Nghiên cứu ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VŨ THỊ NGUYỆT NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THỰC VẬT THỦY SINH TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số : 62 52 03 20 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hà Nội - 2017
2. Công trình được hoàn thành tại Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. Trần Văn Tựa - Viện Công nghệ môi trường 2. GS.TS. Đặng Đình Kim - Viện Công nghệ môi trường Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học viện, họp tại Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào hồi giờ ’, ngày tháng năm 201 . Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam
3. 1 GIỚI THIỆU LUẬN ÁN 1.Tính cấp thiết của đề tài: Trong thời gian qua, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của đất nước, bộ mặt nông thôn cũng có nhiều đổi mới. Hoạt động chăn nuôi đã và đang tạo nguồn thu nhập chính cho nhiều hộ nông dân. Tuy nhiên, cùng với sự gia tăng đàn vật nuôi thì tình trạng ô nhiễm môi trường do chất thải chăn nuôi cũng đang gia tăng. Theo ước tính, có khoảng 40 - 50% lượng chất thải chăn nuôi được xử lý, số còn lại thải trực tiếp thẳng ra ao, hồ, kênh, rạch. Để giải quyết vấn đề trên có rất nhiều công nghệ xử lý chất thải chăn nuôi như xử lý bằng phương pháp vật lý để tách chất thải rắn – lỏng, xử lý bằng phương pháp sinh học kỵ khí, xử lý bằng phương pháp sinh học hiếu khí, Hiện nay công nghệ biogas đã được sử dụng khá rộng rãi. Tuy nhiên, công nghệ biogas cũng đã bộc lộ những nhược điểm, nước thải sau khi xử lý không đạt tiêu chuẩn, chưa xử lý được nitơ và phôtpho Vì vậy nước thải chăn nuôi lợn sau xử lý biogas cần phải được xử lý tiếp trước khi thải ra môi trường. Để xử lý bổ sung chất hữu cơ, nitơ và phôtpho trước khi thải vào nguồn tiếp nhận, công nghệ sinh thái (CNST) sử dụng thực vật thuỷ sinh (TVTS) được cho là có nhiều ưu điểm so với hệ thống xử lý nước thải thông thường. CNST thân thiện với môi trường, chi phí thấp, dễ vận hành, đồng thời cũng đạt hiệu quả xử lý cao và ổn định, nhiều nước trên thế giới đã nghiên cứu sử dụng phương pháp này. Việt Nam là quốc gia có triển vọng cho việc ứng dụng CNST sử dụng TVTS trong xử lý ô nhiễm nước. Tuy nhiên, các nghiên cứu, ứng dụng công nghệ này hiện nay còn ít được quan tâm và thiếu tính hệ thống, mới dừng lại ở nghiên cứu thử nghiệm qui mô nhỏ, chưa có nghiên cứu về lựa chọn công nghệ và xây dựng mô hình triển khai vào thực tiễn đủ độ tin cậy để đưa công nghệ vào thực tế. Vì vậy đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn” được thực hiện nhằm góp phần tìm kiếm phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi hiệu quả, phù hợp với điều kiện của Việt Nam và giảm thiểu ô nhiễm môi trường xung quanh một cách hiệu quả. Đây là con đường đi khả thi trong phát triển chăn nuôi bền vững gắn với bảo vệ môi trường và nâng cao chất lượng sống của người dân. 2. Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng được CNST sử dụng TVTS để xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau công đoạn xử lý vi sinh, nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Công nghệ có tính khả thi khi ứng dụng vào thực tiễn.
4. 2 3. Nội dung nghiên cứu: Nội dung 1: Tổng quan về hiện trạng ô nhiễm nước thải chăn nuôi lợn và công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn; tổng quan về CNST sử dụng TVTS sinh trong xử lý nước thải nói chung bao gồm nước thải chăn nuôi lợn. + - Nội dung 2: Đánh giá khả năng chống chịu (COD, NH4 , NO3 , pH) và xử lý COD, nitơ, phôtpho trong nước thải chăn nuôi lợn sau công đoạn xử lý vi sinh vật qui mô phòng thí nghiệm của một số TVTS tuyển chọn. Nội dung 3: Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau công đọan xử lý vi sinh vật của các loại hình công nghệ sử dụng TVTS với lưu lượng nước thải khác nhau. Nội dung 4: Xây dựng và đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình sinh thái sử dụng TVTS để giảm thiểu nitơ (N), photpho (P) và chất hữu cơ từ nước thải chăn nuôi lợn trang trại sau công đoạn xử lý vi sinh quy mô pilot. 4. Những đóng góp mới của luận án - Lựa chọn được các loài TVTS thích hợp cho xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau công nghệ vi sinh vật trên cơ sở loại bỏ COD, N, P hiệu quả cao. - Lựa chọn được loại hình CNST sử dụng TVTS phù hợp ứng dụng trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn. - Tích hợp CNST đã lựa chọn vào hệ thống xử lý quy mô 30 m 3/ngày đêm, xử lý bổ sung COD, N và P trong nước thải chăn nuôi lợn một cách có hiệu quả với chí phí thấp, vận hành đơn giản, có khả năng nhân rộng và thích ứng trong điều kiện chăn nuôi trang trại tại Việt Nam. 5. Cấu trúc luận án: Luận án được trình bày trong 131 trang với 25 bảng biểu, 54 hình, 166 tài liệu tham khảo. Luận án gồm: Mở đầu 3 trang, tổng quan tài liệu 41 trang, thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu 11 trang, kết quả nghiên cứu và thảo luận 74 trang, kết luận và kiến nghị 2 trang. NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN Chương 1. Tổng quan tài liệu 1.1. Vài nét về tình hình chăn nuôi lợn trang trại Chăn nuôi trang trại là định hướng phát triển của ngành chăn nuôi. Theo thống kê năm 2016, cả nước có 29 triệu lợn, trong đó vùng đồng bằng Sông Hồng có số lượng lợn lớn nhất là 7,4 triệu lợn (26 %), theo thơi gian mỗi năm đàn lợn lại tăng lên. Tuy nhiên, cùng với sự gia tăng đàn vật nuôi thì tình trạng ô nhiễm môi trường do chất thải chăn nuôi cũng đang gia tăng.
5. 3 1.2. Kết quả khảo sát ô nhiễm chất thải do chăn nuôi lợn trang trại và công nghệ xử lý 1.2.1. Ô nhiễm môi trường do chăn nuôi lợn gây ra Tổng số 20 trang trại chăn nuôi lợn đã được khảo sát tại 05 địa phương là Hà Nội, Vĩnh Phúc, Hưng Yên, Thái Bình và Hòa Bình. Lượng nước tiêu thụ có sự biến động lớn, dao động từ 15 đến 60 lít/đầu lợn/ngày đêm, lượng nước thải ra một năm là con số đáng kể. Về thành phần và mức độ ô nhiễm của nước thải chăn nuôi lợn: Trước biogas lượng COD, TN, TP trong nước thải rất cao với các số liệu tương ứng là 3587 mg/l, 343 mg/l và 92 mg/l. Sau khi được xử lý kỵ khí bằng hầm biogas các thông số trên giảm còn 800 mg/l, 307 mg/l và 62 mg/l. Lượng ôxy hòa tan trong nước thải trước biogas hầu như không có, sau xử lý biogas cũng không đáng kể, lượng coliform trong nước thải vượt tiêu chuẩn cho phép nhiều lần. Như vậy ô nhiễm nước thải từ chăn nuôi lợn trang trại là một thực tế gây bức xúc trong xã hội. 1.2.2. Hiện trạng công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn Hiện có 4 loại hình công nghệ điển hình được các trang trại áp dụng để xử lý nước thải chăn nuôi. 1 - Nước thải chăn nuôi được xử lý bằng hồ kị khí có phủ bạt sau đó qua ao sinh thái rồi thải ra môi trường (8,3%). 2 - Nước thải chăn nuôi được xử lý qua hầm biogas, sau đó được thải ra kênh mương (50%). 3 - Nước thải chăn nuôi được xử lý bằng hầm biogas, sau đó xử lý tiếp bằng ao/hồ sinh học (25%). 4 - Nước thải chăn nuôi được xử lý bằng ổn định kỵ khí, sau đó được xử lý bằng phương pháp lọc sinh học kị khí hoặc aeroten, cuối cùng qua hồ thực vật thủy sinh rồi thải ra ngoài (8,3%). Còn lại 8,3% trang trại không xử lý gì mà thải trực tiếp ra kênh mương làm ô nhiễm môi trường xung quanh một cách nghiêm trọng. 1.3. Công nghệ sinh thái trong xử lý nước thải chăn nuôi - Các loại TVTS trong vùng đất ngập nước có thể được phân ra làm 3 nhóm chính sau: TVTS nửa ngập nước, TVTS có lá nổi và TVTS sống chìm dưới mặt nước. - Các loại hình công nghệ sử dụng TVTS trong xử lý nước thải: Công nghệ dòng chảy bề mặt, công nghệ dòng chảy ngầm, hệ thống TVTS nổi. - Cơ chế loại bỏ chất ô nhiễm: Nitơ được loại bỏ theo 3 cơ chế, nitrat hóa/khử nitrat, bay hơi amoniac và cây hấp thu. Với P, việc loại bỏ bao gồm:
6. 4 Cây hấp thu, vi khuẩn đồng hóa, đất hấp phụ, kết tủa và lắng cùng các ion Ca, Mg Việc làm sạch nước bắt đầu bằng vi sinh vật (VSV) tạo thành lớp màng sinh học (biofilms) trên bề mặt của thân, rễ TVTS. VSV phân giải các chất hữu cơ trong nước và làm trong nước, sau đó TVTS hấp thu chất dinh dưỡng như N và P. 1.4. Ứng dụng TVTS trong xử lý nước thải và nước thải chăn nuôi lợn - Tình hình nghiên cứu trên thế giới: Nghiên cứu ứng dụng các loại hình CNST với TVTS trong xử lý nước thải chăn nuôi trên thế giới từ rất sớm, phát triển rất thành công, các nghiên cứu sâu và rộng, không chỉ dừng lại ở nghiên cứu thử nghiệm quy mô nhỏ mà có nhiều nghiên cứu về lựa chọn công nghệ và xây dựng mô hình triển khai vào thực tế quy mô lớn (tư 200 m2 đến 15ha). Các loại hình công nghệ phổ biến là công nghệ dòng chảy bề mặt và công nghệ dòng chảy ngầm. Ở châu Âu phổ biến là kết hợp giữa dòng chảy mặt và chảy ngầm. Các loại TVTS được sử dụng phổ biên là: Sậy, Lau, cỏ Vetiver, Thủy trúc, Bèo Tây, cỏ Nến, cây Cói. Hệ thống xử lý này thân thiện với môi trường, chi phí thấp, dễ vận hành, hiệu quả xử lý cao, ổn định (hiệu quả xử lý COD: 30 – 68,1%, TN: 20 - 98%, TP: 13 – 95%). - Tình hình nghiên cứu trong nước: Nghiên cứu ứng dụng các loại hình CNST với TVTS trong xử lý nước thải chăn nuôi ở Việt Nam còn rất ít ỏi, mới dừng lại ở nghiên cứu thử nghiệm qui mô nhỏ từ vài chục lít đến dưới 1 m 3. Thời gian thử nghiệm mô hình xử lý ngắn, chưa có nghiên cứu về lựa chọn công nghệ và xây dựng mô hình triển khai vào thực tiễn đủ độ tin cậy để đưa công nghệ vào thực tế. Như vây luận án cần đặt ra những nghiên cứu ứng dụng CNST sử dụng TVTS trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn ở mức độ cao hơn như: - Đánh giá khả năng chống chịu và khả năng xử lý nước thải chăn nuôi lợn của các loài TVTS (Bèo tây, Bèo cái, Sậy, cỏ Vetiver, Thủy trúc, Rau muống, Ngổ trâu) từ đó tuyển chọn một số TVTS phù hợp để ứng dụng cho mô hình ở quy mô pilot. - Lựa chọn các loại hình công nghệ (công nghệ dòng chảy mặt, công nghệ dòng chảy ngầm, công nghệ phối hợp) phù hợp cho mô hình xử lý tại hiện trường của các trang trại chăn nuôi lợn tại Việt Nam. - Căn cứ vào điều kiện cụ thể của trang trại, tính toán thiết kế, đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình sinh thái sử dụng TVTS để giảm thiểu N, P và COD từ nước thải chăn nuôi lợn trang trại sau công đoạn xử lý vi sinh vật quy mô pilot (30 m3/ngày) tại trang trại Hòa Bình Xanh, Lương Sơn, Hòa Bình. - Định hướng ứng dụng mô hình sinh thái và khả năng nhân rộng mô hình trong thực tiễn.
7. 5 2. Chương 2. Đôi tượng và phương pháp nghiên cứu 2.1. Đối tượng nghiên cứu Nước thải chăn nuôi lợn: Nguồn nước thải này đã qua xử lý vi sinh vật. Một số loài TVTS có khả năng xử lý nước thải chăn nuôi lợn: Bèo tây, Bèo cái, Rau muống, Ngổ trâu, Cải xoong, Sậy, Thủy trúc và cỏ Vetiver. 2.2. Phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Đánh giá khả năng chống chịu và xử lý các tác nhân ô nhiễm + - a. Đánh giá khả năng chống chịu COD, NH4 , NO3 , pH + - Khả năng chống chiu của TVTS với nồng độ COD, NH4 , NO3 và độ pH khác nhau được đánh giá qua sinh trưởng. Thí nghiệm được đặt trong các chậu có dung tích 4 lít và chứa 3 lít môi trường thuỷ canh, cây trồng theo phương pháp thủy canh. b. Đánh giá khả năng loại bỏ một số yếu tố ô nhiễm trong môi trường nước thải chăn nuôi lợn + Thí nghiệm theo mẻ: Thí nghiệm được đặt trong các chậu có dung tích 6 lít và chứa 4 lít nước thải chăn nuôi lợn có COD khoảng 250 mg/l. Thí nghiệm được lặp lại 3 lần và có ĐC (không trồng cây). + Thí nghiệm bán liên tục: Thí nghiệm được đặt như trên. Định kỳ mỗi ngày lấy ra 1 lit môi trường từ chậu thí nghiệm và bổ sung 1 lit môi trường mới với nồng độ tương tự như đầu vào. COD luôn được duy trì khoảng 250 mg/l bằng bổ sung đường glucose. c. Đánh giá sinh trưởng của thực vật thủy sinh Thông số đánh giá: Sinh khối tươi của cây trước và sau thí nghiệm. Cân sinh khối bằng cân phân tích Sartorius (Đức). Để cân, cây được vớt ra khỏi môi trường, để ráo nước. 2.2.2. Đánh giá khả năng xử lý nước thải chăn nuôi lợn của các loại hình công nghệ - Thực nghiệm với hệ thống thực vật nổi (Bèo tây): Thí nghiệm được tiến hành trong bể có kích thước: CaoBể x DàiBể x RộngBể = 60 cm x 200 cm x 50 cm, ngăn phân phối nước có thể tích 10 lít, thể tích ngăn xử lý 360 lít, Bèo tây được thả chiếm 4/5 diện tích mặt nước. Thí nghiệm với 2 lưu lượng 50 lít/ngày và 100 lít/ngày. - Thực nghiệm với hệ thống công nghệ dòng mặt: Thí nghiệm được tiến hành trong bể có kích thước: CaoBể x DàiBể x RộngBể = 60 cm x 200 cm x 50 cm, có lớp đất trồng cây với độ dày 20 cm. Mực nước là 20 cm với cây Sậy, 5 cm với Rau muống. Dung tích chứa nước tương ứng là 180 lít và 45 lít. Sậy trồng với mật độ 15 cm x 20 cm. Rau muống trồng với mật độ 5 cm x 5 cm. Lưu lượng
8. 6 nước thải đưa vào bể Sậy là 50 l/ngày và 100 l/ngày, bể Rau muống là 25 l/ngày và 50 lít/ngày. - Thực nghiệm với hệ thống dòng ngầm: Thí nghiệm được tiến hành trong bể có kích thước: CaoBể x DàiBể x RộngBể = 60 cm x 200 cm x 50 cm, dung tích chứa nước 160 lít, vật liệu trồng cây gồm lớp 1 đá cuội ø 4-5 cm (25 cm), lớp 2 đá cuội ø 2-3 cm (25 cm), lớp 3 sỏi, đá nhỏ ø 0,5 cm (20 cm). Mật độ trồng cây 15 cm x 20 cm, lưu lượng thử nghiệm 25 l/ngày, 50 l/ngày và 100 l/ngày. - Thực nghiệm với hệ thống công nghệ dòng chảy phối hợp  Hệ phối hợp Sậy – Bèo Tây: Hệ thống thí nghiệm gồm 2 bể mỗi bể có kích thước CaoBể x DàiBể x RộngBể = 60 cm x 200 cm x 50 cm, bể 1 trồng Bèo tây (360 lít), bể 2 trồng Sậy (thể tích 360 lít, đưa đất vào trồng Sậy với mức 20 cm nên thể tích nước còn lại chỉ là 180 lít), thí nghiệm với lưu lượng 100 l/ngày.  Hệ phối hợp Sậy, Thủy Trúc, Bèo Tây và cỏ Vetiver: Hệ thống thí nghiệm gồm 4 ngăn, một ngăn trồng Sậy (hệ thống dòng mặt), một ngăn trồng Thủy Trúc, cỏ Vetiver (hệ thống thực vật nổi trồng bè), một ngăn trồng bèo Tây (hệ thống thực vật nổi), một ngăn trồng cỏ Vetiver (hệ thống dòng chảy ngầm). Mỗi ngăn có kích thước: Cao x Dài x Rộng = 30 cm x 44 cm x 30 cm. Lưu lượng thử nghiệm 25 lít/ngày (tương đương là 47,35 lít/m2.ngày) 2.2.3. Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn của mô hình sinh thái Mô hình sinh thái (MHST) tại hiện trường là hệ thống phối hợp bao gồm: - Dòng chảy bề mặt sử dụng thực vật có rễ bám đáy là Sậy - Hệ thống thực vật nổi gồm cỏ Vetiver, Thủy trúc và Bèo tây - Dòng chảy ngầm trồng cỏ Vetiver MHST có diện tích tổng cộng là 600 m2 chia thành 3 ngăn, xây trên nền đất bằng phẳng. Nước thải chảy vào ngăn 1, qua ngăn 2, ngăn 3 và ra ngoài ở cuối ngăn 3 sau khi qua dòng ngầm. 2.2.4. Phương pháp phân tích + - -3 Phân tích các chất ô nhiễm (NH4 , NO3 , T-N, PO4 , T-P, COD, TSS, ) xác định bằng các phương pháp chuẩn theo ISO, so màu trên máy đo quang UV - Vis 2450, Shimadzu - Nhật Bản. 2.2.5. Phương pháp xử lý số liệu Các số liệu phân tích môi trường được xử lý bằng phương pháp xác suất thống kê để đảm bảo các số liệu được sàng lọc và đạt được độ tin cậy cao. Sử dụng phần mềm Origin Pro và phần mền Excel để vẽ đồ thị. 2.2.6. Thiết bị sử dụng trong nghiên cứu Các thiết bị chính sử dụng trong nghiên cứu là: Bơm định lượng, bơm công suất 2,5 -3 m3/h, máy cất nước, bộ cất đạm, cân kỹ thuật, máy cầm tay Oxi
9. 7 330 WTW - Đức, máy cầm tay pH 320 WTWW - Đức, máy COD Reactor của hãng HACH (Mỹ), máy đo đa chỉ tiêu thủy lý nước của hãng TOA (Nhật Bản), máy quang phổ UV – 2450 của hãng Shimadzu (Nhật Bản). Chương 3. Kết quả và thảo luận 3.1. Khả năng chống chịu và xử lý ô nhiễm nước thải chăn nuôi lợn sau giai đọan xử lý vi sinh vật qui mô phòng thí nghiệm 3.1.1. Đánh giá khả năng chống chịu một số yếu tố môi trường của thực vật thủy sinh Để có cơ sở cho việc tuyển chọn và ứng dụng TVTS trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn bằng CNST cần đánh giá khả năng chống chịu của TVTS. Trong nước thải chăn nuôi lợn trang trại hàm lượng chất hữu cơ và chất dinh dưỡng rất cao trong khi thực vật nói chung và TVTS nói riêng chỉ chịu được đến nồng độ nhất định. Chính vì vậy chúng tôi tiến hành đánh giá khả năng chống + - chiu của TVTS tuyển chọn với nồng độ COD, NH4 và NO3 và pH. Khả năng chống chịu của các TVTS được đánh giá thông qua sinh trưởng của TVTS ở các nồng độ khác nhau của chất ô nhiễm trước và sau thí nghiệm. - Khả năng chống chịu COD: COD phản ánh mức độ ô nhiễm chất hữu cơ của nước thải. Trong nước thải chăn nuôi lợn đây là chất ô nhiễm có nồng độ cao nhất. Dựa vào kết quả đánh giá chống chịu COD (hình 3.1) có thể sắp xếp thứ tự chống chịu COD của 8 loài nghiên cứu như sau: Bèo tây, Ngổ Trâu, Thủy trúc > cỏ Vetiver > Sậy, Rau muống, Bèo cái > Cải Xoong. Hình 3.1. Ảnh hưởng của nồng độ Hình 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ + COD khác nhau lên sinh trưởng NH4 khác nhau lên sinh trưởng của của TVTS TVTS Qua kết quả nghiên cứu ta thấy COD là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của cây, khi tăng nồng độ COD lên tốc độ sinh trưởng của cây chậm và giảm dần, COD càng cao thì cây sinh trưởng và phát triển càng
10. 8 kém.Trong khoảng nồng độ thích hợp cây sinh trưởng và phát triển tốt. Bèo tây, Ngổ trâu, Thủy trúc chống chịu COD từ 250 -750 mg/l, Sậy, cỏ Vetiver, Bèo cái chống chịu COD từ 250 - 500 mg/l, Rau muống, Cải Xoong chống chịu COD Sậy, Cỏ vetiver, Thủy trúc > Bèo cái, Cải xoong > Ngổ trâu, + Rau muống. Bèo tây, Sậy, Vetiver, Thủy trúc chống chịu được NH4 Sậy, Cải Xoong, cỏ Vetiver > Bèo cái, Rau Muống. Bèo tây, Ngổ trâu, Thủy trúc chống chịu được
11. 9 - - NO3 Cỏvetiver, Ngổ trâu > Sậy > Bèo cái, Cải xoong. Bèo tây, Rau muống, Thủy trúc chống chịu được pH từ 5 – 9, Sậy, Cỏ vetiver, Ngổ trâuchống chịu pH 5 - 8, Sậy, Bèo cái, Cải xoong chống chịu pH< 8, phù hợp với nghiên cứu của El- Gendy và cs (2004), Lu (2009), Gupta và cs (2012) và Trần Văn Tựa (2011). Xét chung cả 4 yếu tố nghiên cứu trên, Bèo tây là cây chống chịu tốt nhất vì luôn đứng đầu, tiếp đến cỏ Vetiver, Ngổ trâu, Thủy trúc và Sậy. Đứng ở nhóm cuối là Bèo cái, Rau muống và Cải xoong. Kết quả nghiên cứu khả năng chống chịu một số yếu tố môi trường của 8 loài TVTS được trình bầy trong bảng 3.1. Bảng 3.1. Khả năng chống chịu một số yếu tố môi trường của các TVTS + - STT TVTS pH COD (mg/l) NH4 (mg/l) NO3 (mg/l) 1 Bèo tây 5-9 Đến 1000 Trên 250 Trên 300 2 Bèo cái 6-8 Đến 500 Đến 150 Đến 200 3 Sậy 5-8 Đến 750 Đến 250 Đến 250 4 Cải xoong 6-8 Dưới 500 Đến 150 Đến 250 5 Rau muống 5-9 Dưới 500 Đến 100 Đến 200 6 Ngổ trâu 5-8 Đến 750 Đến 100 Đến 300 7 Vetiver 5-8 Đến 750 Đến 250 Đến 250 8 Thủy trúc 5-9 Đến 500 Đến 250 Đến 300 Với khả năng chống chịu như trên, chúng ta khó có thể sử dụng TVTS để xử lý trực tiếp nước thải chăn nuôi lợn tập trung ô nhiễm cao nhất là COD và + NH4 . Đây là minh chứng cho ý tưởng về hệ thống xử lý phối hợp một số phương pháp công nghệ sinh học để xử lý nước thải chăn nuôi lợn trang trại qui mô lớn trong đó CNST sử dụng TVTS là công đoạn sau cùng. 3.1.2. Hiệu quả xử lý ô nhiễm của các loài TVTS được lựa chọn 3.1.2.1. Hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm ở thí nghiệm theo mẻ
12. 10 Dựa vào hiệu quả xử lý COD (hình 3.5), có thể sắp xếp các TVTS nghiên cứu theo trật tự sau: Bèo tây, Bèo cái > Ngổ trâu, Sậy >Thủy trúc, Rau muống, Cải xoong > Cỏ vetiver. Dựa vào hiệu quả xử lý TSS của các TVTS (hình 3.6), có thể sắp xếp các TVTS theo trật tự sau: Bèo tây, Bèo cái > Ngổ trâu, Cỏ vetiver, Sậy, Rau muống, Cải xoong, Thủy trúc. Hình 3.5. Hiệu quả xử lý COD (%) Hình 3.6. Hiệu quả xử lý TSS (%) Từ kết quả nghiên cứu có thể xếp trật tự các TVTS về khả năng loại bỏ + NH4 như sau: Bèo tây > Bèo cái, Rau muống > Sậy, Ngổ trâu > Cỏ vetiver, Thủy trúc, Cải xoong (hình 3.7). + Hình 3.7. Hiệu quả xử lý NH4 (%) Hình 3.8. Hiệu quả xử lý TN(%) Từ kết quả nghiên cứu có thể xếp trật tự các TVTS loại bỏ TN như sau: Bèo tây > Bèo cái, Ngô trâu, Rau muống, Sây > cỏ Vetiver, Thủy trúc, Cải xoong (hình 3.8). 3- Dựa trên tương quan về phần trăm loại bỏ P- PO4 có thể sắp xếp trật tự các cây nghiên cứu như sau: Bèo tây > Bèo cái, Ngổ trâu, Rau muống, Sậy, Thủy trúc > Cải xoong, cỏ Vetiver (hình 3.9). Dựa trên tương quan về phần trăm loại bỏ TP có thể sắp xếp trật tự các cây nghiên cứu như sau: Bèo tây > Bèo cái, Ngổ trâu, Rau muống, Sậy > Cải xoong, cỏ Vetiver, Thủy trúc (hình 3.10).
13. 11 3- Hình 3.9. Hiệu quả xử lý PO4 (%) Hình 3.10. Hiệu quả xử lý TN (%) Thời gian lưu nước thích hợp để TVTS xử lý tốt các chất ô nhiễm mà phù hợp với tình hình thực tế trong các quy trình xử lý nước thải chăn nuôi là 7 ngày. Nghiên cứu về hiệu quả xử lý ô nhiễm của TVTS cũng đã được một số tác giả quan tâm và thu được kết quả tương đồng như: Sooknah và cs (2004), Trần Văn Tựa (2007), Hồ Bích Liên (2014), Võ Trần Hoàng và cs (2014), Nguyễn Hồng Sơn (2016) 3.1.2.2. Hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm trong thí nghiệm bán liên tục Từ hình 3.12 và hình 3.14 có thể sắp xếp trật tự về khả năng loại bỏ + COD, NH4 các cây nghiên cứu như sau: Bèo tây > Ngổ trâu, Sậy > Cỏ vetiver, Rau muống, Bèo cái, Thủy trúc, Cải xoong. + Hình 3.12. Hiệu quả xử lý COD (%) Hình 3.14. Hiệu quả xử lý NH4 (%) Dựa trên tương quan về phần trăm loại bỏ TN, có thể sắp xếp trật tự các cây nghiên cứu như sau: Bèo tây > Rau muống, Ngổ trâu, Sậy, cỏ Vetiver, Thủy trúc > Bèo cái, Cải xoong (hình 2.16). Dựa trên tương quan về phần trăm loại bỏ TP, có thể sắp xếp trật tự các cây nghiên cứu như sau: Bèo tây > Ngổ trâu, Sậy, Rau muống, cỏ Vetiver, Thủy trúc > Bèo cái, Cải xoong (hình 3.20).
14. 12 Hình 3.16. Hiệu quả xử lý TN (%) Hình 3.20. Hiệu quả xử lý TP (%) Như vậy khả năng loại bỏ COD, TN và TP của TVTS không phải là hoàn toàn như nhau. Khả năng chống chịu là nguyên nhân của kết quả này. Từ kết quả đánh giá khả năng chống chịu và xử lý các tác nhân ô nhiễm (COD, N, P) trong nước thải chăn nuôi lợn sau giai đoạn xử lý vi sinh vật của 8 loại TVTS, 5 loại TVTS là Bèo tây, Rau muống, Sậy, Thủy Trúc và cỏ Vetiver đã được chọn nhằm đánh giá khả năng xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau giai đoạn xử lý bằng vi sinh vật của các loại hình công nghệ với tải lượng nước thải khác nhau. 3.2. Hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau giai đọan xử lý vi sinh vật bằng một số loại hình công nghệ sử dụng TVTS với tải lượng nước thải khác nhau 3.2.1. Công nghệ dùng thực vật lá nổi Bèo tây Hệ thống Bèo tây xử lý hiệu quả COD, TN và TP, hiệu suất xử lý COD đạt 61,5 – 84,9%, TN đạt 41 – 65,8%, TP đạt 43,3 – 55,2% (bảng 3.2). Như vậy tải trọng đưa vào hệ thống 5,1 – 11,6 g COD/m2.ngày, 4,5 – 10 g TN/m2.ngày, 0,8 – 1,3 g TP/m2.ngày và lượng loài bỏ khỏi hệ thống tưng ứng là 4,4 – 11,6 g COD/m2.ngày, 2,9 – 4,1 g TN/m2.ngày, 0,4 – 0,45 g TP/m2.ngày Bảng 3.2. Hiệu quả xử lý của hệ thống Bèo tây Chỉ số Lưu lương – 50 L/ngày Lưu lương – 100 L/ngày (mg/l) Đầu vào Đầu ra H% Đầu vào Đầu ra H% - NO3 41,19 ± 4,67 10,92 ± 3,76 73,5 47,89 ± 3,90 13,86 ±3,73 71,1 + NH4 10,52 ± 2,01 2,24 ± 1,09 78,7 32,67 ± 4,12 14,78 ±3,76 54,8 TN 89,79 ± 11,2 30,71 ± 4,15 65,8 100,3 ± 7,86 60,53 ±8,04 41 3- PO4 13,08 ± 3,24 6,19± 0,63 52,7 9,08 ± 3,92 5,59 ± 0,71 38,4 TP 15,69 ± 1,13 7,03 ±0,71 55,2 12,52 ± 1,05 7,10 ± 1,57 43,3 COD 102,5± 8,42 15,51 ± 2,00 84,9 115,7± 22,27 44,5± 10,60 61,5
15. 13 Chỉ số Lưu lương – 50 L/ngày Lưu lương – 100 L/ngày (mg/l) Đầu vào Đầu ra H% Đầu vào Đầu ra H% TSS 316,7± 61,9 88,33 ± 29,3 71,2 338,3± 57,76 133,3± 0,65 60,6 pH 7,26 ± 0,67 7,37 ± 0,46 7,17 ± 0,28 7,58 ± 0,34 DO 3,96 ± 0,39 2,96 ± 0,29 4,07 ± 0,30 3,40 ± 0,15 3.2.2. Công nghệ dòng chảy trên bề mặt 3.2.2.1. Công nghệ dòng chảy trên bề mặt trồng Sậy Hệ thống dòng chảy mặt trồng Sậy xử lý hiệu quả COD, TN và TP. Hiệu suất xử lý COD đạt 56,8 – 72,9%, TN đạt 35 – 53,5%, TP đạt 33,0 – 42,8% (bảng 3.3). Tải trọng đưa vào hệ thống 5,1 – 11,6 g COD/m2.ngày, 4,5 – 5 g TN/m2.ngày, 0,79 – 1,25 g TP/m2.ngày và lượng loài bỏ khỏi hệ thống tưng ứng là 2,5 – 7,8 g COD/m2.ngày, 2,4 – 3,5 g TN/m2.ngày, 0,34 – 0,4 g TP/m2.ngày Bảng 3.3. Hiệu quả xử lý của hệ thống Sậy theo công nghệ dòng mặt Chỉ số Lưu lượng – 50 L/ngày Lưu lượng – 100 L/ngày (mg/l) Đầu vào Đầu ra H% Đầu vào Đầu ra H% - NO3 41,2 ± 4,67 14,4 ± 3,73 65 47,9 ±3,90 19,1 ±3,07 60,0 + NH4 10,5 ± 2,01 4,04 ± 1,12 61,6 32,7 ±4,12 16,5 ±3,76 49,4 TN 89,8 ± 11,17 41,7 ± 2,99 53,5 100,3±7,86 65,2 ±12,8 35,0 3- PO4 13,1 ±3,24 7,56 ±0,56 42,2 8,58 ±3,26 6,17 ±1,34 28,0 TP 15,7 ±2,13 8,97 ±1,69 42,8 12,5 ±1,05 8,35 ±2,56 33,0 COD 102,5±8,42 21,7±3,19 72,9 115,6±22,2 50,0±13,3 56,8 TSS 316,7±61,9 121,7±33,1 61,6 338,3±57,8 163,3±21,6 51,7 pH 7,26±0,67 7,28±0,58 7,17±0,27 7,47±0,34 DO 3,96±0,39 3,06±0,24 4,02±0,34 3,05±0,11 3.2.2.2. Công nghệ dòng chảy trên bề mặt trồng Rau muống Hệ thống dòng chảy mặt trồng Rau muống xử lý COD, TN và TP thấp hơn hệ thống dòng chảy mặt trồng Sậy. Hiệu suất xử lý COD đạt 35,5 – 54,3%, TN đạt 25,7 – 36,8%, TP đạt 28,6 – 42,2% (bảng 3.4). Bảng 3.4. Hiệu quả xử lý của hệ thống Rau muống theo công nghệ dòng mặt Chỉ số Lưu lương – 25 l/ngày Lưu lương – 50 l/ngày (mg/l) Đầu vào Đầu ra H% Đầu vào Đầu ra H% NO3 47,9 ±3,90 11,3 ±1,88 76,4 41,2 ±3,75 22,1 ±3,47 46,4 NH4 32,7 ±4,12 15,9 ±2,94 51,5 10,5 ±2,01 5,4 ±1,20 49,2 TN 100,3 ±8,26 63,3 ±15,5 36,8 89,8 ±11,17 66,7 ±3,90 25,7 PO4 8,58 ±3,26 5,03 ±0,56 41,4 13,1 ±3,24 8,1 ±0,44 38,1
16. 14 Chỉ số Lưu lương – 25 l/ngày Lưu lương – 50 l/ngày (mg/l) Đầu vào Đầu ra H% Đầu vào Đầu ra H% TP 12,52 ±1,05 7,24 ±1,84 42,2 15,7 ±2,13 11,2 ±2,22 28,6 COD 115,8 ±22,3 52,9 ±16,7 54,3 102,5 ±8,42 66,2 ±6,56 35,5 TSS 338,3±57,8 151,7 ±29,3 55,2 316,7 ±61,9 198,3 ±33,1 37,4 pH 7,17±0,29 7,83 ±0,22 7,26 ±0,67 7,01 ±0,33 DO 4,07±0,30 2,87 ±0,24 3,96 ±0,39 2,85 ±0,36 Như vậy tải trọng đưa vào hệ thống 2,3 – 5,1 g COD/m2.ngày, 2,5 – 4,5 g TN/m2.ngày, 0,31 – 0,75 g TP/m2.ngày và lượng loài bỏ khỏi hệ thống tưng ứng là 1,2 – 1,8 g COD/m2.ngày, 0,9 – 1,2 g TN/m2.ngày, 0,13 – 0,22 g TP/m2.ngày. 3.2.3. Công nghệ dòng chảy ngầm 3.2.3.1. Công nghệ dòng ngầm trồng Sậy Hệ thống Sậy dòng chảy ngầm xử lý hiệu quả COD, TN và TP. Hiệu suất xử lý COD đạt 30,2 – 79,4%, TN đạt 27,8 – 83,7%, TP đạt 25,0 – 66,3%. Tải trọng đưa vào hệ thống 2,7 – 12,1 g COD/m2.ngày, 2,3 – 10,7 g TN/m2.ngày, 0,3 – 1,2 g TP/m2.ngày và lượng loài bỏ khỏi hệ thống tưng ứng là 2,1 – 3,7 g COD/m2.ngày, 1,9 – 3,0 g TN/m2.ngày, 0,18 – 0,3 g TP/m2.ngày Hình 3.24. Hiệu quả xử lý COD, TN và TP của hệ thống dòng ngầm trồng Sậy 3.2.3.2. Công nghệ dòng chảy ngầm trồng Vetiver Hệ thống cỏ Vetiver dòng chảy ngầm xử lý hiệu quả COD, TN và TP. Hiệu suất xử lý COD đạt 38,7 - 81,5%, TN đạt 38,6 - 88,7%, TP đạt 27,6 - 65,4%. Tải trọng đưa vào hệ thống 2,7 - 12,1 g COD/m2.ngày, 2,3 - 10,7 g TN/m2.ngày, 0,28 - 1,2 g TP/m2.ngày và lượng loài bỏ khỏi hệ thống tưng ứng là 2,2 - 4,68 g COD/m2.ngày, 2,05 - 4,13 g TN/m2.ngày, 0,18 - 0,33 g TP/m2.ngày.
17. 15 Hình 3.25. Hiệu quả xử lý COD, TN và TP của hệ thống dòng ngầm trồng cỏ Vetiver 3.2.4. Hệ thống phối hợp các thực vật thủy sinh 3.2.4.1 Hệ thống phối hợp Bèo tây và Sậy Hệ thống phối hợp Bèo tây - Sậy xử lý hiệu quả COD, TN và TP. Hiệu suất xử lý COD đạt 69,9%, TN đạt 76,8%, TP đạt 68,8% (bảng 3.7). Tải trọng đưa vào hệ thống 7,8 g COD/m2.ngày, 5,4 g TN/m2.ngày, 0,61 g TP/m2.ngày và lượng loài bỏ khỏi hệ thống tưng ứng là 5,4 g COD/m2.ngày, 4,1 g TN/m2.ngày, 0,42 g TP/m2.ngày. Bảng 3.7. Hiệu quả xử lý của hệ thống phối hợp Bèo tây và Sậy Chỉ số Lưu lượng 100 l/ngày (mg/l) Đầu vào ĐR-B1 HB1% ĐR-B2 HB2 % H% NO3 79,5 ± 3,54 30,56± 8,50 61,6 12,17± 7,44 60,2 84,9 NH4 20,81 ±2,71 11,55 ± 5,10 44,5 7,22 ±4,37 37,5 65,3 TN 107,4 ±3,66 52,45 ±15,9 51,2 24,87 ± 11,9 52,6 76,8 PO4 9,84 ±0,75 4,47 ± 1,11 54,6 2,81 ±1,46 37,1 71,4 TP 12,14 ±0,97 5,78 ± 1,76 57,8 3,79 ± 1,71 43,4 68,8 COD 155,9±11,13 72,42±11,4 53,5 47,10±9,7 35 69,8 TSS 320,1±93,7 136,6±56,9 57,3 55,86±26 59,1 82,6 pH 6,98±0,79 7,61±0,38 7,68±0,18 DO 3,77±0,49 2,49±0,39 3,49±0,27 Ghi chú: ĐR-B1: đầu ra bể Bèo tây; HB1: hiệu suất xử lý bể Bèo tây; ĐR–B2: đầu ra bể Sậy; HB2: hiệu suất xử lý bể Sậy; H: hiệu suất xử lý của hệ thống Bèo tây – Sậy. 3.2.4.2. Hệ thống phối hợp Sậy, Thủy trúc, Bèo tây và cỏ Vetiver Việc áp dụng đồng thời các loại hình công nghệ cho phép tận dụng được các ưu điểm của từng loại hình, nâng cao hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm cũng như giảm diện tích xử lý. Hệ thống phối hợp Sây, Thủy trúc, Bèo tây và cỏ Vetiver xử lý hiệu quả COD, TN và TP. Hiệu suất xử lý COD đạt 71,7%, TN đạt 79,3%, TP đạt 69,7%.
18. 16 Tải trọng đưa vào hệ thống 9,6 g COD/m2.ngày, 5,3 g TN/m2.ngày, 0,64 g TP/m2.ngày và lượng loại bỏ khỏi hệ thống tưng ứng là 6,89 g COD/m2.ngày, 4,2 g TN/m2.ngày, 0,45 g TP/m2.ngày. Như vậy, sự phối hợp giữa hệ thống dòng mặt (Sậy), hệ thống thực vật nổi (Thủy trúc, cỏ Vetiver và Bèo tây), hệ thống dòng chảy ngẩm (cỏ Vetiver) hoạt động với hiệu quả khá tốt, hiệu quả xử lý COD, TN và TP chiếm ưu thế nhất so với các hệ thống xử lý đã nghiên cứu. Hình 3.28. Hiệu quả xử lý Hình 3.29. Hiệu quả xử lý Hình 3.30. Hiệu quả xử lý COD của hệ thống phối hợp TN của hệ thống phối hợp TP của hệ thống phối hợp 3.2.5. So sánh hiệu quả xử lý TN, TP và COD của các loại hình công nghệ So sánh các loại hình công nghệ được trình bày trong bảng sau: Bảng 3.8. So sánh hiệu quả xử lý TN, TP và COD của các loại hình công nghệ Hiệu quả xử lý Loại hình TVTS TN TP COD công nghệ % g/m2.ng % g/m2.ng % g/m2.ng Rau Mống 25,7 1,15 28,6 0,22 35,5 1,8 Dòng mặt Sậy 53,5 2,40 42,8 0,34 72,9 3,7 Thực vật nổi Bèo tây 65,8 2,95 55,2 0,43 84,9 4,4 Bèo tây-Sậy 76,8 4,13 68,8 0,42 69,8 5,4 Sậy-Thủy Phối hợp trúc-Bèo tây- 79,3 4,20 69,7 0,45 71,7 6,9 cỏ Vetiver cỏ Vetiver 63,5 3,24 39,6 0,21 64,8 6,8 Dòng ngầm Sậy 56,0 2,85 42,6 0,23 62,2 6,6 Từ bảng 3.8 khi so sánh các loại hình công nghệ cả về tỷ lệ phần trăm và tải trọng loại bỏ có thể nhận xét như sau: + Ba loại hình có ưu thế rõ nhất trong loại bỏ TN, TP và COD là hệ thống phối hợp, hệ thống thực vật nổi – Bèo tây và hệ thống dòng ngầm trồng cỏ Vetiver. + Hệ thống dòng mặt sử dụng Rau muống tỏ ra kém hiệu quả khi ứng dụng trong xử lý nước thải ô nhiễm cao về TN và TP.
19. 17 + Với mục tiêu xử lý bổ sung TN, TP và COD trong nước thải chăn nuôi lợn sau công đoạn xử lý vi sinh vật một cách hiệu quả và kinh tế nhất tác giả đề xuất ứng dụng hệ phối hợp giữa công nghệ dòng măt, hệ thực vật nổi và hệ dòng ngầm với Sậy, Thủy trúc, Bèo tây và cỏ Vetiver. 3.3. Xây dựng, vận hành và đánh giá hiệu quả giảm thiểu COD, N và P trong mô hình sinh thái 3.3.1. Xây dựng mô hình - Thiết kế hệ thống: Một số thông số thiết kế chính của MHST xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau công đoạn xử lý hiếu khí – thiếu khí nêu trong bảng Mô hình có tổng diện tích 600 m2, công suất 30 m3/ngày đêm được xây dựng tại trang trại Hòa Binh Xanh, huyện Lương Sơn, tỉnh Hòa Bình. Bảng 3.9: Các thông số thiết kế chính TT Chỉ số Tiêu chuẩn thiết kế 1 Tải lượng COD ≤ 450 mg/l - 4500 kg/ha/ngày Tải lượng TN 2 ≤ 200 mg/l – 2000 kg/ha/ ngày Trong đó tải lượng N- ≤150 mg/l - 1500 kg/ha/ngày - NH4 3 Công suất xử lý 30 m3/ngày 4 Thời gian lưu nươc 9 ngày 5 Thực vật Sậy, Bèo tây ,cỏ Vetiver, Thủy trúc, 6 Độ sâu cột nước - Vùng trồng Sậy 0,35 m - Vùng thực vật nổi 0,60 m - Vùng dòng ngầm 0,60 m - Vận hành mô hình: Cây giống được chuẩn bị trước, trồng vào mùa xuân. Sau khi trồng cần khoảng 1 tháng để cây bén rễ, ổn định sinh trưởng thì chạy hệ thống với lưu lượng tăng dần dần: 0,3-0,6-0,9-1,3 m3/giờ. 3.3.2. Đánh giá hiệu quả xử lý 3.3.2.1. Hiệu quả xử lý COD Sau thời gian khởi động hệ thống khoảng 2 tháng, MHST được vận hành nâng công suất từ 0,6 m3/giờ lên 0,9 – 1,3 m3/giờ để đánh giá hiệu quả xử lý, tính ổn định và hiệu quả kinh tế mô hình. - Tải lượng 0,6 m3/giờ: Hiệu suất xử lý COD của MHST trong giai đoạn này chưa ổn định, trung bình đạt 52,1% (dao động từ 42,7% đến 58,5%). Tính trên đơn vị diện tích trung bình tải trọng COD đưa vào hệ thống là 5,5 g/m2.ngày và lượng loại bỏ tương ứng là 2,87 g/m2.ngày. - Tải lượng 0,9 m3/giờ: Hiệu suất xử lý COD của MHST trung bình đạt 55,8% (dao động từ 49,34% đến 68,2%). Tính trên đơn vị diện tích trung bình tải trọng
20. 18 COD đưa vào hệ thống là 6,3 g/m2.ngày và lượng loại bỏ tương ứng là 3,5 g/m2.ngày. -Tải lượng 1,3 m3/giờ: Hiệu suất xử lý COD của MHST giai đoạn này trung bình đạt 59,3% (dao động từ 53,6% đến 65,7%). Tính trên đơn vị diện tích trung bình tải trọng COD đưa vào hệ thống là 14,7 g/m2.ngày và lượng loại bỏ tương ứng là 8,7 g/m2.ngày. Hình 3.33. Hiệu quả loại bỏ COD của MHST tại Lương Sơn, Hòa Bình Như vậy qua hình 3.33 ta thấy, sau thời gian chạy khởi động, ở giai đoạn chạy với lưu lượng 1,3 m3/giờ, hiệu suất xử lý COD của MHST tương đối ổn định, ổn đinh hơn giai đoạn chạy khởi động. Tính trên đơn vị diện tích thì khi tăng tải lượng thì tải trọng loại bỏ COD của MHST cũng tăng, MHST đã loại bỏ COD trong khoảng từ 2,8 – 8,7 g COD/m2.ngày. Kết quả nghiên cứu này phù hợp với các nghiên cưu trước đó như Poach (2004), Erkar Kalipci (2011), Vymazal và Kröpfelová (2011), Lưu Huy Mạnh và cs (2014), Nguyễn Thành Lộc và cs (2015). 3.3.2.2. Hiệu quả xử lý nitơ 3 - + - Lưu lượng 0,6 m /giờ: Hiệu suất xử lý TN, NO3 và NH4 lần lượt là 73,8%, 73,8% và 44,6%. Tải trọng trung bình TN đưa vào hệ thống là 4,1 g TN/m2.ngày, tải trọng loại bỏ tương ứng của MHST là 3,02 g TN/m2.ngày. - Lưu lượng 0,9 m3/giờ: Hiệu suất xử lý trung bình đạt 67,8%. Với N dạng + Nitrat amôn, MHST đã loại bỏ 74,1% nitrat và 59,2% NH4 . MHST loại bỏ khá hiệu quả cả TN và nitơ dạng nitrat và amôn. Tải trọng trung bình TN đưa vào hệ thống là 2,4 g TN/m2.ngày và tải trọng TN loại bỏ tương ứng của MHST là 1,62 g TN/m2.ngày.
21. 19 Hình 3.34. Hiệu quả loại bỏ TN của MHST tại Lương Sơn, Hòa Bình 3 - + - Lưu lượng 1,3 m /giờ: Hiệu suất xử lý TN, NO3 và NH4 lần lượt là 66,2%, 68,5% và 51,8%. Tải trọng trung bình TN đưa vào hệ thống là 5,5 g TN/m2.ngày và tại trọng TN loại bỏ tương ứng của MHST là 3,6 g TN/m2.ngày. Ở giai đoạn này, khi vận hành mô hình pilot tuy có biến động lớn về TN đầu vào nhưng hiệu quả xử lý và tính ổn định của hệ thống vẫn đạt rất cao. Điều này chứng tỏ rằng hệ thống trong nghiên cứu này có khả năng đáp ứng rất tốt với sự thay đổi lớn về tải lượng và hàm lượng đầu vào. Như vậy tính trên đơn vị diện tích tải trọng TN đưa vào hệ thống là 2,4 – 5,5 g TN/m2.ngày và lượng TN loại bỏ khỏi MHST tương ứng là 1,6 – 3,6 g TN/m2.ngày. Kết quả nghiên cứu này phù hợp với các nghiên cưu trước của Prapa Sohsalam và cs (2008), Zhang (2016), Lê Tuấn Anh (2013). Mặt khác hiệu quả loại bỏ TN của mô hình sinh thái cao hơn so với các hệ thống xử lý chỉ sử dụng 1 loại TVTS của López và cs (2016) và Lưu Huy Mạnh và cs (2014). Kết quả nhận được như trên là do trong hệ xử lý việc kết hợp các loại TVTS khác làm tăng cường hiệu quả loại bỏ các chất ô nhiễm hơn hệ thống xử lý chỉ sử dụng 1 loại TVTS. Đa dạng thực vật trong hệ thống có thể làm tăng khả năng chịu đựng các điều kiện thay đổi cũng như sự ổn định trong quá trình sinh hóa (Eviner và Chapin, 2003), hạn chế tác động của yếu tố mùa vụ, sâu bệnh 3.3.2.3. Hiệu quả xử lý phôtpho - Lưu lượng 0,6 m3/giờ: Hiệu quả xử lý T-P đạt 50,7% (dao động từ 47,9% đến 54,4%). Tính trên đợn vị diện tích, tải trọng TP đưa vào hệ thống là 0,8 g TP/m2.ngày và lượng loại bỏ tương ứng là 0,41 g TP/m2.ngày. - Lưu lượng 0,9 m3/giờ: Hiệu quả xử lý T-P đạt 48,8% (dao động từ 47,4% đến 51,7%). Tải trọng TP đưa vào hệ thống là 1,4 g TP/m2.ngày và lượng loại bỏ tương ứng là 0,68 g TP/m2.ngày.
22. 20 - Lưu lượng 1,3 m3/giờ: Hiệu quả xử lý TP đạt 45,3% (dao động từ 41,9% đến 48,8%). Từ hình 3.41 ta thấy hiệu quả xử lý TP ở tải lượng này của MHST tương đối ổn định. Tải trọng TP đưa vào hệ thống là 1,9 g TP/m2.ngày và lượng loại bỏ tương ứng là 0,86 g TP/m2.ngày. Hình 3.35. Hiệu quả loại bỏ TP của MHST tại Lương Sơn, Hòa Bình Như vậy tải trọng TP đưa vào hệ thống dao động trong khoảng 0,8 – 1,9 g TP/m2.ngày và lượng loại bỏ khỏi hệ thống dao động trong khoảng 0,41 -0,86 g TP/m2.ngày. Kết quả nghiên cứu này phù hợp với nghiên cứu của González (2009), Zhang và cs (2016). Giống như N, hiệu quả xử lý TP của MHST cao hơn so với các hệ thống xử lý chỉ sử dụng 1 loại TVTS của Zheng và cs (2016), Valipour và cs (2015) và Phạm Khánh Huy (2012). 3.3.2.4. Sự biến đổi các yếu tố thủy lý của mô hình sinh thái Nhìn chung kết quả các thông số thủy lý của nước thải có ít khác biệt giữa 4 điểm đầu vào, đầu ra Sậy, đầu ra Bè nổi và đầu ra cuối mô hình, ngoại trừ nhân tố EC, pH và nhiệt độ. Ở thông số DO do nước thải đã qua công đoạn xử lý sục khí gián đoạn nên nồng độ oxy hòa tan đạt ở mức trung bình trong khoảng 2,99±1,29, khi qua ngăn trồng Sậy, bè nổi đạt ở mức trung bình trong khoảng 2,10±0,93, 2,70±0,91. Giá trị pH tại các điểm nghiên cứu của MHST có sự khác biệt (P< 0,05), dao động trong khoảng 7,96 – 8,42. Tại điểm đầu vào pH kiềm, cao trung binh khoảng 8,42±0,31, sau đó giảm xuống còn 7,96±0,52 ở đầu ra. Như vậy pH của nước sau quá trình xử lý của hệ thống gần như trung tính. Độ dẫn điện (EC) tại các điểm nghiên cứu của MHST có sự khác biệt (P< 0,05). Tại điểm đầu vào EC trung bình khoảng 3,47±1,94 mS/cm, sau đo giảm xuống còn (1,77±0,99 mS/cm) ở đầu ra. Nhiệt độ có sự thay đổi trong nước thải đầu vào và đầu ra
23. 21 (p<0,05). Tại điểm đầu vào nhiệt độ trung bình khoảng 23,41±3,93, sau đo giảm xuống còn (22,93±3,78) ở đầu ra. Bảng 3.9. Các thông số thủy lý của mô hình sinh thái Các thông số Đầu vào Sậy Bè nổi Đầu ra P-value EC (mS/cm) 3,47±1,94 2,79±1,57 2,11±1,07 1,77±0,99 0,03 Sal (‰) 1,83±1,09 1,51±0,96 1,19±0,83 0,94±0,59 0,09 TDS (m/L) 2,16±1,17 1,78±0,99 1,38±0,75 1,14±0,62 0,98 pH 8,42±0,31 8,31±0,3 8,10±0,36 7,96±0,52 0,04 Nhiệt độ 23,4±3,93 23,2±4,2 22,8±3,89 22,9±3,78 0,02 DO (mg/l) 2,99±1,29 2,1±0,93 2,70±0,91 2,40±0,68 0,14 Độ đục (NTU) 109±112 99±90 94±142 57±112 0,75 Như vậy, khi MHST hoạt động đủ công suất thiết kế (1,3 m3/giờ hay 30 m3/ngày), với giá trị đầu vào của COD, TN và TP là 323,7 mg/l; 102,7 mg/l và 31,46 mg/l tương ứng, nước thải sau xử lý chứa 123,69 mg/l COD; 32,54 mg/l TN và 17,03 mg/l TP, hiệu suất xử lý COD, TN và TP là 59,3%; 66,2% và 45,3% tương ứng. Với hiệu suất xử lý này, hệ thống đã loại bỏ lượng đáng kể COD, TN và TP, nước sau xử lý của MHST đạt tiêu chuẩn thải loại A cho nước thải chăn nuôi theo QCVN 62-MT: 2016-BTNMT về COD và TN. 3.3.2.5. Bước đầu tính toán hiệu quả kinh tế CNST sử dụng TVTS là công nghệ có chi phí thấp, công nghệ đơn giản, dễ vận hành và có thể sử dụng các nguồn tài nguyên ở địa phương. Chi phí đầu tư bao gồm chi phí thiết kế, xây dựng và mua nguyên vật liệu. Chi phí ban đầu cho MHST (qui mô 600 m2, công suất 30 m3 nước thải mỗi ngày) là 201,5 triệu đồng. Với chi phí trên, suất đầu tư là 6,7 tr.đ/m3 nước thải. Chi phí vận hành, quản lý: Chi phí vận hành bao gồm chi phí kiểm soát chất lượng dòng chảy, bảo dưỡng hệ thống, làm cỏ, thu cây, Vận hành MHST không cần điện, không cân máy móc, bình quân mỗi ngày cần 1 giờ công lao động cho việc kiểm tra, điều chỉnh dòng, chăn sóc và thu hoạch sinh khối. Tính ra, chi phí vận hành cho xử lý 1 m3 nước thải là: 150.000 đ (ngày công): 8 giờ : 30 m3 = 625 đ/m3 Như vậy việc áp dụng CNST để xử lý bổ sung nước thải chăn nuôi sau quá trình xử lý vi sinh là phù hợp với điều kiện kinh tế, trình độ ở hầu hết các trang trại chăn nuôi hiện nay. Thực tế mô hình xử lý 600 m2 tại trang trại Hòa Bình Xanh đã chứng minh hiệu quả xử lý của công nghệ khi loại bỏ được khoảng 66,2% TN; 45,3% TP và 59,3% COD trong nước thải đầu vào. 3.4. Đánh giá hiệu quả xử lý của MHST tích hợp trong mô hình tổng thể xử lý nước thải chăn nuôi lợn tại Lương Sơn, Hòa Bình
24. 22 Mô hình tổng thể xử lý chất thải chăn nuôi lợn (nước thải, chất thải rắn và mùi) xây dựng trên diện tích 1.300 m2 nằm ngoài khu chăn nuôi (hình 3.36). MHST là giai đoạn cuối cùng của mô hình tổng thể, để xử lý bổ sung COD, N và P đến mức chấp nhận về mặt môi trường. Các bước xử lý nhiệm vụ riêng không thay thế nhưng hỗ trợ lẫn nhau. Dưới đây trình bày vai trò của MHST trong mô hình tổng thể. Hệ thống yếm khí Hình 3.36. Sơ đồ trang trại Hòa bình xanh và vị trí xây dựng mô hình xử lý chất thải Hiệu quả xử lý COD, TN và TP của mô hình tổng thể xử lý nước thải trình bày ở bảng 3.11. Hiệu quả xử lý COD đạt rất cao, trung bình hiệu suất xử lý COD đạt 98,1%. Công đoạn sinh thái đã có hiệu suất xử lý COD là 62,3% với nước thải đầu vào có lượng COD là 316 mg/l và đầu ra còn 119 mg/l, đạt tiêu chuẩn thải loại B cho nước thải chăn nuôi của QCVN 62-MT: 2016/BTNMT xét theo nồng độ COD. Về xử lý TN, mặc dù TN trong nước thải đầu vào rất cao đến 1041,7 mg/l, hệ thống chung đã loại bỏ trung bình 96,8% TN. Riêng MHST đã xử lý TN đạt hiệu suất 66,8%, nước thải ra khỏi hệ thống còn 33 mg TN/l, thấp hơn tiêu chuẩn thải loại A (50 mgTN/l) cho nước thải chăn nuôi của QCVN 62-MT: 2016/BTNMT xét theo nồng độ TN. TP trung bình đầu vào hệ thống chung là 149,2 mg TP/l, hệ thống chung đã loại bỏ đến 88,9% TP. Riêng công đoạn sinh thái, với đầu vào là 31,4 mg TP/l và đầu ra là 16,6 mg TP/l, MHST đạt hiệu suất loại bỏ TP là 47%.
25. 23 Bảng 3.11. Hiệu quả xử lý COD, TN và TP của mô hình xử lý nước thải Ra Ra hiếu Ra toàn Hiệu suất Đầu STT Chỉ số yếm khí, thiếu hệ thống chung vào khí khí (MHST) (%) COD (mg/l) 6339 1958 316 119 98,1 1 ± 1309 1359 82 23 0,34 Hiệu suất của từng 69,1 83,9 62,3 công đoạn (%) TN (mg/l) 1042 875 99,27 32,97 96,8 2 ± 129,3 102,3 52,47 14,4 1,36 Hiệu suất của từng 16,03 88,7 66,8 công đoạn (%) TP (mg/l) 149,2 67,4 31,4 16,63 88,9 3 ± 27,8 27,0 5,71 5,6 3,03 Hiệu suất của từng 54,83 53,41 47,04 công đoạn (%) Cần thấy rằng, khi tải lượng COD, TN và TP đã thấp nhưng chưa đạt tiêu chuẩn thải, nếu sử dụng công nghệ hóa lý hay công nghệ vi sinh sẽ đòi hỏi đầu tư cao, vận hành phức tạp. Công nghệ sinh thái sử dụng TVTS ở đây đã chứng minh tính khả thi cả về kinh tế và kỹ thuật. Một số đóng góp mang ý nghĩa khoa học công nghệ nữa là chi phí cho mô hình sinh thái thấp, vận hành không phức tạp đối với trình độ của người chăn nuôi. Vì vậy công nghệ mang tính lan tỏa và bền vững, đây là con đường đi khả thi trong phát triển chăn nuôi bền vững gắn với bảo vệ môi trường và nâng cao chất lượng sống của người dân. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN + - 1. Khả năng chống chịu COD, NH4 , NO3 và pH của 8 loại TVTS tuyển chọn cho thấy Bèo tây là cây chống chịu tốt nhất, tiếp đến là cỏ Vetiver, Ngổ trâu, Sậy và Thủy trúc, nhóm kém nhất là Bèo cái, Rau muống và Cải xoong. Bèo tây chống chịu COD đến 1000 mg/l; Ngổ trâu, Sậy, Vetiver chống chịu COD đến 750 mg/l; Bèo cái, Thủy trúc, Rau muống chống chịu COD đến 500 + mg/l; Cải xoong chống chịu COD < 500 mg/l; Bèo tây chống chịu NH4 trên + 250 mg/l, Sậy, cỏ Vetiver, Thủy trúc chống chịu được NH4 đến 250 mg/l; Bèo + cái, Cải xoong chống chịu NH4 đến 150 mg/l; Rau muống, Ngổ trâu chống chịu + - NH4 đến 100 mg/l; Bèo tây chống chịu được NO3 trên 300 mg/l, Ngổ trâu,
26. 24 - Thủy trúc chống chịu được NO3 đến 300 mg/l, Sậy, Cải xoong, cỏ Vetiver - - chống chịu NO3 đến 250 mg/l, Bèo cái, Rau muống chống chịu NO3 đến 200 mg/l; Bèo tây, Rau muống, Thủy trúc chống chịu được pH từ 5 – 9, Sậy, cỏ Vetiver, Ngổ trâu chống chịu pH 5 - 8, Sậy, Bèo cái, Cải xoong chống chịu pH < 8. 2. Khả năng loại bỏ COD, TN và TP của 8 loại TVTS trong thí nghiệm theo mẻ và thí nghiệm bán liên tục không hoàn toàn như nhau. Nếu như Bèo tây luôn đứng đầu ở cả thí nghiệm theo mẻ và thí nghiệm bán liên tục thì Bèo cái lại có sự thay đổi đáng kể. Trong cả hai điều kiện, Cải xoong thường đứng ở vị trí sau cùng. Khả năng chống chịu cũng là nguyên nhân của kết quả này khi Cải xoong và Bèo cái tỏ ra chống chịu kém với COD, N và pH trong môi trường. 3. Trong 4 loại hình công nghệ thử nghiệm (với 2 lưu lượng 50 l/m2.ngày và 100 l/m2.ngày) thì 3 loại hình có ưu thế rõ nhất loại bỏ TN, TP và COD trong nước thải chăn nuôi lợn là hệ thống phối hợp, hệ thống thực vật nổi - Bèo tây và hệ thống dòng ngầm trồng cỏ Vetiver trong khi hệ thống dòng mặt sử dụng Rau muống tỏ ra kém hiệu quả nhất khi xử lý nước thải ô nhiễm cao về TN và TP. 4. Ứng dụng và đưa vào vận hành mô hình công nghệ sinh thái (sau công đoạn hiếu khí) quy mô 600 m2, công suất xử lý 30 m3/ngày.đêm (tương đương 1.000 đầu lợn) tại Lương Sơn – Hòa Bình. Mô hình là hệ phối hợp bao gồm dòng chảy bề mặt sử dụng cây Sậy, hệ thực vật nổi (Bèo tây và bè nổi trồng cỏ Vetiver và Thủy trúc) và dòng chảy ngầm trồng Vetiver. Mô hình sinh thái đã xử lý hiệu quả N, P và COD. Ở giai đoạn vận hành ổn định với lưu lượng 30 m3/ngày, hiệu suất xử lý các chất ô nhiễm TN, TP và COD lần lượt là 66,2%; 45,3% và 59,3%. Tải lượng TN, TP và COD đưa vào hệ thống là 5,5 gN/m2.ngày, 1,9 gP/m2.ngày và 14,3 gCOD/m2.ngày và lượng được loại bỏ tương ứng là 3,6 gN/m2.ngày, 0,86 gP/m2.ngày và 8,46 gCOD/ m2.ngày. Nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn thải loại A cho nước thải chăn nuôi theo QCVN 62-MT: 2016-BTNMT về TN và loại B về COD. Mô hình có chi phí thấp, không đòi hỏi thiết bị đắt tiền, dễ vận hành và quản lý, hiệu quả xử lý cao và ổn định. KIẾN NGHỊ Tiếp tục nghiên cứu ứng dụng thực vật thuy sinh trong xử lý nước thải chế biến thủy sản, nước thải giết mổ động vật giàu N, P.
27. DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ 1. Giải pháp hữu ích: Trần Văn Tựa, Nguyễn Trung Kiên, Vũ Thị Nguyệt, Quy trình xử lý hợp chất Nitơ và phospho trong nước thải chăn nuôi lợn thu được từ quá trình xử lý vi sinh yếm khí bằng cách sử dụng thực vật thủy sinh, số 1451 do Cục sở hữu trí tuệ cấp ngày 31/10/2016. 2. Trần Văn Tựa, Nguyễn Trung Kiên, Lê Thị Thu Thủy, Vũ Thị Nguyệt, Xử lý nitơ và phôtpho từ nước thải chăn nuôi lợn bằng công nghệ dòng chảy trên mặt sử dụng cây sậy, Báo cáo khoa học, Hội nghị Công nghệ sinh học toàn quốc 2013, 2013, Quyển 2, tr: 1122-1127. 3. Vũ Thị Nguyệt, Nguyễn Trung Kiên, Trần Văn Tựa, Lê Thị Thu Thủy, Nguyễn Triều Dương (2014), The use of subsurface constructed wetland grown Vetiver grass for removal of Nitrogen and phosphor from swine wastewater, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, số 52, 3A, tr: 74-80. 4. Vũ Thị Nguyệt, Trần Văn Tựa, Nguyễn Trung Kiên, Đặng Đình Kim, Nghiên cứu sử dụng Bèo Tây Eichhornia crassipes (Mart.) Solms để xử lý nitơ và phôtpho trong nước thải chăn nuôi lợn sau công nghệ Biogas, Tạp chí sinh học, 2014, số 37 (1), tr: 53-59. 5. Vũ Thị Nguyệt, Trần Văn Tựa, Đặng Đình Kim, Nguyễn Trung Kiên, Bùi Thị Kim Anh, Nghiên cứu phối hợp sử dụng bèo tây và sậy để xử lý COD, nitơ và phốtpho trong nước thải chăn nuôi lợn sau công nghệ biogas, Báo cáo khoa học về Sinh thái và Tài nguyên sinh vật, Hội nghị khoa học toàn quốc lần thứ 6, 2015, tr: 1540- 1545. 6. Vu Thi Nguyet, Tran Van Tua, Dang Dinh Kim, Bui Thi Kim Anh, Vu Hai Yen, Application of ecological technology for removal of COD, Nitrogen and Phosphorus from piggery wastewater after biogas production technology, Journal of Vietnamese environment, 2016, số 8(5), tr: 252-256.