2. Mục tiêu nghiên cứu
3.3.1. So sánh khả năng chống chịu của các loài TVTS
Đối với nước thải chăn nuôi lợn sau biogas có đặc tính pH thấp, giàu chất hữu cơ và dinh dưỡng đòi hỏi cần lựa chọn loài TVTS phù hợp. Kết quả thí nghiệm cho thấy, ở khoảng pH từ 5-8 sinh khối đều tăng ở các thí nghiệm (hình 3.24), tuy nhiên khoảng pH lý tưởng cho sự phát triển của tất cả các loài TVTS là từ 6-7, cây cho sinh khối cao nhất. Với giá trị pH trong nước thải chăn nuôi lợn sau biogas là 5,3 phù đối với dải chống chịu của các loài TVTS trong các thí nghiệm.
Hình 3.24. Sự thay đổi sinh khối của các loài TVTS ở các giá trị pH khác nhau
Sự thay đổi COD từ 250-1000 mg/l đã ảnh hưởng đến khả năng sinh trưởng của cây. Rau muống cho thấy khả năng chống chịu COD kém nhất, nồng độ cao nhất cho sinh khối dương là 750 mg COD/l. Các loài TVTS còn lại cho sinh khối dương ở điều kiện COD lên đến 1000mg/l. Tuy nhiên ở khoảng nồng độ COD trong nước thải chăn nuôi lợn sau biogas là 757,8mg/l, có sự khác biệt rõ rệt đối về tỉ lệ sinh khối tăng giữa các loài TVTS (hình 3.25). So sánh tỉ lệ tăng sinh khối tại nồng độ COD trong nước thải chăn nuôi lợn sau biogas, có thể sắp xếp sự phù hợp của các loài TVTS như sau:
Sậy>Khoai nước>Thủy trúc, cỏ Nến, cỏ Vetiver> Rau muống
Hình 3.25. Sự thay đổi sinh khối của các loài TVTS ở các giá trị COD khác nhau
Giá trị NH4+ trong nước thải đóng vai trò là nguồn cung cấp chất dinh dưỡng cho sự sinh trưởng của TVTS. Nếu thừa hoặc thiếu NH + cây sẽ phát triển không bình
thường. Các loài TVTS đều cho sinh khối tăng ở nồng độ NH4+ thấp nhất là 50mg/l. Tuy nhiên, có sự khác biệt về tỉ lệ tăng sinh khối khi tăng nồng độ NH4+. Rau muống cho sinh khối âm ở nồng độ NH4+ trên 100 mg/l, cỏ Nến chỉ phát triển trong điều kiện NH4+ từ 50-200mg/l. Trong khi, các loài TVTS còn lại cho thấy có thể phát triển tốt trong môi trường có nồng độ NH4+ lên đến 250mg/l. Xét trong khoảng giá trị NH4+ trong môi trường nước thải chăn nuôi lợn sau biogas là 61,75mg/l, có thể sắp xếp sự phù hợp của các loài TVTS như sau:
Cỏ Vetiver, Sậy> Khoai nước, Thủy trúc, cỏ Nến> Rau muống
Hình 3.26. Sự thay đổi sinh khối của các loài TVTS ở các giá trị NH4+ khác nhau 3.3.2. So sánh khả năng xử lý chất ô nhiễm của các loài TVTS
Kết quả khả sát về khả năng xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi lợn sau biogas (mục 3.2) của các loài TVTS cho kết quả khá tốt. Sau 7 ngày thí nghiệm các thông số ô nhiễm (pH, TSS, COD, T-N) đã đạt quy chuẩn cho phép.
Hiệu quả xử lý pH và TSS của các thí nghiệm không có sự khác biệt đáng kể. Tuy nhiên, đối với các chất hữu cơ và dinh dưỡng giữa các loài thực vật có sự khác biệt về tốc độ và hiệu suất xử lý. Cụ thể như sau:
Đối với COD, Sậy cho thấy khả năng xử lý vượt trội với hiệu suất xử lý lên đến 80,2% và thời gian để nồng độ COD đạt quy chuẩn cho phép là 2-3 ngày. Các loài TVTS khác có hiệu suất xử lý kém hơn. Đặc biệt là Rau muống, cỏ Nến và Khoai nước, hiệu suất xử lý thấp chỉ từ 62,8%-66,5%. Từ kết quả thí nghiệm, có thể sắp xếp hiệu quả loại bỏ COD của các loài TVTS như sau:
Sậy> Thủy trúc, cỏ Vetiver> Rau muống, cỏ Nến và Khoai nước
Hiệu quả loại bỏ Nitơ của Sậy, Thủy trúc và cỏ Vetiver vượt trội hơn hẳn so với các loài TVTS khác. Trong khi đối với xử lý phốt pho, Rau muống, Sậy, Thủy trúc lại cho thấy hiệu quả cao. Nitơ và phốt pho trong nước thải chăn nuôi có vai trò như nguồn cung cấp dinh dưỡng cho thực vật. Hàm lượng chất dinh dưỡng quá thấp hoặc quá cao sẽ hạn chế sự phát triển của TVTS. Trong tất cả các thí nghiệm, nồng độ nitơ đều đạt quy chuẩn cho phép và không cần bổ sung dinh dưỡng cho cây, cây phát triển tốt trong suốt quá trình thí nghiệm. Như vậy để xử lý đồng thời nitơ và phốt pho có hiệu quả cao nhất, có thể lựa chọn Sậy vàThủy trúc cho hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau biogas.
3.3.3. Lựa chọn loài TVTS phù hợp cho hệ thống xử lý
Các kết quả thí nghiệm đã chỉ ra rằng Sậy, Thủy trúc và cỏ Vetiver phù hợp hơn cả về khả năng chống chịu và hiệu quả xử lý chất ô nhiễm đặc trưng trong môi trường nước thải chăn nuôi lợn sau biogas. Các loài cây này đã được sử dụng trong nhiều hệ thống xử lý nước thải giàu chất hữu cơ và dinh dưỡng trên thế giới. Các loài thực vật này được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống đất ngập nước để xử lý nước thải chăn nuôi, nước thải sinh hoạt, nước thải đô thị tại cộng hòa Séc [71],[73], Ecuador [43], Trung Quốc [46], [49], [50]… Tại Việt Nam, nhiều hệ thống xử lý nước thải cũng đã sử dụng các loài TVTS này. Ví dụ hệ thống xử lý nước thải công nghiệp luyện thép tại Hà Tĩnh sử dụng kết hợp Sậy, Thủy trúc [69]; hệ thống xử lý nước thải mỏ tại Thái Nguyên sử dụng cỏ Vetiver [20]; hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi tại Chương Mỹ, Hà Nội sử dụng Sậy và Thủy trúc [3],[35];… Kết hợp với kết quả nghiên cứu của đề tài, có thể kết luận Sậy, Thủy trúc và cỏ Vetiver hoàn toàn phù hợp để ứng dụng trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau biogas tại Việt Nam.
Hình 3.27. Khả năng chống chịu và hiệu quả xử lý của các loài TVTS
Loài thực vật
Khả năng chống chịu Hiệu quả xử lý
pH COD (mg/l) NH4+ (mg/l) pH (%) TSS (%) COD (%) NH4+ (%) TN (%) TP (%) Min-max Tối ưu Min-max Tối ưu Min-max Tối ưu
Sậy 5-9 6 250-1000 500 50-250 150 7,5 ± 0,5 84,6 80,2 75,4 71,9 55,8 Rau muống 5-8 7 250-750 250 50-100 100 6,24±0,4 81,0 62,8 63,6 53,6 61,7 Thủy trúc 5-9 7-8 250-1000 500 50-250 100-150 7,1 ± 0,2 85,9 76,8 76,8 66,8 56,1 Cỏ nến 5-9 6 250-1000 500 50-200 100 7,6 ± 0,2 85,4 66,5 61,5 52,0 45,9 Cỏ Vetiver 5-9 7 250-1000 500 50-250 100 7,1 ± 0,5 86,7 73,5 66,5 61,9 51,3 Khoai nước 5-8 6-8 250-1000 250 50-250 100 6,9 ± 0,3 84,0 64,9 58,5 46,0 48,5
Ghi chú: Giá trị “Min-max” là giá trị chất ô nhiễm thấp nhất và cao nhất mà cây có khả năng cho sinh khối dương. Giá trị tối ưu là giá trị chất ô nhiễm mà cây cho sinh khối cao nhất.
3.4. Đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình thực tế
Hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi lợn sử dụng TVTS được đặt tại trang trại 4000 đầu lợn, xã Tốt Động, huyện Chương Mỹ, Hà Nội với công suất hệ thống là 150 m3/ng.đ. Cây Sậy và Thủy trúc được lựa chọn trồng trong hệ thống xử lý. Hai loài thực vật được trồng xen canh và mật độ trồng là 60 cây/m2 trên diện tích 2000m2.
Nước thải chăn nuôi được thu gom và xử lý trong bể biogas, sau đó chảy vào hệ thống xử lý bằng thực vật. Lấy mẫu, quan trắc nước thải tại sau bể biogas và đầu ra của hệ thống. Kết quả quan trắc được trình bày tại hình 3.28.
Hình 3.28. Chất lượng nước thải đầu vào, đầu ra của hệ thống xử lý (A.pH; B.TSS; C.COD; D.T-N; E.NH4+; F.T-P)
Kết quả quan trắc cho thấy, chất lượng nước thải sau xử lý được cải thiện rõ rệt. Cụ thể giá trị trung bình của pH, TSS, COD và T-N trong nước thải đầu ra lần lượt là 6,9; 66,2mg/l; 163mg/l và 77,5mg/l đều đạt quy chuẩn cho phép (theo QCVN62- MT:2016/BTNMT cột B). Trong suốt quá trình vận hành 3 tháng, không có giá trị nào vượt quy chuẩn. Hiệu suất xử lý hệ thống đạt từ 54-78%. Hệ thống vận hành ổn định, các loài TVTS phát triển tốt, không cần bổ sung dinh dưỡng. Đặc biệt, do không sử dụng năng lượng trong quá trình vận hành nên hệ thống giảm thiểu tối đa chi phí (hầu như không tốn chi phí trong quá trình vận hành). Điều này là lợi thế để ứng dụng và nhân rộng công nghệ vì để các chủ trang trại chấp nhận đầu tư công nghệ xử lý nước thải sau biogas thì chi phí là vấn đề cốt yếu. Sậy và Thủy trúc là những loài thực vật phổ biến tại Việt Nam có thể dễ dàng thu mua và giá thành rất thấp. Đồng thời, diện tích xây dựng tận dụng và cải tiến các hạng mục sẵn có tại trang trại. Do vậy, công nghệ được chủ trang trại dễ dàng chấp nhận đầu tư và vận hành.
Như vậy, sử dụng cây Sậy và Thủy trúc trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau biogas là một giải pháp tiềm năng xét về cả hiệu quả và chi phí xử lý. Hệ thống không sử dụng năng lượng, không sử dụng hóa chất, thân thiện với môi trường. Đánh giá kết quả hệ thống xử lý thực tế tại hiện trường, công nghệ hoàn toàn có thể nhân rộng tại các trang trại chăn nuôi tại Việt Nam.
Để ứng dụng công nghệ sử dụng thực vật trong xử lý ô nhiễm hai yếu tố cần xem xét là khả năng chống chịu và hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm đặc trưng trong môi trường nước thải chăn nuôi lợn sau biogas.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận
Đề tài nghiên cứu lựa chọn loài TVTS tối ưu để xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau biogas. Dựa trên kết quả nghiên cứu, một số kết luận được đưa ra dưới đây:
- Cây Sậy (Phragmites australis) có khả năng chống chịu với nước thải có pH từ 5-9, nồng độ COD lên đến 1000 mg/l và nồng độ NH4+ đến 250 mg/l. Hiệu suất xử lý TSS; COD; NH4+; T-N và T-P của Sậy tương ứng là 84,6%; 80,2%; 75,4%; 71,9% và 55,8%.
- Cây Rau muống (Ipomoea aquatica) có khả năng chống chịu ở điều kiện pH: 5-8, nồng độ COD từ 250-750 mg/l và nồng độ NH4+ nhỏ hơn hoặc bằng 100 mg/l. Hiệu suất xử lý TSS; COD; NH4+; T-N và T-P của Rau muống tương ứng là 81,0%; 62,8%; 63,6%; 53,6% và 61,7%.
- Cây Thủy trúc (Cyperus alternifolius) chống chịu pH trong khoảng từ 5-9, nồng độ COD đến 1000 mg/l và nồng độ NH4+ đến 250 mg/l. Hiệu suất xử lý TSS; COD; NH4+; T-N và T-P của Thủy Trúc tương ứng là 85,9%; 76,8%; 76,8%; 66,8% và 56,1%.
- Cỏ Nến (Typha orientalis) có khả năng chống chịu ở điều kiện pH từ 5-9, nồng độ COD đến 1000 mg/l và nồng độ NH4+ nhỏ hơn hoặc bằng 250 mg/l. Hiệu suất xử lý TSS; COD; NH4+; T-N và T-P của Cỏ Nến tương ứng là 85,4%; 66,5%; 61,5%; 52,0% và 45,9%.
- Cỏ Vetiver (Vetiveria zizanioides) có khả năng chống chịu với nước thải có pH từ 5-9, nồng độ COD từ 250-1000 mg/l và nồng độ NH4+ đến 250 mg/l. Hiệu suất xử lý TSS; COD; NH4+; T-N và T-P Cỏ Vetiver tương ứng là 86,7%; 73,5%; 66,5%; 61,9% và 51,3%.
- Cây Khoai nước (Colocasia esculenta) chống chịu pH trong khoảng từ 5-8, nồng độ COD đến 1000 mg/l và nồng độ NH4+ đến 250 mg/l. Hiệu suất xử lý TSS; COD; NH4+; T-N và T-P của Khoai nước tương ứng là 84,0%; 64,9%; 58,5%; 46,0% và 48,5%.
- Đánh giá kết hợp về khả năng chống chịu và hiệu quả xử lý cho thấy: cây Sậy, Thủy trúc và cỏ Vetiver là phù hợp nhất để ứng dụng trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau biogas.
- Kết quả ứng dụng tại mô hình thực tế cho thấy hiệu quả xử lý khả quan. Chất lượng nước thải sau xử lý đạt quy chuẩn cho phép. Hiệu suất xử lý hệ thống đạt từ 54- 78%. Hệ thống vận hành ổn định, các loài TVTS phát triển tốt, không cần bổ sung dinh dưỡng và không tốn chi phí vận hành. Công nghệ được đánh giá là công nghệ thân thiện với môi trường, vận hành hiệu quả và ổn định; chi phí thấp, hoàn toàn có thể ứng dụng, nhân rộng tại Việt Nam.
2. Kiến nghị
- Nghiên cứu của đề tài xuyên suốt từ các thực nghiệm trong phòng thí nghiệm cho đến ứng dụng tại mô hình thực tế. Tuy nhiên để có thể ứng dụng phổ biến kết quả của đề tài cần có thời gian vận hành, theo dõi dài hơi. Thêm vào đó, do đặc thù công nghệ sử dụng thực vật để xử lý ô nhiễm phụ thuộc khá nhiều vào điều kiện môi trường ứng dụng nên cần có những đánh giá ứng dụng tại các địa điểm khác nhau.
- Việt Nam có rất nhiều loại cây có khả năng sử dụng để xử lý nước thải nói chung và nước thải chăn nuôi nói riêng. Nghiên cứu này chỉ đánh giá được 6 loại cây, chiếm một tỉ lệ rất nhỏ, do đó cần có thêm những nghiên cứu về các loại cây có tiềm năng khác.
- Cần nhân rộng mô hình tại các trang trại trên cả nước để góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường do chất thải chăn nuôi.
TÀI LIỆU THAM KHẢO I. Tài liệu tiếng việt:
1. Đặng Thị An, Bùi Thị Kim Anh, Lê Đức, Đặng Đình Kim, và Trần Văn Tựa (2011),
Xử lý ô nhiễm môi trường bằng thực vật (phytoremediation), Nhà xuất bản Nông nghiệp, tr. 135 - 174.
2. Bùi Thị Kim Anh (2016), “Thử nghiệm quy trình tích hợp đá vôi và công nghệ đất ngập nước nhân tạo để xử lý mangan, kẽm và sắt trong nước thải mỏ than”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, 32(1S): 9-14.
3. Bùi Thị Kim Anh, Nguyễn Văn Thành, Nguyễn Hồng Chuyên, Bùi Quốc Lập, (2019), “Phân tích, đánh giá khả năng ứng dụng của bãi lọc trồng cây nhân tạo để xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau biogas”, Khoa Học Kỹ Thuật Thủy Lợi Và Môi Trường, Số 66.
4. Bui Thi Kim Anh, Nguyen Van Thanh, Pham Thuong Giang, Dang Dinh Kim, (2019), “Study on using reed (Phragmites australis) and water spinach (Ipomoea aquatica) for piggery wastewater treatment after biogas process by constructed wetland”, Tạp chí Sinh học, 41(2se1&2se2): 327-335
5. Thái Vân Anh, Lê Thị Cẩm Chi, (2016). Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải sinh hoạt bằng mô hình đất ngập nước nhân tạo dùng sậy, nến, vetiver, Tạp chí Khoa học Công nghệ và Thực phẩm, 53-60.
6. Lê Viết Bảo (2014), Nghiên cứu khả năng sinh trưởng, phát triển của một số giống cây Khoai môn và biện pháp kỹ thuật cho giống có triển vọng tại tỉnh Yên Bái, Luận văn tiến sĩ nông nghiệp, Thái Nguyên.
7. Trương Thanh Cảnh (2010), Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi bằng công nghệ sinh học kết hợp lọc dòng bùn ngược, Đại học Khoa học tự nhiên, Hồ Chí Minh.
8. Nguyễn X. Cường, Nguyễn T. Loan, (2016), “Hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt của hệ thống đất ngập nước nhân tạo tích hợp”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Các Khoa học Trái đất và Môi trường, 32, 1, 10-17.
9. Lê Thùy Dương (2012), Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi bằng bãi lọc ngầm trồng cây tại huyện Yên Phong, tỉnh Bắc Ninh, Luận văn thạc sĩ khoa học Nông nghiệp, Thái Nguyên.
10.Bùi Hữu Đoàn (2011), Quản lý chất thải chăn nuôi, Nhà xuất bản Nông Nghiệp. 11.Hồ Đình Hải, Rau rừng Việt Nam, cây rau bán thủy sinh , cây rau muống
https://sites.google.com/site/raurungvietnam/rau-ban-thuy-sinh/rau-muong
12.Châu Minh Khôi, Nguyễn Văn Chí Dũng và Châu Thị Nhiên, 2012, “Khả năng xử lý ô nhiễm đạm, lân hữu cơ hòa tan trong nuớc thải ao nuôi cá tra của lục bình (eichhorina crassipes) và cỏ vetiver (vetiver zizanioides)”, Tạp chí Khoa học, 21b, 151-160
13.Trương Thị Nga và Võ Thị Kim Hằng (2010), “Hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi bằng cây rau Ngổ (Enydra fluctuans. Lour) và cây Lục bình (Eichhoria crassipes)”, Tạp chí Khoa học Đất số, 34/2010, http://www.thiennhien.net/2010/11/10/xu-ly-nuocthai- bang-rau-ngo-va-luc-binh/.
14.Trương Thị Nga, Hồ Liên Huê (2009), “Hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi bằng