Nghiên cứu công nghệ xử lý và tuần hoàn nước thải chăn nuôi sử dụng kết hợp mô hình đất ngập nước kiến tạo và mô hình Aquaponics
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.09 MB, 81 trang )
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM
LƯU THỊ CÚC
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ XỬ LÝ VÀ TUẦN HOÀN
NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI SỬ DỤNG KẾT HỢP
MÔ HÌNH ĐẤT NGẬP NƯỚC KIẾN TẠO
VÀ MÔ HÌNH AQUAPONICS
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG
THÁI NGUYÊN - 2015
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM
LƯU THỊ CÚC
NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ XỬ LÝ VÀ TUẦN HOÀN
NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI SỬ DỤNG KẾT HỢP
MÔ HÌNH ĐẤT NGẬP NƯỚC KIẾN TẠO
VÀ MÔ HÌNH AQUAPONICS
Chuyên ngành: Khoa học môi trường
Mã số: 60 44 03 01
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG
Người hướng dẫn khoa học: TS. DƯ NGỌC THÀNH
THÁI NGUYÊN - 2015
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng của tôi. Các số liệu,
kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kì công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn
này đã được cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được chỉ rõ
nguồn gốc./.
Tác giả luận văn
Lưu Thị Cúc
ii
LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài, tôi đã nhận được sự giúp
đỡ tạo điều kiện thuận lợi nhất, những ý kiến đóng góp và những lời chỉ bảo quý
báu của tập thể và cá nhân trong và ngoài trường đại học Nông Lâm Thái
Nguyên. Đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc TS. Dư Ngọc Thành là
người trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian nghiên cứu đề tài
và hoàn thành luận văn. Tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của Ủy
ban nhân dân thành phố Lào Cai, Công ty TNHH Giải pháp Kỹ thuật và Truyền
thông môi trường và các cơ quan ban ngành khác có liên quan tạo điều kiện cho
tôi thu thập số liệu, những thông tin cần thiết để thực hiện luận văn này.
Tôi xin được bày tỏ lòng cảm ơn chân thành và sâu sắc tới sự giúp đỡ tận
tình, quý báu đó!
Xin trân trọng cảm ơn!
Tác giả luận văn
Lưu Thị Cúc
iii
MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................... ii
MỤC LỤC ......................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..................................................................... vi
DANH MỤC BẢNG ......................................................................................... vii
DANH MỤC HÌNH ......................................................................................... viii
MỞ ĐẦU............................................................................................................ 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................ 1
2. Mục tiêu của đề tài ........................................................................................ 3
3. Ý nghĩa của đề tài .......................................................................................... 3
Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................ 4
1.1. Các khái niệm cơ bản ................................................................................. 4
1.2. Tổng quan về nước thải chăn nuôi ............................................................. 4
1.2.1. Khái niệm về ô nhiễm môi trường trong chăn nuôi ................................ 4
1.2.2. Nguồn gốc phát sinh chất thải chăn nuôi ................................................ 5
1.2.3. Thành phần tính chất nước thải chăn nuôi .............................................. 5
1.2.4. Các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi lợn .................................... 7
1.2.5. Thực trạng xử lý nước thải chăn nuôi hiện nay ở Việt Nam .................. 8
1.3. Tổng quan về đất ngập nước kiến tạo ...................................................... 10
1.3.1. Khái niệm đất ngập nước kiến tạo ........................................................ 10
1.3.2. Các loại hình đất ngập nước nhân tạo ................................................... 11
1.3.3. Cấu tạo của đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm hay bãi lọc
trồng cây dòng chảy ngầm (SSF) .......................................................... 13
1.4. Tổng quan về Aquaponics........................................................................ 14
1.4.1. Khái niệm về Aquaponics ..................................................................... 14
1.4.2. Đặc trưng cơ bản của Aquaponics ........................................................ 14
iv
1.4.3. Cấu tạo và cơ chế hoạt động của mô hình Aquaponics ........................ 16
1.4.4. Lợi ích sử dụng Aquaponics ................................................................. 16
1.5. Cơ sở khoa học của nghiên cứu ............................................................... 17
1.5.1. Các nghiên cứu ở nước ngoài................................................................ 17
1.5.2. Các nghiên cứu ở trong nước ................................................................ 24
Chương 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................ 28
2.1. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu ......................................... 28
2.2. Thời gian và địa điểm nghiên cứu............................................................ 28
2.3. Nội dung nghiên cứu và các chỉ tiêu theo dõi .......................................... 28
2.4. Phương pháp nghiên cứu.......................................................................... 29
2.4.1. Phương pháp thiết kế mô hình thí nghiệm ............................................ 29
2.4.2. Phương pháp bố trí thí nghiệm.............................................................. 33
2.4.3. Phương pháp lấy mẫu và phân tích ....................................................... 34
2.4.4. Phương pháp tổng hợp và so sánh ........................................................ 36
2.4.5. Phương pháp xử lý số liệu..................................................................... 36
Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ............................................................ 37
3.1. Điều kiện tự nhiên, thời tiết - khí hậu khu vực nghiên cứu ..................... 37
3.1.1. Vị trí địa lý ............................................................................................ 37
3.1.2. Thời tiết - Khí hậu ................................................................................. 37
3.1.3. Ảnh hưởng của điều kiện tự nhiên, thời tiết - khí hậu đến nghiên cứu ......... 38
3.2. Hiệu quả xử lý nước thải của mô hình nghiên cứu với các công thức
thí nghiệm khác nhau .............................................................................. 40
3.2.1. Đánh giá chất lượng nước thải đầu vào ................................................ 40
3.2.2. Đánh giá chất lượng nước thải sau xử lý của các công thức
thí nghiệm .............................................................................................. 42
3.2.3. So sánh hiệu quả xử lý nước thải của các công thức thí nghiệm .......... 49
3.3. Đánh giá hiệu quả kinh tế và đề xuất giải pháp ....................................... 53
3.3.1. Tính toán tổng thu của từng công thức ................................................. 53
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu riêng của tôi. Các số liệu,
kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kì công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng, mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn
này đã được cảm ơn, các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được chỉ rõ
nguồn gốc./.
Tác giả luận văn
Lưu Thị Cúc
vi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu
Tiếng Anh
Tiếng Việt
BOD
Biochemical Oxygen Demand
Nhu cầu oxy hóa sinh hóa
COD
Chemical Oxygen Demand
Nhu cầu oxy hóa hóa học
CV
Coefficient of variation
Hệ số biến động
ĐNNKT
Đất ngập nước kiến tạo
DO
Dissolved Oxygen
Oxy hòa tan
LSD
Least significant difference
Sai khác nhỏ nhất
National Technical Regulation
Qui chuẩn Việt Nam
QCVN
on industrial wastewater
TCVN
Tiêu chuẩn Việt Nam
TSS
Total Suspended Solids
Hàm lượng chất rắn lơ lửng
T-N
Total Nitrogen
Tổng đạm
T-P
Total phosphorus
Tổng lân
TNMT
Resources - Environment
Tài nguyên - Môi trường
vii
DANH MỤC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Thành phần hóa học nước thải của lợn [15] ..................................... 6
Bảng 1.2. Tính chất nước thải chăn nuôi lợn [15] ............................................ 6
Bảng 1.3. Kết quả phân tích một số chỉ tiêu vật lý, hoá học của nước thải
chăn nuôi sau công trình khí sinh học Biogas [8]............................. 9
Bảng 2.1. Các loại vật liệu lọc sử dụng trong mô hình thí nghiệm ................ 29
Bảng 2.2. Hệ thực vật được sử dụng trong mô hình thí nghiệm ..................... 29
Bảng 2.3. Hệ động vật sử dụng trong mô hình Aquaponics ........................... 29
Bảng 2.4. Các chỉ tiêu theo dõi và phương pháp phân tích ............................ 34
Bảng 3.1. Kết quả phân tích một số chỉ tiêu hóa – sinh học của nước thải
đầu vào............................................................................................. 40
Bảng 3.2. Kết quả phân tích một số chỉ tiêu Vật lý của nước thải đầu vào ........ 41
Bảng 3.3. Khả năng xử lý BOD5 trong nước thải của các công thức thí nghiệm ... 42
Bảng 3.4. Khả năng xử lý COD trong nước thải của các công thức thí nghiệm..... 43
Bảng 3.5. Khả năng xử lý T-P trong nước thải của các công thức thí nghiệm ....... 44
Bảng 3.6. Khả năng xử lý T-N trong nước thải của các công thức thí nghiệm ...... 45
Bảng 3.7. Khả năng xử lý Coliform trong nước thải của các công thức thí nghiệm ... 46
Bảng 3.8. Khả năng xử lý TSS trong nước thải của các công thức thí nghiệm .... 48
Bảng 3.9. Khả năng xử lý EC và pH của các công thức thí nghiệm............... 48
Bảng 3.10. Khả năng xử lý Màu và mùi nước thải của các công thức thí nghiệm...... 49
Bảng 3.11. Đặc điểm sinh trưởng, phát triển của thực - động vật trong
mô hình nghiên cứu ........................................................................ 53
Bảng 3.12. Tổng thu của 3 công thức sau 03 tháng chạy mô hình ................. 54
Bảng 3.13. Tổng chi của 3 công thức sau 3 tháng chạy mô hình ................... 55
Bảng 3.14. So sánh hiệu quả kinh tế của 3 công thức thí nghiệm sau 03
tháng chạy mô hình ......................................................................... 56
viii
DANH MỤC HÌNH
Trang
Hình 1.1. Bãi lọc trồng cây dòng chảy mặt..................................................... 11
Hình 1.2. Bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm .................................................. 12
Hình 1.3. Chu kỳ Nito trong mô hình Aquaponics ......................................... 15
Hình 1.4. Cấu tạo 1 mô hình Aquaponics điển hình ....................................... 16
Hình 1.5. Thành phần trái dừa ........................................................................ 25
Hình 1.5.a: Lớp vỏ trong ................................................................................. 25
Hình 1.5.b: Lớp vỏ trong và gáo dừa .............................................................. 25
Hình 1.5.c: Lớp vỏ trong và ngoài .................................................................. 25
Hình 2.1. Mô hình thí nghiệm ......................................................................... 32
Hình 2.2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm.................................................................... 33
Hình 3.1. Khả năng xử lý BOD5 của các công thức thí nghiệm ..................... 43
Hình 3.2. Khả năng xử lý Coliform của các công thức thí nghiệm ................ 47
Hình 3.3: Khả năng xử lý nước thải của các công thức thí nghiệm................ 51
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Nước là cội nguồn của sự sống, là yếu tố quan trọng hàng đầu cho sự
tồn tại và phát triển của con người cũng như sinh vật. Tuy nhiên hiện nay, tài
nguyên nước đang suy giảm nghiêm trọng cả về số lượng và chất lượng mà
nguyên nhân chủ yếu - không ai khác lại là chính con người.
Kinh tế phát triển, nhu cầu sử dụng nước ngày một tăng và nước thải là
một hệ quả tất yếu. Nước thải phát sinh từ mọi hoạt động sống, hoạt động sản
xuất của con người và nếu không có biện pháp quản lý và xử lý kịp thời thì ô
nhiễm môi trường nước do nước thải chỉ còn là vấn đề thời gian. Một trong
những nguồn nước thải có tải trọng lớn, ảnh hưởng trực tiếp đến tài nguyên
nước của nước ta hiện nay là: nước thải chăn nuôi. [8]
Cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội, hội nhập nền kinh tế thế giới,
các ngành nghề đều được đẩy mạnh phát triển. Chăn nuôi cũng vậy: các cơ sở
chăn nuôi ngày càng tăng dù là số lượng hay quy mô. Phát triển chăn nuôi
đem lại hiệu quả kinh tế cao, tuy nhiên bên cạnh những đóng góp về mặt kinh
tế, chăn nuôi cũng bộc lộ nhiều nhược điểm. Các trang trại chăn nuôi với mặt
bằng hạn hẹp không đảm bảo các điều kiện về vệ sinh thú y và nhất là không
xử lý chất thải trước khi thải ra ngoài môi trường làm cho đất, nước, không
khí ở những khu vực xung quanh bị ô nhiễm nặng. Tình trạng ô nhiễm môi
trường xung quanh các cơ sở chăn nuôi ở Việt Nam đã đến mức báo động.
Phần lớn nước thải từ chăn nuôi đều chưa được xử lý hoặc xử lý nhưng không
đúng quy cách nên vẫn gây ô nhiễm đến môi trường. Theo kết quả khảo sát
đánh giá các loại mô hình khí sinh học của Viện Khoa học và Công nghệ môi
trường, Đại học Bách Khoa năm 2010 cho biết nước thải từ việc chăn nuôi
mặc dù đã được xử lý bằng hầm biogas, bể yếm khí, hồ phủ màng HDPE, ...
nhưng nước thải đầu ra xả vào nguồn hầu hết đều chưa đạt được qui chuẩn
môi trường (QCVN 40:2011/BTNMT- Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước
ii
LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài, tôi đã nhận được sự giúp
đỡ tạo điều kiện thuận lợi nhất, những ý kiến đóng góp và những lời chỉ bảo quý
báu của tập thể và cá nhân trong và ngoài trường đại học Nông Lâm Thái
Nguyên. Đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc TS. Dư Ngọc Thành là
người trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian nghiên cứu đề tài
và hoàn thành luận văn. Tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của Ủy
ban nhân dân thành phố Lào Cai, Công ty TNHH Giải pháp Kỹ thuật và Truyền
thông môi trường và các cơ quan ban ngành khác có liên quan tạo điều kiện cho
tôi thu thập số liệu, những thông tin cần thiết để thực hiện luận văn này.
Tôi xin được bày tỏ lòng cảm ơn chân thành và sâu sắc tới sự giúp đỡ tận
tình, quý báu đó!
Xin trân trọng cảm ơn!
Tác giả luận văn
Lưu Thị Cúc
3
hình Aquaponics”. Kết quả của đề tài sẽ góp phần giải quyết hiệu quả bài
toán về môi trường và kinh tế: vừa bảo vệ chất lượng nguồn nước, làm tăng
hiệu quả sử dụng đồng thời giảm chi phí xử lý nước thải chăn nuôi, bảo vệ
sức khỏe người lao động, rất thích hợp với điều kiện của Việt Nam; vừa cung
cấp lợi ích thiệt thực về kinh tế thông qua lượng sinh khối thu được từ mô
hình Aquaponics.
2. Mục tiêu của đề tài
2.1. Mục tiêu chung
- Xác định được khả năng xử lý và tuần hoàn nước thải chăn nuôi khi kết
hợp mô hình đất ngập nước kiến tạo và mô hình Aquaponics.
2.2. Mục tiêu cụ thể
- Đánh giá khả năng xử lý nước thải chăn nuôi sau bể biogas của từng
công thức trong mô hình;
- Đánh giá hiệu quả kinh tế và đề xuất giải pháp.
3. Ý nghĩa của đề tài
3.1. Ý nghĩa trong học tập và nghiên cứu khoa học
- Vận dụng và phát huy những kiến thức đã học vào nghiên cứu.
- Nâng cao kiến thức, kĩ năng bố trí thí nghiệm và phân tích các chỉ
tiêu nghiên cứu, rút ra những kinh nghiệm thực tế phục vụ cho các nghiên
cứu sau này.
- Nâng cao khả năng tự học, tự nghiên cứu và tra cứu tài liệu.
- Bổ sung tư liệu cho học tập.
3.2. Ý nghĩa thực tiễn
- Đưa ra 1 đi hướng mới trong công nghệ xử lý môi trường: kết hợp xử
lý và tuần hoàn nước thải, kết hợp việc đảm bảo lợi ích về môi trường (đất
ngập nước kiến tạo) và lợi ích kinh tế (Aquaponics).
- Xử lý được nước thải chăn nuôi, bảo vệ môi trường.
4
Chương 1
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Các khái niệm cơ bản
* Môi trường: Trong Luật Bảo vệ môi trường đã được Quốc hội nước
Cộng hoà xã hội chủ nghĩa Việt Nam khoá XI, kỳ họp thứ 8 thông qua ngày
29 tháng 11 năm 2005, định nghĩa như sau: “Môi trường bao gồm các yếu tố
tự nhiên và vật chất nhân tạo bao quanh con người, có ảnh hưởng đến đời
sống, sản xuất, sự tồn tại, phát triển của con người và sinh vật”.
* Ô nhiễm môi trường nước: Là sự thay đổi thành phần và chất lượng
nước không đáp ứng cho các mục đích sử dụng khác nhau, vượt quá tiêu chuẩn
cho phép và có ảnh hưởng xấu đến đời sống con người và sinh vật. Nước trong
tự nhiên tồn tại dưới nhiều hình thức khác nhau: Nước ngầm, nước ở các sông
hồ, tồn tại ở thể hơi trong không khí, ... Nước bị ô nhiễm nghĩa là thành phần
của nó tồn tại các chất khác, mà các chất này có thể gây hại cho con người và
cuộc sống các sinh vật trong tự nhiên. Nước ô nhiễm thường là khó khắc phục
mà phải phòng tránh từ đầu.
* Nước thải chăn nuôi: Nước thải chăn nuôi là một loại nước thải rất
đặc trưng và có khả năng gây ô nhiễm môi trường cao do có chứa hàm lượng
cao các chất hữu cơ, cặn lơ lửng, N, P và VSV gây bệnh. [8]
1.2. Tổng quan về nước thải chăn nuôi
1.2.1. Khái niệm về ô nhiễm môi trường trong chăn nuôi
Ô nhiễm môi trường trong chăn nuôi là: sự thay đổi bất lợi môi trường
không khí, môi trường đất và môi trường nước hoàn toàn hay đại bộ phận do
hoạt động chăn nuôi các hoạt động nuôi trồng thủy sản do con người tạo nên.
Những hoạt động này tác dụng trực tiếp, gián tiếp đến sự thay đổi về mặt
năng lượng, mức độ bức xạ, thành phần hóa học, tính chất vật lý, ... Những
thay đổi đó tác động có hại đến con người và sinh vật trên trái đất. [15]
5
1.2.2. Nguồn gốc phát sinh chất thải chăn nuôi
Nguồn gốc phát sinh ô nhiễm môi trường nước trong hoạt động chăn
nuôi chủ yếu được gây ra do nước thải trong khi rửa chuồng, nước tiểu lợn.
Ô nhiễm chất thải rắn do phân, thức ăn thừa của lợn vương vãi ra nền
chuồng mà không được thu gom kịp thời. Các chất này là các chất dễ phân
hủy sinh học: carbonhydrate, protein, chất béo dẫn đến các vi sinh vật phân
hủy làm phát tán mùi hôi thối ra môi trường. Đây là các chất gây ô nhiễm
nặng nhất và thường thấy ở các trang trại chăn nuôi tập trung. [15]
1.2.3. Thành phần tính chất nước thải chăn nuôi
- Các chất hữu cơ và vô cơ: Trong nước thải chăn nuôi hợp chất hữu cơ
chiếm 70 - 80% gồm cellulose, protit, acid amin, chất béo, hidratcarbon và
các dẫn xuất của chúng có trong phân, thức ăn thừa. Hầu hết các chất hữu cơ
dễ phân hủy, các chất vô cơ chiếm 20 - 30% gồm cát, đất, muối, ure,
ammonium, muối chlorua, SO42-, ... [8]
Trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí sẽ
cho các sản phẩm CO2, H2O, NO2-, NO3-. Còn trong quá trình kị khí là CH4,
N2, NH3, H2S, ...
- N và P: Với điều kiện chăn nuôi bằng thức ăn công nghiệp như hiện
nay, sử dụng phổ biến thức ăn đậm đặc, với hàm lượng N và P cao, do vậy vật
nuôi bài tiết ra ngoài theo phân và nước tiểu một lượng đạm cao. Trong nước
thải chăn nuôi lợn thường chứa hàm lượng N và P rất cao. Hàm lượng N-tổng
trong nước thải chăn nuôi 571 - 1026 mg/l photpho từ 39 - 94 mg/l.
- Sinh vật gây bệnh: Nước thải chăn nuôi chứa nhiều loại vi khuẩn như
Salmonella, Shigella, Proteus, Arizona. Trứng giun sán trong nước thải với
những loại điển hình là Fasiola hepatica, Fasiolagigantiac, Fasiolosis buski,
có thể gây bệnh cho người và gia súc. [8]
- Thành phần hóa học nước tiểu lợn.
6
Bảng 1.1. Thành phần hóa học nước thải của lợn [15]
STT
1
2
3
4
5
6
7
Đặc tính
Vật chất khô
NH4-N
Nt
Tro
Urea
Cacbonates
pH
Đơn vị
g/kg
g/kg
g/kg
g/kg
mmol/l
g/kg
Giá trị
30.9 - 35.9
0.13 - 0.40
4.90 - 6.63
8.5 - 16.3
123 - 196
0.11 - 0.19
6.77 - 8.19
Nước phân chuồng là nước từ các đống phân chảy ra, phần lớn là nước
tiểu gia súc hòa lẫn nhiều chất hòa tan của phân đặc và chứa thêm một lượng
nước rửa chuồng. Nước phân chuồng rất giàu dinh dưỡng, dễ tiêu và có giá trị
lớn về mặt phân bón.
Tính chất của nước thải chăn nuôi lợn: Nhìn chung nước thải chăn nuôi
không chứa các chất độc hại như nước thải của các ngành công nghiệp khác
nhưng chứa nhiều ấu trùng, vi trùng, trứng giun sán: Điển hình là nhóm vi
trùng đường ruột với các genus như E.Coli, Salmonella, Shigella, Proteus,
Arizona. Trứng giun sán trong nước thải với những loại điển hình là Fasiola
hepatica, Fasiolagigantiac, Fasiolosis buski,... có thể phát triển đến giai đoạn
gây nhiễm sau 6 - 28 ngày ở nhiệt độ và khí hậu nước ta và có thể tồn tại
được 2 - 5 tháng. Nhiều loại mầm bệnh có khả năng xâm nhập vào mạch
nước ngầm như B.anthracis, Salmonella, E.Coli,... [8]
Bảng 1.2. Tính chất nước thải chăn nuôi lợn [15]
STT
1
2
3
4
5
6
7
8
Đặc tính
Độ màu
Độ đục
BOD5
COD
SS
Pt
Nt
Dầu mỡ
Đơn vị
Pt-CO
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
Giá trị
350 - 870
420 - 550
3500 - 8900
5000 - 12000
680 - 1200
36 - 72
220 - 460
5 - 58
iii
MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................... ii
MỤC LỤC ......................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..................................................................... vi
DANH MỤC BẢNG ......................................................................................... vii
DANH MỤC HÌNH ......................................................................................... viii
MỞ ĐẦU............................................................................................................ 1
1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................ 1
2. Mục tiêu của đề tài ........................................................................................ 3
3. Ý nghĩa của đề tài .......................................................................................... 3
Chương 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................ 4
1.1. Các khái niệm cơ bản ................................................................................. 4
1.2. Tổng quan về nước thải chăn nuôi ............................................................. 4
1.2.1. Khái niệm về ô nhiễm môi trường trong chăn nuôi ................................ 4
1.2.2. Nguồn gốc phát sinh chất thải chăn nuôi ................................................ 5
1.2.3. Thành phần tính chất nước thải chăn nuôi .............................................. 5
1.2.4. Các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi lợn .................................... 7
1.2.5. Thực trạng xử lý nước thải chăn nuôi hiện nay ở Việt Nam .................. 8
1.3. Tổng quan về đất ngập nước kiến tạo ...................................................... 10
1.3.1. Khái niệm đất ngập nước kiến tạo ........................................................ 10
1.3.2. Các loại hình đất ngập nước nhân tạo ................................................... 11
1.3.3. Cấu tạo của đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm hay bãi lọc
trồng cây dòng chảy ngầm (SSF) .......................................................... 13
1.4. Tổng quan về Aquaponics........................................................................ 14
1.4.1. Khái niệm về Aquaponics ..................................................................... 14
1.4.2. Đặc trưng cơ bản của Aquaponics ........................................................ 14
8
+ Tháp lọc sinh học;
+ Tháp lọc sinh học nhỏ giọt;
+ Bể lọc sinh học tiếp xúc quay (RBC).
- Xử lý theo phương pháp kỵ khí:
+ Bể xử lý bằng lớp bùn kỵ khí với dòng nước từ dưới lên (UASB);
+ Bể phản ứng yếm khí tiếp xúc;
+ Bể lọc kỵ khí;
+ Bể phản ứng có dòng nước đi qua lớp cặn lơ lửng và lọc tiếp qua lớp
vật liệu lọc cố định.
* Các hệ thống xử lý tự nhiên bằng phương pháp sinh học.
- Hồ sinh học:
+ Hồ hiếu khí;
+ Hồ làm thoáng tự nhiên;
+ Hồ hiếu khí làm thoáng nhân tạo: Hồ tùy nghi; Hồ kỵ khí; Hồ xử lý
bổ sung;
+ Cánh đồng tưới;
+ Vùng đất ngập nước (bãi lọc ngầm trồng cây - Constructed Wetland).
1.2.5. Thực trạng xử lý nước thải chăn nuôi hiện nay ở Việt Nam
Phương pháp được áp dụng chủ yếu trong các trang trại chăn nuôi hiện
nay là bể biogas và nó đã cho thấy hiệu quả rõ rệt. Tuy nhiên, phần nước thải
sau biogas lại chưa được quan tâm nhiều, qua quá trình xử lý biogas ban đầu
về thành phần các chất thải đã giảm đi nhiều nhưng chưa thật sự triệt để: nó
vẫn còn mang nhiều mầm bệnh và các chất hữu cơ, phần nước này được xả
thẳng ra sông, ngòi, ao, hồ,... gây ô nhiễm môi trường.
Việc sử dụng hầm biogas để xử lý nước thải chăn nuôi lợn đã làm giảm
đáng kể nồng độ các chất ô nhiễm. Trung bình, COD giảm 84,7%, BOD5 giảm
76,3%, SS giảm 86,1%, VSS giảm 85,4%, TKN giảm 11,8%, T-P giảm 7,0%
9
và Fecal coliform giảm 51,2%. Tuy nhiên, nồng độ các chất ô nhiễm trong
nước thải đầu ra vẫn còn khá cao, vượt tiêu chuẩn cho phép (QCVN
24:2009/BTNMT, cột B, TCN 678 - 2006). Đặc biệt đáng quan tâm là nồng độ
các chất dinh dưỡng ở các mẫu này rất cao, tiềm ẩn nguy cơ gây phú dưỡng khi
xả thải vào các vực nước mặt. [8]
Bảng 1.3. Kết quả phân tích một số chỉ tiêu vật lý, hoá học của nước thải
chăn nuôi sau công trình khí sinh học Biogas [8]
Chỉ tiêu
Màu sắc
Đơn vị
-
Kết quả
Xanh đen
QCVN 40-20111(cột B)
-
Mùi
-
Hôi
Không có mùi
COD
mg/l
661.04
150
BOD5
mg/l
484.76
50
T-N
mg/l
410.43
40
T-P
mg/l
76.24
6
TDS
ppm
4259
-
DO
mg/l
0.46
-
TSS
mg/l
850.68
100
pH
-
7.96
5.5-9
EC
mS/m
8518
-
Qua bảng 1.3 ta thấy: Nước thải tuy đã được xử lý qua bể biogas nhưng
hàm lượng các chất hữu cơ, các cặn bẩn vẫn còn rất cao, đặc biệt như:
- BOD5 là 484.76 mg/l trong đó TCCP là 50 mg/l, như vậy vượt TCCP là
9.69 lần.
- COD là 611.04 mg/l, trong đó TCCP là 150 mg/l, như vậy vượt TCCP là
4.1 lần.
- T-N là 410.43 mg/l trong đó TCCP là 40mg/l, như vậy vượt TCCP 10.26 lần.
- T-P là 76.24 mg/l trong đó TCCP là 6 mg/l, như vậy vượt TCCP 12.7 lần.
- TDS là 4259 ppm, đây cũng là hàm lượng khá cao so với nguồn nước mặt.
10
Nguồn nước thải sau biogas vẫn có mùi hôi và màu xám đen đặc trưng;
độ dẫn diện EC trong nước rất cao (8518 mS/m) chứng tỏ trong nước thải chứa
một lượng lớn các hợp chất hữu cơ và vô cơ bởi đây là những thành phần chứa
các anion và cation có khả năng dẫn điện tốt trong nước. Chỉ có duy nhất chỉ
tiêu pH nằm trong TCCP theo QCVN 40-2011/BTNMT với pH là 7.96.
Từ tất cả các phân tích trên, ta thấy rằng nước thải sau biogas tuy đã
được xử lý bậc 1 nhưng vẫn còn nồng độ khá cao các chất ô nhiễm, chưa đạt
QCVN 40/2011. Do đó cần phải có biện pháp xử lý cấp 2 để giảm bớt các chất
ô nhiễm trước khi xả ra môi trường.
1.3. Tổng quan về đất ngập nước kiến tạo
1.3.1. Khái niệm đất ngập nước kiến tạo
Đất ngập nước kiến tạo (ĐNNKT) hay đất ngập nước nhân tạo là:“Hệ
thống được thiết kế và xây dựng như một vùng đất ngập nước nhưng việc xử
lý nước thải hiệu quả hơn, giảm diện tích và đặc biệt có thể quản lý được quá
trình vận hành ở mức đơn giản”. [1]
ĐNNKT gần đây đã được biết đến trên thế giới như một giải pháp công
nghệ mới, xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên với hiệu suất cao, chi phí thấp
và ổn định, ngày càng được áp dụng rộng rãi. Ở Việt Nam, công nghệ trên thực
chất còn rất mới.
ĐNNKT dùng để xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên. Với các
thông số làm việc khác nhau, đất ngập nước kiến tạođược sử dụng rộng rãi
trong xử lý nhiều loại nước thải. Khác với bãi đất ngập nước tự nhiên, thường
là nơi tiếp nhận nước thải sau khi xử lý, với chất lượng đã đạt yêu cầu theo
tiêu chuẩn và chúng chỉ làm nhiệm vụ xử lý bậc cao hơn, ĐNNKT là một
thành phần trong hệ thống các công trình xử lý nước thải sau bể tự hoại hay
sau xử lý bậc hai. [1]
11
1.3.2. Các loại hình đất ngập nước nhân tạo
Có 2 kiểu phân loại đất ngập nước kiến tạo cơ bản theo hình thức chảy:
Loại dòng chảy tự do trên mặt đất (Free surface flow) và loại chạy ngầm trong
đất (Subsurface slow).
1.3.2.1. Đất ngập nước có dòng chảy bề mặt (Surface flow wetland - SFW)
hay bãi lọc trồng cây ngập nước
Hệ thống này mô phỏng một đầm lầy hay đất ngập nước trong điều kiện
tự nhiên. Dưới đáy bãi lọc là một lớp đất sét tự nhiên hay nhân tạo, hoặc rải một
lớp vải nhựa chống thấm. Trên lớp chống thấm là đất hoặc vật liệu phù hợp cho
sự phát triển của thực vật có thân nhô lên khỏi mặt nước. Dòng nước thải chảy
ngang trên bề mặt lớp vật liệu lọc. Hình dạng bãi lọc này thường là kênh dài hẹp,
vận tốc dòng chảy chậm, thân cây trồng nhô lên trong bãi lọc là những điều kiện
cần thiết để tạo nên chế độ thuỷ kiểu dòng chảy đẩy (plug-flow). [1]
Hình 1.1. Bãi lọc trồng cây dòng chảy mặt
1.3.2.2. Bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm hay đất ngập nước dòng chảy dưới
bề mặt đất ngập nước (Subsurface flow wetland)
Hệ thống này chỉ mới xuất hiện gần đây và được biết đến với các tên
gọi khác nhau như lọc ngầm trồng cây (Vegetated submerged bed - VBS), hệ
thống xử lý với vùng rễ (Root zone system), bể lọc với vật liệu sỏi trồng sậy
12
(Rock reed filter) hay bể lọc vi sinh và vật liệu (Microbial rock filter). Cấu tạo
của bãi lọc ngầm trồng cây về cơ bản cũng gồm các thành phần tương tự như
bãi lọc trồng cây ngập nước nhưng nước thải chảy ngầm trong phần lọc của
bãi lọc. Lớp lọc, nơi thực vật phát triển trên đó, thường gồm có đất, cát, sỏi,
đá dăm và được xếp theo thứ tự từ trên xuống dưới, giữ độ xốp của lớp lọc.
Dòng chảy có thể có dạng chảy từ dưới lên, từ trên xuống dưới hoặc chảy
theo phương nằm ngang. Dòng chảy phổ biến nhất ở bãi lọc ngầm là dòng
chảy ngang. Hầu hết các hệ thống được thiết kế với độ dốc 1% hoặc hơn. [15]
Khi chảy qua lớp vật liệu lọc, nước thải được lọc sạch nhờ tiếp xúc với
bề mặt của các hạt vật liệu lọc và vùng rễ của thực vật trồng trong bãi lọc.
Vùng ngập nước thường thiếu oxy, nhưng thực vật của bãi lọc có thể vận
chuyển một lượng oxy đáng kể tới hệ thống rễ tạo nên tiểu vùng hiếu khí cạnh
rễ và vùng rễ, cũng có một vùng hiếu khí trong lớp lọc sát bề mặt tiếp giáp
giữa đất và không khí.
Bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy ngang có khả năng xử lý chất hữu cơ
và rắn lơ lửng tốt, nhưng khả năng xử lý các chất dinh dưỡng lại thấp, do điều
kiện thiếu oxy, kị khí trong các bãi lọc không cho phép nitrat hoá amoni nên
khả nãng xử lý nitơ bị hạn chế. Xử lý phốtpho cũng bị hạn chế do các vật liệu
lọc được sử dụng (sỏi, đá dăm) có khả năng hấp phụ kém. [1]
Hình 1.2. Bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm
13
Loại này bao gồm cả các loại bãi lọc có dòng chảy nằm ngang hay dòng
chảy thẳng đứng từ dưới lên, từ trên xuống.
Dòng chảy dưới bề mặt vùng đất ngập nước (SSF) là: Vùng đất ngập
nước của SSF được xây dựng với vật liệu xốp (ví dụ: đất, cát, sỏi) như là một
chất nền cho tăng trưởng của thực vật bắt nguồn từ vùng đất ngập nước. Các
vùng đất ngập nước của SSF được thiết kế để nước chảy theo chiều ngang
hoặc theo chiều dọc thông qua các bề mặt và dưới bề mặt mặt đất. Các loài
thực vật được trồng phổ biến nhất trong bãi lọc là Cỏ nến, Sậy, Cói, Bấc,
Lách,... oxy cung cấp cho bề mặt và cho phép sinh học tăng trưởng tích lũy về
nguồn gốc của nó. Vi khuẩn và nấm có lợi sống trong chất nền như màng sinh
học gắn liền với các hạt chất nền. Dòng chảy được duy trì bởi đáy và độ dốc
hoặc một cấu trúc điều chỉnh cho phép mực nước được hạ xuống ở cuối nền.
Loại này ít tốn kém và tạo sự điều hòa nhiệt độ khu vực cao hơn loại chảy
ngầm, nhưng hiệu quả xử lý kém hơn, tốn diện tích đất nhiều hơn và có thể
phải giải quyết thêm vấn đề muỗi và côn trùng phát triển. [15]
1.3.3. Cấu tạo của đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm hay bãi lọc
trồng cây dòng chảy ngầm (SSF)
- Cấu tạo: Về cơ bản cũng tương tự như bãi lọc trồng cây ngập nước,
nhưng nước thải chảy ngầm trong lớp lọc của bãi lọc. Lớp lọc, nơi thực vật
phát triển trên đó thường có đất, cát, sỏi và đá, được xếp thứ tự từ trên xuống
dưới, giữ độ xốp của lớp lọc. [1]
- Loại này bao gồm cả các loại bãi lọc có dòng chảy nằm ngang (HF)
hay dòng chảy thẳng đứng (VF) từ dưới lên, từ trên xuống.
- Lớp vật liệu bảo đảm sự sinh trưởng cho thực vật bao gồm đất, cát, sỏi,
đá, được xếp theo thứ tự đó từ trên xuống nhằm tạo độ xốp tốt hơn. Kiểu dòng
chảy của nước thải có thể là hướng lên trên, hướng xuống dưới, ngang; kiểu
dòng chảy ngang là phổ biến nhất. Hầu hết các SSF được thiết kế với độ dốc 1%
hay hơn một chút. [4]
14
- Nước thải chảy qua các vùng lọc, sẽ được làm sạch nhờ tiếp xúc với
bề mặt của chất liệu lọc, rễ thực vật. Vùng ngầm thường thiếu oxy, nhưng
thực vật có thể vận chuyển lượng oxy dư thừa tới phần rễ, bằng cách đó tạo ra
những tiểu vùng vi sinh vật hiếu khí ngay cạnh các rễ và thực vật thân rễ. Còn
có một lớp ôxy mỏng trong lớp đất gần lớp tiếp xúc với không khí.
Bãi lọc ngầm được ứng dụng để xử lý nhiều loại nước thải như: nước
thải sinh hoạt, nước thải bệnh viện, nước thải sau bể tự hoại. Ở nhiều nước
trên thế giới đã nghiên cứu thành công bãi lọc ngầm để xử lý nước xám
(Nước xám là nước thải sản xuất từ bồn rửa, bồn tắm, hoặc quần áo rửa, nó
không bao gồm nước nhà vệ sinh, trong đó có các tác nhân gây bệnh và vi
khuẩn nhiều hơn nữa).
Nước thải đi qua vùng đất ngập nước từ từ và làm sạch nước ra khỏi hệ
thống xử lý. Nước thải được chuyển vào hệ thống xử lý theo một đường ống
và chảy trong lòng vật liệu lọc của hệ thống nằm bên dưới bề mặt đất.
1.4. Tổng quan về Aquaponics
1.4.1. Khái niệm về Aquaponics
Thuật ngữ Aquaponics là sự kết hợp của từ Aquaculture (nuôi trồng thủy
sản) và Hydroponics (thủy canh). Aquaponics là một hệ thống canh tác mới
đầy tiềm năng trong tương lai ở Việt Nam và trên thế giới. Aquaponics dựa trên
các hệ thống sản xuất như chúng ta đã biết trong tự nhiên. Aquaponics là sự kết
hợp của cả hai hệ thống: nuôi trồng thủy sản và thủy canh. [4]
1.4.2. Đặc trưng cơ bản của Aquaponics
Hệ thống thủy canh đòi hỏi người quản lý phải có trình độ kỹ thuật nhất
định và tương đối khó khăn trong việc bổ sung chất dinh dưỡng (phân bón,
các yếu tố vi lượng,…) tối ưu cho sự phát triển của cây trồng. Nước trong hệ
thống thủy canh cần phải được thay định kỳ và sau đó phải bổ sung dinh
dưỡng cho phù hợp với sự phát triển của cây. Điều này gây tốn kém, khó
khăn cho vận hành hệ thống và gây ô nhiễm môi trường.
iv
1.4.3. Cấu tạo và cơ chế hoạt động của mô hình Aquaponics ........................ 16
1.4.4. Lợi ích sử dụng Aquaponics ................................................................. 16
1.5. Cơ sở khoa học của nghiên cứu ............................................................... 17
1.5.1. Các nghiên cứu ở nước ngoài................................................................ 17
1.5.2. Các nghiên cứu ở trong nước ................................................................ 24
Chương 2: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................ 28
2.1. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu ......................................... 28
2.2. Thời gian và địa điểm nghiên cứu............................................................ 28
2.3. Nội dung nghiên cứu và các chỉ tiêu theo dõi .......................................... 28
2.4. Phương pháp nghiên cứu.......................................................................... 29
2.4.1. Phương pháp thiết kế mô hình thí nghiệm ............................................ 29
2.4.2. Phương pháp bố trí thí nghiệm.............................................................. 33
2.4.3. Phương pháp lấy mẫu và phân tích ....................................................... 34
2.4.4. Phương pháp tổng hợp và so sánh ........................................................ 36
2.4.5. Phương pháp xử lý số liệu..................................................................... 36
Chương 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ............................................................ 37
3.1. Điều kiện tự nhiên, thời tiết - khí hậu khu vực nghiên cứu ..................... 37
3.1.1. Vị trí địa lý ............................................................................................ 37
3.1.2. Thời tiết - Khí hậu ................................................................................. 37
3.1.3. Ảnh hưởng của điều kiện tự nhiên, thời tiết - khí hậu đến nghiên cứu ......... 38
3.2. Hiệu quả xử lý nước thải của mô hình nghiên cứu với các công thức
thí nghiệm khác nhau .............................................................................. 40
3.2.1. Đánh giá chất lượng nước thải đầu vào ................................................ 40
3.2.2. Đánh giá chất lượng nước thải sau xử lý của các công thức
thí nghiệm .............................................................................................. 42
3.2.3. So sánh hiệu quả xử lý nước thải của các công thức thí nghiệm .......... 49
3.3. Đánh giá hiệu quả kinh tế và đề xuất giải pháp ....................................... 53
3.3.1. Tính toán tổng thu của từng công thức ................................................. 53
