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

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 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI – 2018 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 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 62.52.03.20 Người hướng dẫn khoa học: 1. TS. Trần Văn Tựa 2. GS,TS. Đặng Đình Kim HÀ NỘI – 2018 LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS, NCVCC. Trần Văn Tựa và GS,TS. Đặng Đình Kim vì đã có những chỉ dẫn quý báu về phương pháp luận, định hướng cho tôi những hướng nghiên cứu khoa học quan trọng trong quá trình thực hiện luận án này và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành bản luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn Bộ Khoa học & Công nghệ, Văn phòng các Chương trình Khoa học Công nghệ trọng điểm cấp Nhà nước, Chương trình KC.08/11-15, chủ nhiệm đề tài KC08.05/11-15 đã hỗ trợ kinh phí thực hiện nghiên cứu này. Tôi xin cảm ơn Lãnh đạo Viện Công nghệ môi trường và các bạn đồng nghiệp phòng Thủy sinh học môi trường, Viện Công nghệ môi trường đã tạo điều kiện về mọi mặt và đóng góp các ý kiến quý báu về chuyên môn trong suốt quá trình tôi thực hiện và bảo vệ Luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Lãnh đạo và bộ phận Đào tạo của Học viện khoa học và Công nghệ đã giúp tôi hoàn thành các học phần của Luận án và mọi thủ tục cần thiết. Cuối cùng tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình, người thân đã luôn chia sẻ, động viên tinh thần và là nguồn cổ vũ, giúp đỡ tôi vượt qua mọi khó khăn trong suốt quá trình thực hiện Luận án. NGHIÊN CỨU SINH Vũ Thị Nguyệt MỤC LỤC MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ......................................................................... 4 1.1. Tổng quan về nước thải chăn nuôi lợn ..................................................................... 4 1.1.1. Vài nét về tình hình chăn nuôi lợn trang trại ........................................................ 4 1.1.2. Ô nhiễm môi trường do chăn nuôi lợn gây ra tại Việt Nam .................................. 5 1.1.3. Hiện trạng công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn ............................................ 9 1.2. Tổng quan về các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi lợn ............................. 11 1.3. Công nghệ sinh thái trong xử lý nước thải chăn nuôi ............................................ 13 1.3.1. Khái niệm công nghệ sinh thái ............................................................................ 13 1.3.2. Các nhóm thực vật thủy sinh trong công nghệ sinh thái ..................................... 13 1.3.3. Vai trò của thực vật thuỷ sinh trong xử lý nước thải ........................................... 14 1.3.4. Các loại hình công nghệ sử dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải ....... 15 1.3.5. So sánh hệ thống công nghệ dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm ....................... 25 1.3.6. Sơ lược về một số loài thực vật thủy sinh nghiên cứu ......................................... 27 1.4. Ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải và nước thải chăn nuôi lợn ........ 32 1.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ...................................................................... 32 1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ........................................................................ 36 CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................ 45 2.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................. 45 2.2. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................ 46 2.2.1. Đánh giá khả năng chống chịu và xử lý các tác nhân ô nhiễm ........................... 46 2.2.2. Đánh giá khả năng xử lý nước thải chăn nuôi lợn của các loại hình công nghệ ... 48 2.2.3. Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn của mô hình sinh thái ........... 53 2.2.4. Phương pháp phân tích ....................................................................................... 53 2.2.5. Phương pháp xử lý số liệu ................................................................................... 54 2.2.6. Thiết bị sử dụng trong nghiên cứu ...................................................................... 55 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................ 56 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 ............................................................................. 56 3.1.1. Khả năng chống chịu một số yếu tố môi trường của thực vật thủy sinh ............... 56 3.1.2. Hiệu quả xử lý ô nhiễm của các loài TVTS được lựa chọn ................................. 62 3.2. Hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau xử lý vi sinh vật của một số loại công nghệ sử dụng thực vật thủy sinh với lưu lượng nước thải khác nhau .......................... 81 3.2.1. Công nghệ sử dụng thực vật lá nổi Bèo tây ......................................................... 81 3.2.2. Công nghệ dòng chảy trên bề mặt ....................................................................... 85 3.2.3. Công nghệ dòng chảy ngầm ................................................................................ 91 3.2.4. Hệ thống phối hợp các thực vật thủy sinh ......................................................... 100 3.2.5. So sánh hiệu quả xử lý TN, TP và COD của các loại hình công nghệ .............. 108 3.3. Xây dựng, vận hành và đánh giá hiệu quả giảm thiểu COD, N và P trong mô hình sinh thái ........................................................................................................................ 110 3.3.1. Xây dựng mô hình sinh thái ............................................................................... 110 3.3.2. Đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình sinh thái ................................................. 113 3.3.2.1. Hiệu quả xử lý COD ........................................................................................ 113 3.3.2.2. Hiệu quả xử lý nitơ ......................................................................................... 116 3.3.2.3. Hiệu quả xử lý photpho .................................................................................. 120 3.3.2.4. Sự biến đổi các yếu tố thủy lý của mô hình sinh thái ..................................... 122 3.3.2.5. Bước đầu tính toán hiệu quả kinh tế .............................................................. 123 3.4. Đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình sinh thái tích hợp trong mô hình tổng thể xử lý nước thải chăn nuôi lợn tại Lương Sơn, Hòa Bình ................................................. 126 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 130 KẾT LUẬN ................................................................................................................. 130 KIẾN NGHỊ ................................................................................................................. 131 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ .......................................................... 132 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 133 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa BOD Biochemical oxygen demand (Nhu cầu oxy sinh hóa) CNST Công nghệ sinh thái COD Chemical Oxygen Demand (Nhu cầu ô xy hóa học) ĐC Đối chứng ĐNN Đất ngập nước ĐNNNT Đất ngập nước nhân tạo DO Dissolved Oxygen (ôxy hòa tan) FAO Food and Agriculture Organization (Tổ chức nông lương thế giới) HN Hà Nội HT Hệ thống NT Ngổ Trâu NN&PTNT Nông nghiệp và Phát triển nông thôn PTN Phòng thí nghiệm QCVN Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia MHST Mô hình sinh thái S Sậy TB Thái Bình TCN Tiêu chuẩn ngành TKN Tổng nitơ Kjeldahl TN Tổng nitơ TNMT Tài nguyên Môi trường TLTK Tài liệu tham khảo TP Tổng phốt pho TVTS Thực vật thủy sinh DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Phân bố số lợn và trang trại chăn nuôi theo vùng sinh thái ............................ 4 Bảng 1.2. Số lượng lợn cả nước (tính đến tháng 10/2016) ............................................. 5 Bảng 1.3. Số đầu lợn và lượng nước tiêu thu tại một số trang trại điển hình .................. 6 Bảng 1.4. Thành phần và mức độ ô nhiễm nước thải chăn nuôi lợn trang trại. .............. 7 Bảng 1.5. So sánh ưu nhược điểm hệ thống dòng chảy ngang và dòng chảy thẳng đứng..22 Bảng 1.6. BOD bị loại bỏ trong một số hệ thống dòng ngầm ....................................... 23 Bảng 1.7. So sánh ưu điểm và nhược điểm của hệ thống dòng mặt và hệ thống dòng ngầm26 Bảng 1.8. Hiệu quả loại bỏ BOD5 và TSS tại một số kiểu hệ thống đất ngập nước nhân tạo27 Bảng 1.9. Tình hình nghiên cứu sử dụng TVTS trong xử lý nước thải trên thế giới ... 32 Bảng 1.10. Tình hình nghiên cứu sử dụng TVTS trong xử lý nước thải ở Việt Nam ... 41 Bảng 2.1. Thành phần cơ bản nước thải sau xử lý vi sinh vật tại Trung tâm nghiên cứu lợn Thụy Phương (Viện Chăn nuôi) .............................................................................. 45 Bảng 2.2. Thành phần môi trường thủy canh cho cây .................................................. 46 Bảng 2.3. Các công thức thí nghiệm khả năng chống chịu ........................................... 47 Bảng 3.1. Khả năng chống chịu một số yếu tố môi trường của các thực vật thủy sinh 62 Bảng 3.2. Hiệu quả xử lý của hệ thống sử dụng Bèo tây .............................................. 81 Bảng 3.3. Hiệu quả xử lý của hệ thống Sậy theo công nghệ dòng mặt ......................... 85 Bảng 3.4. Hiệu quả xử lý của hệ Rau muống theo công nghệ dòng mặt ...................... 88 Bảng 3.5. Hiệu quả xử lý của hệ thống Sậy theo công nghệ dòng ngầm ...................... 92 Bảng 3.6. Hiệu quả xử lý của hệ thống cỏ Vetiver theo công nghệ dòng ngầm ........... 96 Bảng 3.7. Hiệu quả xử lý của hệ thống phối hợp Bèo tây và Sậy ............................... 100 Bảng 3.8. So sánh hiệu quả xử lý TN, TP và COD của các loại hình công nghệ ....... 109 Bảng 3.9. Các thông số thiết kế hệ thống .................................................................... 112 Bảng 3.10. Các thông số thủy lý của mô hình sinh thái .............................................. 122 Bảng 3.11. Chi phí xây dựng mô hình sinh thái với TVTS ......................................... 124 Bảng 3.12. Hiệu quả xử lý COD, TN và TP của mô hình xử lý nước thải ................. 128 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Sơ đồ các qui trình công nghệ xử lý nước thải đang áp dụng tại các trang trại chăn nuôi lợn ................................................................................................................. 10 Hình 1.2. Các loại hình công nghệ sinh thái sử dụng TVTS trong xử lý nước thải ...... 16 Hình 1.3: Cơ chế loại bỏ nitrogen trong đất ngập nước ................................................ 18 Hình 1.4: Sơ đồ đất ngập nước dòng chảy ngầm theo chiều ngang .............................. 21 Hình 1.5: Sơ đồ đất ngập nước dòng chảy ngầm theo chiều đứng ................................ 21 Hình 1.6. Bèo tây (Eichhornia crassipes) ..................................................................... 27 Hình 1.7. Bèo cái (Pistia stratiotes) ............................................................................. 28 Hình 1.8. Rau muống (Ipomoea aquatica ) ................................................................... 28 Hình 1.9. Cây Ngổ trâu (Enydra fluctuans) .................................................................. 29 Hình 1.10. Cây Cải xoong (Rorippa nasturtium aquaticum) ........................................ 30 Hình 1.11. Cây sậy (Phragmites australis) ................................................................... 30 Hình 1.12. cỏ Vetiver (Vetiveria zizanioides) ............................................................... 31 Hình 1.13. Cây Thủy trúc (Cyperus alternifolius) ........................................................ 31 Hình 2.1. Sơ đồ thực nghiệm tại pilot với Bèo tây ........................................................ 48 Hình 2.2. Sơ đồ thực nghiệm hệ thống dòng mặt tại pilot ............................................ 49 Hình 2.3. Sơ đồ thực nghiệm hệ thống dòng ngầm tại pilôt ......................................... 50 Hình 2.4. Sơ đồ thực nghiệm hệ phối hợp Bèo tây và Sậy tại pilot ............................. 51 Hình 2.5. Sơ đồ hệ thống phối hợp Sậy, Thủy trúc, Bèo tây và cỏ Vetiver tại pilot..... 52 Hình 3.1. Ảnh hưởng của nồng độ COD khác nhau lên sinh trưởng của TVTS ........... 57 Hình 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ NH4+ khác nhau lên sinh trưởng của TVTS .......... 58 Hình 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ NO3- khác nhau lên sinh trưởng của TVTS .......... 60 Hình 3.4. Ảnh hưởng của pH khác nhau lên sinh trưởng của TVTS ............................ 61 Hình 3.5. Hiệu quả xử lý COD (%)-Thí nghiệm theo mẻ ............................................. 63 Hình 3.6. Hiệu quả xử lý TSS (%)-Thí nghiệm theo mẻ ............................................... 64 Hình 3.7. Hiệu quả xử lý NH4+ - thí nghiệm theo mẻ ................................................... 65 Hình 3.8. Hiệu quả xử lý TN- thí nghiệm theo mẻ........................................................ 67 Hình 3.9. Hiệu quả xử lý PO43- - Thí nghiệm theo mẻ .................................................. 68 Hình 3.10. Hiệu quả xử lý TP- thí nghiệm theo mẻ ...................................................... 70 Hình 3.11. Hiệu quả xử lý COD (%)- Thí nghiệm bán liên tục .................................... 71 Hình 3.12. Hiệu quả xử lý COD trung bình (%)- Thí nghiệm bán liên tục................... 72 Hình 3.13. Hiệu quả xử lý NH4+ (%)- Thí nghiệm bán liên tục .................................... 73 Hình 3.14. Hiệu quả xử lý NH4+ trung bình (%)- Thí nghiệm bán liên tục ................. 74 Hình 3.15. Hiệu quả xử lý TN (%)- Thí nghiệm bán liên tục ....................................... 75 Hình 3.16. Hiệu quả xử lý TN trung bình (%) - Thí nghiệm bán liên tục ..................... 75 Hình 3.17. Hiệu quả xử lý PO43- (%)- Thí nghiệm bán liên tục .................................... 76 Hình 3.18. Hiệu quả xử 3 lý PO4- trung bình (%)- Thí nghiệm bán liên tục ................. 77 Hình 3.19. Hiệu quả xử lý TP (%) - Thí nghiệm bán liên tục ....................................... 78 Hình 3.20. Hiệu quả xử lý TP trung bình (%) - Thí nghiệm bán liên tục ..................... 79 Hình 3.21. Hiệu quả xử lý COD, TN và TP của Bèo tây .............................................. 83 Hình 3.22. Hiệu quả xử lý COD, TN và TP của cây Sậy theo công nghệ dòng mặt .... 86 Hình 3.23. Hiệu quả xử lý COD, TN và TP của Rau muống theo công nghệ dòng mặt90 Hình 3.24. Hiệu quả xử lý COD, TN và TP của hệ thống dòng ngầm trồng Sậy ......... 93 Hình 3.25. Hiệu quả xử lý COD, TN và TP của hệ thống dòng ngầm trồng cỏ Vetiver98 Hình 3.26. Hiệu quả xử lý COD, TN và TP của hệ thống phối hợp Bèo tây – Sậy .... 101 Hình 3.27. Hiệu quả xử lý COD, TN và TP của hệ thống phối hợp Sậy – Bèo tây .... 103 Hình 3.28. Khả năng loại bỏ COD của hệ thống phối hợp ......................................... 104 Hình 3.29. Hiệu quả xử lý TN của hệ thống phối hợp ................................................ 105 Hình 3.30. Hiệu quả xử lý TP của HT phối hợp ......................................................... 107 Hình 3.31. Sơ đồ công nghệ sinh thái xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau xử lý bằng công nghệ vi sinh vật ................................................................................................... 111 Hình 3.32. Sơ đồ hệ thống mô hình sinh thái tại hiện trường ..................................... 111 Hình 3.33. Hiệu quả loại bỏ COD của mô hình sinh thái tại Lương Sơn, Hòa Bình .. 114 Hình 3.34. Hiệu quả loại bỏ TN của mô hình sinh thái tại Lương Sơn, Hòa Bình ..... 118 Hình 3.35. Hiệu quả loại bỏ TP của mô hình sinh thái tại Lương Sơn, Hòa Bình ...... 120 Hình 3.36. Sơ đồ trang trại Hòa Bình Xanh và vị trí xây dựng mô hình xử lý chất thải .... 127 1 MỞ ĐẦU 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. Kinh tế phát triển, đời sống của người nông dân đang được nâng cao. 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. Chất thải chăn nuôi bao gồm phân và các chất độn chuồng, thức ăn thừa, xác gia súc, gia cầm chết,... được phân thành 3 loại: Chất thải rắn (phân, thức ăn, xác gia súc, gia cầm chết); Chất thải lỏng (nước tiểu, nước rửa chuồng, nước dùng để tắm gia súc); Chất thải khí (CO2, NH3...). Cho đến nay, chưa có một báo cáo nào đánh giá chi tiết và đầy đủ về ô nhiễm môi trường do ngành chăn nuôi gây ra. Theo báo cáo môi trường quốc gia năm 2014 trong tổng số 23.500 trang trại chăn nuôi, mới chỉ có khoảng 1.700 cơ sở có hệ thống xử lý chất thải. Mặt khác, các trang trại chăn nuôi đa phần nằm xen kẽ trong các khu dân cư, có quỹ đất nhỏ, hẹp, không đủ diện tích để xây dựng các hệ thống xử lý chất thải đảm bảo xử lý đạt tiêu chuẩn cho phép. 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 [1]. 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,... các công nghệ này có thể dùng riêng biệt hoặc kết hợp với nhau để cải thiện hiệu quả xử lý cũng như hiệu quả kinh tế của quá trình xử lý. Hiện nay, công nghệ biogas đã được sử dụng khá rộng rãi. Theo kết quả điều tra của Bộ NN&PTNT năm 2013 tại 54 tỉnh thành trên cả nước, hiện có 3.950 trang trại trên tổng số 12.427 trang trại được điều tra có xây dựng hầm biogas, chiếm 31,79%, trong đó có 196 trang trại xây dựng công trình có thể tích trên 300 m3, còn đa phần các hầm biogas được xây dựng với quy mô nhỏ [1]. Những hầm biogas này đã bước đầu phát huy được tác dụng trong việc bảo vệ môi trường, tạo khí đốt phục vụ đời sống. Tuy nhiên, công nghệ biogas cũng đã bộc lộ những nhược điểm, nước thải sau khi xử lý không đạt tiêu chuẩn; Hầm biogas chủ yếu chỉ xử lý chất hữu cơ, chưa xử lý được nitơ và photpho, là yếu tố gây hiện tượng phú dưỡng; Vi khuẩn gây bệnh chưa được khống chế hiệu quả gây nguy cơ cao về bệnh truyền nhiễm, đặc biệt là đối với chăn nuôi lợn. 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 2 định. Nhiều nước trên thế giới đã nghiên cứu sử dụng phương pháp này như tại Mỹ, Anh, Trung Quốc, Ấn Độ Việt Nam được đánh giá là quốc gia rất thích hợp áp dụng CNST vì điều kiện khí hậu của nước ta rất thích hợp cho sự phát triển quanh năm của các loài TVTS sử dụ