luận án tiến sĩ ngành môi trường đất và nước nghiên cứu sử dụng nước sau biogas để canh tác hoa màu

ii TÓM TẮT Nước sau biogas từ hệ thống túi ủ biogas chứa hàm lượng chất hữu cơ, đạm và lân cao được thải ra thủy vực tiếp nhận nên có nguy cơ gây ô nhiễm thuỷ vực tiếp nhận; do đó, đề tà

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN

NGUYỄN PHƯƠNG THẢO

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NƯỚC SAU BIOGAS ĐỂ CANH TÁC HOA MÀU

LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP TIẾN SĨ

CHUYÊN NGÀNH MÔI TRƯỜNG ĐẤT VÀ NƯỚC

2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN

LUẬN ÁN TỐT NGHIỆP TIẾN SĨ

CHUYÊN NGÀNH MÔI TRƯỜNG ĐẤT VÀ NƯỚC Mã ngành: 62440303

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG NƯỚC SAU BIOGAS ĐỂ CANH TÁC HOA MÀU

NGUYỄN PHƯƠNG THẢO

LỜI CẢM TẠ

Để hoàn thành được luận án này, ngoài sự nỗ lực của bản thân tôi đã nhận được sự động viên, giúp đỡ và hỗ trợ rất quý báu của rất nhiều cá nhân và đơn vị Xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc!

Xin chân thành cảm ơn PGS.TS Bùi Thị Nga đã quan tâm giúp đỡ, tận tình hướng dẫn, cung cấp kiến thức và những kinh nghiệm làm việc quý báu cho em trong suốt thời gian em học tập và thực hiện đề tài

Xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến quý Thầy, Cô, Anh, Chị đã và đang công tác tại Khoa Môi trường và Tài nguyên thiên nhiên, Khoa Nông nghiệp đã luôn tận tâm giảng dạy, truyền đạt kiến thức bổ ích và luôn giúp đỡ em trong suốt chặn đường học tập và nghiên cứu đầy gian nan và khó nhọc

Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu, Ban Lãnh đạo Khoa Môi trường và Tài nguyên thiên nhiên, Khoa Sau Đại học, Trường Đại học Cần Thơ; đặc biệt, chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Văn Công, PGS.TS Nguyễn Xuân Hoàng, Cô Bùi Thị Chuyền đã hỗ trợ và tạo điều kiện để thực hiện các thủ tục, hồ sơ cần thiết trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu tại trường

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Lãnh đạo Phòng Quản lý Khoa học, các đồng nghiệp Trường Đại học Cần Thơ, nơi tôi đang công tác đã hỗ trợ và tạo điều kiện cho tôi tham gia học tập và nghiên cứu trong thời gian qua

Xin gửi lời tri ân đến gia đình chú Dương Tấn Thành, gia đình anh Nguyễn Văn Bình và gia đình chị Nguyễn Thị Hồng Ngoan đã nhiệt tình hỗ trợ, tạo điều kiện tốt cho tôi triển khai các nội dung nghiên cứu

Xin chân thành cảm ơn PGS.TS Châu Minh Khôi, PGS.TS Nguyễn Võ

Châu Ngân, TS Trần Sỹ Nam, TS Nguyễn Công Thuận, ThS Đoàn Thị Trúc Linh, ThS Huỳnh Văn Thảo, bạn Nguyễn Điền Châu, các em học viên cao học và các em sinh viên đã giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án

Sau cùng con xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến ba, mẹ, em xin cảm ơn chồng và các thành viên trong gia đình đã giúp đỡ, động viên suốt thời gian qua

Xin chân thành cảm ơn!

ii

TÓM TẮT

Nước sau biogas từ hệ thống túi ủ biogas chứa hàm lượng chất hữu cơ, đạm và lân cao được thải ra thủy vực tiếp nhận nên có nguy cơ gây ô nhiễm thuỷ vực tiếp nhận; do đó, đề tài “Nghiên cứu sử dụng nước sau biogas để canh tác hoa màu” đã được thực hiện nhằm tận dụng dinh dưỡng từ nước sau biogas thay thế phân hóa học canh tác hoa màu góp phần hạn chế ô nhiễm môi trường chăn nuôi và cải thiện thu nhập quy mô nông hộ Nghiên cứu đã được triển khai lần lượt từ trong phòng đến các thí nghiệm ngoài đồng; kết quả cho thấy nước sau biogas cung cấp đạm hữu dụng cho đất gồm đạm amôn, đạm nitrat; đạm hữu dụng tăng tỉ lệ thuận với hoạt động vi sinh vật và với thể tích nước sau biogas Trong đất trồng hoa màu tưới nước sau biogas, hoạt động vi sinh vật đất tương quan thuận với hàm lượng đạm hữu dụng trong đất Ở điều kiện trồng cây trong chậu, cây bắp ở nghiệm thức tưới nước sau biogas với tỉ lệ 75%, cây đậu bắp 100% có tăng trưởng tương đương với nghiệm thức bón phân hóa học Đất canh tác cây bắp, đậu bắp và dưa leo tại nông hộ có hàm lượng đạm hữu dụng cao từ khi gieo hạt đến khi cây ra hoa, sau đó giảm dần đến khi thu hoạch; hàm lượng đạm tồn dư trong đất tưới nước sau biogas thấp hơn so với bón phân hóa học Mật số vi sinh vật đất trồng dưa leo tưới nước sau biogas cao hơn so với bón phân hóa học từ lúc gieo hạt cho đến cây ra hoa Sử dụng nước sau biogas canh tác bắp, đậu bắp và dưa leo mang lại lợi ích môi trường là giảm lượng nước sau biogas thải ra thủy vực tiếp nhận lần lượt là 35, 30,8 và 20,3

cao hơn so với bón phân hóa học đối với cây bắp và dưa leo Trồng dưa leo với vật liệu hấp phụ nước sau biogas giảm được lượng nước sau biogas cao hơn so với phương pháp tưới, nhưng hiệu quả đồng vốn có giá trị âm Trái bắp, đậu

bắp và dưa leo đạt tiêu chuẩn an toàn thực phẩm về hàm lượng nitrat, E.coli và

có độ giòn tương đương bón phân hóa học, độ ngọt cao hơn bón phân hóa học Trên cơ sở kết quả các thí nghiệm, hướng dẫn sử dụng nước sau biogas canh tác cây bắp và dưa leo quy mô nông hộ đã được xây dựng Trong phạm vi luận án, cần tiếp tục nghiên cứu đặc tính lý học, chất hữu cơ và vi sinh vật chuyển hóa đạm trong đất qua nhiều vụ trồng

Từ khóa: đạm hữu dụng, hiệu quả đồng vốn, hoa màu, lợi ích môi

trường, nước sau biogas, vi sinh vật đất

4 / 15

ABSTRACT

The effluent of biogas digester from the biogas system contains high levels of organic matter, nitrogen, and phosphorus that have been discharged into the receiving water body so there is a risk of pollution of the receiving water body; therefore, the project "Research on using effluent from biogas digester growing cash crop" had been conducted to salvage the nutrients of the effluent from biogas digesters to replace chemical fertilizers for crop cultivation, contribute to limiting the pollution of livestock environment and improve the household income The research had been carried out in turn on indoor experiments to field experiments; the results showed that the effluent of biogas digester provided available nitrogen for the soil including ammonium nitrogen, nitrate nitrogen; available nitrogen increased in proportion to microorganism activity and the volume of the effluent In cropland irrigated by the effluent, soil microorganism activity was positively correlated with the available nitrogen content in the soil Under potted planting, maize in the effluent from biogas digester watering treatment at the rate of 75%, okra in 100% had the same growth as the chemical fertilization treatment The soil planting maize, okra, and cucumber in the farm household had high available nitrogen content from seeding to flowering period, and decreased until harvest; residual nitrogen content in irrigated effluent soil was lower than that of chemical fertilizers The density of microorganisms soil for cucumbers watered effluent was higher than that of chemical fertilizers from sowing to flowering period The environmental benefit of using effluent from biogas in the cultivation of maize, okra, and cucumber was reducing the amount of effluent from biogas discharged into water bodies were 35, 30.8, and 20.3

to the soil, the capital efficiencies were higher than that of chemical fertilizer for the maize and cucumber planting Growing cucumber with the biogas effluent adsorbed material helped to decrease the amount of biogas effluent higher than the irrigation method, but the capital efficiency was the negative value Maize, okra, and cucumber fruits reached food safety standards of

nitrate, E.coli and the brittle was equivalent to the chemical fertilizer

treatment, sweeter than the chemical fertilizer treatment Based on the results of the experiments, the instructions for using effluent from biogas digester for cultivating maize and cucumber at the household scale had been developed In the scope of the thesis, it is necessary to study on the physical properties, organic matter, and the nitrogen metabolism microorganism in soil over many crops

Keywords: available nitrogen, capital efficiency, cash crop, effluent from

biogas digester, environmental benefits, soil microorganisms

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ……….……… xii

Chương 1: GIỚI THIỆU ……….…… … … 1

1.1 Đặt vấn đề ……….…… ….… 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu ……… ……… 2

1.3 Nội dung nghiên cứu ……… ………… ….…… 3

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ……… … 3

1.5 Ý nghĩa của luận án ……… 3

1.6 Điểm mới của luận án ……… … … 4

Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ……… 5

2.1 Tổng quan về biogas và công nghệ biogas……… ……… 5

2.1.1 Biogas ……….……… …… 5

2.1.2 Hầm ủ biogas ……… ……… 5

2.1.3 Túi ủ biogas ……….…… … 6

2.1.4 Chất thải sau biogas (chất thải biogas) ……… ………… 8

2.1.5 Nước sau biogas (nước thải biogas) ……… … 9

2.1.6 Thực trạng về sử dụng nước sau biogas trên địa bàn thành phố Cần Thơ ……… … 11

2.2 Các nghiên cứu sử dụng nước sau biogas ……… 17

2.2.1 Sử dụng nước sau biogas tưới cho hoa màu ……… … 17

2.2.2 Sử dụng vật liệu hấp phụ nước sau biogas trồng hoa màu ……… 18

2.3 Tổng quan về đạm trong cây và trong đất ……….…… 19

2.4.3 Cây dưa leo ……… 31

Chương 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ……… ……… 39

3.1 Địa điểm và thời gian nghiên cứu……… 39

3.2 Phương tiện thí nghiệm ……… 39

3.2.1 Nước sau biogas cho thí nghiệm ……… 39

3.2.2 Nước kênh tưới cho hoa màu ……….………… 40

3.2.3 Đất thí nghiệm ……… 41

3.2.4 Phân hóa học sử dụng cho thí nghiệm ………….…….………… 42

3.2.5 Xỉ than tổ ong ……… 42

3.2.6 Các giống cây trồng sử dụng cho thí nghiệm ……… ……… 43

3.3 Phương pháp nghiên cứu ……… 44

vi

3.3.1 Nội dung 1: Nghiên cứu khả năng cung cấp đạm hữu dụng, hoạt động của vi sinh vật đất của nước sau biogas và đánh giá tăng trưởng

của cây bắp, cây đậu bắp trồng trong chậu……….………… 44

3.3.2 Nội dung 2: Nghiên cứu diễn biến đạm hữu dụng, vi sinh vật trong đất và năng suất trồng cây bắp, cây đậu bắp, cây dưa leo tưới nước sau biogas trong điều kiện ngoài đồng……….……… 50

3.3.3 Nội dung 3: Đánh giá hiệu quả môi trường, hiệu quả kinh tế và đề xuất hướng dẫn sử dụng nước sau biogas canh tác hoa màu …… …… 55

3.4 Phương pháp thu mẫu 61

3.6.2 Lượng phân hóa học được sử dụng cho cây trồng trong chậu …… 64

3.6.3 Thể tích nước sau biogas được sử dụng cho cây theo lượng phân N hóa học……… … 64

3.6.4 Lượng xỉ than tổ ong được sử dụng để hấp phụ nước sau biogas 65

3.6.5 Thể tích nước sau biogas được sử dụng để trồng cây với xỉ than tổ ong 65

3.6.6 Lượng chất ô nhiễm giảm được khi canh tác hoa màu trên mỗi vụ 65 3.6.7 Tổng chi phí, tổng thu, lợi nhuận, hiệu quả đồng vốn 66

3.7 Phương pháp xử lý số liệu ……… 66

Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ……… 67

4.1 Khả năng cung cấp đạm hữu dụng, hoạt động của vi sinh vật đất của nước sau biogas và tăng trưởng của cây bắp, cây đậu bắp trồng trong chậu……… 67

4.1.1 Khả năng cung cấp đạm hữu dụng và tương quan giữa hàm lượng đạm với vi sinh vật đất được bổ sung nước sau biogas ……… 67

4.1.2 Tăng trưởng của cây bắp, cây đậu bắp được trồng trong chậu điều kiện ngoài đồng ……… …….……… 75

4.2 Diễn biến đạm hữu dụng, vi sinh vật trong đất và năng suất trồng cây bắp, cây đậu bắp, cây dưa leo tưới nước sau biogas trong điều kiện ngoài đồng …… ……… ……… ………… 79

4.2.1 Diễn biến hàm lượng đạm hữu dụng trong đất và năng suất trồng cây bắp và cây đậu bắp tưới nước sau biogas trong điều kiện ngoài đồng 79 4.2.2 Diễn biến hàm lượng đạm hữu dụng, vi sinh vật trong đất và năng suất trồng cây dưa leo tưới nước sau biogas trong điều kiện ngoài đồng 91 4.3 Hiệu quả môi trường, hiệu quả kinh tế và hướng dẫn sử dụng nước sau biogas canh tác hoa màu ……… … 100

4.3.1 Năng suất cây bắp, đậu bắp và dưa leo quy mô nông hộ 100

4.3.2 Hiệu quả môi trường và hiệu quả kinh tế 104

8 / 15

4.3.3 Hướng dẫn sử dụng nước sau biogas canh tác hoa màu 111

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ……… ……… 116

viii

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 2.4: Tỷ lệ hộ dân nhận định các lý do không sử dụng nước sau

Bảng 3.6: Thể tích nước sau biogas và nước khử khoáng bổ sung cho

Bảng 3.9: Lượng phân hóa học sử dụng cho cây đậu bắp trồng trong

Bảng 3.17: Các nghiệm thức thí nghiệm trồng cây tưới nước sau biogas

Bảng 3.19: Lượng nước sau biogas tưới cho cây đậu bắp quy mô nông

Bảng 3.22: Lượng nước sau biogas và xỉ than tổ ong cho mỗi mét vuông

Bảng 3.23: Lượng phân hóa học bón kết hợp với xỉ than tổ ong hấp phụ

10 / 15

nước sau biogas ……….……….……… 60

Bảng 4.1: Lượng đạm amôn (mg/kg) cung cấp cho đất được bổ sung

Bảng 4.12: Các chỉ tiêu năng suất của cây bắp quy mô nông hộ ……… 100 Bảng 4.13: Số trái, khối lượng trái và năng suất của đậu bắp quy mô Bảng 4.16: Các chỉ tiêu năng suất dưa leo trồng với xỉ than tổ ong hấp

Bảng 4.17: Lượng giảm thải trên mỗi vụ trồng hoa màu tưới nước sau

biogas 104 Bảng 4.18: Lượng giảm thải trên mỗi vụ trồng hoa màu (dưa leo) với vật liệu hấp phụ nước sau biogas 105

Bảng 4.20: Chi phí đầu tư trồng hoa màu tưới nước sau biogas … …… 107 Bảng 4.21: Hiệu quả đồng vốn của trồng bắp, đậu bắp và dưa leo tưới Bảng 4.25: So sánh độ giòn và độ ngọt của trái dưa leo với hai phương pháp sử dụng nước sau biogas khác nhau 110

x

DANH SÁCH HÌNH

Hình 2.3 Túi ủ biogas của nông hộ tại quận Cái Răng, thành phố Cần

Hình 2.5: Tỷ lệ phân bố lượng nước sau biogas tại 3 địa điểm nghiên cứu 12

Hình 2.7: Tỷ lệ hộ dân có vườn cây hoặc ruộng và hộ dân sử dụng nước

Hình 2.8: Tỷ lệ hộ dân nhận thức về lợi ích của việc sử dụng nước sau

Hình 2.9: Loại cây trồng bằng nước sau biogas ở nông hộ ……… 15

Hình 2.12: Các giai đoạn phát triển của cây đậu bắp (Abelmoschus

Hình 2.13: Các giai đoạn phát triển của cây dưa leo (Cucumis sativus L.) 33

Hình 4.5: Mối tương quan giữa hàm lượng đạm hữu dụng và hoạt động

Hình 4.6: Chiều cao cây bắp trồng trong chậu qua các giai đoạn sinh

Hình 4.7: Chiều cao cây đậu bắp trồng trong chậu qua các giai đoạn sinh

Hình 4.12: Hàm lượng đạm amôn trong đất trồng cây đậu bắp theo thời

12 / 15

Hình 4.18: Hàm lƣợng đạm hữu dụng trong đất trồng dƣa leo theo thời

xii

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT

sau biogas

14 / 15

Chương 1: GIỚI THIỆU

1.1 Đặt vấn đề

Chăn nuôi heo và trồng lúa nước là hai hợp phần quan trọng, xuất hiện sớm nhất trong hệ thống nông nghiệp Việt Nam; trong đó chăn nuôi heo có vai trò cung cấp thực phẩm giá trị dinh dưỡng cao, nguyên liệu cho công nghiệp chế biến và góp phần giữ vững cân bằng sinh thái giữa cây trồng, vật nuôi và con người Mặt khác, chăn nuôi heo không chỉ tạo ra việc làm trong lúc nhàn rỗi mà còn là nguồn tài chính quan trọng cho hộ nông dân trong các hoạt động xã hội như học hành, lễ giỗ, cưới hỏi, lễ tết, và tân trang nhà cửa Tuy nhiên, vấn đề đặt ra cho ngành chăn nuôi là lượng chất thải từ hoạt động nuôi heo đã gây ảnh hưởng trực tiếp đến người nuôi, cộng đồng dân cư chung quanh và

môi trường tự nhiên (Lê Hoàng Việt và ctv., 2017), điều này tác động đến việc

duy trì và phát triển ngành chăn nuôi của vùng ĐBSCL nói riêng và cả nước nói chung Trong những năm gần đây, công nghệ biogas đã khẳng định hiệu quả trong việc xử lý chất thải chăn nuôi góp phần hạn chế ô nhiễm môi trường

nông thôn (Trần Sỹ Nam và ctv., 2015, Trần Sỹ Nam và ctv., 2017) Bên cạnh

việc giải quyết ô nhiễm do chất thải chăn nuôi, biogas còn cung cấp năng

lượng sinh học phục vụ cho đun nấu và thắp sáng (Trần Sỹ Nam và ctv., 2015, Nguyễn Võ Châu Ngân và ctv., 2016, Trần Sỹ Nam và ctv., 2017, Ngo Thi Thanh Truc et al., 2017) Ở ĐBSCL, chăn nuôi heo quy mô nông hộ là chủ

yếu, số lượng heo dao động từ 10-100 con, nhiều nhất ở trong khoảng 30-50 con, nên lượng nước sau biogas (nước thải biogas) từ hệ thống biogas khá lớn Tuy nhiên, nước sau biogas chưa được quan tâm xử lý triệt để, người dân chưa sử dụng mà thải bỏ ra hệ thống mương vườn hoặc thải trực tiếp ra hệ thống kênh rạch, tiềm ẩn nguy cơ gây ô nhiễm thủy vực tiếp nhận do hàm lượng chất hữu cơ, đạm và lân khá cao với nồng độ đạm amôn dao động khoảng 218-290

2018)

Một số nghiên cứu tận dụng nước thải biogas thay thế phân hóa học cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng đã được báo cáo như sử dụng nước sau biogas

thay thế phân hóa học trong canh tác cây ớt (Phạm Việt Nữ và ctv., 2015), trồng nấm (Sreesha Malayil et al., 2016) và trồng dưa hấu (Yun Cao et al.,

2016), giúp cây phát triển tốt và cho năng suất tương đương phân hóa học Bên cạnh đó, một số nghiên cứu sử dụng vật liệu hấp phụ hoặc chế phẩm sinh

học để xử lý nước sau biogas (Huỳnh Thị Mỹ Duyên và ctv., 2011, Nguyễn Thanh Văn và ctv., 2016, Bùi Thị Nga và ctv., 2016) và sử dụng vật liệu đã hấp phụ nước sau biogas để trồng rau (Huỳnh Thị Mỹ Duyên và ctv., 2011, Bùi Thị Nga và ctv., 2016) Các nghiên cứu đã cho thấy nước sau biogas là