Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau biogas bằng công nghệ bãi lọc trồng cây nhân tạo ngầm dòng chảy ngang

Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu đánh giá chi tiết, về sựphù hợp cũng như hiệu quả xử lý ô nhiễm nước thải chăn nuôi lợn của cây Sậytrong hệ thống CW ngầm dòng chảy ngang tại Việt Nam.. Xuấ

Hà Nội - Năm 2020

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI KHOA HỌC TỰ NHIÊN HÀ NỘI

Hà Nội – Năm 2020

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong khoa Môi trường, TrườngĐạihọcKhoahọcTựnhiên,ĐạihọcQuốcgiaHàNộivàcáccánbộViệnCôngnghệ

môitrườngđãtruyềnđạtkiếnthứcquýbáutrongsuốtthờigianemhọctậptạitrường, đã luôn tận tìnhhướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành các thí nghiệm

Cuốicùngemxincảmơngiađình,bạnbèluônủnghộvàđộngviêntrongquá trình học tậpcũng như hoàn thành đồán

Học viên

Nguyễn Văn Thành

MỤC LỤC

MỞĐẦU 2

Mục tiêunghiêncứu 4

Nội dungnghiên cứu 4

CHƯƠNG 1TỔNGQUAN 5

1.1 Tổng quan về hiện trạng chăn nuôi lợn và các vấn đề môi trường liênquan 51.1.1 Tình hình chăn nuôi lợn hiện nay 5

1.1.2 Tình hình quản lý và xử lý chất thải chăn nuôi tạiViệtNam 7

1.1.3 Thực trạng và nguyên nhân ô nhiễm môi trường chăn nuôi tại ViệtNam 10

1.2 Tổng quan về công nghệ bãi lọc trồng cây nhân tạo ngầm dòng chảyngang 14

1.2.1 Khái quát chung về công nghệ bãi lọc trồng cây dòngchảy ngầm 14

1.2.2 Vật liệu lọc sử dụng trong bãi lọctrồng cây 15

1.2.3 Thực vật sử dụng trong bãi lọc trồng câynhân tạo 20

1.3 Tình hình nghiên cứu kiểm soát nước thải chăn nuôi bằng thực vật trênthế giới vàViệtNam 24

1.3.1 Tình hình nghiên cứu về nước thải chăn nuôi lợn trênthếgiới 24

1.3.2 Tình hình nghiên cứu về nước thải chăn nuôi lợn tạiViệtNam 25

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28

2.1 Đối tượngnghiêncứu 28

2.2 Phương phápnghiêncứu 29

2.2.1 Phương pháp thu thập và tổng hợptàiliệu 29

2.2.2 Phươngphápbốtríthínghiệm 29

2.2.2.1 Bố trí thí nghiệm khảo sát khả sự phù hợp của cây Sậy trong HSFCW để xử lý nước thải chăn nuôi lợnsaubiogas 29

2.2.2.2 Bố trí thí nghiệm lựa chọn các cấp phối vật liệu lọc phù hợp cho HSFCW để xử lý nước thảisaubiogas 31

2.2.2.3 Thí nghiệm đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn saubiogas

của HSF CW trên quy mô phòngthínghiệm 33

2.2.2.4 Bố trí thí nghiệm đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn saubiogas của HSF CW trên quy mô 150l/ng.đ ngoàihiện trường 33

2.4.3 Phương pháp lấy mẫu,phântích 35

2.4.4 Phương pháp xử lý số liệu,sosánh 37

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢNGHIÊN CỨU 39

3.1 Kết quả đánh giá khả năng sinh trưởng và xử lý nước thải chăn nuôi lợnsau biogas của cây sậy trongHSFCW 39

3.1.2 Vai trò của cây sậy trong quá trình loại bỏ chất ô nhiễm trong nước thảichăn nuôi lợnsau biogas 41

3.2 Kết quả lựa chọn các cấp phối vật liệu lọc phù hợp cho HSF CW để xử lýnước thảisaubiogas 46

3.2.1 Kết quả đánh giá sự sinh trưởng của thực vật trên các nền vật liệu khácnhau 46

3.2.2 Kết quả đánh giá hiệu quả loại bỏ các chất ô nhiễm của các cấp phối vậtliệu 47

3.3 Kết quả đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau biogas củaHSF CW trong quy mô phòngthínghiệm 53

3.4 Kết quả đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau biogas củaHSF CW trên quy mô 150l/ng.đ ngoàihiện trường 58

3.4.1 Sự phát triển củathực vật 58

3.4.2 Hiệu quả xử lý của mô hình ngoàihiện trường 59

3 5 Kết quả vận hành thử nghiệm hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi lợn 150 m3/ng.đ 64

Kết luận 66

Tài liệuthamkhảo 69

Phụlục 78

Danh mục hình

Hình 1 1 Mô hình xử lý nước thải tại các trang trại chăn nuôi lợn phổ biến hiệnnay

11

Hình 1 2 Cấu tạo bãi lọc trồng cây có dòng chảy ngầm theochiềungang 15

Hình 2 1 Vật liệu lọc sử dụng trongthínghiệm 28

Hình 2 2 Thí nghiệm lựa chọn cấp phối vật liệu phù hợp cho bãi lọc trồng câynhântạo 33

Hình 2 3 Mô hình bãi lọc trồng cây nhân tạo dòng chảyngầmngang 34

Hình 3 1 Ảnh hưởng của pH đến sự sinh trưởng củacây Sậy 39

Hình 3 2 Ảnh hưởng của COD đến sự sinh trưởng củacây Sậy 40

Hình 3 3 Ảnh hưởng của NH4+đến sự sinh trưởng củacây Sậy 41

Hình 3 4 Ảnh hưởng của cây Sậy đến sự biến thiên giá trị TSS trongnướcthải 43

Hình 3 5 Ảnh hưởng của cây Sậy đến sự biến thiên giá trị COD trongnướcthải 44

Hình 3 6 Ảnh hưởng của cây Sậy đến sự biến thiên giá trị NH4+, TN, TP trongnướcthải 45

Hình 3 7 Hiệu suất loại bỏ COD của các cấp phốivậtliệu 48

Hình 3 8 Hiệu quả loại bỏ TSS của các cấp phốivậtliệu 49

Hình 3 9 Hiệu suất xử lý NH4+, TN và TP của các cấp phốivậtliệu 50

Hình 3 10 Sự thay đổi giá trị pH theothờigian 54

Hình 3 11 Sự thay đổi giá trị TSS theothờigian 54

Hình 3 12 Sự thay đổi giá trị COD theothờigian 55

Hình 3 13 Sự thay đổi giá trị NH4+, TN, TP theothờigian 57

Hình 3 14 Sự phát triển của thực vật trong mô hình ngoàihiệntrường 58

Hình 3 15 Sự thay đổi của giá trị pH trong quá trìnhthí nghiệm 60

Hình 3 16 Nồng độ TSS trong nước thải đầu ra và đầu vào của hệHSFCW 61Hình 3 17 Nồng độ COD trong nước thải đầu ra và đầu vào của hệHSFCW 61Hình 3 18 Hàm lượng các chất dinh dưỡng tại đầu vào và đầu ra của mô

hình150l/ng.đ 63Hình 3 19 Chất lượng nước thải đầu vào, đầu ra của hệ thống xử lý (A.pH;

B.TSS;C.COD; D.T-N;E.NH4+;F.T-P) 65

Danh mục bảng

Bảng 1 1 Tổng đàn và sản lượng thịt hơixuất chuồng 6

Bảng 1 2 Thành phần và mức độ ô nhiễm nước thải chăn nuôi lợntrangtrại 11

Bảng 1 3 Trang trại lợn và nước thải sau biogas và ao hồ sinh học tại một số trangtrạinuôilợn 13

Bảng 1 4 Độ rỗng và độ dẫn thủy lực của các vậtliệu[65] 17

Bảng 1 5 Đặc tính của các vật liệu sử dụng trong bãi lọctrồngcây 19

Bảng 2 1 Thông số chất lượng nước thảiđầuvào 29

Bảng 2 2 Công thức thí nghiệm khả năng chống chịucủasậy 30

Bảng 2 3 Chiều cao các cấp phốivậtliệu 32

Bảng 2 4 Phương pháp bảo quản mẫu trước khiphântích 35

Bảng 2 5 Các phương pháp phân tích và tiêu chuẩnphântích 36

Bảng 3 1 Ảnh hưởng của cây Sậy đến sự biến thiên pH trongnướcthải 42

Bảng 3 2 Sự phát triển của các loài thực vật thủy sinh trên các chất nền khác nhau .47

Bảng 3 3 Hiệu suất loại bỏ chất ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi lợn sau biogascủabốnCWs 51

Bảng 3 4 Hiệu quả xử lý nước thải sau biogas của môhình150l/ng.đ 64

: Bảo vệ môi trường

: Công nghệ môi trường

: Nhu cầu oxy hóa học

FAO : Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc

HSF CW : Bãi lọc trồng cây nhân tạo ngầm dòng chảy ngang

NN&PTNT : Nông nghiệp và phát triển nông thôn

SSF CW : Bãi lọc trồng cây nhân tạo ngầm

MỞ ĐẦU

Chăn nuôi là lĩnh vực nông nghiệp gắn liền với Việt Nam từ xưa đến nay,đặcbiệt là chăn nuôi lợn được coi là thế mạnh của ngành nông nghiệp nên rất đượcquan tâm đầu tư Hiện nay, chăn nuôi quy mô trangtrại tăng nhanh và tạo được khả năng cạnh tranh trên thị trường Tuy nhiên cùng với hiệu quả kinh tế mang lại, nguồnchấtthải phát sinh từ hoạt động chăn nuôi lợn gây ô nhiễm môi trường hiện đang là vấn đề lo lắng của các nhà quảnlý

Theothốngkênăm2019,cảnướctacó24,9triệulợn.Tổngsốtrangtrạichăn

nuôinóichungcủaViệtNamlàkhoảng10.044.Cáctrangtrạinuôilợnchủyếulàtự phát, côngnghệ xử lý nước thải phổ biến là mô hình biogas Tuy nhiên, qua thực tế vận hành tạicác trang trại cho thấy, nước sau xử lý bằng hầm biogas có hàm lượngCOD, TSS,

TN, TP, NH4+vẫn còn cao và vượt quy chuẩn cho phép Do vậy,cầnnghiêncứucôngnghệxửlýphùhợpcótínhkhảthiđốivớichấtthảingànhchănnuôi, tạo điều kiện

để các trang trại chăn nuôi ứng dụng và xây dựng các hệ thống xử lýchấtthảigópphầnbảovệmôitrườngvàpháttriểnbềnvững,giảmdịchbệnhvànâng

caohiệuquảhoạtđộngkinhtếcủatrangtrạichănnuôi.Cầnlưuýlàđốivớicácnghệ cải tiến phải

có chi phí đầu tư và vận hành hệ thống xử lý phải rất thấp thì người dân và chính quyền

xã mới chấp nhận vận hành lâu dài, qua đó hệ sinh thái xung quanh các trang trại mớibền vững

Côngnghệbãilọctrồngcâynhântạongầmdòngchảyngang(HSFCW)được đánh giá làcông nghệ có chi phí thấp, thân thiện với môi trường và có hiệu suất xử lý cao Đây làcông nghệ sử dụng thực vật thủy sinh (TVTS) kết hợp với vật liệu lọc tự nhiên để xử lý ônhiễm Công nghệ này hiện đã và đang được ứng dụng rộng rãi trên thế giới và Việt Nam[1,2,8] Tuy nhiên, các nghiên cứu đánh giá chi tiết về công nghệ này trong xử lýnước thải chăn lợn sau biogas còn hạn chế Đặc biệt cácdữliệuvềvậtliệulọcvàcácloàithựcvậttốiưutrongthiếtkếcôngnghệđểứngdụng trong điều kiệntại Việt Nam chưa được nghiên cứu trướcđây

Tại Việt Nam có nhiều loại cây có thể sử dụng để làm sạch môi trường nước,rất dễ tìm ngoài tự nhiên và chúng có sức sống khá mạnhmẽ.Trong đó, cây Sậy

(Phragmites australis) đã được ứng dụng nhiều trong xử lý ô nhiễm tại Việt Nam và

trên thế giới[12,21,22,23] Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu đánh giá chi tiết, về sựphù hợp cũng như hiệu quả xử lý ô nhiễm nước thải chăn nuôi lợn của cây Sậytrong

hệ thống CW ngầm dòng chảy ngang tại Việt Nam Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu cho thấy Sậy phù hợp trong xử lý cácnước thải có tính chất tương đồng[22]

Thành phần quan trọng của bãi lọc trồng cây nhân tạo là các vật liệu lọc cũngđược nghiên cứu khá hạn chế Một loạt các vật liệu lọc đã được sử dụng trong CWnhư sỏi, đá vôi, đất, cát, sét và các phụ phẩm từ các ngành công nghiệp (ví dụ: xỉthép, bùn phèn) [45,48] Nhìn chung, sỏi và đá vôi thường được sử dụng trong các

CW khác nhau [44,50] Ví dụ, trong nghiên cứu của Ma và cs (2019), sỏi (cỡ hạt 10x20 mm) đã được sử dụng cho CW để xử lý nước thải sinh hoạt nông thôn Đá vôithường được sử dụng làm vật liệu để loại bỏ phốt pho [55] Ngoài ra, cát là vật liệukích thước hạt mịn vẫn được sử dụng rộng rãi trong CW do khả năng loại bỏ TSS,kim loại nặng và các chất hữu cơ [56,53,57] Một số nghiên cứu đã sử dụng vỏtrấulàmchấtnềntrongCWs[61].Tuynhiên,cácnghiêncứumớidừnglạiởsửdụngđơn lẻ một loạicấp phối vật liệu, việc đánh giá sử dụng các vật liệu lọc với các tỷ lệ, cấpphốikhácnhautrongCWđểxửlýnướcthảichănnuôilợnchưađượcđánhgiátrước đây Điềunày gây khó khăn trong lựa chọn thiết kế bãi lọc trồng cây nhân tạo để xử lý loạinướcthải

Xuất phát từ tồn tại nêu trên, chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: ”Nghiên

cứu xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau biogas bằng công nghệ bãi lọc trồng cây nhân tạo ngầm dòng chảy ngang”nhằm lựa chọn được cấp phối vật liệu tối ưu và

sự phù hợp về loài TVTS được lựa chọn trong bãi lọc trồng cây nhân tạo ngầm dòngchảy ngang Đồng thời, hiệu quả xử lý của mô hình bãi lọc trồng cây sẽ được thửnghiệm trên quy mô phòng thí nghiệm và quy mô pilot ngoài hiện trường Các dữliệunghiêncứutrongđềtàilàcơsởđểứngdụngcôngnghệtrênquymôthựctếtrong điều kiện môitrường trang trại chăn nuôi lợn tại ViệtNam

Mục tiêu nghiên cứu

Đánh giá được khả năng ứng dụng của công nghệ bãi lọc trồng cây nhân tạo ngầm dòng chảy ngang trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau biogas tại Việt Nam

Nội dung nghiên cứu

- Đánhgiásựphùhợpcủacâysậytrongbãilọctrồngcâynhântạongầmdòng chảy ngang

để xử lý nước thải chăn nuôi lợn saubiogas

- Nghiên cứu lựa chọn các cấp phối vật liệu phù hợp cho bãi lọc trồng câynhân tạo ngầm dòng chảyngang

- Đánh giá hiệu quả xử lý của hệ bãi lọc trồng cây nhân tạo ngầm dòng chảyngang trong quy mô phòng thí nghiệm: xác định hiệu quả xử lý theo các mốc thờigian khác nhau, nhằm tìm ra thời gian lưu tối ưu cho hệthống

- Đánh giá hiệu quả xử lý của của hệ bãi lọc trồng cây nhân tạo ngầm dòngchảy ngang trên quy mô 150l/ng.đ

- Đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình công suất 150m3/ng.đ

Đến nay nuôi lợn đã trở thành nghề truyền thống của nhiều quốc gia Nhiềunước chăn nuôi lợn có công nghệ cao và tổng số đàn lợn lớn như Mỹ, Braxin, Đức,Tây Ban Nha, Các nước tiên tiến có ngành chăn nuôi lợn phát triển theo các hìnhthức công nghiệp và đạt trình độ chuyên môn hóa cao Tuy vậy, đàn lợn trên thếgiớiphân bố không đều ở các châu lục: 70% số lợn được nuôi ở châu Á và châu Âu khoảng 30% ở các châu lục khác Chuyển dịchnhanh, mạnh và vững chắc từ chăn nuôi nhỏ sang chăn nuôi bán công nghiệp và công nghiệp là ưu tiên hàng đầu trongchínhsáchchănnuôilợncủacácnướcpháttriển.Khoảng81triệutấnthịtlợnđãđược sane xuất hàngnăm ở các nước đang phát triển Tổ chức FAO dự báo sản lượng này tiếp tục tăng(FAO2018).

Chănnuôiquymôcôngnghiệpthâmcanhcôngnghệcaochủyếupháttriểnở các nướcchâu Âu, châu Mỹ, châu Úc và một số nước ở châu Á, Phi, Mỹ La Tỉnh Chăn nuôicông nghiệp thâm canh các công nghệ cao về cơ giới và tin học được áp dụng trongchuồng trại, cho ăn vệ sinh thu hoạch sản phẩm, xử lý môi trường vàquảnlýđàn.Cáccôngnghệsinhhọcvàcôngnghệsinhsảnđượcápdụngtrongchăn

nuôinhưnhângiống,laitạonângcaokhảnăngsinhsảnvàđiềukhiểngiớitính.Chăn nuôi trang trạibán thâm canh và chăn nuôi nông hộ quy mô nhỏ và quảng canhphầnlớnởcácnướcđangpháttriểnởchâuÁ,ChâuPhi,MỹLaTinhvàmộtsốnướcTrung Đông Chăn nuôiquảng canh tận dụng và dựa vào thiên nhiên, sản phẩm chăn nuôi năng suất thấp nhưng được thịtrường xem như một phần của chăn nuôi hữucơ

Ngành chăn nuôi là một bộ phận quan trọng cấu thành của nông nghiệp và làmộtnhântốquantrọngtrongnềnkinhtếViệtNam.TìnhhìnhchănnuôiởViệtNam

phảnánhthựctrạngchănnuôi,sửdụng,khaithác,chếbiếnvàtiêuthụcácsảnphẩm động vật vàtình hình thị trường liên quan Chăn nuôi Việt Nam có lịch sử từ lâu đời và đóng góplớn vào cơ cấu kinh tế, xóa đói giảm nghèo cũng như đời sống từ bao năm qua Hiệnnay, theo xu thế của một nền kinh tế đang chuyển đổi, chăn nuôiViệt Nam cũng có những bước

đi mới và đạt được một số kết quả nhấtđịnh

Tổng đàn lợn năm 2018 đạt 27,8 triệu con, tăng 1,4% so với năm 2017, đànnái giảm dần theo chỉ đạo chung, ước đạt 3,8 triệu con, giảm 4,7 %, nhưng tỷ lệ náingoạiđãtăng5,8%.Đànlợnthịtxuấtchuồngtăng1,3%.Đếnnăm2019,ngànhchăn nuôi lợn đãphải đối mặt với bệnh dịch tả lợn châu Phi (DTLCP) xuất hiện và lan rộng Sau khi ổdịch đầu tiên được phát hiện tại miền Bắc từ tháng hai, đến tháng 9 dịch đã lan rộng khắp

cả 63 tỉnh, thành phố Theo Tổng cục Thống kê, tổng đàn lợn cả nước đã sụt giảm mạnh,

do đó sản lượng thịt lợn hơi xuất chuồng trong năm2019 cũng giảm sâu so với năm2018

Bảng 1 1 Tổng đàn và sản lượng thịt hơi xuất chuồng

(Nguồn: Cục chăn nuôi,2020)

Theo Cục Chăn nuôi, đến hết tháng 4/2020, tổng đàn lợn của cả nước đạt gần24,89 triệu con, tương đương 80,3% so với tổng đàn lợn trước khi có bệnh DTLCP,tăng trưởng bình quân 5,78%/tháng Quý I năm 2020 sản lượng thịt xuất chuồng đạthơn811nghìntấn;dựkiếnQuýII/2020đạthơn900nghìntấn;QuýIII/2020đạthơn

1,0triệutấn;QuýIV/2020đạtgần1,1triệutấn.Nhìnchung,chănnuôilợnViệtNam đang phụchồi và phát triển nhanh sau dịch bệnh, Nhiều tỉnh đã chủ động tái đàn lợnrấttốt,HàNộiđãtáiđànđược50%sốđãtiêuhủy(600ngàncon),BắcGiangtáiđàn trên 60%…Tốc độ tái đàn lợn trung bình đang rất nhanh, đạt trên 17%.[3]

1.1.2 Tình hình quản lý và xử lý chất thải chăn nuôi tại ViệtNam

Theo thống kê của Bộ NN&PTNT mỗi năm khối lượng nguồn thải từ chănnuôi ra môi trường là một con số khổng lồ - khoảng 84,5 triệu tấn/năm, trong đó,chỉkhoảng 20% được sử dụng hiệu quả (làm khí sinh học, ủ phân, nuôi trùn, cho cá ăn,…), còn lại 80% lượng chất thảichăn nuôi đã bị lãng phí và phần lớn thải ra môi trường gây ônhiễm

Nguyên nhân quan trọng được xác định gây ô nhiễm môi trường trong ngànhchăn nuôi là do các trang trại sử dụng nhiều nước Kết quả khảo sát cho thấy, cáctrang trại chăn nuôi sử dụng ít nước đều có thể dễ dàng thu gom chất thải rắn để bánlàm phân bón hữu cơ Chất thải rắn thu gom từ chăn nuôi lợn nái (do nuôi lợn náikhông được sử dụng nhiều nước) luôn được tiêu thụ tốt.Chỉcó chăn nuôi lợn thịthoặc chăn nuôi bò sữa quy mô công nghiệp sử dụng nhiều nước Mặt khác, công tácquản lý môi trường chưa đáp ứng được nhu cầu của thực tế sản xuất Các quy chuẩn

kỹ thuật quốc gia về nước thải chăn nuôi theo QCVN 40:2011/BTNMT trước kia vàQCVN62-MT:2016/BTNMThiệnnayđềuquácaosovớikhảnăngthựctếứngdụng

côngnghệxửlýmôitrườnghiệntại,dẫnđếnhầuhếtcáctrangtrạiđềukhôngthểđáp

ứngyêucầuđặtradochưacócôngnghệxửlýmôitrườngchănnuôihiệuquảđểtheo kịp các quyđịnh về xả thải môi trường Do khó có thể đáp ứng quy định xả thải nênởnhiềunơi,việcápdụngbiệnphápxửlýmôitrườngcủacáctrangtrạichỉmangtính đối phó Vẫncòn tâm lý ưu tiên phát triển kinh tế, giảm nhẹ yếu tố môi trường ở nhiều cấp chính quyềnđịa phương nên việc quản lý và xử lý môi trường chăn nuôi còn mang nặng tính hìnhthức

Nhữngnămvừaqua,côngnghệbiogasđượcngườidânvàcáccấpchínhquyền

ưutiênsửdụng,tuynhiênvẫncòncónhiềukhókhăn,bấtcập.Đốivớicáccôngtrình

biogas quy mô nhỏ, hiện tượng quá tải công suất xử lý (quy mô chăn nuôi thay đổithường xuyên trong khi dung tích của hầm biogas là cố định) và khí ga thừa không

sử dụng hết, xả trực tiếp ra môi trường là nguyên nhân phổ biến gây ô nhiễm môitrường Đối với chăn nuôi quy mô trang trại, công nghệ biogas chưathựcsự đem lạilợi ích về kinh tế do tốn diện tích đất, tốn chi phí đầu tư lớn nhưng không đem lạinguồnthubổsungchochủtrangtrại,cótácđộngtiêucựcvềmôitrường(khígasinh ra hầu nhưkhông sử dụng, xả trực tiếp ra môi trường, hầm biogas không được quan tâm vận hành,hỏng không được sửa chữa do chủ trang trại không có động lực để bỏchiphíraduytrìvậnhànhhệthốngnhằmđảmbảohiệuquảxửlýmôitrường)vàhậu

quảxấuvềxãhội(việcápdụngbiệnphápxửlýmôitrườngchỉmangtínhhìnhthức,

đốiphólẫnnhaugiữacácchủtrangtrạivàcáccấpquảnlý) Phầnlớnkhígassinhra từ các côngtrình biogas quy mô lớn hơn 50m3đã và đang không được sử dụng hết và xả bỏ rangoài môi trường Nguyên nhân chính của việc xả bỏ khí gas là do các công nghệ

sử dụng khí gas để phát điện, thắp sáng, chạy máy, còn nhiều hạn chế như hayhỏng vặt, giá thành cao, không phù hợp với điều kiện của Việt Nam, dẫn đếnkhông đem lại hiệu quả kinh tế thực sự cho người sử dụng[7]

Có thể nói, hiện trạng quản lý môi trường chăn nuôi hiện nay đang còn nhiều bấtcậpvềquảnlý,bếtắcvềcôngnghệxửlýchấtthảichănnuôiquymôtrangtrại,thiếu sự quan tâmthỏa đáng của các cấp chính quyền về quản lý và sự đầu tư nghiên cứutìmkiếmcácgiảiphápcôngnghệphùhợp,bềnvững,giúpvừaxửlýmôitrườngchăn

nuôilạivừamanglạithunhậpbổsung,tạođộnglựcchongườidânápdụngcácbiện phápBVMT

Trongquátrìnhxửlýchấtthảichănnuôigiasúcthườngchiathành2loại.Xử lý chất thảirắn và xử lý chất thải lỏng Xử lý chất thải rắn thường được xử lý bằng các phươngpháp sau: Ủ nóng, ủ hỗn hợp, ủ nguội, hầm ủ khí sinh học biogas Trên thực tế thì chấtthải rắn chủ yếu được xử lý bằng ủ nóng và hầmbiogas

Sau khi được xử lý, phân bón thu được sẽ đem sử dụng hoặc bán Có khoảng

40 – 70 % chất thải rắn được ủ (thường là ủ nóng), đóng bao bán làm phân bón tùy

từngvùng.Khoảng30–60%(tùyvùng)chấtthảicònlạiđượcxảtrựctiếpraaonuôi cá với những

mô hình chăn nuôi V.A.C, ra môi trường (kênh, rạch, mương đất)hoặc ủ cùng nước thải trong hầmbiogas Hiện nay, hầu hết các cơ sở chăn nuôi không có nhàxửlýphânhoànchỉnhđạtTCVN3775-83.Vớicácchấtthảirắnngoàiphân(một số dụng cụ chăn nuôi, vật tư thú y ) chưa được xử lýtrước khi thải vào môi trường[4]

Nhiềuphươngphápđượcápdụngđểxửlýchấtthảilỏngtrongchănnuôinhư

hồsinhhọcnhưcácloạihồổnđịnhchấtthảihiếukhí,hồổnđịnhchấtthảikịkhí,hồ tùy nghi; Sửdụng cánh đồng lọc và cánh đồng tưới; Sử dụng các thực vật thủy sinh bèo tấm, bèocái, lục bình, sậy, lau, rong đuôi chó, thuỷ trúc, ; Hầm kị khí sinh học biogas

Nói tóm lại, có thể rút ra vài nhận xét bao quát về công tác quản lý và xử lýchất thải chăn nuôi lợn tập trung ở nước ta hiện nay như sau[5]:

1 Cơ sở chăn nuôi lợn là nguồn gây ô nhiễm chất thải lớn nhất trong ngành chănnuôi Cần có sự đầu tư đáng kể của chính phủ để giải quyết các vấn đề ô nhiễm đất,nước và không khí ở những nơi này Sự hợp tác mạnh mẽ từ phía các nhà sản xuấtcũng sẽ là một yếu tố quantrọng

2 Có một khoảng cách lớn giữa những yêu cầu của tiêu chuẩn quốc gia về chất thải

và quản lý chất thải đối với các cơ sở chăn nuôi so với thực tiễn đang diễn ra Nănglựcthểchếchoviệcgiámsátvàthựcthiởcấpđịaphươngnóichungcònyếu.Áplực xã hội yếu,việc thực thi quy định còn hạn chế, chi phí đầu tư cao và các ưu đãichưahợplýlàlýdochínhchoviệchạnchếápdụngcácbiệnphápcảitiếnvềquảnlýchất thải, đặc biệt

là trong các cơ sở chăn nuôi quy mô nhỏ Ngay cả đối với những cơ sở đã xây dựnghầm khí sinh học, không có sự giám sát để xác định xem liệu nước thải từ hầm khísinh học đã đáp ứng các tiêu chuẩn trước khi chúng được sử dụng làm phân bón chocây trồng hoặc thải vào môi trường chung haykhông

3 Chính sách của chính phủ tăng cường sản xuất chăn nuôi và khuyến khích chănnuôithâmcanhcũngvấpphảisựhạnchếvềxửlývàquảnlýchấtthải.Tuynhiên,

khó có thể khẳng định rằng hiện nay việc quản lý và xử lý chất thải sẽ được cảithiệntrongngắnhạn.NhữngtrởngạibaogồmtráchnhiệmchồngchéogiữaBộTàinguyên và Môi trường;

Bộ NN&PTNT trong việc giám sát chất thải chăn nuôi, thiếu năng lực kỹ thuật và tài chính đểgiám sát hiệu quả ở các cấp địa phương và sự không kịp thời xử phạt người viphạm

4 Về tình hình xử lý chất thải chăn nuôi lợn vẫn còn nhiều bất cập Mặc dù hầu hếtcác trang trại đều có hệ thống xử lý bể biogas, tuy nhiên tình trạng ô nhiễm vẫn diễn

ra, đặc biệt chất lượng nước thải đầu ra chưa đạt quy chuẩn chophép

1.1.3 Thựctrạng và nguyên nhân ô nhiễm môi trường chăn nuôi tại ViệtNam

Theothốngkênăm2019,cảnướctacó24,9triệulợn.Tổngsốtrangtrạichăn

nuôinóichungcủaViệtNamlàkhoảng10.044trangtrại.Trongđó,vùngđồngbằng

sôngHồngcósốtrangtrạinhiềunhấtchiếmtới34,8%.Trongvùngnày,HàNộiđứng

đầuvới979trangtrại.Chănnuôilợnquymôtrangtrạiđangpháttriểnmạnhvàcũng là địnhhướng cho lĩnh vực này trong tương lai Cùng với hiệu quả kinh tế mang lại, vấn đề ônhiễm môi trường, nói chung và ô nhiễm nước thải từ chăn nuôi lợn trang trại là mộtthực tế gây bức xúc trong xã hội Kết quả nghiên cứu trước đây của một số tác giả cũngnhư kết quả khảo sát của đề tài tại nhiều trang trại chănnuôi lợn tại 5tỉnhthuộcmiềnBắcgồmHàNội,VĩnhPhúc,HưngYên,TháiBìnhvàHòaBìnhcho thấy đánh giátrên vẫn còn nguyên giátrị

Các trang trại nuôi lợn chủ yếu là tự phát, chưa đáp ứng được các tiêu chuẩn

kỹ thuật về chuồng trại chăn nuôi Do đó, năng suất chăn nuôi thấp và gây ô nhiễmmôi trường một cách trầm trọng, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người và môitrườngsốngxungquanh.Chấtthảichănnuôikhôngđượcxửlýtriệtđểkhixảramôi trường gây

ô nhiễm nguồn nước mặt, nước ngầm, môi trường đất, không khí và các sản phẩmnông nghiệp Đây chính là nguyên nhân gây ra nhiều căn bệnh về hô hấp, tiêu hoá, dotrong chất thải chứa nhiều VSV gây bệnh, trứnggiun

Qua các đợt điều tra khảo sát thực tế và đánh giá tài liệu tham khảo, trongcáccơsởchănnuôilợn,chúngtôinhậnthấymôhìnhbiogasđượcứngdụngrộngrãiở

hầu hết các trang trại lớn Công trình này không những xử lý được chất thải mà còngópphầngiảiquyếtbàitoánnănglượngphụcvụsảnxuấtnhờviệcthuhồinhiênliệu khí sinhhọc.

Hình 1 1 Mô hình xử lý nước thải tại các trang trại chăn nuôi lợn phổ biến hiện

nayKhảosátcủatổchứcJICAvàViệnCNMTtrướcđâytại5trangtrạichănnuôi lợn điểnhình cho thấy lượng nước tiêu thụ từ 10-40 l/đầu lợn/ng.đ Nếu trung bình lượng nướcthải là 25-30 lit/con, lượng nước thải ra một năm là con số đáng kể và chất lượng nướcthải tại các trang trại chưa đảm bảo, tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm môi trườngcao

Bảng 1 2 Thành phần và mức độ ô nhiễm nước thải chăn nuôi lợn trang trại

Thông số

N62, cộtB

Max

Thông số

N62, cộtB

Max

và62mg/l.Tạicácaosinhhọc,cácsốliệuthuthậpđượccũngcònkhácao:161mg/l COD; 55mg/l- TN và 12 mg/l-TP

Nhưvậy,nướcthảisaubiogascònônhiễmCOD,BOD,TNvàtổngcoliform Nếu nướcthải này không được xử lý mà thải ra môi trường sẽ gây ô nhiễm nghiêm trọng, ảnhhưởng đến sức khỏe con người và đời sống của sinh vật thủy sinh Hàm lượng chất hữu

cơ, N, P còn rất cao sẽ là một trong những nguyên nhân chính gây rahiệntượngphúdưỡng(nởhoanước)tạicácsônghồtiếpnhận.“Nởhoa”củanước

gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng nước như gây mùi khó chịu, làm giảm, thậm chílàm cạn kiệt hàm lượng ôxy hòa tan trong nước, làm giảm đa dạng sinh học và gâytắc nghẽn các hệ thống cấp nước.

Tuylượngnướcthảisaucácaosinhhọcvượtquychuẩnmớikhôngcaonhưng thực tế tại cáctrang trại chăn nuôi, không khí vẫn rất hôi thối, nước thải không được xử lý theo quy trình chuẩnnên nhiều khi tại các ao hồ sinh học lượng TN, COD còn cao hơn mẫu nước thải đầu rasaubiogas

Bảng 1 3 Trang trại lợn và nước thải sau biogas và ao hồ sinh học tại một số trang

trại nuôi lợn [Nguồn: Viện Công nghệ môi trường]

Đốivớinướcthảichănnuôilợn,đặctínhnướcthảithayđổirấtlớndophương

phápchănnuôi,quảnlýchuồngtrại(nhưviệccótáchlỏngrắnhaykhông),điềukiện của từngđịa phương Những điều này ảnh hưởng lớn đến quy mô xử lý, duy trì hệ thống xử lýkhó khăn và tốn kém về kinh tế Mặc dù hầu hết các trang trại mà chúngtôikhảosátđềuđãcóápdụngmộthoặcmộtvàiphươngphápkếthợpđểxửlýnước

thải.Tuynhiên,chấtlượngnướcthảirachưađạttiêuchuẩnxảthải.Mặtkhác,nguồn năng lượng

là khí sinh học thu được từ hầm biogas hầu như chưa được sử dụng triệtđể,cótrangtrạithảithẳngkhíramôitrường,cótrangtrạisửdụngvàomụcđíchđun

nấuvàmộtphầnthắpsáng,cònlạihầunhưchưasửdụngđểchạymáyphátđiện.Một công nghệkhông quá phức tạp về xây dựng, trang thiết bị và vận hành đơn giản, tốn ít nănglượng, chi phí thấp, hiệu quả xử lý chất ô nhiễm khá cao là vấn đề rất có ý nghĩa vềkinh tế, xã hội và môi trường hiện nay Các phương pháp xử lý khác như phương pháp

kỵ khí UASB, kỵ khí tiếp xúc, lọc sinh học, xử lý hiếu khí Aeroten đã được một sốtác giả quan tâm nghiên cứu và tỏ ra có hiệu quả nhưng hầu hết mới chỉ dừng lại ở quy

Hình 1 2 Cấu tạo bãi lọc trồng cây có dòng chảy ngầm theo chiều ngangCấu tạo của bãi lọc trồng cây có dòng chảy theo chiều ngang về cơ bản baogồm các vật liệu lọc và thực vật thủy sinh Điểm khác biệt nằm trong thiết kế dòngchảynướcthảitronghệthống.Dòngchảyđượcthiếtkếchảytheophươngnằmngang và hầu hết các

hệ thống được thiết kế với độ dốc 1% hoặc hơn[8,23,56,53] Việc thiết kế bãi lọc phụthuộc vào mục tiêu xử lý, quy mô, chất lượng nước thải đầu vào và điều kiện môitrường Trong đó, lựa chọn vật liệu lọc và thực vật thủy sinh phù hợp là công việccần ưu tiên thựchiện

1.2.2 Vật liệu lọc sử dụng trong bãi lọc trồngcây

Vậtliệuđượclựachọnchohệthốngbãilọctrồngcâynhântạothườngưutiên dùng nhữngvật liệu thiên nhiên gia công hoặc đã được xử lý, không dính, lấy từ các đá rắn và chắc,không chứa muối hòa tan trong nước Trong các loại vật liệu này có:cát,cuội,sỏi,đádăm,đádămthảicủacácnhàmáynghiềnđá,xỉđượctánnhỏ(nghiên

cứutrướctrongphòngthínghiệm).Sỏilàvậtliệuđượcsửdụngphổbiếnnhất,nhưng các vật liệukhác như đá nghiền, và nhựa cũng đã được sử dụng [34] Sỏi lớnthườngđượcưutiênsửdụngđểngănngừatắcnghẽn,sỏinhỏđượctrảimộtlớpmỏngởtrên cùng của bãilọc để rễ cây phát triển tốthơn

Các hệ thống bãi lọc khác nhau bởi dạng dòng chảy, môi trường và các loạithựcvậttrồngtrongbãilọc, Dựavàocácđặcđiểmcủacácloạibãilọctrồngcâyđể thiết kế, lựachọn vật liệu phù hợp Có thể phân loại bãi lọc trồng cây thành hai loại: bãi lọc trồng câyngập nước (dòng chảy mặt) và bãi lọc ngầm trồng cây (dòng chảyngầm).Phânloạibãilọctrồngcâyngậpnướcphụthuộcvàoloạithựcvậtđượctrồng

trênbãilọc.Có3loạithựcvậtchính:thựcvậtchìm,thựcvậtnửangậpnước,thựcvật nổi Bãi lọcngầm trồng cây được phân loại theo hướng dòng chảy: dòng chảy theo phương ngang vàdòng chảy theo phương thẳng đứng Tùy vào nguồn nước thải đầu vào và điều kiện xử lý

có thể lựa chọn hệ thống bãi lọc phùhợp

Mô hình bãi lọc trồng cây ngập nước có cấu tạo khá đơn giản Hệ thống nàygiống như những đầm lầy tự nhiên Cấu tạo cơ bản của một hệ thống bãi lọc trồngcây ngập nước gồm một lớp chống thấm, đất hoặc giá thể để trồng cây Lớp chốngthấmlàmộtlớpđấtséttựnhiênhoặcvậtliệuchốngthấmnhântạođượcđặtdướiđáy để chống rò

rỉ Trên lớp chống thấm là lớp đất hoặc chất liệu phù hợp cho việc sinhtrưởngcủacácloàithựcvậtđầmlầy.Cácloàithựcvậtđượclựachọn:rongđuôichó, bèo, sậy, Nước thải với độ sâu tương đối nhỏ chảy theo phương ngang qua bề mặtlớpđất.Cấutạocủahệthốngthườngđượcsử dụngvớidạngkênhhẹpvàdài,độsâu của nướcnhỏ, vận tốc chảy nhỏ cùng với sự có mặt của các loài thực vật, tạo điều kiện cần thiếtcho chế độ gần như dòng chảyđẩy

Cáchệthốngbãilọcngầmtrồngcâydòngchảyngangbanđầu,đượcxâydựng

vàonhữngnăm1970vàđầunhữngnăm1980sửdụngchủyếulàvậtliệuđấtcóhiệu quả trongquá trình lọc, tuy nhiên không duy trì được độ dẫn thủy lực cao Điều này dẫn đến ứđọng dòng chảy và hiệu quả xử lý thấp dần Vào cuối những năm 1980, các vật liệu thô(sỏi và cát sỏi) có độ dẫn thủy lực cao đã được giới thiệu ởAnh[18,19]chothấyhiệuquảvượttrộicủachúngtrongquátrìnhxửlýônhiễm.Vớiưuđiểm khảnăng lọc tốt, độ dẫn thủy lực cao, các vật liệu này được lựa chọn trong nghiên cứu và ứngdụng tại các hệ thống bãi lọc nước saunày

Nhiềunghiêncứuápdụngnhữngvậtliệulọckhácnhauchobãilọctrồngcây Đặc điểmtiên quyết để chọn vật liệu cho bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang là kích thước vật liệu.Theo Vymazal (2008) [65] đường kính của vật liệu lọc được sử dụng trong vùng đấtngập nước dòng chảy ngang thay đổi từ 0,2 mm đến 40 mm Các vật liệu lọc trongkhu vực đầu vào có kích thước từ 0,2-10mm và đầu ra nên chọn kính thước 30-40

mm để giảm thiểu tắc nghẽn và nên mở rộng từ trên xuống dưới cùng của hệ thống.Đối với khu vực xử lý, nên dùng vật liệu có kích thước 5-20 mm Vật liệu được lựachọn trong hệ thống bãi lọc gồm có đá dăm, sỏi, cát, đá vụn Các vật liệu này cókích thước khác nhau được sử dụng tùy vào từng phần của bãilọc

Cácnghiêncứuvềlựachọnvậtliệuchobãilọctrồngcâychothấykíchthước hạt vật liệuphù hợp chủ yếu nằm trong khoảng 1-30 mm, trong đó 1-16 mm là kích thước được sửdụng rộng rãi nhất [81] Kích thước hạt chủ yếu được sử dụng trong bãi lọc ngầmtrồng cây dòng chảy đứng ở các nước châu Âu là từ 8 đến l6mm[20].Cáchạttrongphạmvikíchthướcnàycóđộdẫnthủylựctốtphùhợpchotăngtrưởng

thựcvậtvàcótácdụngxửlýtốtnướcthải[67].TheosốliệuthốngkêcủaEPA,kích thước vậtliệu được lựa chọn phổ biến trong hệ thống bãi lọc trồng cây gồm các hạt đá sỏi có kíchthước từ 20-25 mm, đá thô trong khoảng 40-50 mm Để đảm bảo hiệu quả loại bỏ trongkhi ngăn chặn sự tắc nghẽn và đảm bảo thời gian lưu của hệ thống [63]

Kích thước hạt có liên quan chặt chẽ đến độ rỗng và độ dẫn thủy lực của vậtliệu.Nócóthểảnhhưởnglớnđếnhiệuquảxửlýcủacáchệthốngbãilọcngầmtrồng cây Bảng sauđây (theo EPA) cho thấy độ rỗng và độ dẫn thủy lực của các vậtliệu

Số liệu bảng 1.4 cho thấy độ rỗng và độ dẫn thủy lực của vật liệu lớn vớikíchthước hạt lớn hơn Nếu kích thước hạt quá nhỏ, vật liệu sẽ có độ rỗng rất thấp và độ dẫn thủy lực thấp, có thể gây tắc nghẽn dòng chảy hệthống bãi lọc Lượng nước không lưu thông, ứ đọng ảnh hưởngđếnsự phát triển bình thường của thực vật.Ngượclại,nếukíchthướchạtquálớn,nướcsẽthoátnhanhhơn.Hơnnữa,hạtkích

thước lớn, lớp vật liệu sẽ có diện tích bề mặt riêng thấp, không thuận lợi cho sự pháttriển của vi khuẩn [20] và sự phát triển, lan rộng của rễ cây.

Bảng 1 4 Độ rỗng và độ dẫn thủy lực của các vật liệu[63]

Loại Kích thước (mm) Độ rỗng (%) Độ dẫn thủy lực (m3/m2d)

độ rỗng giữa các hạt khá lớn, khả năng lưu thông dòng chảy dễ dàng Lớp vật liệu ởphía trên cùng có nhiệm vụ tạo điều kiện thuận lợi cho khả năng phân hủy chất ônhiễm, lớp này không chỉ giúp ích cho sự phát triển và lanrộngcủahệthốngrễcâymàcòncungcấpbềmặtgắnkếtlớnchosinhtrưởngvàsinh sản của visinh vật Các vật liệu có khả năng thấm tốt đồng thời tạo độ xốp cần thiếtđểrễcâypháttriểnđượclựachọnlàmlớptrêncùng.Cáchạtcókíchthướctươngđối

nhỏđượclựachọnlàmvậtliệulọcởlớpnày.TrongnghiêncứucủaZhangHongyang

[78]vềxửlýnướcthảibởihệthốngbãilọcngầmtrồngcây,lớpvậtliệutrêncùngsử

dụng cát thô và đất, các lớp vật liệu khác gồm lớp đáy là sỏi thô có kích thước hạtdao động từ 40 mm đến 60 mm, phần giữa được tạo thành từ sỏi, đá nhỏ có đườngkính khoảng 20 mm.

Trong nước thải, đặc biệt là nước thải chăn nuôi và sinh hoạt chứa hàmlượngCOD,phốtpho,nitơcao.Quátrìnhloạibỏcácchấtgâyônhiễmtrongnướcthảiphụ thuộc vàođặc tính vật liệu có phù hợp cho sự phát triển thực vật, vi sinh vật và các quá trình biếnđổi của các hợp chất phốt pho, nitơ trong hệ thống bãi lọc trồng cây Thông qua nghiêncứu về khả năng loại bỏ chất ô nhiễm của các vật liệu khác nhau, Zhang Man và cộng

sự (2013)[79] đã đưa ra bảng tổng hợp về đặc tính của các vật liệu được trình bảy ởbảng1.5

Bảng 1 5 Đặc tính của các vật liệu sử dụng trong bãi lọc trồng cây [79]

Đá vôi Loại bỏ tốt phốt pho, nhưng vi sinh vật kém phát triển

Zeolite Thuận lợi quá trình khử nitơ, độ dẫn thủy lực cao

Than

hoạttính

Bề mặt lớn, khả năng hấp phụ cao, kích thước nhỏ

Tro bay Hấp phụ tốt phốt pho, độ kiềm cao ảnh hưởng xấu đến thực vật và

vi sinh vật

Cát Thấm nước tốt, khả năng ứng dụng cao loại bỏ chất ô nhiễm

Đất Thực vật dễ phát triển, khả năng lọc tốt, độ dẫn thủy lực không cao

Sỏi Loại bỏ tốt phốt pho, thuận lợi quá trình khử nitơ

Bảng1.5chothấycácvậtliệunghiêncứuđềucókhảnăngloạibỏchấtônhiễm

theotừngcơchếriêng.WeiChang(2008)[72]đãpháthiệnrarằng,hỗnhợpcátmịn

vàđấtcóhiệuquảloạibỏnitơtổngsố,tổngphốtphocaohơn.Mặcdùvậtliệuvới

kích thước hạt nhỏ có hiệu suất loại bỏ cao hơn so với kích thước lớn nhưng hiệntượng tắc nghẽn lại dễ xảy ra hơn khi sử dụng hỗn hợp vật liệu này Một số nghiêncứucủacáctácgiảkhácchothấytrobaycótácdụngloạibỏphốtphotươngđốicao,

nhưngdođộkiềmcaolàmbấtlợichosựpháttriểncủathựcvật.Vìvậytrobaykhông phù hợp lựachọn làm vật liệu cho bãi lọc Than hoạt tính và zeolite có khả năngloạibỏtốtchấtônhiễmnhưnggiáthànhcủahaivậtliệunàykhácaovàkhôngkhảthikhi ứng dụngtrong điều kiện thực tế bãi lọc trồng cây Trong nghiên cứu của Liu Xuegong (2008) [41],

vi sinh vật phát triển tốt trong lớp sỏi COD, nitơ tổng số và phốt pho tổng số giảmđáng kể trong quá trình nghiên cứu Kết quả nghiên cứu cho thấy sỏi phù hợp làmvật liệu loại bỏ chất ô nhiễm chứa COD, phốt pho, nitơ Hiệu quả xử lý và vận hànhcủa bãi lọc trồng cây phụ thuộc vào cách sắp xếp các lớp vậtliệu.Cấpphốivậtliệuphùhợpgiúpgiatănghiệuquảxửlý,tăngcườngkhảnănglưu thông và khảnăng lưu chứa nướcthải

1.2.3 Thực vật sử dụng trong bãi lọc trồng cây nhân tạo

Nhiều TVTS trong hệ sinh thái đất ngập nước bao gồm đất ngập nước nhântạodùngđểxửlýnướcthải.TVTSlàthànhphầnquantrọngcủahệsinhtháiđấtngập

nướcvàcóvaitròtrongquátrìnhxửlýnướcthải.NhữngTVTSmọcởđâygồmthực vật có mạch(hạt kín và dương xỉ), rêu và một số tảo lớn trong đó thực vật hạt kín chiếm ưu thế TVTSgiống như tất cả các cơ thể quang tự dưỡng khác sử dụng nănglượng ánh sáng mặt trời

để đồng hoá CO2từ khí quyển, sản xuất chất hữu cơ cungcấp nguồn năng lượng chocác cơ thể dị dưỡng như động vật, nấm và vi khuẩn Hệ sinhtháiđấtngậpnướcchủyếulàcâythuỷsinhlàmộttrongsốhệsinhtháicónăng suất sơ cấp cao nhất do

có sự dồi dào về ánh sáng, nước và chất dinh dưỡng[73]

TVTS trong vùng đất ngập nước có thể được phân ra các nhóm chínhsau:

- TVTS nửa ngập nước: đây là thực vật chủ yếu trong đất ngập nước có thân

vàlánhôlênkhỏimặtnướcvàhệrễpháttriểnrộng.Thựcvậtthíchnghivềhìnhthái

vớiviệcmọcởnơingậpnướcdocócáckhoangkhílớnbêntrongthânđểvậnchuyển ôxy đến rễ

TVTS này bao gồm các loài như Sậy (Phragmitesspp), cỏ Nến hayđuôi

mèo (Typhaspp.), Cói (Cyperusspp.), Bấc (Juncusspp.), Năn (Scirpusspp.), Lác (Carexspp.), Lưỡi đồng (Irisspp.), Súng (Nymphaeaspp.).

- TVTS nổi: Các loài sống nổi trên mặt nước như bèo Tây

(Eichhorniacrassipes), bèo Cái (Pistia stratiotes) và bèo Tấm (Lemnaspp vàSpirodellaspp.)

- TVTS sống chìm dưới mặt nước: TVTS này có mô quang hợp hoàn toàn

ngậptrongnướcnhưnghoalạithườngphơiratrênmặtnước.Vídụ:rongĐuôichó(Myriophyll umspp.), rong Đuôi chồn (Ceratophyllumspp.).

Thực vật sống chìm có đặc điểm là sinh trưởng phía dưới mặt nước suốt cảvòngđờicủanó.Thựcvậtsốngchìmhấpthuoxyhòatantrongnước(banđêm–cho quá trình hôhấp) và carbonic trong nước (ban ngày – cho quá trình quang hợp) và nhiều loài còn cóthể sử dụng các bicarbonate hòa tan cho quá trình quang hợp Hầu hết các loài thực vậtsống chìm có rễ bám vào lớp bùn đáy, tuy nhiên có một số loài không có rễ và trôi nổi tự

do như rong Đuôi chồn (Coon’s tail –Ceratophyllumdemersum) Đối với các loài sống

chìm tất cả các bộ phận chịu trách nhiệm quanghợpđềunằmdướimặtnước(Cook,1996),thânvàláthườngmềmdokhôngcólignin làm cho chúng

có độ linh hoạt cao chịu đựng được sự chuyển động của dòng nước mà không bị tổn hại Cácloài thực vật sống chìm có rễ bám vào lớp bùn đáy lấy cácdưỡngchấtcầnthiếtchochúngtừlớpbùnđáy,mộtsốítdưỡngchấtvilượngsẽđược chúng hấp thu

từ nước[6]

Vai trò xử lý nước thải của TVTS được thể hiện ở các khía cạnh sau:

− Trao đổikhí:

TVTScónhữngđặcđiểmthíchnghivềhìnhtháivớisựpháttriểntrongnước,đặc biệt làchúng có các lỗ khí giúp cho sự vận chuyển O2vào rễ và bầu rễ Sự vận chuyển

O2vào thân cây giúp cho sự hô hấp của các mô đồng thời cung cấp cho đới rễ sựthoát khí O2 Chính nhờ sự thoát khí O2từ rễ làm tăng điều kiện O2hoátronglớpnềnkỵkhí,kíchthíchsựphânhuỷhiếukhícácvậtchấthữucơvàsựtăngtrưởng của vi

khuẩn Nitrat hoá.Sự vận chuyển khí trong TVTS có thể xảy ra bởi sự khuếchtándosựchênhlệchnồngđộhayápsuấttrongcáclỗkhí.Cáckhísẽđượcvậnchuyển

từ nơi có nồng độ cao hoặc áp suất cao đến nơi có nồng độ thấp hoặc áp suất thấp hơn.

− Các hiệu quả vậtlý:

HiệuquảquantrọngnhấtcủaTVTStrongquátrìnhxửlýnướcthảilàcáchiệu

quảvậtlý:điềuchỉnhxóimòn,hiệuqủalọc,cungcấpvùngbềmặtchovikhuẩnbámdính Sự traođổi chất của TVTS (hấp thụ, thải O2…) có ảnh hưởng tới các quá trìnhxử lý tuỳthuộc vào mô hình thiết kế khácnhau

Trong đất ngập nước, chúng phân bố lại và giảm tốc độ các luồng không khítrênmặtnước.Điềunàytạoracácđiềukiệntốtchosựlắngđọngcácchấtrắnlơlửng, giảm xói mòn,tăng thời gian tiếp xúc giữa nước và các vùng bề mặt của cây Ngoài ra, khi hệ rễ của TVTSphát triển chúng sẽ ngăn chặn sự tắc nghẽn của lớp lọc, ánhsángbịsuygiảmkhichiếuqualớpphủthựcvật,điềunàycảntrởsựsinhsảncủatảo Vào mùađông, lớp phủ thực vật còn có vai trò cách nhiệt giữa khí quyển với vùngđấtbêndưới,giữchođấtkhôngbịsươnggiá.TVTSpháttriểnảnhhưởngtớitínhdẫn nước của đất,

rễ cây xáo trộn làm xốp đất, dần dần sẽ làm ổn định tính dẫn nước của đất

− Nơi cư trú cho sinhvật:

TVTScòncócácchứcnăngkhácnhưcungcấpnơisốngchovisinhvật.TVTS

cungcấpvùngbềmặtlớnchocácvisinhvậtbámdínhpháttriển,phầnthânvàlácủa TVTS chìmtrong nước tạo một vùng bề mặt lớn cho các sinh vật Các nhóm tảo quang hợp dày đặccũng như vi khuẩn và động vật đơn bào xâm chiếm các mô thực vật Tương tự như vậy, rễcây chìm dưới đất cung cấp bề mặt cho vi khuẩn bámdính trên các vật rắn chìm trong nước chịu trách nhiệmchủ yếu cho các quá trình vi sinh xảy ra trong hệ thống đất ngậpnước

− Hấp thụ chất dinhdưỡng:

TVTSđòihỏicácchấtdinhdưỡngchosựsinhtrưởngvàpháttriển,chúnghấp

thụchấtdinhdưỡngthôngquarễvàđôikhithôngquaphầnthânvàláchìmdưới

nước Chất dinh dưỡng được loại bỏ khỏi hệ thống nhờ thu hoạch sinh khối Nếukhông thu hoạch sinh khối, lượng chủ yếu chất dinh dưỡng trong mô thực vật sẽ bịphân huỷ và quay trở lại hệ thống.

− Diệt vikhuẩn:

Rễ của TVTS có thể sinh ra một số chất, đặc biệt là có sự thải ra O2vàotrongtầngrễcótácđộngtớicácchutrìnhsinhhoácủasựtrầmtích.Ngườitađịnhtínhđiều này nhờvào việc nhận biết được màu hơi đỏ liên quan dến dạng Oxit sắt trên bề mặtrễ.MộtsốloàiTVTScóthểsinhrachấtkhángsinhtừrễcủanó.Dođó,cácvikhuẩn ô nhiễm trongnước bị biến mất sau khi cho đi qua hệ thống trồng loại thực vật này.NgoàiramộtlượnglớncácchấthữucơcũngđượctạoratừrễcủaTVTS.Đâylàmột nguồn Cacbonhữu cơ cung cấp cho quá trình phản Nitrat và do đó làm tăng sự loạibỏ NO3-trong một

số loại đất ngậpnước

Cho đến nay, loại cây được sử dụng phổ biến nhất cho các hệ thống HFS CWlàcâySậy.[19]Đâylàmộtloạicỏsốnglâunămvàchịuđượclũlụtvớihệthốngthân rễ rộngthường xuyên xuống độ sâu khoảng 0,6–1,0 m Thân cứng và rỗng, có chiều cao chồi từdưới 0,5 m đến khoảng 8 m Sậy xuất hiện trong các quần xã nước ngọt,nướclợvàtrongmộtsốtrườnghợp,cácquầnxãvenbiểngầnnhưtrênkhắpthếgiới Sậy có thíchứng với pH rộng, và rất phù hợp với điều kiện nhiệt đới nóng ẩm và cónhiềukhuvựcđấtngậpnướcbỏhoangcủaViệtNam.Nhiệtđộ,độmặnvàmựcnước ảnh hưởngđến sự nảy mầm Độ sâu của nước hơn 5 cm và độ mặn trên 20 ppt (2%)ngănngừasựnảymầm.Quátrìnhnảymầmkhôngbịảnhhưởngbởiđộmặndưới10 ppt (1%)nhưng giảm ở độ mặn cao hơn Tỷ lệ nảy mầm tăng khi nhiệt độ tăng từ 16 đến 25oC

và thời gian cần thiết để nảy mầm giảm từ 25 đến 10 ngày trong cùng một phạm vinhiệtđộ

Sậycóthểmọctrênnhiềumôitrườngônhiễmnướckhácnhauvàcókhảnăng phục hồinhanh chóng Sậy có khả năng mọc lan rộng tự nhiên với tốc độ nhanhchóng.Sậycóthểtựtáisinhbằngrễvàthân.ThânvàrễcủaSậycóthểsốngđượctừ 3 – 6 năm vàchồi mọc thẳng đứng ở gốc vào cuối mùa hè mỗi năm Sự phân bốcủa

nó phổ biến khắp Châu Âu, Châu Phi, Châu Á, Úc và Bắc Mỹ trong khoảng từ 10 đến 70 vĩ độ (Hawke & Jose, 1996).

1.3 Tìnhhình nghiên cứu kiểm soát nước thải chăn nuôi bằng thực vật trênthế giới và ViệtNam

1.3.1 Tình hình nghiên cứu về nước thải chăn nuôi lợn trên thếgiới

Hiệnnay,chấtlượngnướcđangsuygiảmdosựônhiễmcủacácchấtônhiễm khác nhautrong nước, khiến cho nguồn nước sạch ngày càng khan hiếm ở một sốnơi.Nóicáchkhác,nướcsạchđangtrởthànhmộttrongnhữngmốiquantâmlớnnhất của thế kỷXXI Để giải quyết các vấn đề về nước, các phương pháp xử lý nước thảikhácnhauđãđượcápdụng,nhưngcácphươngphápxửlýnướcthảitruyềnthốngvà hiện cónhư xử lý bằng bùn hoạt tính, xử lý vi sinh, xử lý sơ cấp tăng cường hóa học (CEPT)

Hệ thống ao tích hợp tiên tiến (AIPS), sục khí và kị khí, v.v rất tốn kém và trong hầuhết các trường hợp là không thực tế hoặc không phù hợp với các cộng đồng nhỏ hơn vàcác ngành công nghiệp nhất định Hiện nay, công nghệ sinh thái sử dụng thực vật thủysinh đã được sử dụng để xử lý nước thải Đây là một công nghệ tiềm năng của nhà máy

để khắc phục ô nhiễm đất vànước

Công nghệ xử lý ô nhiễm nước có sử dụng loài TVTS đã được sử dụng rộngrãi trên thế giới từ nhiều thập kỷ qua để xử lý nước thải công nghiệp và sinh hoạt.Trong các năm gần đây, công nghệ này được sử dụng như là phương pháp hiệu quảvàđượcxãhộichấpnhậntrongxửlýnướcthảichănnuôilợnvớichiphíthấpvàvận hành đơngiản[2]

Nghiên cứu của L Xindi và cs (2003), sử dụng cỏ Vetiver và thủy trúc

(Cyperus alternifolius) trong điều kiện thí nghiệm theo mẻ với hàm lượng COD,

BOD, đầu vào tương ứng là 825mg/l, 500mg/l Sau 8 ngày thí nghiệm hệ thống đãloạibỏđược56,5%vớiCODvà59,9%BOD[76].P.G.Huntvàcs(2002)đãsửdụng

hệthốngdòngmặtđểnghiêncứuxửlýnướcthảisaucôngđoạnxửlýyếmkhíởtrang trại chăn nuôilợn [31], kết quả cho thấy, với tải lượng N đầu vào dao động trong từ3-25kg/ha.ngày,tỉlệloạibỏNcủahệthốngđềuđạttrên80%.TheoPoachvàcs

(2003)[51], hệ thống có khả năng chuyển hóa T-N khá cao, ngoài ra hệ còn giảmkhản năng bay hơi amoni Sinh khối thực vật và khả năng tích lũy dinh dưỡng trong

hệ thống cũng tương đối lớn Với tải lượng COD khoảng 590 kg/ha/ngày, sản lượng

cỏ Tiflon (Cynodon dactylon) thu được đạt khoảng 68,3 tấn/ha, hàm lượng T-N tíchlũy trong cây khoảng 2043kg/ha Trong công bố khác của Hunt và cs (1999) với hệthốngtrồnghỗnhợpTyphalatifoliavàSparganiumamericanum,hàmlượngT-Ntích lũy là428kg/ha và 338kg/ha.năm trong hệ thống xử lý nước thải chăn nuôilợn

Cácdẫnliệuvềhiệuquảxửlýnướcthảichănnuôicủacácloạihìnhcôngnghệ sinh thái vớiTVTS hoạt động ở nhiều nơi tại Mỹ cho thấy loại hình dòng chảy trên bề mặt có hiệu quả cao,chi phí thấp so với kiểu dòng chảy ngầm lại dễ quản lý vàduytrìtuyhiệuquảcókémhơnvềmùalạnh.Côngnghệdòngchảyngầmcóhạnchế khi xử lýnước thải chăn nuôi do bị bít vì chất lơ lửng và giá thành cao còn hệ thốngthựcvậtnổicógiáthànhcaohơn,haybịsâubệnhnếukhôngtrồngphốihợpcácloại cây Tuyvậy, việc có thể sử dụng làm thức ăn có thể là cứucánh

1.3.2 Tình hình nghiên cứu về nước thải chăn nuôi lợn tại Việt Nam

ỞViệtNam,cácnghiêncứuvềkhảnăngxửlýnướcthảicủamộtsốloàiTVTS đã được tiếnhành từ những năm 1990 Tuy nhiên, nghiên cứu mang tính công nghệ liên quan đến xử lý nướcthải nhất là nước thải chăn nuôi lợn mới được chú ý trong những năm gầnđây

Bùi Thị Kim Anh và cs 2019 đã sử dụng mô hình bãi lọc trồng cây nhân tạo

sửdụngcâysậy(PhragmitesaustralisCav.)trồngtrêncáclớpvậtliệulọcsỏi,đávôi và vỏ trấu

để xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau biogas Kết quả thí nghiệm cho thấy,nướcthảiđầurađạtquychuẩnchophép,pHcủanướcthảiluônổnđịnhtrongkhoảng từ 6,9 đến 7,2,hiệu suất loại bỏ tổng phốt pho lên đến 86%; các chỉ tiêu khác như TSS, COD, tổng Nitơ vàAmoni đều giảm đáng kể, hiệu suất xử lý lần lượt là 78%, 74,6%, 67,1% và 74,2% sau 168giờ thí nghiệm Bãi lọc trồng cây nhân tạo có hiệu suất xử lý cao, thời gian xử lý ngắn và cótriển vọng ứng dụng trong xử lý nướcthảichăn nuôi lợn sau biogas.[2]

Raungổvàlụcbìnhcókhảnăngthíchnghivàsinhtrưởngtốttrongmôitrường nước thải Hiệusuất xử lý nước thải của rau ngổ đối với độ đục là 96,94%; COD là44,97%;Nitơtổnglà53,60%vàphosphattổnglà33,56%.Cácsốliệutươngứngthu

đượcvớilụcbìnhlà:97,79%;66,10%;64,36%và42,54%.Khảnăngxửlýnướcthải chăn nuôilợn của cây ngổ trâu và rau muống cũng được thử nghiệm ở qui mô chậuvại và mức ônhiễm không cao Với nước thải có BOD: 57,5 mg/l; NH4+: 36,9 mg/lvàPO4:50,4mg/l,cảhailoạicâyđềusốngđượctrongnướcthải.LượngBOD,NH4+bị loại bỏgần hết vào cuối thí nghiệm 30ngày

Các cán bộ của Viện Công nghệ môi trường (Trần Văn Tựa, Đặng ĐìnhKim, Bùi Thị Kim Anh,…) đã có nhiều nghiên cứu từ năm 2004 đến nay về lựachọn các loàithựcvật,xâydựngcôngnghệđấtngậpnướcnhântạođểxửlýnướcthảiônhiễm cácchất hữu cơ như nước thải chế biến thủy sản, nước thải chăn nuôi lợn,… (Đề tài cấp Nhà

nước “Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ tiên tiến phù hợp với điều kiệnViệt Nam

để xử lý ô nhiễm môi trường kết hợp với tận dụng chất thải của các trang trại chăn nuôi lợn”,Mã số KC.08.04/11-15, nghiệm thu ngày 24/7/2015; Đề tài cấp Nhà nước“Hoàn thiện công nghệ và hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi sau xử lýbiogas quy mô trang trại đáp ứng quy định xả thải”, Mã số KC.08/16-20) Trong

năm2017,cáccánbộcủaphòngThủysinhhọcmôitrườngđãthamgiatưvấnhệlọc và trồng câytrên toàn bộ 43.000 m2bãi lọc trồng cây trong hệ thống hồ sinh học để xử lý nước thảicủa công ty thép Formosa, Hà Tĩnh; Ứng dụng công nghệ tại côngty dệt Paciffic Hải Dương,một số trang trại chăn nuôi lợn quy mô công nghiệp Ngoài ra, nhóm nghiên cứu còn thực hiện nhiều đề tài, dự án liên quan đến sử dụngcông nghệ đất ngập nước nhân tạo trong xử lý nướcthải

Nhìnchung,côngnghệbãilọctrồngcâynhântạođãvàđangđượcnghiêncứu ứng dụng tạinhiều nơi trên thế giới (tại Đức có 50.000 hệ thống; Bắc Mỹ: 8000; Vương quốc Anh:1000; Italy: 300; Đan Mạch: 200; Công hòa Czech: 160; Hà Lan, Bồ Đào Nha: 120, ).Điều này cho thấy đây là công nghệ phù hợp để xử lý nhiều loại nước thải và điều kiện môitrường ở nhiều quốc gia khác nhau Tại Việt Nam,cácnghiêncứuvềbãilọctrồngcâynhântạođãđượcứngdụngxửlýcácloạinước

thải có hàm lượng chất hữu cơ và chất dinh dưỡng cao Mô hình xử lý thực tế cũng

đã được xây dựng thử nghiệm và cho hiệu quả khả quan Có thể thấy đây là côngnghệ hoàn toàn có thể ứng dụng để xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau biogas tại ViệtNam

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiêncứu

- Cây sậy -Phragmites australis(Cav.) là một loài cây thuộc họ hòa thảo

(Poaceae), phân bố ở những vùng đất lầy ở cả khu vực nhiệt đới và ôn đới của thếgiới Sậy được thu từ ven Sông Hồng về trồng trong Viện Công nghệ môi trường,Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ ViệtNam

- Cácvậtliệulọcđượctậndụngtừcácloạivậtliệusẵncó,giárẻtạiViệtNam:

cát,vỏtrấu;đávôi(kíchthước1x2cm);sỏi(kíchthước2x4cm)đượcrửasạch,đểráo nước trướckhi đưa vào hệ thínghiệm

Hình 2 1 Vật liệu lọc sử dụng trong thí nghiệm

- Nước thải chăn nuôi sau biogas được lấy tại trang trại chăn nuôi lợn vớiquymô4000conlợntạixómTrại,TốtĐộng,ChươngMỹ,HàNội.Thôngsốchấtlượng nước thảiđầu vào được trình bày tại bảng2.1

Bảng 2 1 Thông số chất lượng nước thải đầu vào

trongnướcthải

QCVN62-MT:2016/BTNMTcột B

-2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp thu thập và tổng hợp tàiliệu

Phương pháp nghiên cứu tài liệu là phương pháp nghiên cứu các tài liệu, tạpchí, các báo cáo khoa học, tham luận ngành để tìm kiếm, thu thập thông tin có liênquan đến đề tài mình đang quan tâm Sau khi áp dụng phương pháp tài liệu đã thuthập được những nguồn tài liệu tham khảo như:

 Tổng quan về nước thải chănnuôi

 Tổng quan về công nghệ bãi lọc trồng cây nhân tạo ngầm dòng chảy ngang

 Cáctàiliệukhoahọcsách,báo,tạpchívềphươngphápsửdụngbãilọc trồng cây nhân tạo trong xử lý nướcthải

2.2.2 Phươngphápbốtríthínghiệm

2.2.2.1 Bốtrí thí nghiệm khảo sát khả sự phù hợp của cây Sậy trong HSF CW

để xử lý nước thải chăn nuôi lợn saubiogas

a, Đánh giá khả năng chống chịu của Sậy trong các nồng độ ô nhiễm khác nhau

rễ, kíchthướctươngđốiđồngđềunhau.Hàngngàybổsunglượngnướcbayhơicủacácchậuthínghiệm.Sau4tuầncânkhốilượngcâyđểđánhgiásựsinhtrưởngcủacâyởcác giá trịCOD, NH4+và pH khácnhau

PhacácdungdịchmẹđểđiềuchỉnhgiátrịCOD,NH4+,pHkhiđặtthínghiệm: glucose100.000 mg/l, NH4Cl 10.000mg/l, HNO31M, NaOH1M

Các công thức thí nghiệm được trình bày trong bảng 2.2:

Bảng 2 2 Công thức thí nghiệm khả năng chống chịu của Sậy