2. Mục tiêu nghiên cứu
1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Ở Việt Nam, các nghiên cứu về khả năng xử lý nước thải của một số loài TVTS đã được tiến hành từ những năm 1985, Trần Hiếu Nhuệ và Trần Đức Hạ (1985) [18] bằng phương pháp lắng kết hợp với hồ sinh học đã có một số nghiên cứu ban đầu về việc xử lý nước thải Hà Nội. Theo nghiên cứu gần đây của Vũ Thị Phương Thảo (2017) về đánh giá vai trò của một số loài thực vật thủy sinh như: Thủy trúc, Rau muống và Ngổ trâu để cải thiện chất lượng nước sông Nhuệ, cho thấy cả ba loài thực vật đều có khả năng hấp thụ các chất ô nhiễm có hàm lượng tổng N, tổng P và kim loại nặng cao. Và sau quá trình thí nghiệm, chất lượng nước sông Nhuệ hầu hết đạt tiêu chuẩn nước tưới tiêu thủy lợi theo QCVN 08-MT:2015/BTNMT [21].Tuy nhiên các nghiên cứu để xử lý nước thải chăn nuôi lợn gần đây mới được chú ý.
Đặng Xuyến Như và cs (2005) [17], xử lý nước thải chăn nuôi lợn qui mô pilot bằng hệ đất ngập nước dòng chảy mặt trồng Bèo tây đạt được kết quả khả quan. Sau khi xử lý qua UASB và đặc biệt là đất ngập nước thả Bèo tây có độ pH ổn định tốt và đạt 6,8 - 6,9 trước đó độ pH của nước vào khá thay đổi,độ pH ổn định trong quá trình theo dõi. Kết quả loại bỏ TSS, COD qua tháp UASB cao, đạt tương ứng 80%, 70 - 80%
và sau khi qua xử lý với Bèo tây hiệu quả loại bỏ của toàn hệ thống đạt trên 90% với cả hai thông số, khả năng loại bỏ N, P đạt tương ứng 70% ,58 - 65%. Qua đó có thể thấy được hiệu quả khi hệ thống vận hành.
Trương Thị Nga (2009) và cs [14], nghiên cứu sử dụng Sậy (Phragmites spp.) để xử lý hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi. Hiệu suất xử lý nước thải của Sậy trong hệ thống này: photpho là 93,57%, amonia là 64,08% và COD là 36,39%. Kết quả nghiên cứu, trọng lượng tươi trung bình của Sậy tăng 3 lần, chiều cao cây tăng 5 lần, chiều dài rễ tăng gần 4 lần so với khi mới bắt đầu trồng. Sinh khối Sậy trung bình trên 1m2 tăng 9 lần, mật độ cây tăng 10 lần và số chồi tăng thêm 11 chồi/cây so với ban đầu.
Trịnh Quang Tuyên và cs (2011) [29], nghiên cứu dùng cây Bèo tây làm giảm các chỉ số COD, BOD, P, NO3, coliform đến mức cho phép của TCN 678 - 2006 (COD = 400 mg/L). Hiệu suất xử lý nước thải bằng Bèo tây cho thấy: NO2- có hiệu suất xử lý cao nhất (99,6%), thấp nhất là NO3-(55,4%), COD, BOD và T-P hiệu suất xử lý tương ứng 67,8%, 69,1% và 65,4%. Tuy nhiên, nước sau xử lý chỉ đáp ứng tiêu chuẩn ngành cho mô hình nhỏ tầm 100 đầu lợn nếu số lượng lớn hơn cần diện đất sử dụng lớn hơn.
Ngoài ra, theo nghiên cứu của Vũ Thị Nguyệt, Trần Văn Tựa, Đặng Đình Kim và Bùi Thị Kim Anh (2013), khi phối hợp sử dụng Bèo tây và Sậy để xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau công nghệ Biogas thì hiệu suất xử lý COD, tổng N, tổng P lần lượt là 69,78%; 76,84% và 68,68%. Khả năng sử dụng hệ thống kết hợp Bèo tây và Sậy để xử lý COD, N, P trong nước thải chăn nuôi lợn là hoàn toàn khả thi [16].
Qua đó ta dễ dàng nhận thấy công nghệ sinh thái sử dụng TVTS trong xử lý nước thải nói chung cũng như nước thải chăn nuôi đã có từ rất sớm và đạt được nhiều thành công trên các quy mô khác nhau. Loài thực vật Thủy sinh được các nhà nghiên cứu sử dụng phổ biến là: Sậy, Lau, cỏ Vetiver, Bèo tây… Đây là ứng dụng thân thiện với môi trường chi phí thấp, dễ dàng vận hành đem lại hiểu quả xử lý ổn định và đạt kết quả tốt.
Chương 2
ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng nghiên cứu
- Thực vật thủy sinh: cây Sậy (Phragmites australis), cây Rau muống (Ipomoea aquatica), cây Thủy trúc (Cyperus alternifolius), Cỏ Nến (Typha orientalis), cỏ Vetiver (Vetiveria zizanioides), Khoai nước (Colocasia esculenta) được lấy giống từ Trung tâm giống cây trồng - Học Viện Nông nghiệp Việt Nam. Cây trước khi sử dụng cho thí nghiệm được ươm trong bầu (đất, mùn cưa, phân vi sinh) trong thời gian 3 tháng. Chọn những cây khỏe mạnh, có số nhánh, chiều dài lá và chiều dài dễ tương đương (mỗi nhánh cây dài 20 cm) để trồng thí nghiệm.
- Nước thải chăn nuôi sau biogas được lấy tại trang trại chăn nuôi lợn với quy mô 4000 con tại xóm Trại, Tốt Động, Chương Mỹ, Hà Nội. Thông số chất lượng nước thải đầu vào được trình bày tại bảng 2.1
Bảng 2.1. Thông số chất lượng nước thải đầu vào
Chất ô nhiễm Đơn vị Nồng độ trong nước thải QCVN62-
MT:2016/BTNMT cột B pH 5,3 ± 0,2 5,5 - 9 COD mg/l 757,8 ± 44,7 300 NH4+ mg/l 61,75 ± 10,4 - TSS mg/l 213,6 ± 12,4 150 TN mg/l 184,6 ± 16,4 150 TP mg/l 35,5 ± 5,7 - 2.2. Phạm vi nghiên cứu
Thí nghiệm được đặt tại tại phòng Thủy sinh học môi trường - Viện Công nghệ môi trường - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
Ứng dụng kết quả nghiên cứu lựa chọn loài thực vật tối ưu trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau biogas ngoài thực tiễn. Mô hình thực tiễn có quy mô 150 m3/ng.đ tại trang trại 4000 lợntại Xóm Trại, xã Tốt Động, huyện Chương Mỹ, Hà Nội.
Thời gian nghiên cứu: từ 9/2019- 3/2020
2.3. Nội dung nghiên cứu
- Đánh giá khả năng chống chịu (COD, NH4+, pH) của thực vật thủy sinh (Sậy, Thủy trúc, cỏ Vetiver, cỏ Nến, Rau muống, Khoai nước)
- Đánh giá hiệu suất loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi lợn sau biogas của loài TVTS).
- So sánh, chọn lọc thực vật thủy sinh phù hợp để xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau biogas.
- Sử dụng thực vật thủy sinh đã chọn lọc trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau biogas tại trang trại với quy mô 150m3/ng.đ.
2.4. Phương pháp nghiên cứu
2.4.1. Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu
Nghiên cứu các tài liệu, tạp chí, các báo cáo khoa học, tham luận ngành để tìm kiếm, thu nhập thông tin có liên quan đến đề tài. Sau khi áp dụng phương pháp tài liệu đã thu thập được những nguồn tài liệu thao khảo như: tổng quan về nước thải chăn nuôi, phương pháp xử lý nước thải sau biogas, bãi lọc trồng cây xử lý nước thải, các loài thực vật thủy sinh có khả năng xử lý ô nhiễm.
2.4.2. Phương pháp lấy mẫu, vận chuyển và bảo quản mẫu
2.4.2.1. Lấy mẫu
Việc lấy mẫu nước thải tại hiện trường tuân theo:
−TCVN 6663-1:2011 (ISO 5667-1: 2006): Chất lượng nước - Lấy mẫu - Phần 1: Hướng dẫn lập chương trình lấy mẫu và kỹ thuật lấy mẫu.
−TCVN 5999:1995 (ISO 5667-10: 1992): Chất lượng nước - Lấy mẫu - Phần 6: Hướng dẫn lấy mẫu nước thải.
Mẫu nước thải được lấy tại bể chứa nước thải sau công nghệ biogas của trang trại lợn xã Tốt Động, huyện Chương Mỹ, Hà Nội. Dùng các can polyme đã được tráng sạch bằng nước thải tại đây 3 lần để lấy mẫu. Lấy mẫu tránh không để rác và những vật khác lọt vào can. Nước thải được lấy đầy can và đậy chặt bằng nắp đã được tráng rửa bằng nước cất. Nước thải sau khi lấy về được phân tích và sử dụng trong các thí nghiệm tại phòng Thủy sinh học môi trường, Viện Công nghệ môi trường - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
2.4.2.2. Vận chuyển và bảo quản mẫu
Các bình chứa cần được bảo vệ, làm kín để chúng không bị hỏng hoặc gây mất một phần mẫu trong khi vận chuyển. Vật liệu bao gói phải bảo vệ được mẫu nước lấy về khỏi bị nhiễm bẩn chéo từ bên ngoài và tránh bị vỡ.
Bảo quản mẫu theo tiêu chuẩn TCVN 6663-3: 2008 (ISO 5667-3: 2003): Chất lượng nước - Lấy mẫu - Phần 3: Hướng dẫn bảo quản và xử lý mẫu.
2.4.3. Phương pháp bố trí thí nghiệm
2.4.3.1. Đánh giá khả năng chống chịu COD, NH4+, pH
Khả năng chống chịu của TVTS (Sậy, Thủy trúc, cỏ Vetiver, cỏ Nến, Rau muống, Khoai nước) với nồng độ COD,NH4+, độ pH khác nhau được đánh giá qua khả năng sinh trưởng của cây. Thí nghiệm được đặt trong các chậu có dung tích 15 lít. Cây trồng theo phương pháp thủy canh.
Bảng 2.2. Thành phần môi trường thủy canh cho cây
STT Tênhóachất Khốilượngg/1000lnước pha môi trường
1 Ca(NO3)2,4H2O 118 2 KNO3 606 3 NH4H2PO4 47 4 MgSO4,7H2O 49,2 5 Ca(H2PO4)2,H2O 84 6 Fe,EDTA 20 7 H3PO4 3 8 MnCl2,4H2O 2 9 ZnSO4,7H2O 0,09 10 CuSO4,5H2O 0,04 11 Na2MoO4,2H2O 0,01 12 Ec(mS/cm) 1,4 13 pH 6
TVTS dùng cho thí nghiệm là các cây sức sống khỏe, nhiều rễ, kích thước gần như đồng đều. Bổ sung lượng nước bay hơi cho các chậu thí nghiệm hàng ngày. Mỗi công thức lặp lại 3 lần. Sau 4 tuần cân khối lượng cây (sinh khối tươi) bằng cân phân tích Sartorius (Đức) để đánh giá sự sinh trưởng của cây ở các hàm lượng COD, NH4+, pH.
Pha dung dịch mẹ để tăng hàm lượng COD, NH4+, pH khi đặt thí nghiệm: COD 100.000 mg/l, NH4Cl 10.000 mg/l, KNO3 20.000 mg/l.
+ 1,07 g C6H12O6 = 1 g COD, do đó ta lấy 107g C6H12O6 hòa vào nước cất sau đó định mức lên thành 1 lít được dung dịch mẹ có COD = 100.000 mg/l.
+ Cân 38,207 g NH4Cl định mức lên 1 lít được dung dịch mẹ có nồng độ NH4+ là 10.000mg/l.
Các công thức thí nghiệm được trình bày trong bảng 2.3 sau:
Bảng 2.3. Các công thức thí nghiệm khả năng chống chịu Công thức
thí nghiệm
Các điều kiện thí nghiệm đánh giá khả năng chống chịu
pH COD (mg/l) NH4+ (mg/l) CT1 5 250 50 CT2 6 500 100 CT3 7 750 150 CT4 8 1000 200 CT5 9 250
Việc lựa chọn các ngưỡng nồng độ và dải nồng độ thí nghiệm dùng trong quá trình nghiên cứu được thiết lập dựa trên kết quả khảo sát nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi lợn sau biogas.
Các thông số đánh giá gồm: Sinh khối tươi trước và sau thí nghiệm.
Sinh khối cân bằng cân phân tích Sartorius (Đức). Để cân, cây được vớt ra khỏi môi trường, để ráo nước, cân khối lượng không đổi (sự sai khác giữa các lần cân <5%).
2.4.3.2. Thí nghiệm đánh giá khả năng loại bỏ một số yếu tố ô nhiễm trong môi trường nước thải chăn nuôi lợn
Thí nghiệm sử dụng các bình có dung tích 20 lít được bố trí như sau: mỗi chậu chia làm 3 lớp, thực vật thủy sinh được trồng trên lớp vật liệu trên cùng gồm 6 khóm khoảng cách 15 cm × 15 cm. Mẫu đối chứng không trồng cây. Thể tích nước rỗng của bình là 10 lít. Thí nghiệm được lặp lại 3 lần. Trong đó, TVTS được trồng riêng rẽ trên hệ vật liệu đá, sỏi, cát trong vòng 30 ngày.
Đổ 10 lít nước thải chăn nuôi lợn sau biogas vào các chậu thí nghiệm. Lấy mẫu ở các mốc thời gian khác nhau: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 ngày. Mỗi lần lấy 100 ml mẫu nước để phân tích sự thay đổi hàm lượng của pH, TSS, tổng N, tổng P, COD, NH4+ của các công thức thí nghiệm.
2.4.3.3. Đánh giá khả năng xử lý nước thải của các loài thực vật được lựa chọn trên quy mô thực tế
Loài thực vật tối ưu trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau biogas ngoài thực tiễn. Mô hình thực tiễn có quy mô 150 m3/ng.đ (ngày đêm) tại trang trại 4000 lợntại Xóm Trại, xã Tốt Động, huyện Chương Mỹ, Hà Nội với diện tích 2000m2. Lấy mẫu đầu vào, đầu ra của hệ thống định kì 7 ngày 1 lần trong vòng 3 tháng. Thí nghiệm được lặp lại 3 lần. Phân tích các chỉ số pH, COD, NH4+, T-N, T-P, TSS để đánh hiệu quả xử lý chất ô nhiễm của mô hình.
2.4.4. Phương pháp phân tích
Tiến hành phân tích các chất ô nhiễm (COD, NH4+, NO3-, T-N, T-P, TSS, pH) tại phòng thí nghiệm thuộc phòng Thủy sinh học môi trường - Viện Công nghệ môi trường - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
- TCVN 6491:1999 (ISO 6060:1989). Xác định nhu cầu oxy hoá học (COD); - TCVN 5988:1995 (ISO 5664:1984). Xác định Amoni (N-NH4+) bằng phương pháp chưng cất và chuẩn độ;
- TCVN 6180:1996 (ISO 7890 -3:1988 (E)). Xác định Nitrat (N-NO3-) bằng phương pháp trắc phổ dùng axit sunfosalixylic;
- TCVN 6489:1999 (ISO 11261:1995). Xác định Nitơ tổng - Phương pháp Kendan (Kjeldahl) cải biên;
- TCVN 6202:2008 (ISO 6878:2004). Xác định phôt pho - Phương pháp đo phổ dùng amoni molipdat;
- TCVN 6625:2000 (ISO 11923:1997). Xác định chất rắn lơ lửng (TSS) bằng cách lọc qua cái lọc sợi thuỷ tinh;
- TCVN 6492:2011 (ISO 10523:2008). Xác định pH đo bằng thiết bị đo nhanh Lab 850.
2.4.5. Phương pháp xử lý, so sánh số liệu
- Thống kê các số liệu và xử lý bằng phần mềm Excel, SPSS.
- Phân tích số liệu và so sánh với QCVN 62: 2016/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải chăn nuôi. Các kết quả của nghiên cứu trước đây cũng được sử dụng để so sánh, tăng cơ sở khoa học của kết quả đề tài.
- Hiệu suất xử lý được tính bằng hiệu số của nồng độ đầu vào và nồng độ đầu ra của chất ô nhiễm chia cho nồng độ đầu vào nhân với 100%. Công thức cụ thể như sau:
H (%) = Co − Cr
Co x 100%
Trong đó: H là hiệu suất (%)
Co là nồng độ đầu vào của chất ô nhiễm (mg/l) Cr là nồng độ đầu ra của chất ô nhiễm (mg/l)
Chương 3
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.1. Kết quả đánh giá khả năng chống chịu (COD, NH4+, pH) của thực vật thủy sinh thủy sinh
Để đánh giá khả năng sinh trưởng và phát triển trong điều kiện ô nhiễm chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu khả năng chống chịu của các thực vật thủy sinh(Sậy, Thủy trúc, cỏ Vetiver, cỏ Nến, Rau muống, Khoai nước) trong môi trường thủy canh, được thể hiện qua sinh khối của các loại cây trước và sau khi tiến hành thí nghiệm.
3.1.1. Khả năng chống chịu (COD, NH4+, pH) của cây Sậy
3.1.1.1. Khả năng chống chịu pH
Sau 4 tuần thí nghiệm, sự tăng giảm sinh khối thu được của Sậy tại các nồng độ pH khác nhau được trình bày tại bảng 3.1 và hình 3.1.
Bảng 3.1. Sự biến động sinh khối của Sậy với nồng độ pH
TT Nồng độ
pH
Sinh khối trước TN (gam)
Sinh khối sau TN (gam) 1 pH = 5 227,73 ± 7,85a 287,40 ± 10,02b 2 pH = 6 221,30 ± 7,85a 312,90 ± 8,70c 3 pH = 7 220,43 ± 1,96a 291,80 ± 10,41b 4 pH = 8 226,80 ± 9,39a 278,20 ± 0,56b 5 pH = 9 217,23 ± 7,54a 228,17 ± 10,09a
Ghi chú: Các số có cùng chỉ số a, b, c (theo cột) có sự sai khác không đáng kể ở mức ý nghĩa α = 0,05
Đối với cây Sậy, sinh khối tăng ở tất cả các thí nghiệm. Có thể thấy, Sậy là loài cây có sức chống chịu tốt và được sử dụng trong nhiều hệ thống xử lý nước thải với độ pH có tính axit cao. Liu và cs (2018) đã sử dụng Sậy xử lý nước thải có pH từ 7,03- 7,15 [50]. Trong báo cáo khác, Sậy được sử dụng để xử lý nước thải có pH thấp tới 2,85 [33]. Tại Việt Nam, Bùi Thị Kim Anh và cs (2016) nghiên cứu sử dụng Sậy trong hệ thống xử lý nước thải mỏ có độ pH =4, sậy cho thấy khả năng xử lý tốt và thích nghi với điều kiện pH có tính axit cao [2]. Kết quả nghiên cứu này cũng chứng tỏ Sậy có khả năng phát triển tốt trong môi trường nước thải có dải pH rộng từ 5-9. Sinh khối tăng từ 11-92g sinh khối so với ban đầu. Trong đó, sinh khối tăng nhiều nhất ở pH=6 từ 220,43g lên 291,8g (tăng 41,4%) và thấp nhất ở pH=9 từ 271,23 đến 228,17 (tăng 5%). Như vậy, Sậy có thể thích nghi tốt trong nước thải có pH thấp. Ở môi trường có pH cao hơn, cây phát triển kém hơn. Đối với nước thải chăn nuôi lợn có pH là 5,3 thì hoàn toàn có thể sử dụng Sậy để xử lý nguồn nước thải này.
3.1.1.2. Khả năng chống chịu COD
Kết quả khảo sát khả năng sinh trưởng của Sậy trong khoảng COD từ 250 - 1000 mg/l trong 4 tuần được trình bày tại bảng 3.2 và hình 3.2.
Bảng 3.2. Sự biến động sinh khối của Sậy với nồng độ COD