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

Nghiên cứu ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải chăn nuôi lợnNghiên cứu ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải chăn nuôi lợnNghiên cứu ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải chăn nuôi lợnNghiên cứu ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải chăn nuôi lợnNghiên cứu ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải chăn nuôi lợnNghiên cứu ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải chăn nuôi lợnNghiên cứu ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải chăn nuôi lợnNghiên cứu ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải chăn nuôi lợnNghiên 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 Chuyên ngành: Kỹ thuật mơi trường Mã số : 62 52 03 20 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG Hà Nội - 2017 Cơng trình hồn thành Học viện Khoa học Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: TS Trần Văn Tựa - Viện Công nghệ mơi trường GS.TS Đặng Đình Kim - Viện Cơng nghệ môi trường Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Học viện, họp Học viện Khoa học Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam vào hồi … …’, ngày … tháng … năm 201… Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Khoa học Công nghệ - Thư viện Quốc gia Việt Nam GIỚI THIỆU LUẬN ÁN 1.Tính cấp thiết đề tài: Trong thời gian qua, với phát triển mạnh mẽ đất nước, mặt nơng thơn có nhiều đổi Hoạt động chăn nuôi tạo nguồn thu nhập cho nhiều hộ nơng dân Tuy nhiên, với gia tăng đàn vật ni tình trạng nhiễm môi trường chất thải chăn nuôi gia tăng Theo ước tính, có khoảng 40 - 50% lượng chất thải chăn ni xử lý, số lại thải trực tiếp thẳng ao, hồ, kênh, rạch Để giải vấn đề có nhiều cơng nghệ xử lý chất thải chăn nuôi xử lý phương pháp vật lý để tách chất thải rắn – lỏng, xử lý phương pháp sinh học kỵ khí, xử lý phương pháp sinh học hiếu khí, Hiện công nghệ biogas sử dụng rộng rãi Tuy nhiên, công nghệ biogas bộc lộ nhược điểm, nước thải sau xử lý không đạt tiêu chuẩn, chưa xử lý nitơ phơtpho Vì nước thải chăn ni lợn sau xử lý biogas cần phải xử lý tiếp trước thải môi trường Để xử lý bổ sung chất hữu cơ, nitơ phôtpho trước thải vào nguồn tiếp nhận, công nghệ sinh thái (CNST) sử dụng thực vật thuỷ sinh (TVTS) cho có nhiều ưu điểm so với hệ thống xử lý nước thải thơng thường CNST thân thiện với mơi trường, chi phí thấp, dễ vận hành, đồng thời đạt hiệu xử lý cao ổn định, nhiều nước giới nghiên cứu sử dụng phương pháp Việt Nam quốc gia có triển vọng cho việc ứng dụng CNST sử dụng TVTS xử lý ô nhiễm nước Tuy nhiên, nghiên cứu, ứng dụng công nghệ quan tâm thiếu tính hệ thống, dừng lại nghiên cứu thử nghiệm qui mơ nhỏ, chưa có nghiên cứu lựa chọn cơng nghệ xây dựng mơ hình triển khai vào thực tiễn đủ độ tin cậy để đưa công nghệ vào thực tế Vì đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng thực vật thủy sinh xử lý nước thải chăn ni lợn” thực nhằm góp phần tìm kiếm phương pháp xử lý nước thải chăn ni hiệu quả, phù hợp với điều kiện Việt Nam giảm thiểu ô nhiễm môi trường xung quanh cách hiệu Đây đường khả thi phát triển chăn nuôi bền vững gắn với bảo vệ môi trường nâng cao chất lượng sống người dân Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng CNST sử dụng TVTS để xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau công đoạn xử lý vi sinh, nhằm giảm thiểu nhiễm mơi trường Cơng nghệ có tính khả thi ứng dụng vào thực tiễn Nội dung nghiên cứu: Nội dung 1: Tổng quan trạng ô nhiễm nước thải chăn nuôi lợn công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn; tổng quan CNST sử dụng TVTS sinh xử lý nước thải nói chung bao gồm nước thải chăn nuôi lợn Nội dung 2: Đánh giá khả chống chịu (COD, NH4+, NO3-, pH) xử lý COD, nitơ, phôtpho nước thải chăn nuôi lợn sau công đoạn xử lý vi sinh vật qui mơ phòng thí nghiệm số TVTS tuyển chọn Nội dung 3: Đánh giá hiệu xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau công đọan xử lý vi sinh vật loại hình cơng nghệ sử dụng TVTS với lưu lượng nước thải khác Nội dung 4: Xây dựng đánh giá hiệu xử lý mơ hình sinh thái sử dụng TVTS để giảm thiểu nitơ (N), photpho (P) chất hữu từ nước thải chăn nuôi lợn trang trại sau công đoạn xử lý vi sinh quy mơ pilot Những đóng góp luận án - Lựa chọn lồi TVTS thích hợp cho xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau công nghệ vi sinh vật sở loại bỏ COD, N, P hiệu cao - Lựa chọn loại hình CNST sử dụng TVTS phù hợp ứng dụng xử lý nước thải chăn ni lợn - Tích hợp CNST lựa chọn vào hệ thống xử lý quy mô 30 m 3/ngày đêm, xử lý bổ sung COD, N P nước thải chăn nuôi lợn cách có hiệu với chí phí thấp, vận hành đơn giản, có khả nhân rộng thích ứng điều kiện chăn nuôi trang trại Việt Nam Cấu trúc luận án: Luận án trình bày 131 trang với 25 bảng biểu, 54 hình, 166 tài liệu tham khảo Luận án gồm: Mở đầu trang, tổng quan tài liệu 41 trang, thực nghiệm phương pháp nghiên cứu 11 trang, kết nghiên cứu thảo luận 74 trang, kết luận kiến nghị trang NỘI DUNG CỦA LUẬN ÁN Chương Tổng quan tài liệu 1.1 Vài nét tình hình chăn nuôi lợn trang trại Chăn nuôi trang trại định hướng phát triển ngành chăn nuôi Theo thống kê năm 2016, nước có 29 triệu lợn, vùng đồng Sơng Hồng có số lượng lợn lớn 7,4 triệu lợn (26 %), theo thơi gian năm đàn lợn lại tăng lên Tuy nhiên, với gia tăng đàn vật ni tình trạng ô nhiễm môi trường chất thải chăn nuôi gia tăng 1.2 Kết khảo sát ô nhiễm chất thải chăn nuôi lợn trang trại cơng nghệ xử lý 1.2.1 Ơ nhiễm mơi trường chăn nuôi lợn gây Tổng số 20 trang trại chăn nuôi lợn khảo sát 05 địa phương Hà Nội, Vĩnh Phúc, Hưng Yên, Thái Bình Hòa Bình Lượng nước tiêu thụ có biến động lớn, dao động từ 15 đến 60 lít/đầu lợn/ngày đêm, lượng nước thải năm số đáng kể Về thành phần mức độ ô nhiễm nước thải chăn nuôi lợn: Trước biogas lượng COD, TN, TP nước thải cao với số liệu tương ứng 3587 mg/l, 343 mg/l 92 mg/l Sau xử lý kỵ khí hầm biogas thơng số giảm 800 mg/l, 307 mg/l 62 mg/l Lượng ơxy hòa tan nước thải trước biogas khơng có, sau xử lý biogas không đáng kể, lượng coliform nước thải vượt tiêu chuẩn cho phép nhiều lần Như ô nhiễm nước thải từ chăn nuôi lợn trang trại thực tế gây xúc xã hội 1.2.2 Hiện trạng công nghệ xử lý nước thải chăn ni lợn Hiện có loại hình cơng nghệ điển hình trang trại áp dụng để xử lý nước thải chăn nuôi - Nước thải chăn nuôi xử lý hồ kị khí có phủ bạt sau qua ao sinh thái thải mơi trường (8,3%) - Nước thải chăn nuôi xử lý qua hầm biogas, sau thải kênh mương (50%) - Nước thải chăn nuôi xử lý hầm biogas, sau xử lý tiếp ao/hồ sinh học (25%) - Nước thải chăn nuôi xử lý ổn định kỵ khí, sau xử lý phương pháp lọc sinh học kị khí aeroten, cuối qua hồ thực vật thủy sinh thải ngồi (8,3%) Còn lại 8,3% trang trại khơng xử lý mà thải trực tiếp kênh mương làm ô nhiễm môi trường xung quanh cách nghiêm trọng 1.3 Công nghệ sinh thái xử lý nước thải chăn nuôi - Các loại TVTS vùng đất ngập nước phân làm nhóm sau: TVTS nửa ngập nước, TVTS có TVTS sống chìm mặt nước - Các loại hình cơng nghệ sử dụng TVTS xử lý nước thải: Cơng nghệ dòng chảy bề mặt, cơng nghệ dòng chảy ngầm, hệ thống TVTS - Cơ chế loại bỏ chất ô nhiễm: Nitơ loại bỏ theo chế, nitrat hóa/khử nitrat, bay amoniac hấp thu Với P, việc loại bỏ bao gồm: Cây hấp thu, vi khuẩn đồng hóa, đất hấp phụ, kết tủa lắng ion Ca, Mg Việc làm nước bắt đầu vi sinh vật (VSV) tạo thành lớp màng sinh học (biofilms) bề mặt thân, rễ TVTS VSV phân giải chất hữu nước làm nước, sau TVTS hấp thu chất dinh dưỡng N P 1.4 Ứng dụng TVTS xử lý nước thải nước thải chăn ni lợn - Tình hình nghiên cứu giới: Nghiên cứu ứng dụng loại hình CNST với TVTS xử lý nước thải chăn nuôi giới từ sớm, phát triển thành công, nghiên cứu sâu rộng, không dừng lại nghiên cứu thử nghiệm quy mô nhỏ mà có nhiều nghiên cứu lựa chọn cơng nghệ xây dựng mơ hình triển khai vào thực tế quy mô lớn (tư 200 m2 đến 15ha) Các loại hình cơng nghệ phổ biến cơng nghệ dòng chảy bề mặt cơng nghệ dòng chảy ngầm Ở châu Âu phổ biến kết hợp dòng chảy mặt chảy ngầm Các loại TVTS sử dụng phổ biên là: Sậy, Lau, cỏ Vetiver, Thủy trúc, Bèo Tây, cỏ Nến, Cói Hệ thống xử lý thân thiện với mơi trường, chi phí thấp, dễ vận hành, hiệu xử lý cao, ổn định (hiệu xử lý COD: 30 – 68,1%, TN: 20 - 98%, TP: 13 – 95%) - Tình hình nghiên cứu nước: Nghiên cứu ứng dụng loại hình CNST với TVTS xử lý nước thải chăn nuôi Việt Nam ỏi, dừng lại nghiên cứu thử nghiệm qui mơ nhỏ từ vài chục lít đến m Thời gian thử nghiệm mơ hình xử lý ngắn, chưa có nghiên cứu lựa chọn cơng nghệ xây dựng mơ hình triển khai vào thực tiễn đủ độ tin cậy để đưa công nghệ vào thực tế Như vây luận án cần đặt nghiên cứu ứng dụng CNST sử dụng TVTS xử lý nước thải chăn nuôi lợn mức độ cao như: - Đánh giá khả chống chịu khả xử lý nước thải chăn nuôi lợn loài TVTS (Bèo tây, Bèo cái, Sậy, cỏ Vetiver, Thủy trúc, Rau muống, Ngổ trâu) từ tuyển chọn số TVTS phù hợp để ứng dụng cho mơ hình quy mơ pilot - Lựa chọn loại hình cơng nghệ (cơng nghệ dòng chảy mặt, cơng nghệ dòng chảy ngầm, cơng nghệ phối hợp) phù hợp cho mơ hình xử lý trường trang trại chăn nuôi lợn Việt Nam - Căn vào điều kiện cụ thể trang trại, tính toán thiết kế, đánh giá hiệu xử lý mơ hình sinh thái sử dụng TVTS để giảm thiểu N, P COD từ nước thải chăn nuôi lợn trang trại sau công đoạn xử lý vi sinh vật quy mơ pilot (30 m3/ngày) trang trại Hòa Bình Xanh, Lương Sơn, Hòa Bình - Định hướng ứng dụng mơ hình sinh thái khả nhân rộng mơ hình thực tiễn Chương Đơi tượng phương pháp nghiên cứu 2.1 Đối tượng nghiên cứu Nước thải chăn nuôi lợn: Nguồn nước thải qua xử lý vi sinh vật Một số loài TVTS có khả xử lý nước thải chăn ni lợn: Bèo tây, Bèo cái, Rau muống, Ngổ trâu, Cải xoong, Sậy, Thủy trúc cỏ Vetiver 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Đánh giá khả chống chịu xử lý tác nhân ô nhiễm a Đánh giá khả chống chịu COD, NH 4+, NO3-, pH Khả chống chiu TVTS với nồng độ COD, NH4+, NO3- độ pH khác đánh giá qua sinh trưởng Thí nghiệm đặt chậu có dung tích lít chứa lít mơi trường thuỷ canh, trồng theo phương pháp thủy canh b Đánh giá khả loại bỏ số yếu tố ô nhiễm môi trường nước thải chăn nuôi lợn + Thí nghiệm theo mẻ: Thí nghiệm đặt chậu có dung tích lít chứa lít nước thải chăn ni lợn có COD khoảng 250 mg/l Thí nghiệm lặp lại lần có ĐC (khơng trồng cây) + Thí nghiệm bán liên tục: Thí nghiệm đặt Định kỳ ngày lấy lit mơi trường từ chậu thí nghiệm bổ sung lit môi trường với nồng độ tương tự đầu vào COD trì khoảng 250 mg/l bổ sung đường glucose c Đánh giá sinh trưởng thực vật thủy sinh Thông số đánh giá: Sinh khối tươi trước sau thí nghiệm Cân sinh khối cân phân tích Sartorius (Đức) Để cân, vớt khỏi môi trường, để nước 2.2.2 Đánh giá khả xử lý nước thải chăn ni lợn loại hình công nghệ - Thực nghiệm với hệ thống thực vật (Bèo tây): Thí nghiệm tiến hành bể có kích thước: CaoBể x DàiBể x RộngBể = 60 cm x 200 cm x 50 cm, ngăn phân phối nước tích 10 lít, thể tích ngăn xử lý 360 lít, Bèo tây thả chiếm 4/5 diện tích mặt nước Thí nghiệm với lưu lượng 50 lít/ngày 100 lít/ngày - Thực nghiệm với hệ thống cơng nghệ dòng mặt: Thí nghiệm tiến hành bể có kích thước: CaoBể x DàiBể x RộngBể = 60 cm x 200 cm x 50 cm, có lớp đất trồng với độ dày 20 cm Mực nước 20 cm với Sậy, cm với Rau muống Dung tích chứa nước tương ứng 180 lít 45 lít Sậy trồng với mật độ 15 cm x 20 cm Rau muống trồng với mật độ cm x cm Lưu lượng nước thải đưa vào bể Sậy 50 l/ngày 100 l/ngày, bể Rau muống 25 l/ngày 50 lít/ngày - Thực nghiệm với hệ thống dòng ngầm: Thí nghiệm tiến hành 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 gồm lớp đá cuội ø 4-5 cm (25 cm), lớp đá cuội ø 2-3 cm (25 cm), lớp sỏi, đá nhỏ ø 0,5 cm (20 cm) Mật độ trồng 15 cm x 20 cm, lưu lượng thử nghiệm 25 l/ngày, 50 l/ngày 100 l/ngày - Thực nghiệm với hệ thống cơng nghệ dòng chảy phối hợp  Hệ phối hợp Sậy – Bèo Tây: Hệ thống thí nghiệm gồm bể bể có kích thước CaoBể x DàiBể x RộngBể = 60 cm x 200 cm x 50 cm, bể trồng Bèo tây (360 lít), bể trồng Sậy (thể tích 360 lít, đưa đất vào trồng Sậy với mức 20 cm nên thể tích nước lại 180 lít), thí nghiệm với lưu lượng 100 l/ngày  Hệ phối hợp Sậy, Thủy Trúc, Bèo Tây cỏ Vetiver: Hệ thống thí nghiệm gồm ngăn, ngăn trồng Sậy (hệ thống dòng mặt), ngăn trồng Thủy Trúc, cỏ Vetiver (hệ thống thực vật trồng bè), ngăn trồng bèo Tây (hệ thống thực vật nổi), 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 47,35 lít/m2.ngày) 2.2.3 Đánh giá hiệu xử lý nước thải chăn nuôi lợn mơ hình sinh thái Mơ hình sinh thái (MHST) trường hệ thống phối hợp bao gồm: - Dòng chảy bề mặt sử dụng thực vật có rễ bám đáy Sậy - Hệ thống thực vật gồm cỏ Vetiver, Thủy trúc Bèo tây - Dòng chảy ngầm trồng cỏ Vetiver MHST có diện tích tổng cộng 600 m2 chia thành ngăn, xây đất phẳng Nước thải chảy vào ngăn 1, qua ngăn 2, ngăn cuối ngăn sau qua dòng ngầm 2.2.4 Phương pháp phân tích Phân tích chất nhiễm (NH4+, NO3-, T-N, PO4-3, T-P, COD, TSS, ) xác định phương pháp chuẩn theo ISO, so màu máy đo quang UV - Vis 2450, Shimadzu - Nhật Bản 2.2.5 Phương pháp xử lý số liệu Các số liệu phân tích mơi trường xử lý phương pháp xác suất thống kê để đảm bảo số liệu sàng lọc đạt độ tin cậy cao Sử dụng phần mềm Origin Pro phần mền Excel để vẽ đồ thị 2.2.6 Thiết bị sử dụng nghiên cứu Các thiết bị sử dụng nghiên cứu là: Bơm định lượng, bơm công suất 2,5 -3 m3/h, máy cất nước, cất đạm, cân kỹ thuật, máy cầm tay Oxi 330 WTW - Đức, máy cầm tay pH 320 WTWW - Đức, máy COD Reactor hãng HACH (Mỹ), máy đo đa tiêu thủy lý nước hãng TOA (Nhật Bản), máy quang phổ UV – 2450 hãng Shimadzu (Nhật Bản) Chương Kết thảo luận 3.1 Khả chống chịu xử lý ô nhiễm nước thải chăn nuôi lợn sau giai đọan xử lý vi sinh vật qui mơ phòng thí nghiệm 3.1.1 Đánh giá khả chống chịu số yếu tố môi trường thực vật thủy sinh Để có sở cho việc tuyển chọn ứng dụng TVTS xử lý nước thải chăn nuôi lợn CNST cần đánh giá khả chống chịu TVTS Trong nước thải chăn nuôi lợn trang trại hàm lượng chất hữu chất dinh dưỡng cao thực vật nói chung TVTS nói riêng chịu đến nồng độ định Chính tiến hành đánh giá khả chống chiu TVTS tuyển chọn với nồng độ COD, NH4+ NO3- pH Khả chống chịu TVTS đánh giá thông qua sinh trưởng TVTS nồng độ khác chất ô nhiễm trước sau thí nghiệm - Khả chống chịu COD: COD phản ánh mức độ ô nhiễm chất hữu nước thải Trong nước thải chăn nuôi lợn chất nhiễm có nồng độ cao Dựa vào kết đánh giá chống chịu COD (hình 3.1) xếp thứ tự chống chịu COD loài nghiên cứu sau: Bèo tây, Ngổ Trâu, Thủy trúc > cỏ Vetiver > Sậy, Rau muống, Bèo > Cải Xoong Hình 3.2 Ảnh hưởng nồng độ NH4+ khác lên sinh trưởng TVTS Qua kết nghiên cứu ta thấy COD yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sinh trưởng cây, tăng nồng độ COD lên tốc độ sinh trưởng chậm giảm dần, COD cao sinh trưởng phát triển Hình 3.1 Ảnh hưởng nồng độ COD khác lên sinh trưởng TVTS kém.Trong khoảng nồng độ thích hợp sinh trưởng phát triển tốt Bèo tây, Ngổ trâu, Thủy trúc chống chịu COD từ 250 -750 mg/l, Sậy, cỏ Vetiver, Bèo chống chịu COD từ 250 - 500 mg/l, Rau muống, Cải Xoong chống chịu COD < 500 mg/l Kết nghiên cứu phù hợp với nghiên cứu Liao X (2000), Jingtao Xu cs (2010) Trần Văn Tựa (2011) - Khả chống chịu NH4+: Nitơ chất dinh dưỡng quan trọng cần thiết cho thể thực vật sinh trưởng phát triển Mặc dù thực vật đồng hóa NH4+ nồng độ cao, NH4+ gây độc cho thực vật phần amôn chuyển sang dạng NH3 rât độc Dựa vào kết đánh giá khả chống chịu NH4+ (hình 3.2) xếp thứ tự chống chịu NH4+ loài nghiên cứu sau: Bèo tây > Sậy, Cỏ vetiver, Thủy trúc > Bèo cái, Cải xoong > Ngổ trâu, Rau muống Bèo tây, Sậy, Vetiver, Thủy trúc chống chịu NH4+< 250 mg/l, Bèo cái, Cải xoong chống chịu NH4+< 150 mg/l, Rau muống, Ngổ trâu chống chịu NH4+ Sậy, Cải Xoong, cỏ Vetiver > Bèo cái, Rau Muống Bèo tây, Ngổ trâu, Thủy trúc chống chịu 11 Hình 3.9 Hiệu xử lý PO43- (%) Hình 3.10 Hiệu xử lý TN (%) Thời gian lưu nước thích hợp để TVTS xử lý tốt chất ô nhiễm mà phù hợp với tình hình thực tế quy trình xử lý nước thải chăn ni ngày Nghiên cứu hiệu xử lý ô nhiễm TVTS số tác giả quan tâm thu kết tương đồng như: Sooknah cs (2004), Trần Văn Tựa (2007), Hồ Bích Liên (2014), Võ Trần Hồng cs (2014), Nguyễn Hồng Sơn (2016)… 3.1.2.2 Hiệu xử lý chất nhiễm thí nghiệm bán liên tục Từ hình 3.12 hình 3.14 xếp trật tự khả loại bỏ COD, NH4+ nghiên cứu sau: Bèo tây > Ngổ trâu, Sậy > Cỏ vetiver, Rau muống, Bèo cái, Thủy trúc, Cải xoong Hình 3.12 Hiệu xử lý COD (%) Hình 3.14 Hiệu xử lý NH4+ (%) Dựa tương quan phần trăm loại bỏ TN, xếp trật tự nghiên cứu sau: Bèo tây > Rau muống, Ngổ trâu, Sậy, cỏ Vetiver, Thủy trúc > Bèo cái, Cải xoong (hình 2.16) Dựa tương quan phần trăm loại bỏ TP, xếp trật tự nghiên cứu sau: Bèo tây > Ngổ trâu, Sậy, Rau muống, cỏ Vetiver, Thủy trúc > Bèo cái, Cải xoong (hình 3.20) 12 Hình 3.16 Hiệu xử lý TN (%) Hình 3.20 Hiệu xử lý TP (%) Như khả loại bỏ COD, TN TP TVTS hoàn toàn Khả chống chịu nguyên nhân kết Từ kết đánh giá khả chống chịu xử lý tác nhân ô nhiễm (COD, N, P) nước thải chăn nuôi lợn sau giai đoạn xử lý vi sinh vật loại TVTS, loại TVTS Bèo tây, Rau muống, Sậy, Thủy Trúc cỏ Vetiver chọn nhằm đánh giá khả xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau giai đoạn xử lý vi sinh vật loại hình cơng nghệ với tải lượng nước thải khác 3.2 Hiệu xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau giai đọan xử lý vi sinh vật số loại hình cơng nghệ sử dụng TVTS với tải lượng nước thải khác 3.2.1 Công nghệ dùng thực vật Bèo tây Hệ thống Bèo tây xử lý hiệu COD, TN 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 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 lượng loài bỏ khỏi hệ thống tưng ứng 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 xử lý hệ thống Bèo tây Chỉ số (mg/l) NO3NH4+ Lưu lương – 50 L/ngày Đầu vào Đầu 41,19 ± 4,67 10,92 ± 3,76 10,52 ± 2,01 2,24 ± 1,09 H% 73,5 78,7 Lưu lương – 100 L/ngày Đầu vào Đầu 47,89 ± 3,90 13,86 ±3,73 32,67 ± 4,12 14,78 ±3,76 TN 89,79 ± 11,2 30,71 ± 4,15 65,8 100,3 ± 7,86 60,53 ±8,04 41 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 3- H% 71,1 54,8 13 Chỉ số (mg/l) Lưu lương – 50 L/ngày Đầu vào Đầu TSS 316,7± 61,9 88,33 ± 29,3 pH 7,26 ± 0,67 DO 3,96 ± 0,39 H% 71,2 Lưu lương – 100 L/ngày Đầu vào Đầu 338,3± 57,76 133,3± 0,65 7,37 ± 0,46 7,17 ± 0,28 7,58 ± 0,34 2,96 ± 0,29 4,07 ± 0,30 3,40 ± 0,15 H% 60,6 3.2.2 Cơng nghệ dòng chảy bề mặt 3.2.2.1 Cơng nghệ dòng chảy bề mặt trồng Sậy Hệ thống dòng chảy mặt trồng Sậy xử lý hiệu COD, TN 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 – g TN/m2.ngày, 0,79 – 1,25 g TP/m2.ngày lượng loài bỏ khỏi hệ thống tưng ứng 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 xử lý hệ thống Sậy theo cơng nghệ dòng mặt Chỉ số (mg/l) NO3NH4+ TN PO43TP COD TSS pH DO Lưu lượng – 50 L/ngày Đầu vào Đầu H% 41,2 ± 4,67 14,4 ± 3,73 65 10,5 ± 2,01 4,04 ± 1,12 61,6 89,8 ± 11,17 41,7 ± 2,99 53,5 13,1 ±3,24 7,56 ±0,56 42,2 15,7 ±2,13 8,97 ±1,69 42,8 102,5±8,42 21,7±3,19 72,9 316,7±61,9 121,7±33,1 61,6 7,26±0,67 7,28±0,58 3,96±0,39 3,06±0,24 Lưu lượng – 100 L/ngày Đầu vào Đầu H% 47,9 ±3,90 19,1 ±3,07 60,0 32,7 ±4,12 16,5 ±3,76 49,4 100,3±7,86 65,2 ±12,8 35,0 8,58 ±3,26 6,17 ±1,34 28,0 12,5 ±1,05 8,35 ±2,56 33,0 115,6±22,2 50,0±13,3 56,8 338,3±57,8 163,3±21,6 51,7 7,17±0,27 7,47±0,34 4,02±0,34 3,05±0,11 3.2.2.2 Cơng nghệ dòng chảy bề mặt trồng Rau muống Hệ thống dòng chảy mặt trồng Rau muống xử lý COD, TN TP thấp 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 xử lý hệ thống Rau muống theo cơng nghệ dòng mặt Chỉ số (mg/l) NO3 NH4 TN PO4 Lưu lương – 25 l/ngày Đầu vào Đầu 47,9 ±3,90 11,3 ±1,88 32,7 ±4,12 15,9 ±2,94 100,3 ±8,26 63,3 ±15,5 8,58 ±3,26 5,03 ±0,56 H% 76,4 51,5 36,8 41,4 Lưu lương – 50 l/ngày Đầu vào Đầu 41,2 ±3,75 22,1 ±3,47 10,5 ±2,01 5,4 ±1,20 89,8 ±11,17 66,7 ±3,90 13,1 ±3,24 8,1 ±0,44 H% 46,4 49,2 25,7 38,1 14 Chỉ số (mg/l) TP COD TSS pH DO Lưu lương – 25 l/ngày Đầu vào Đầu 12,52 ±1,05 7,24 ±1,84 115,8 ±22,3 52,9 ±16,7 338,3±57,8 151,7 ±29,3 7,17±0,29 7,83 ±0,22 4,07±0,30 2,87 ±0,24 H% 42,2 54,3 55,2 Lưu lương – 50 l/ngày Đầu vào Đầu 15,7 ±2,13 11,2 ±2,22 102,5 ±8,42 66,2 ±6,56 316,7 ±61,9 198,3 ±33,1 7,26 ±0,67 7,01 ±0,33 3,96 ±0,39 2,85 ±0,36 H% 28,6 35,5 37,4 Như 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 lượng loài bỏ khỏi hệ thống tưng ứng 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 Cơng nghệ dòng ngầm trồng Sậy Hệ thống Sậy dòng chảy ngầm xử lý hiệu COD, TN 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 lượng loài bỏ khỏi hệ thống tưng ứng 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 xử lý COD, TN TP hệ thống dòng ngầm trồng Sậy 3.2.3.2 Cơng nghệ dòng chảy ngầm trồng Vetiver Hệ thống cỏ Vetiver dòng chảy ngầm xử lý hiệu COD, TN 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 lượng loài bỏ khỏi hệ thống tưng ứng 2,2 - 4,68 g COD/m2.ngày, 2,05 - 4,13 g TN/m2.ngày, 0,18 - 0,33 g TP/m2.ngày 15 Hình 3.25 Hiệu xử lý COD, TN TP hệ thống dòng ngầm trồng cỏ Vetiver 3.2.4 Hệ thống phối hợp thực vật thủy sinh 3.2.4.1 Hệ thống phối hợp Bèo tây Sậy Hệ thống phối hợp Bèo tây - Sậy xử lý hiệu COD, TN 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 lượng loài bỏ khỏi hệ thống tưng ứng 5,4 g COD/m2.ngày, 4,1 g TN/m2.ngày, 0,42 g TP/m2.ngày Bảng 3.7 Hiệu xử lý hệ thống phối hợp Bèo tây 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 bể Bèo tây; HB1: hiệu suất xử lý bể Bèo tây; ĐR–B2: đầu bể Sậy; HB2: hiệu suất xử lý bể Sậy; H: hiệu suất xử lý hệ thống Bèo tây – Sậy 3.2.4.2 Hệ thống phối hợp Sậy, Thủy trúc, Bèo tây cỏ Vetiver Việc áp dụng đồng thời loại hình cơng nghệ cho phép tận dụng ưu điểm loại hình, nâng cao hiệu loại bỏ chất ô nhiễm giảm diện tích xử lý Hệ thống phối hợp Sây, Thủy trúc, Bèo tây cỏ Vetiver xử lý hiệu COD, TN TP Hiệu suất xử lý COD đạt 71,7%, TN đạt 79,3%, TP đạt 69,7% 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 lượng loại bỏ khỏi hệ thống tưng ứng 6,89 g COD/m2.ngày, 4,2 g TN/m2.ngày, 0,45 g TP/m2.ngày Như vậy, phối hợp hệ thống dòng mặt (Sậy), hệ thống thực vật (Thủy trúc, cỏ Vetiver Bèo tây), hệ thống dòng chảy ngẩm (cỏ Vetiver) hoạt động với hiệu tốt, hiệu xử lý COD, TN TP chiếm ưu so với hệ thống xử lý nghiên cứu Hình 3.28 Hiệu xử lý COD hệ thống phối hợp Hình 3.29 Hiệu xử lý TN hệ thống phối hợp Hình 3.30 Hiệu xử lý TP hệ thống phối hợp 3.2.5 So sánh hiệu xử lý TN, TP COD loại hình cơng nghệ So sánh loại hình cơng nghệ trình bày bảng sau: Bảng 3.8 So sánh hiệu xử lý TN, TP COD loại hình cơng nghệ Loại hình cơng nghệ Dòng mặt Thực vật Phối hợp Dòng ngầm TVTS Rau Mống Sậy Bèo tây Bèo tây-Sậy Sậy-Thủy trúc-Bèo tâycỏ Vetiver cỏ Vetiver Sậy Hiệu xử lý TP % g/m2.ng 28,6 0,22 42,8 0,34 55,2 0,43 68,8 0,42 % 35,5 72,9 84,9 69,8 % 25,7 53,5 65,8 76,8 TN g/m2.ng 1,15 2,40 2,95 4,13 COD g/m2.ng 1,8 3,7 4,4 5,4 79,3 4,20 69,7 0,45 71,7 6,9 63,5 56,0 3,24 2,85 39,6 42,6 0,21 0,23 64,8 62,2 6,8 6,6 Từ bảng 3.8 so sánh loại hình công nghệ tỷ lệ phần trăm tải trọng loại bỏ nhận xét sau: + Ba loại hình có ưu rõ loại bỏ TN, TP COD hệ thống phối hợp, hệ thống thực vật – Bèo tây hệ thống dòng ngầm trồng cỏ Vetiver + Hệ thống dòng mặt sử dụng Rau muống tỏ hiệu ứng dụng xử lý nước thải ô nhiễm cao TN TP 17 + Với mục tiêu xử lý bổ sung TN, TP COD nước thải chăn nuôi lợn sau công đoạn xử lý vi sinh vật cách hiệu kinh tế tác giả đề xuất ứng dụng hệ phối hợp cơng nghệ dòng măt, hệ thực vật hệ dòng ngầm với Sậy, Thủy trúc, Bèo tây cỏ Vetiver 3.3 Xây dựng, vận hành đánh giá hiệu giảm thiểu COD, N P mô hình sinh thái 3.3.1 Xây dựng mơ hình - Thiết kế hệ thống: Một số thơng số thiết kế MHST xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau cơng đoạn xử lý hiếu khí – thiếu khí nêu bảng… Mơ hình có tổng diện tích 600 m2, công suất 30 m3/ngày đêm xây dựng trang trại Hòa Binh Xanh, huyện Lương Sơn, tỉnh Hòa Bình Bảng 3.9: Các thơng số thiết kế Tiêu chuẩn thiết kế ≤ 450 mg/l - 4500 kg/ha/ngày Chỉ số Tải lượng COD Tải lượng TN Trong tải lượng NNH4 Công suất xử lý Thời gian lưu nươc ngày Thực vật Độ sâu cột nước - Vùng trồng Sậy - Vùng thực vật - Vùng dòng ngầm Sậy, Bèo tây ,cỏ Vetiver, Thủy trúc, TT ≤ 200 mg/l – 2000 kg/ha/ ngày ≤150 mg/l - 1500 kg/ha/ngày 30 m3/ngày 0,35 m 0,60 m 0,60 m - Vận hành mơ hình: Cây giống chuẩn bị trước, trồng vào mùa xuân Sau trồng cần khoảng tháng để bén rễ, ổn định sinh trưởng 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 xử lý 3.3.2.1 Hiệu xử lý COD Sau thời gian khởi động hệ thống khoảng tháng, MHST vận hành nâng công suất từ 0,6 m3/giờ lên 0,9 – 1,3 m3/giờ để đánh giá hiệu xử lý, tính ổn định hiệu kinh tế mơ hình - Tải lượng 0,6 m3/giờ: Hiệu suất xử lý COD MHST giai đoạn chưa ổn định, trung bình đạt 52,1% (dao động từ 42,7% đến 58,5%) Tính đơn vị diện tích trung bình tải trọng COD đưa vào hệ thống 5,5 g/m2.ngày lượng loại bỏ tương ứng 2,87 g/m2.ngày - Tải lượng 0,9 m3/giờ: Hiệu suất xử lý COD MHST trung bình đạt 55,8% (dao động từ 49,34% đến 68,2%) Tính đơn vị diện tích trung bình tải trọng 18 COD đưa vào hệ thống 6,3 g/m2.ngày lượng loại bỏ tương ứng 3,5 g/m2.ngày -Tải lượng 1,3 m3/giờ: Hiệu suất xử lý COD MHST giai đoạn trung bình đạt 59,3% (dao động từ 53,6% đến 65,7%) Tính đơn vị diện tích trung bình tải trọng COD đưa vào hệ thống 14,7 g/m2.ngày lượng loại bỏ tương ứng 8,7 g/m2.ngày Hình 3.33 Hiệu loại bỏ COD MHST Lương Sơn, Hòa Bình Như qua hình 3.33 ta thấy, sau thời gian chạy khởi động, giai đoạn chạy với lưu lượng 1,3 m3/giờ, hiệu suất xử lý COD MHST tương đối ổn định, ổn đinh giai đoạn chạy khởi động Tính đơn vị diện tích tăng tải lượng tải trọng loại bỏ COD MHST tăng, MHST loại bỏ COD khoảng từ 2,8 – 8,7 g COD/m2.ngày Kết nghiên cứu phù hợp với nghiên cưu trước Poach (2004), Erkar Kalipci (2011), Vymazal Kröpfelová (2011), Lưu Huy Mạnh cs (2014), Nguyễn Thành Lộc cs (2015) 3.3.2.2 Hiệu xử lý nitơ - Lưu lượng 0,6 m3/giờ: Hiệu suất xử lý TN, NO3- NH4+ 73,8%, 73,8% 44,6% Tải trọng trung bình TN đưa vào hệ thống 4,1 g TN/m2.ngày, tải trọng loại bỏ tương ứng MHST 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 loại bỏ 74,1% nitrat 59,2% NH4+ MHST loại bỏ hiệu TN nitơ dạng nitrat amơn Tải trọng trung bình TN đưa vào hệ thống 2,4 g TN/m2.ngày tải trọng TN loại bỏ tương ứng MHST 1,62 g TN/m2.ngày 19 Hình 3.34 Hiệu loại bỏ TN MHST Lương Sơn, Hòa Bình - Lưu lượng 1,3 m3/giờ: Hiệu suất xử lý TN, NO3- NH4+ 66,2%, 68,5% 51,8% Tải trọng trung bình TN đưa vào hệ thống 5,5 g TN/m2.ngày trọng TN loại bỏ tương ứng MHST 3,6 g TN/m2.ngày Ở giai đoạn này, vận hành mơ hình pilot có biến động lớn TN đầu vào hiệu xử lý tính ổn định hệ thống đạt cao Điều chứng tỏ hệ thống nghiên cứu có khả đáp ứng tốt với thay đổi lớn tải lượng hàm lượng đầu vào Như tính đơn vị diện tích tải trọng TN đưa vào hệ thống 2,4 – 5,5 g TN/m2.ngày lượng TN loại bỏ khỏi MHST tương ứng 1,6 – 3,6 g TN/m2.ngày Kết nghiên cứu phù hợp với nghiên cưu trước Prapa Sohsalam cs (2008), Zhang (2016), Lê Tuấn Anh (2013) Mặt khác hiệu loại bỏ TN mơ hình sinh thái cao so với hệ thống xử lý sử dụng loại TVTS López cs (2016) Lưu Huy Mạnh cs (2014) Kết nhận hệ xử lý việc kết hợp loại TVTS khác làm tăng cường hiệu loại bỏ chất ô nhiễm hệ thống xử lý sử dụng loại TVTS Đa dạng thực vật hệ thống làm tăng khả chịu đựng điều kiện thay đổi ổn định q trình sinh hóa (Eviner Chapin, 2003), hạn chế tác động yếu tố mùa vụ, sâu bệnh 3.3.2.3 Hiệu xử lý phôtpho - Lưu lượng 0,6 m3/giờ: Hiệu xử lý T-P đạt 50,7% (dao động từ 47,9% đến 54,4%) Tính đợn vị diện tích, tải trọng TP đưa vào hệ thống 0,8 g TP/m2.ngày lượng loại bỏ tương ứng 0,41 g TP/m2.ngày - Lưu lượng 0,9 m3/giờ: Hiệu xử lý T-P đạt 48,8% (dao động từ 47,4% đến 51,7%) Tải trọng TP đưa vào hệ thống 1,4 g TP/m2.ngày lượng loại bỏ tương ứng 0,68 g TP/m2.ngày 20 - Lưu lượng 1,3 m3/giờ: Hiệu xử lý TP đạt 45,3% (dao động từ 41,9% đến 48,8%) Từ hình 3.41 ta thấy hiệu xử lý TP tải lượng MHST tương đối ổn định Tải trọng TP đưa vào hệ thống 1,9 g TP/m2.ngày lượng loại bỏ tương ứng 0,86 g TP/m2.ngày Hình 3.35 Hiệu loại bỏ TP MHST Lương Sơn, Hòa Bình Như tải trọng TP đưa vào hệ thống dao động khoảng 0,8 – 1,9 g TP/m2.ngày lượng loại bỏ khỏi hệ thống dao động khoảng 0,41 -0,86 g TP/m2.ngày Kết nghiên cứu phù hợp với nghiên cứu González (2009), Zhang cs (2016) Giống N, hiệu xử lý TP MHST cao so với hệ thống xử lý sử dụng loại TVTS Zheng cs (2016), Valipour cs (2015) Phạm Khánh Huy (2012) 3.3.2.4 Sự biến đổi yếu tố thủy lý mơ hình sinh thái Nhìn chung kết thơng số thủy lý nước thải có khác biệt điểm đầu vào, đầu Sậy, đầu Bè đầu cuối mơ hình, ngoại trừ nhân tố EC, pH nhiệt độ Ở thông số DO nước thải qua công đoạn xử lý sục khí gián đoạn nên nồng độ oxy hòa tan đạt mức trung bình khoảng 2,99±1,29, qua ngăn trồng Sậy, bè đạt mức trung bình khoảng 2,10±0,93, 2,70±0,91 Giá trị pH điểm nghiên cứu MHST có khác biệt (P< 0,05), dao động khoảng 7,96 – 8,42 Tại điểm đầu vào pH kiềm, cao trung binh khoảng 8,42±0,31, sau giảm xuống 7,96±0,52 đầu Như pH nước sau trình xử lý hệ thống gần trung tính Độ dẫn điện (EC) điểm nghiên cứu MHST có khác biệt (P< 0,05) Tại điểm đầu vào EC trung bình khoảng 3,47±1,94 mS/cm, sau đo giảm xuống (1,77±0,99 mS/cm) đầu Nhiệt độ có thay đổi nước thải đầu vào đầu 21 (p