxy, kị khí trong các bãi lọc không cho phép nitrat hoá amoni nên khả nãng xử lý nitơ bị hạn chế Xử lý phốtpho cũng bị hạn chế do các vật liệu lọc được sử dụng (sỏi, đá dăm) có khả năng hấp phụ kém [1]

Hình 1.2 Bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm

Loại này bao gồm cả các loại bãi lọc có dòng chảy nằm ngang hay dòng chảy thẳng đứng từ dưới lên, từ trên xuống

Dòng chảy dưới bề mặt vùng đất ngập nước (SSF) là: Vùng đất ngập nước của SSF được xây dựng với vật liệu xốp (ví dụ: đất, cát, sỏi) như là một chất nền cho tăng trưởng của thực vật bắt nguồn từ vùng đất ngập nước Các vùng đất ngập nước của SSF được thiết kế để nước chảy theo chiều ngang hoặc theo chiều dọc thông qua các bề mặt và dưới bề mặt mặt đất Các loài thực vật được trồng phổ biến nhất trong bãi lọc là Cỏ nến, Sậy, Cói, Bấc, Lách, oxy cung cấp cho bề mặt và cho phép sinh học tăng trưởng tích lũy về nguồn gốc của nó Vi khuẩn và nấm có lợi sống trong chất nền như màng sinh học gắn liền với các hạt chất nền Dòng chảy được duy trì bởi đáy và độ dốc hoặc một cấu trúc điều chỉnh cho phép mực nước được hạ xuống ở cuối nền Loại này ít tốn kém và tạo sự điều hòa nhiệt độ khu vực cao hơn loại chảy ngầm, nhưng hiệu quả xử lý kém hơn, tốn diện tích đất nhiều hơn và có thể phải giải quyết thêm vấn đề muỗi và côn trùng phát triển [15]

1.3.3 Cấu tạo của đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm hay bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm (SSF)

- Cấu tạo: Về cơ bản cũng tương tự như bãi lọc trồng cây ngập nước,

nhưng nước thải chảy ngầm trong lớp lọc của bãi lọc Lớp lọc, nơi thực vật phát triển trên đó thường có đất, cát, sỏi và đá, được xếp thứ tự từ trên xuống dưới, giữ độ xốp của lớp lọc [1]

- Loại này bao gồm cả các loại bãi lọc có dòng chảy nằm ngang (HF) hay dòng chảy thẳng đứng (VF) từ dưới lên, từ trên xuống

- Lớp vật liệu bảo đảm sự sinh trưởng cho thực vật bao gồm đất, cát, sỏi,

đá, được xếp theo thứ tự đó từ trên xuống nhằm tạo độ xốp tốt hơn Kiểu dòng chảy của nước thải có thể là hướng lên trên, hướng xuống dưới, ngang; kiểu dòng chảy ngang là phổ biến nhất Hầu hết các SSF được thiết kế với độ dốc 1% hay hơn một chút [4]

- Nước thải chảy qua các vùng lọc, sẽ được làm sạch nhờ tiếp xúc với

bề mặt của chất liệu lọc, rễ thực vật Vùng ngầm thường thiếu oxy, nhưng thực vật có thể vận chuyển lượng oxy dư thừa tới phần rễ, bằng cách đó tạo ra những tiểu vùng vi sinh vật hiếu khí ngay cạnh các rễ và thực vật thân rễ Còn

có một lớp ôxy mỏng trong lớp đất gần lớp tiếp xúc với không khí

Bãi lọc ngầm được ứng dụng để xử lý nhiều loại nước thải như: nước thải sinh hoạt, nước thải bệnh viện, nước thải sau bể tự hoại Ở nhiều nước trên thế giới đã nghiên cứu thành công bãi lọc ngầm để xử lý nước xám (Nước xám là nước thải sản xuất từ bồn rửa, bồn tắm, hoặc quần áo rửa, nó không bao gồm nước nhà vệ sinh, trong đó có các tác nhân gây bệnh và vi khuẩn nhiều hơn nữa)

Nước thải đi qua vùng đất ngập nước từ từ và làm sạch nước ra khỏi hệ thống xử lý Nước thải được chuyển vào hệ thống xử lý theo một đường ống

và chảy trong lòng vật liệu lọc của hệ thống nằm bên dưới bề mặt đất

1.4 Tổng quan về Aquaponics

1.4.1 Khái niệm về Aquaponics

Thuật ngữ Aquaponics là sự kết hợp của từ Aquaculture (nuôi trồng thủy sản) và Hydroponics (thủy canh) Aquaponics là một hệ thống canh tác mới đầy tiềm năng trong tương lai ở Việt Nam và trên thế giới Aquaponics dựa trên các hệ thống sản xuất như chúng ta đã biết trong tự nhiên Aquaponics là sự kết hợp của cả hai hệ thống: nuôi trồng thủy sản và thủy canh [4]

1.4.2 Đặc trưng cơ bản của Aquaponics

Hệ thống thủy canh đòi hỏi người quản lý phải có trình độ kỹ thuật nhất định và tương đối khó khăn trong việc bổ sung chất dinh dưỡng (phân bón, các yếu tố vi lượng,…) tối ưu cho sự phát triển của cây trồng Nước trong hệ thống thủy canh cần phải được thay định kỳ và sau đó phải bổ sung dinh dưỡng cho phù hợp với sự phát triển của cây Điều này gây tốn kém, khó khăn cho vận hành hệ thống và gây ô nhiễm môi trường

Nuôi trồng thủy sản tập trung vào việc tối đa hóa sự tăng trưởng của cá trong bể hoặc ao nuôi Cá nuôi trong bể thường có mật độ khá cao, khoảng 10kg/100 lít nước và cần phải thay nước khoảng 20-50% mỗi ngày Điều này gây tốn kém trong vận hành và gây ô nhiễm môi trường khi mà nước thải trong bể cá chứa một lượng cao amonia và chất thải rắn từ cá

Aquaponics là sự kết hợp của cả hai hệ thống: nuôi trồng thủy sản và thủy canh Sự kết hợp này mang lại lợi ích thiết thực và tính độc đáo của Aquaponics Đây là một hệ thống tuần hoàn khép kín hoàn hảo Aquaponics hiện được chứng nhận hữu cơ ở nhiều nước [4]

Hình 1.3 Chu kỳ Nito trong mô hình Aquaponics

Một yếu tố vô hình và giữ vai trò cực kỳ quan trong trong hệ thống Aquaponics là các vi sinh vật Người sử dụng không cần phải bổ sung vi khuẩn cho hệ thống Aquaponics, tự nó sẽ phát triển và giúp bạn vận hành hệ thống ổn định Các vi khuẩn sẽ phát triển mạnh trong các bể cạn trồng cây (growbed) và giúp chuyển hóa các chất thải từ bể nuôi cá thành dạng dinh dưỡng phù hợp cho cây trồng phát triển

Có hai loại vi khuẩn khác nhau tham gia vào quá trình chuyển hóa chất thải từ cá thành chất dinh dưỡng cho cây trồng là Nitrosomonas sẽ

chuyển hóa amonia thành nitrit Nitrit sau đó sẽ được chuyển hóa thành nitrate nhờ vi khuẩn Nitrobacter, các loài thực vật sau đó có thể tiêu thụ nitrate để phát triển [13]

1.4.3 Cấu tạo và cơ chế hoạt động của mô hình Aquaponics

Hình 1.4 Cấu tạo 1 mô hình Aquaponics điển hình

* Chú thích:

(1): Ao thủy sinh (Bể cá) (2): Dòng nước trong ao (3): Máy bơm nước (4): Hệ thống dẫn nước tuần hoàn (5): Hệ thống dẫn trong khay thủy canh

(6): Khay trồng thực vật thủy canh (Bể cạn trồng cây)

* Cơ chế hoạt động:

Nước giàu dinh dưỡng từ bể cá được bơm qua bể cạn trồng cây (growbed) Thay vì sử dụng đất để trồng cây như kiểu canh tác truyền thống,

ta có thể sử dụng hạt nhựa, sỏi hoặc các giá thể khác Nước, chất thải rắn từ

bể cá sẽ chảy qua lớp hạt nhựa hoặc sỏi và trở về bể cá Khi đó, chất thải rắn

sẽ được giữ lại trên bể cạn trồng cây và chất dinh dưỡng sẽ được cây trồng

hấp thu [17]

1.4.4 Lợi ích sử dụng Aquaponics

- Rau cũ hoàn toàn tươi và có hương vị tự nhiên nhất;

- Hoàn toàn ″hữu cơ″ và được sản xuất trong hệ thống do bạn quản lý;

- Không chứa thuốc trừ sâu, diệt cỏ hoặc phân bón độc hại;

- Tiết kiệm nguồn nước so với sản xuất truyền thống;

- Tốc độ tăng trưởng và sản lượng cao;

- Không cần đất để trồng cây;

- Không cần diện tích lớn, đặc biệt là ở các đô thị;

- Cá tươi, sạch và đặc biệt không chứa kháng sinh hay chất độc hại;

- Tiết kiệm chi phí mua thực phẩm cho gia đình

1.5 Cơ sở khoa học của nghiên cứu

1.5.1 Các nghiên cứu ở nước ngoài

1.5.1.1 Các nghiên cứu nước ngoài về đất ngập nước kiến tạo

Trên thế giới đất ngập nước kiến tạo được sử dụng như một giải pháp hữu hiệu để xử lý nước thải phân tán như sinh hoạt, chăn nuôi, công sở, bệnh viện trong tự nhiên thân thiện với môi trường, đạt hiệu suất cao, chi phí thấp

và ổn định đồng thời làm tăng giá trị đa dạng sinh học, cải tạo cảnh quan môi trường Các nghiên cứu khác tại Đức, Thái Lan, Thụy Sỹ, Bồ Đào Nha còn cho thấy đất ngập nước kiến tạocó thể loại bỏ vi sinh vật gây bệnh trong nước thải sinh hoạt và nước thải đô thị, xử lý phân bùn bể phốt và xử lý nước thải công nghiệp, nước rò rỉ bãi rác, Không những thế, thực vật nước từ đất ngập nước kiến tạo còn có thể được chế biến, sử dụng để thức ăn cho gia súc, phân bón cho đất, làm bột giấy, làm nguyên liệu cho sản xuất đồ thủ công mỹ nghệ

và là nguồn năng lượng thân thiện với môi trường

Năm 1991, đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm xử lý nước thải sinh hoạt đầu tiên đã được xây dựng ở Na Uy Ngày nay, tại những vùng nông thôn ở Na Uy, phương pháp này đã trở nên rất phổ biến để xử lý nước thải sinh hoạt, nhờ các bãi lọc vận hành với hiệu suất cao thậm chí cả vào mùa đông và yêu cầu bảo dưỡng thấp Có thể xây dựng bãi lọc trong bất kỳ điều

kiện nào về vị trí Mô hình quy mô nhỏ được áp dụng phổ biến ở Na Uy là hệ thống bao gồm bể tự hoại, tiếp đó là bể lọc sinh học hiếu khí dòng chảy thẳng đứng và một bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy ngang [20]

Tại Đan Mạch, hướng dẫn chính thức mới gần đây về xử lý tại chỗ nước thải sinh hoạt đã được Bộ Môi trường Đan Mạch công bố, áp dụng bắt buộc đối với các nhà riêng ở nông thôn Trong hướng dẫn này, người ta đã đưa vào hệ thống bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy thẳng đứng, cho phép đạt hiệu suất loại bỏ BOD tới 95% và nitrat hóa đạt 90% Hệ thống này bao gồm

cả quá trình kết tủa hóa học để tách Phốtpho trong bể phản ứng - lắng, cho phép loại bỏ 90% Photpho [23]

Các nghiên cứu ở Hoa Kỳ đã tập trung vào vùng đất than bùn, đầm lầy, cây bách mái vòm và sợi, đuôi mèo, lau sậy, bấc, sậy, và cây có liên quan ở đất ngập nước thiết lập Vùng đất ngập nước được xây dựng là một trong hai

hệ thống mặt nước (FWS) với nước nông độ sâu hoặc hệ thống dòng chảy dưới bề mặt (SFS) với nước chảy ngang qua bãi cát, sỏi [21]

Theo các nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới như: Tabak và nnk (1981); Bouwer và McCarthy (1983); Gersberg et al (1984); Reed et al (1988); Wildemann&Laudon (1989); Dunbabin&Browmer (1992); Reed và Brown (1992); Sapkota và Bavor (1994); Polprasert và Dan (1994), Reed và nnk (1998), … cho thấy cơ chế loại bỏ các chất thải cơ bản của đất ngập nước kiến tạo như sau:

+ Lắng, lọc, hấp phụ SS, P, KLN và chất hữu cơ đã bị hấp phụ

+ Màng VSV trong vùng rễ, lớp lọc: phân huỷ dị dưỡng các chất hữu cơ + Trong vùng hiếu khí: Phân huỷ sinh học chất hữu cơ, Nitrat hoá, kết tủa hydroxit sắt và mangan

+ Trong vùng kỵ khí khử nitrat, kết tủa và lắng muối sunphit với các kim loại + Diệt trùng bằng hệ thống: lọc, hấp phụ, cạnh tranh, bức xạ nhiệt độ, pH

+ Thực vật trong XLNT bằng đất ngập nước kiến tạogiúp tạo vùng rễ,

lỗ xốp, vận chuyển oxy, hấp thụ chất dinh dưỡng, KLN,

1.5.1.2 Các nghiên cứu nước ngoài về Aquaponics

Các nghiên cứu của Rakocy, James E.; Bailey, Donald S.; Shultz, R Charlie; Thoman, Eric S (2013) cho thấy:

a) Các yếu tố chính ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống Aquaponics Oxy hòa tan: cũng như con người, cá cần oxy để sống Do đó, bạn phải chú ý đển việc đảm bảo hàm lượng oxy thích hợp cho tôm cá phát triển Hàm lượng oxy hòa tan thường thấp vào lúc sang sớm và phụ thuộc vào nhiều yếu

tó khác như mật độ tôm cá trong hệ thống, nhiệt độ nước, độ mặn,… Nên có

bộ dụng cụ kiểm tra hàm lượng oxy hàng ngày để đảm bảo điều kiện tốt nhất cho cá tôm phát triển

Nhiệt dộ nước: Nhiệt độ nước rất quan trong trong hệ thống Nhiệt độ cao quá sẽ làm cá tôm bị sốc và có thể chết, nó cũng ảnh hưởng đến sự phát triển của cây trồng Ngược lại, khi nhiệt độ xuống thấp cũng gây hại cho tôm

cá và cây trồng trong hệ thống aquaponics của bạn Nên theo dõi nhiệt độ thường xuyên và có biện pháp giữ ổn định nhiệt độ cho hệ thống aquaponics của bạn

pH: pH cũng là một yếu tố quan trọng cần quan tâm theo dõi trong hệ thống của bạn Giá trị pH thường thấp vào ban đêm và sang sớm Bạn nên giữ

pH ổn định trong khoảng > 7 là tố nhất

Dinh dưỡng trong nước: Cả dinh dưỡng dạng NO3/NH4 (macro nutrients) và vi lượng (micro nutrients) đều cần thiết cho cây trồng trong hệ thống aquaponics Phần lớn nguồn dinh dưỡng này đến từ chất thải của cá và một phần hòa tan từ thức ăn của cá Trong một số trường hợp (thường là do

chất lượng thức ăn của cá tôm kém) cần thiết phải bổ sung thêm một số nguyên tố vi lượng cần thiết cho cây trồng

Kiểm soát chất lượng nước: Nên có bộ dụng cụ kiểm tra các yếu tố môi trường cần thiết để kiểm soát chất lượng nước nuôi cá trong hệ thống aquaponics của bạn Bạn có thể ghi lại sự biến động trong suốt quá trình vận hành hệ thống để so sánh, đối chiếu và dùng như một tài liệu tham khảo cho những hệ thống khác mà có thể bạn sẽ phát triển trong tương lai

Nguồn nước sử dụng trong aquaponics: Cũng giống như nước dùng trong nuôi trồng thủy sản và trồng cây thông thường, nước sử dụng trong hệ thống aquaponics phải không chứa hóa chất độc hại, có rất ít hoặc không có chất rắn lơ lững Nước trong là tốt vì có thể quan sát cá, kiểm soát chất thải dưới đáy bể và xem lượng thức ăn có thể dư thừa trong bể Nếu dùng nước khử trùng bằng chlorine phải chắc chắn rằng không còn tồn dư chrorine trong nước bằng cách test cẩn thận Vì dư lượng chlorine có thể ảnh hưởng đến cá

và hệ vi khuẩn có lợi trong hệ thống aquaponics

Cả nước ngọt hay mặn lợ đều có thể dùng trong hệ thống aquaponics Tuy nhiên nước ngọt được dùng phổ biến hơn vì có rất nhiều loại cây trồng chỉ có thể phát triển trong môi trường nước ngọt Nước mặn lợ thường sử dụng rất ít và cũng có ít loài cây có thể trồng trong nước mặn lợ, thường người ta trồng rong biển trong hệ thống aquaponics nước mặn lợ [22]

b) Hệ thực - động vật trồng trong Aquaponics

Cây trồng sử dụng trong hệ thống aquaponics: Nuôi cá gì và trồng cây

gì trong hệ thống Aquaponics có lẽ là hai câu hỏi lớn nhất và khó khăn nhất trong thiết kế và xây dựng hệ thống Aquaponics Hầu như tất cả các loại cây trồng đều có thể thích ứng tốt với Aquaponics Tuy nhiên, sự phát triển của cây trồng trong hệ thống Aquaponics còn phụ thuộc rất nhiều vào việc thiết kế

và vận hành hệ thống Aquaponics của bạn Quan trọng nhất là mật độ cá nuôi

và mật độ cây trồng phải phù hợp và cân bằng Nếu cây trồng phát triển tốt thì

có nghĩa là với mật độ cá đó đủ cung cấp dinh dưỡng cho cây trong hệ thống Aquaponics, ngược lại thì cần phải tăng mật độ cá nuôi lên Vấn đề khí hậu thời tiết cũng rất quan trọng trong việc lựa chọn cây trồng phù hợp [26]

Các loài cá dùng trong hệ thống aquaponics: Có rất nhiều loài cá khác nhau có thể nuôi trong hệ thống Aquaponics, tùy thuộc vào điều kiện khí hậu thời tiết và các vật tư sẵn có Tuy nhiên, phải chú ý rằng cá tôm nuôi trong hệ thống bắt buộc phải là loài nước ngọt hoặc nước lợ - tương thích với loại nước và cây trồng bạn sử dụng Nên xác định mục đích của việc phát triển Aquaponics cho gia đình mình để chọn loài cá phù hợp Chẳng hạn như: nuôi

cá để ăn thịt hay chỉ để ngắm để chọn lựa loài cá phù hợp Nên xác định trước khi xây dựng hệ thống để đảm bảo cá phát triển tốt nhất [26]

Danh sách các loài cá có thể nuôi trong hệ thống Aquaponics: nhóm cá

da trơn (cá trê, cá tra, ); nhóm cá rô phi, điêu hồng; cá tai tượng; nhóm cá rô đồng, cá lóc, cá sặc rằn; nhóm cá chép, một số loài khác là tôm càng xanh, baba, rùa,… Nuôi tôm sẽ khó khăn hơn rất nhiều so với nuôi cá và đòi hỏi người nuôi phải nắm một số kỹ thuật cơ bản nhất định để có thể chăm sóc tôm nuôi trong hệ thống của mình

Cách cho cá ăn: Tùy theo loài cá, tôm mà có loại thức ăn phù hợp Nên dùng thức ăn viên công nghiệp (chế biến sẵn) vì tính tiện lợi và để quản lý thức ăn dư thừa Không nên dùng thức ăn tươi sống hay tự chế vì dễ dẫn đến

ô nhiễm nguồn nước và thành phần dinh dưỡng cũng không phù hợp

Mật độ cá nuôi: Đây là một trong những câu hỏi khó khăn và phức tạp nhất trong thực hành xây dựng Aquaponics Mật độ cao hay thấp phụ thuộc rất nhiều vào qui mô và trình độ quản lý hệ thống của người sử dụng Việc nuôi cá với mật độ cao như trong các hệ thống nuôi thâm canh tuần hoàn khác

là hoàn toàn có thể, nhưng vấn đề cần lưu ý là chuyện gì sẽ xảy ra cho hệ thống khi nuôi cá với mật độ cao như thế? Tất nhiên đó là vấn đề chất thải của

cá và chất lượng nước

Không có một công thức chung nào để xác định mật độ cá nuôi thích hợp mà phụ thuộc vào kinh nghiệm và qui mô hệ thống Một cách đơn giản là ban đầu nên thả cá với mật độ thấp và theo dõi tăng trưởng của cây trồng Nếu như với mật độ đó, cây tăng trưởng tốt thì có lẽ đó là mật độ thích hợp cho hệ thống Aquaponics Còn ngược lại thì cần phải tăng hoặc giảm mật độ cá nuôi cho phù hợp Một hệ thống Aquaponics với 8 bể trồng cây (growbed) và 1 bể

cá 5000 lít chỉ thả 70 con cá hồi nhưng cây trồng trong 8 growbeds này vẫn tăng trưởng rất ấn tượng Kinh nghiệm cho thấy người sử dụng có thể thả cá với mật độ từ 10 - 30 kg cá/1000 lít thể tích nước [26]

1.5.1.3 Các nghiên cứu nước ngoài về việc kết hợp mô hình đất ngập nước kiến tạo và Aquaponics để xử lý nước thải

Nhiều hệ thống nuôi trồng thủy sản tạo ra một lượng lớn các hợp chất

có chứa nước thải như chất rắn lơ lửng, nitơ và phốt pho tổng số Nhu cầu về tiêu thụ thủy sản ngày càng tăng Tuy nhiên, tải trọng chất thải lại tỷ lệ thuận với sản lượng cá Vì vậy, việc phát triển nuôi cá thâm canh là vô cùng cần thiết nhằm xử lý hiệu quả nước thải Một số phương pháp vật lý, hóa học và sinh học được sử dụng trong xử lý nước thải thông thường đã được áp dụng trong các hệ thống nuôi trồng thủy sản Công nghệ xây dựng đất ngập nước ngày càng trở nên quan trọng hơn trong tuần hoàn hệ thống nuôi trồng thủy sản (RAS) vì vùng đất ngập nước đã chứng minh được hiệu quả xử lý tốt nước thải đồng thời giảm thiểu chi phí hơn các giải pháp khác rất nhiều Đây

là hướng đi mới, bước đầu hiệu quả, có tính đến tải trọng của các chất ô nhiễm trong nước thải như nitrat và phốt phát và được khuyến nghị để ngăn chặn hoặc ít nhất là giảm thiểu ô nhiễm nguồn nước trong tương lai [30]

Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng các hệ thống đất ngập nước có thể loại bỏ một lượng đáng kể các chất rắn lơ lửng, chất hữu cơ, nitơ, phốt pho, nguyên tố vi lượng và vi sinh vật có trong nước thải Mục đích của xử lý

và quản lý nước thải tùy thuộc vào việc các hệ thống nuôi thâm canh thông qua dòng chảy, tái sử dụng nước do cơ chế ít trao đổi hoặc tuần hoàn Đặc biệt, hệ kết hợp đất ngập nước và aquaponics phải giải quyết được việc loại

bỏ các chất rắn, chất hữu cơ, amoniac và nitrit Trong các hệ thống này, cá được nuôi bên cạnh các sinh vật khác, làm tăng tính hiệu quả kinh tế và tính khả thi Công nghệ xử lý thích hợp và quản lý nước thải phải đủ để tạo thuận lợi cho việc loại bỏ các hạt như mô tả của Cripps và Bergheim Một vấn đề rất quan trọng là cải thiện chất lượng thức ăn, với một sinh khả dụng lớn hơn của phốt pho và protein, giảm lượng phân cá [18, 20]

Hệ thống kết hợp đất ngập nước và aquaponics tái sử dụng nước bằng cách chạy nó thông qua các bộ lọc để loại bỏ chất thải của cá và thức ăn và sau đó tuần hoàn trở lại vào bể Điều này giúp tiết kiệm nước và chất thải tập trung có thể được sử dụng trong phân hữu cơ Aquaponics là một hệ thống sản xuất thức ăn kết hợp thực hành nuôi trồng thủy sản thông thường với hydroponics, tức là, trồng cây trong nước, trong một môi trường cộng sinh Trong nuôi trồng thủy sản thông thường, chất bài tiết từ các loài động vật được nuôi có thể tích lũy trong nước và làm tăng độc tính Trong một hệ thống aquaponics, nước từ một hệ thống nuôi trồng thủy sản được đưa vào một hệ thống thủy canh, nơi những sản phẩm bị phá vỡ bởi vi khuẩn vào nitrat và amoni được sử dụng bởi các nhà máy như các chất dinh dưỡng Sau

đó, nước được tái lưu thông trở lại cho hệ thống nuôi trồng thủy sản Như kỹ thuật canh tác thủy canh và nuôi trồng thủy sản hiện có hình thành cơ sở cho tất cả các hệ thống aquaponics, kích thước, độ phức tạp và các loại thực phẩm được trồng trong một hệ thống aquaponics có thể biến đổi nhiều như bất kỳ hệ thống tìm thấy trong cả ngành nuôi riêng biệt

Việc kết hợp mô hình đất ngập nước kiến tạo và Aquaponics trong việc

xử lý nước thải, tuần hoàn và tái sử dụng nước, thức đẩy sản xuất Nông nghiệp thâm canh hữu cơ là hướng đi mới nhưng hoàn toàn khả thi Tuy nhiên, hiện tất cả các kết quả nghiên cứu trên mới chỉ dừng ở việc ứng dụng trong xử lý nước thải nuôi trồng thủy sản mà chưa có nghiên cứu sâu, cụ thể

về ứng dụng hệ thống trong xử lý nước thải chăn nuôi [19, 29, 30]

1.5.2 Các nghiên cứu ở trong nước

1.5.2.1 Các nghiên cứu về đất ngập nước kiến tạo ở trong nước

Tại Việt Nam, phương pháp xử lý nước thải bằng đất ngập nước kiến tạo hay bãi lọc ngầm trồng cây còn khá mới mẻ, bước đầu đang được một số trung tâm công nghệ môi trường và trường đại học áp dụng thử nghiệm Các

đề tài nghiên cứu mới đây nhất về áp dụng phương pháp này tại Việt Nam như "Xử lý nước thải sinh hoạt bằng bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy thẳng đứng trong điều kiện Việt Nam" của Trung tâm Kỹ thuật Môi trường đô thị và khu công nghiệp (Trường Đại học Xây dựng Hà Nội), “Xây dựng mô hình hệ thống đất ngập nước nhân tạo để xử lư nước thải sinh hoạt tại các xã Minh Nông, Bến Gót, Việt Trì” của Trường Đại học Quốc gia Hà Nội đã cho thấy hoàn toàn có thể áp dụng phương pháp này trong điều kiện của Việt Nam Việt Nam có đến 34 loại cây có thể sử dụng để làm sạch môi trường nước Các loài cây này hoàn toàn dễ kiếm tìm ngoài tự nhiên và chúng cũng có sức sống khá mạnh mẽ

Một số nghiên cứu cho thấy cỏ nến, thủy trúc, phát lộc đều phát triển tốt trong nước thải ở các mô hình xử lý Sậy phát triển mạnh dễ trồng ít bị ảnh hưởng bởi môi trường Thủy trúc và mai nước sinh trưởng và phát triển tốt tuy nhiên sinh khối sản sinh ra ít hơn, lá thưa Một số cây khác như cỏ nến khả năng hấp thu chất hữu cơ mạnh nhưng lại nhạy cảm với nồng độ và thành phần nước thải

Ngoài ra có rất nhiều loại thực vật được ứng dụng nữa như: cỏ nút, cây

bồ hoàng, cỏ đuôi mèo, rau má, cói, mùi tây, cây chuối hoa, [1]

Mặc dù không phải tất cả các loài vùng đất ngập nước thích hợp để điều trị vùng đất ngập nước (RH Kadllec et al, 2000), nhưng chúng ta có thể tìm

thấy các macrophytes (Hệ thực vật vĩ mô bao gồm các thực vật hạt kín thủy sản - thực vật có hoa), Pteridophytes (dương xỉ), và Bryophytes (các rêu

hornworts, và liverworts), xuất hiện phổ biến như: Sậy (Phragmites australis), Bulrushes (Scripus spp.), Spikerush (Eleochris spp.), cattail (Typha

spp.), các loài thực vật nổi: Lục bình (bèo tây), Bèo tấm (Bổ đề spp.), Rau

muống (Ipomoea aquatica), macrophytes nổi lá, dưới căn cố đế như: hoa Loa Kèn nước (Nymphaea spp.), Hoa sen (Nelumbo spp.), cowlilies (Nuphar

spp.), thảm nổi như: Cattail (Typha spp.), Sậy (Phragmites australis), và

ngập nước như: Waterweed (Elodea spp.), Cỏ thi (Myriophyllum spp.), naiads (Najas spp.) [1]

Các nghiên cứu trên cũng cho thấy, nhiều vật liệu được sử dụng trong

mô hình đất ngập nước kiến tạo phù hợp với điều kiện của Việt Nam như: Cát, đất sét, đá cấp phối (đá vôi), xơ dừa,

Sáng chế US7097768 đã được cấp

bằng của nhóm tác giả Pierre Talbot, Denis

Pettigrew, Lacasse Roger, Belanger Ginette,

Arcand Yves, Jean Pierre Dautais, đề cập đến

vật liệu lọc sinh học để xử lý nước thải từ

nguyên liệu rất dễ kiếm ở Việt Nam là xơ

dừa, đồng thời đề cập đến hệ thống xử lý

nước thải sử dụng vật liệu lọc này Vật liệu

lọc sinh học được chế tạo từ xơ dừa có nguồn

nguyên liệu dồi dào, rẻ; quá trình sản xuất

phát sinh chất thải rất thấp; là loại vật liệu lọc

có nhiều ưu điểm và có thể tái sử dụng [3]

Hình 1.5 Thành phần trái dừa

Xơ dừa có thể được lấy bằng cách khô hay ướt, gồm các bước: tách vỏ,

xé, chải, sàng lọc Đây là loại vật liệu nhẹ, có tính đàn hồi cao, có thể nén được để giảm chi phí vận chuyển, và có thể trở lại thể tích ban đầu sau khi vận chuyển

Trong vỏ dừa, tính theo trọng lượng khô có 19% là lớp vỏ ngoài, 34% mụn dừa và 47% là xơ dừa Mụn dừa có đặc tính hút và giữ ẩm cao Xơ dừa cung cấp diện tích bề mặt lớn để hấp thụ các chất ô nhiễm Ngoài ra, mụn và

xơ dừa có khả năng cung cấp chất dinh dưỡng cho các vi sinh vật

1.5.2.2 Các nghiên cứu trong nước về Aquaponics

Ngày nay, vấn đề an toàn trong sản xuất nông nghiệp đang được cộng đồng quan tâm vì nó ảnh hưởng đến sức khỏe con người Ô nhiễm môi trường cũng là một vấn nạn trong thời đại ngày nay.Tìm hướng giải quyết 2 vấn đề trên là vấn đề vừa cấp bách và vừa cần thiết vì sự sống an toàn, lành mạnh của của người và tự nhiên Điều đó đã dẫn đến ý tưởng hình thành một hệ thống để giảm thiểu đến mức tối đa ảnh hưởng tiêu cực của 2 vấn đề trên Aquaponics là một hệ thống như vậy [13]

Có thể thấy tiềm năng cho vận hành các hệ thống cộng đồng áp dụng cho nghề cá địa phương, và dòng chảy từ nước mưa, suối để tiết kiệm năng lượng cần thiết cho quá trình tuần hoàn Công nghệ này là hứa hẹn đối với người dân nông thôn, đặc biệt là đối với các quốc gia đông dân như Bangladesh, Nepal và Việt Nam, những nước mà người nông dân có nguồn đất trồng hạn chế để cung cấp thực phẩm với protein, khoáng chất và vitamin cho gia đình của họ

Aquaponics là công nghệ này là phù hợp với các nơi có đất trồng khan hiếm và thiếu các nguồn nước Đây chính là trường hợp của Việt Nam, nơi

mà nguồn nước đang dần trở nên khan hiếm, bị tích trữ ở các hồ với mục tiêu làm thủy điện là chính Sử dụng hệ thống aquaponics có thể khắc phục được những khó khăn về nguồn nước đang diễn ra tại rất nhiều địa phương, nhất

là tại vùng trung du và miền núi Có thể thấy ở vùng cao, vận hành các hệ thống aquaponics rất tiết kiệm (không sử dụng phân bón), thuận lợi nhờ dòng chảy từ nguồn nước mưa, nước suối, từ nguồn sỏi đá có sẵn và sử dụng năng lượng điện hoặc năng lượng thiên nhiên (gió, mặt trời ) sẽ mở ra một

cơ hội mới cho không những cho sản xuất rau quả mà còn cho cả nghề cá của các địa phương nghèo nơi đây Ứng dụng công nghệ này mở ra tiềm năng mới trong sản xuất nông nghiệp (nuôi trồng thủy sản và trồng trọt), có

ý nghĩa rất lớn trong phát triển nông nghiệp theo hướng công nghệ cao theo chủ trương phát triển nền nông nghiệp nước ta, có ý nghĩa về mặt kinh tế và môi trường [3, 4, 13]

Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là chi phí đầu tư cao, lệ thuộc vào nguồn điện và khó cân bằng và kiểm soát môi trường nuôi trồng,

Nghiên cứu về xây dựng và ứng dụng mô hình Aquaponics ở nươc ta

đã bắt đầu triển khai từ nhiều năm gần đây, nhưng chỉ ở quy mô nhỏ, lẻ, đa phần theo sở thích cá nhân, chưa có nghiên cứu sâu, chính thức và được đầu

tư bài bản của các nhà khoa học hay các tổ chức khoa học trong nước Một số

đề tài đã nghiên cứu và ứng dụng triển khai mô hình trên thực tế có thể kể đến như: đề tài “Nghiên cứu phát triển mô hình Aquaponics cho hộ gia đình ở quận Cái Răng - Thành phố Cần Thơ” năm 2014 của Nguyễn Văn Bá, trường Đại học Tây Đô, đề tài ”Aquaponic: mô hình thủy sản kết hợp bền vững và an toàn sinh học So sánh hiệu quả kinh tế giữa hai mô hình thủy sản kết hợp: cá lóc + rau xà lách xoong và cá điêu hồng + rau xà lách xoong” năm 2015 của Trần Thị Ngọc Bích tại Trại thực nghiệm nước ngọt - Đại học Trà Vinh, Đại học Trà Vinh, [3, 4]

1.5.2.3 Các nghiên cứu trong nước về việc kết hợp mô hình đất ngập nước kiến tạo và Aquaponics để xử lý nước thải

Sự kết hợp giữa đất ngập nước kiến tạo và mô hình aquaponics trong

xử lý môi trường, cụ thể là xử lý nước thải chăn nuôi hiện vẫn là một hướng

đi mới đầy triển vọng nhưng chưa được đầu tư và đào sâu nghiên cứu

Hiện chưa có nghiên cứu chính thức về nội dung này tại Việt Nam

Chương 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Khả năng xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau bể biogas khi sử dụng kết hợp 2 mô hình: đất ngập nước kiến tạo và Aquaponics

- Phạm vi nghiên cứu: Ngiên cứu trên mô hình, quy mô thí nghiệm và trong điều kiện Việt Nam

2.2 Thời gian và địa điểm nghiên cứu

- Thời gian tiến hành nghiên cứu: 12 tháng (Từ tháng 8/2014 - tháng 8/2015)

- Địa điểm nghiên cứu: Thành phố Lào Cai, tỉnh Lào Cai

2.3 Nội dung nghiên cứu và các chỉ tiêu theo dõi

a) Đánh giá khả năng xử lý nước thải của các công thức thí nghiệm

- Đánh giá chất lượng nước thải đầu vào

+ Xác định một số chỉ tiêu vật lý của nước thải chăn nuôi lợn sau biogas

sử dụng trong thí nghiệm trước khi xử lý như: mùi, màu sắc, độ đục, EC,

+ Xác định một số chỉ tiêu hóa - sinh của nước thải chăn nuôi lợn sau biogas sử dụng trong thí nghiệm trước khi xử lý như: pH, BOD5, COD, T-P, T-N

- Đánh giá khả năng xử lý nước thải của các công thức trong thí nghiệm + Xác định một số chỉ tiêu vật lý của nước thải sau khi xử lý như: mùi, màu sắc, độ đục, EC,

+ Xác định một số chỉ tiêu hóa - sinh của nước thải sau khi xử lý: pH, BOD5, COD, T-P, T-N

b) Đánh giá hiệu quả kinh tế và đề xuất giải pháp

2.4 Phương pháp nghiên cứu

2.4.1 Phương pháp thiết kế mô hình thí nghiệm

2.4.1.1 Nguyên, vật liệu làm mô hình thí nghiệm

Bảng 2.1 Các loại vật liệu lọc sử dụng trong mô hình thí nghiệm

Bảng 2.2 Hệ thực vật được sử dụng trong mô hình thí nghiệm

1 Đất ngập nước

kiến tạo CH Cây Chuối hoa (Canna generalis)

2

Aquaponics RM Rau muống (Ipomoea aquatica)

Bảng 2.3 Hệ động vật sử dụng trong mô hình Aquaponics

1 RP Cá Rô phi vằn (Oreochromis niloticus)

2.4.1.2 Các thông số cần lưu ý trong thiết kế mô hình thí nghiệm

Kế thừa kết quả nghiên cứu của đề tài “Nghiên cứu Công nghệ bãi lọc ngầm trồng cây để xử lý nước thải chăn nuôi trong điều kiện tỉnh Thái Nguyên,