Nghiên cứu ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn (Luận án tiến sĩ)

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

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

HÀ NỘI – 2018


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

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG
Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường
Mã số: 62.52.03.20

Người hướng dẫn khoa học:
1. TS. Trần Văn Tựa
2. GS,TS. Đặng Đình Kim

HÀ NỘI – 2018


LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS, NCVCC. Trần Văn Tựa và GS,TS.
Đặng Đình Kim vì đã có những chỉ dẫn quý báu về phương pháp luận, định hướng cho
tôi những hướng nghiên cứu khoa học quan trọng trong quá trình thực hiện luận án này
và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành bản luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Bộ Khoa học & Công nghệ, Văn phòng các Chương
trình Khoa học Công nghệ trọng điểm cấp Nhà nước, Chương trình KC.08/11-15, chủ
nhiệm đề tài KC08.05/11-15 đã hỗ trợ kinh phí thực hiện nghiên cứu này.
Tôi xin cảm ơn Lãnh đạo Viện Công nghệ môi trường và các bạn đồng nghiệp
phòng Thủy sinh học môi trường, Viện Công nghệ môi trường đã tạo điều kiện về mọi
mặt và đóng góp các ý kiến quý báu về chuyên môn trong suốt quá trình tôi thực hiện
và bảo vệ Luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Lãnh đạo và bộ phận Đào tạo của Học viện khoa
học và Công nghệ đã giúp tôi hoàn thành các học phần của Luận án và mọi thủ tục cần
thiết.
Cuối cùng tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình, người thân đã
luôn chia sẻ, động viên tinh thần và là nguồn cổ vũ, giúp đỡ tôi vượt qua mọi khó khăn
trong suốt quá trình thực hiện Luận án.

NGHIÊN CỨU SINH

Vũ Thị Nguyệt

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ......................................................................... 4
1.1. Tổng quan về nước thải chăn nuôi lợn ..................................................................... 4
1.1.1. Vài nét về tình hình chăn nuôi lợn trang trại ........................................................ 4
1.1.2. Ô nhiễm môi trường do chăn nuôi lợn gây ra tại Việt Nam.................................. 5
1.1.3. Hiện trạng công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn ............................................ 9
1.2. Tổng quan về các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi lợn ............................. 11
1.3. Công nghệ sinh thái trong xử lý nước thải chăn nuôi ............................................ 13
1.3.1. Khái niệm công nghệ sinh thái ............................................................................ 13
1.3.2. Các nhóm thực vật thủy sinh trong công nghệ sinh thái ..................................... 13
1.3.3. Vai trò của thực vật thuỷ sinh trong xử lý nước thải........................................... 14
1.3.4. Các loại hình công nghệ sử dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải ....... 15
1.3.5. So sánh hệ thống công nghệ dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm ....................... 25
1.3.6. Sơ lược về một số loài thực vật thủy sinh nghiên cứu ......................................... 27
1.4. Ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải và nước thải chăn nuôi lợn........ 32
1.4.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ...................................................................... 32
1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ........................................................................ 36
CHƯƠNG 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................ 45
2.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................. 45
2.2. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................ 46
2.2.1. Đánh giá khả năng chống chịu và xử lý các tác nhân ô nhiễm ........................... 46
2.2.2. Đánh giá khả năng xử lý nước thải chăn nuôi lợn của các loại hình công nghệ ... 48
2.2.3. Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn của mô hình sinh thái ........... 53
2.2.4. Phương pháp phân tích ....................................................................................... 53
2.2.5. Phương pháp xử lý số liệu ................................................................................... 54
2.2.6. Thiết bị sử dụng trong nghiên cứu ...................................................................... 55
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................ 56

3.1. Khả năng chống chịu và xử lý ô nhiễm nước thải chăn nuôi lợn sau giai đọan xử lý
vi sinh vật qui mô phòng thí nghiệm ............................................................................. 56
3.1.1. Khả năng chống chịu một số yếu tố môi trường của thực vật thủy sinh ............... 56
3.1.2. Hiệu quả xử lý ô nhiễm của các loài TVTS được lựa chọn ................................. 62


3.2. Hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau xử lý vi sinh vật của một số loại công
nghệ sử dụng thực vật thủy sinh với lưu lượng nước thải khác nhau .......................... 81
3.2.1. Công nghệ sử dụng thực vật lá nổi Bèo tây......................................................... 81
3.2.2. Công nghệ dòng chảy trên bề mặt ....................................................................... 85
3.2.3. Công nghệ dòng chảy ngầm ................................................................................ 91
3.2.4. Hệ thống phối hợp các thực vật thủy sinh ......................................................... 100
3.2.5. So sánh hiệu quả xử lý TN, TP và COD của các loại hình công nghệ.............. 108
3.3. Xây dựng, vận hành và đánh giá hiệu quả giảm thiểu COD, N và P trong mô hình
sinh thái........................................................................................................................ 110
3.3.1. Xây dựng mô hình sinh thái ............................................................................... 110
3.3.2. Đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình sinh thái................................................. 113
3.3.2.1. Hiệu quả xử lý COD ........................................................................................ 113
3.3.2.2. Hiệu quả xử lý nitơ ......................................................................................... 116
3.3.2.3. Hiệu quả xử lý photpho .................................................................................. 120
3.3.2.4. Sự biến đổi các yếu tố thủy lý của mô hình sinh thái ..................................... 122
3.3.2.5. Bước đầu tính toán hiệu quả kinh tế .............................................................. 123
3.4. Đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình sinh thái tích hợp trong mô hình tổng thể xử
lý nước thải chăn nuôi lợn tại Lương Sơn, Hòa Bình ................................................. 126
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 130
KẾT LUẬN ................................................................................................................. 130
KIẾN NGHỊ................................................................................................................. 131
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ .......................................................... 132
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 133

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Ký hiệu
BOD
CNST
COD
ĐC
ĐNN
ĐNNNT
DO
FAO
HN
HT
NT
NN&PTNT
PTN
QCVN
MHST
S
TB
TCN
TKN
TN
TNMT
TLTK
TP
TVTS

Ý nghĩa

Biochemical oxygen demand (Nhu cầu oxy sinh hóa)
Công nghệ sinh thái
Chemical Oxygen Demand (Nhu cầu ô xy hóa học)
Đối chứng
Đất ngập nước
Đất ngập nước nhân tạo
Dissolved Oxygen (ôxy hòa tan)
Food and Agriculture Organization (Tổ chức nông lương thế
giới)
Hà Nội
Hệ thống
Ngổ Trâu
Nông nghiệp và Phát triển nông thôn
Phòng thí nghiệm
Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia
Mô hình sinh thái
Sậy
Thái Bình
Tiêu chuẩn ngành
Tổng nitơ Kjeldahl
Tổng nitơ
Tài nguyên Môi trường
Tài liệu tham khảo
Tổng phốt pho
Thực vật thủy sinh


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1. Phân bố số lợn và trang trại chăn nuôi theo vùng sinh thái ............................ 4
Bảng 1.2. Số lượng lợn cả nước (tính đến tháng 10/2016) ............................................. 5

Bảng 1.3. Số đầu lợn và lượng nước tiêu thu tại một số trang trại điển hình.................. 6
Bảng 1.4. Thành phần và mức độ ô nhiễm nước thải chăn nuôi lợn trang trại. .............. 7
Bảng 1.5. So sánh ưu nhược điểm hệ thống dòng chảy ngang và dòng chảy thẳng
đứng..22
Bảng 1.6. BOD bị loại bỏ trong một số hệ thống dòng ngầm ....................................... 23
Bảng 1.7. So sánh ưu điểm và nhược điểm của hệ thống dòng mặt và hệ thống dòng ngầm26
Bảng 1.8. Hiệu quả loại bỏ BOD5 và TSS tại một số kiểu hệ thống đất ngập nước nhân tạo27
Bảng 1.9. Tình hình nghiên cứu sử dụng TVTS trong xử lý nước thải trên thế giới ... 32
Bảng 1.10. Tình hình nghiên cứu sử dụng TVTS trong xử lý nước thải ở Việt Nam... 41
Bảng 2.1. Thành phần cơ bản nước thải sau xử lý vi sinh vật tại Trung tâm nghiên cứu
lợn Thụy Phương (Viện Chăn nuôi) .............................................................................. 45
Bảng 2.2. Thành phần môi trường thủy canh cho cây.................................................. 46
Bảng 2.3. Các công thức thí nghiệm khả năng chống chịu ........................................... 47
Bảng 3.1. Khả năng chống chịu một số yếu tố môi trường của các thực vật thủy sinh 62
Bảng 3.2. Hiệu quả xử lý của hệ thống sử dụng Bèo tây .............................................. 81
Bảng 3.3. Hiệu quả xử lý của hệ thống Sậy theo công nghệ dòng mặt ......................... 85
Bảng 3.4. Hiệu quả xử lý của hệ Rau muống theo công nghệ dòng mặt ...................... 88
Bảng 3.5. Hiệu quả xử lý của hệ thống Sậy theo công nghệ dòng ngầm ...................... 92
Bảng 3.6. Hiệu quả xử lý của hệ thống cỏ Vetiver theo công nghệ dòng ngầm ........... 96
Bảng 3.7. Hiệu quả xử lý của hệ thống phối hợp Bèo tây và Sậy ............................... 100
Bảng 3.8. So sánh hiệu quả xử lý TN, TP và COD của các loại hình công nghệ ....... 109
Bảng 3.9. Các thông số thiết kế hệ thống .................................................................... 112
Bảng 3.10. Các thông số thủy lý của mô hình sinh thái .............................................. 122
Bảng 3.11. Chi phí xây dựng mô hình sinh thái với TVTS......................................... 124
Bảng 3.12. Hiệu quả xử lý COD, TN và TP của mô hình xử lý nước thải ................. 128


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ các qui trình công nghệ xử lý nước thải đang áp dụng tại các trang trại
chăn nuôi lợn ................................................................................................................. 10

Hình 1.2. Các loại hình công nghệ sinh thái sử dụng TVTS trong xử lý nước thải ...... 16
Hình 1.3: Cơ chế loại bỏ nitrogen trong đất ngập nước ................................................ 18
Hình 1.4: Sơ đồ đất ngập nước dòng chảy ngầm theo chiều ngang .............................. 21
Hình 1.5: Sơ đồ đất ngập nước dòng chảy ngầm theo chiều đứng................................ 21
Hình 1.6. Bèo tây (Eichhornia crassipes) ..................................................................... 27
Hình 1.7. Bèo cái (Pistia stratiotes) ............................................................................. 28
Hình 1.8. Rau muống (Ipomoea aquatica ) ................................................................... 28
Hình 1.9. Cây Ngổ trâu (Enydra fluctuans) .................................................................. 29
Hình 1.10. Cây Cải xoong (Rorippa nasturtium aquaticum) ........................................ 30
Hình 1.11. Cây sậy (Phragmites australis) ................................................................... 30
Hình 1.12. cỏ Vetiver (Vetiveria zizanioides) ............................................................... 31
Hình 1.13. Cây Thủy trúc (Cyperus alternifolius) ........................................................ 31
Hình 2.1. Sơ đồ thực nghiệm tại pilot với Bèo tây ........................................................ 48
Hình 2.2. Sơ đồ thực nghiệm hệ thống dòng mặt tại pilot ............................................ 49
Hình 2.3. Sơ đồ thực nghiệm hệ thống dòng ngầm tại pilôt ......................................... 50
Hình 2.4. Sơ đồ thực nghiệm hệ phối hợp Bèo tây và Sậy tại pilot ............................. 51
Hình 2.5. Sơ đồ hệ thống phối hợp Sậy, Thủy trúc, Bèo tây và cỏ Vetiver tại pilot..... 52
Hình 3.1. Ảnh hưởng của nồng độ COD khác nhau lên sinh trưởng của TVTS........... 57
Hình 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ NH4+ khác nhau lên sinh trưởng của TVTS .......... 58
Hình 3.3. Ảnh hưởng của nồng độ NO3- khác nhau lên sinh trưởng của TVTS .......... 60
Hình 3.4. Ảnh hưởng của pH khác nhau lên sinh trưởng của TVTS ............................ 61
Hình 3.5. Hiệu quả xử lý COD (%)-Thí nghiệm theo mẻ ............................................. 63
Hình 3.6. Hiệu quả xử lý TSS (%)-Thí nghiệm theo mẻ............................................... 64
Hình 3.7. Hiệu quả xử lý NH4+ - thí nghiệm theo mẻ ................................................... 65
Hình 3.8. Hiệu quả xử lý TN- thí nghiệm theo mẻ........................................................ 67


Hình 3.9. Hiệu quả xử lý PO43- - Thí nghiệm theo mẻ .................................................. 68
Hình 3.10. Hiệu quả xử lý TP- thí nghiệm theo mẻ ...................................................... 70
Hình 3.11. Hiệu quả xử lý COD (%)- Thí nghiệm bán liên tục .................................... 71

Hình 3.12. Hiệu quả xử lý COD trung bình (%)- Thí nghiệm bán liên tục................... 72
Hình 3.13. Hiệu quả xử lý NH4+ (%)- Thí nghiệm bán liên tục .................................... 73
Hình 3.14. Hiệu quả xử lý NH4+ trung bình (%)- Thí nghiệm bán liên tục ................. 74
Hình 3.15. Hiệu quả xử lý TN (%)- Thí nghiệm bán liên tục ....................................... 75
Hình 3.16. Hiệu quả xử lý TN trung bình (%) - Thí nghiệm bán liên tục..................... 75
Hình 3.17. Hiệu quả xử lý PO43- (%)- Thí nghiệm bán liên tục .................................... 76
Hình 3.18. Hiệu quả xử 3 lý PO4- trung bình (%)- Thí nghiệm bán liên tục ................. 77
Hình 3.19. Hiệu quả xử lý TP (%) - Thí nghiệm bán liên tục ....................................... 78
Hình 3.20. Hiệu quả xử lý TP trung bình (%) - Thí nghiệm bán liên tục ..................... 79
Hình 3.21. Hiệu quả xử lý COD, TN và TP của Bèo tây .............................................. 83
Hình 3.22. Hiệu quả xử lý COD, TN và TP của cây Sậy theo công nghệ dòng mặt .... 86
Hình 3.23. Hiệu quả xử lý COD, TN và TP của Rau muống theo công nghệ dòng mặt90
Hình 3.24. Hiệu quả xử lý COD, TN và TP của hệ thống dòng ngầm trồng Sậy ......... 93
Hình 3.25. Hiệu quả xử lý COD, TN và TP của hệ thống dòng ngầm trồng cỏ Vetiver98
Hình 3.26. Hiệu quả xử lý COD, TN và TP của hệ thống phối hợp Bèo tây – Sậy .... 101
Hình 3.27. Hiệu quả xử lý COD, TN và TP của hệ thống phối hợp Sậy – Bèo tây .... 103
Hình 3.28. Khả năng loại bỏ COD của hệ thống phối hợp ......................................... 104
Hình 3.29. Hiệu quả xử lý TN của hệ thống phối hợp ................................................ 105
Hình 3.30. Hiệu quả xử lý TP của HT phối hợp ......................................................... 107
Hình 3.31. Sơ đồ công nghệ sinh thái xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau xử lý bằng
công nghệ vi sinh vật ................................................................................................... 111
Hình 3.32. Sơ đồ hệ thống mô hình sinh thái tại hiện trường ..................................... 111
Hình 3.33. Hiệu quả loại bỏ COD của mô hình sinh thái tại Lương Sơn, Hòa Bình .. 114
Hình 3.34. Hiệu quả loại bỏ TN của mô hình sinh thái tại Lương Sơn, Hòa Bình ..... 118
Hình 3.35. Hiệu quả loại bỏ TP của mô hình sinh thái tại Lương Sơn, Hòa Bình ...... 120
Hình 3.36. Sơ đồ trang trại Hòa Bình Xanh và vị trí xây dựng mô hình xử lý chất thải .... 127


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong thời gian qua, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của đất nước, bộ mặt nông
thôn cũng có nhiều đổi mới. Kinh tế phát triển, đời sống của người nông dân đang
được nâng cao. Hoạt động chăn nuôi đã và đang tạo nguồn thu nhập chính cho nhiều
hộ nông dân. Tuy nhiên, cùng với sự gia tăng đàn vật nuôi thì tình trạng ô nhiễm môi
trường do chất thải chăn nuôi cũng đang gia tăng. Chất thải chăn nuôi bao gồm phân
và các chất độn chuồng, thức ăn thừa, xác gia súc, gia cầm chết,... được phân thành 3
loại: Chất thải rắn (phân, thức ăn, xác gia súc, gia cầm chết); Chất thải lỏng (nước tiểu,
nước rửa chuồng, nước dùng để tắm gia súc); Chất thải khí (CO2, NH3...).
Cho đến nay, chưa có một báo cáo nào đánh giá chi tiết và đầy đủ về ô nhiễm
môi trường do ngành chăn nuôi gây ra. Theo báo cáo môi trường quốc gia năm 2014
trong tổng số 23.500 trang trại chăn nuôi, mới chỉ có khoảng 1.700 cơ sở có hệ thống
xử lý chất thải. Mặt khác, các trang trại chăn nuôi đa phần nằm xen kẽ trong các khu
dân cư, có quỹ đất nhỏ, hẹp, không đủ diện tích để xây dựng các hệ thống xử lý chất
thải đảm bảo xử lý đạt tiêu chuẩn cho phép. Theo ước tính, có khoảng 40 - 50% lượng
chất thải chăn nuôi được xử lý, số còn lại thải trực tiếp thẳng ra ao, hồ, kênh, rạch [1].
Để giải quyết vấn đề trên có rất nhiều công nghệ xử lý chất thải chăn nuôi như
xử lý bằng phương pháp vật lý để tách chất thải rắn – lỏng, xử lý bằng phương pháp
sinh học kỵ khí, xử lý bằng phương pháp sinh học hiếu khí,... các công nghệ này có thể
dùng riêng biệt hoặc kết hợp với nhau để cải thiện hiệu quả xử lý cũng như hiệu quả
kinh tế của quá trình xử lý. Hiện nay, công nghệ biogas đã được sử dụng khá rộng rãi.
Theo kết quả điều tra của Bộ NN&PTNT năm 2013 tại 54 tỉnh thành trên cả nước,
hiện có 3.950 trang trại trên tổng số 12.427 trang trại được điều tra có xây dựng hầm
biogas, chiếm 31,79%, trong đó có 196 trang trại xây dựng công trình có thể tích trên
300 m3, còn đa phần các hầm biogas được xây dựng với quy mô nhỏ [1]. Những hầm
biogas này đã bước đầu phát huy được tác dụng trong việc bảo vệ môi trường, tạo khí
đốt phục vụ đời sống. Tuy nhiên, công nghệ biogas cũng đã bộc lộ những nhược điểm,
nước thải sau khi xử lý không đạt tiêu chuẩn; Hầm biogas chủ yếu chỉ xử lý chất hữu
cơ, chưa xử lý được nitơ và photpho, là yếu tố gây hiện tượng phú dưỡng; Vi khuẩn

gây bệnh chưa được khống chế hiệu quả gây nguy cơ cao về bệnh truyền nhiễm, đặc
biệt là đối với chăn nuôi lợn. Vì vậy, nước thải chăn nuôi lợn sau xử lý biogas cần phải
được xử lý tiếp trước khi thải ra môi trường.
Để xử lý bổ sung chất hữu cơ, nitơ và phôtpho trước khi thải vào nguồn tiếp
nhận, công nghệ sinh thái (CNST) sử dụng thực vật thuỷ sinh (TVTS) được cho là có
nhiều ưu điểm so với hệ thống xử lý nước thải thông thường. CNST, thân thiện với
môi trường, chi phí thấp, dễ vận hành, đồng thời cũng đạt hiệu quả xử lý cao và ổn


2

định. Nhiều nước trên thế giới đã nghiên cứu sử dụng phương pháp này như tại Mỹ,
Anh, Trung Quốc, Ấn Độ… Việt Nam được đánh giá là quốc gia rất thích hợp áp dụng
CNST vì điều kiện khí hậu của nước ta rất thích hợp cho sự phát triển quanh năm của
các loài TVTS sử dụng trong CNST. Vì vậy đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng thực vật
thủy sinh trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn” được thực hiện nhằm góp phần tìm
kiếm phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi hiệu quả, phù hợp với điều kiện của Việt
Nam và giảm thiểu ô nhiễm môi trường xung quanh một cách hiệu quả. Đây là con
đường đi khả thi trong phát triển chăn nuôi bền vững gắn với bảo vệ môi trường và
nâng cao chất lượng sống của người dân.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Xây dựng được CNST sử dụng TVTS để xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau
công đoạn xử lý vi sinh, nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Công nghệ có tính khả
thi khi ứng dụng vào thực tiễn.
3. Nội dung nghiên cứu
Để thực hiện được những mục tiêu đã đề ra, nội dung nghiên cứu của luận án
bao gồm:
Nội dung 1: Tổng quan về hiện trạng ô nhiễm nước thải chăn nuôi lợn, công nghệ xử
lý nước thải chăn nuôi lợn và CNST sử dụng TVTS trong xử lý nước thải nói chung,
bao gồm nước thải chăn nuôi lợn.

Nội dung 2: Đánh giá khả năng chống chịu (COD, NH4+, NO3-, pH) và xử lý COD,
nitơ, photpho trong nước thải chăn nuôi lợn sau giai đoạn xử lý vi sinh vật qui mô
phòng thí nghiệm của một số TVTS tuyển chọn.
Nội dung 3: Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau giai đoạn xử lý vi
sinh vật của các loại hình công nghệ sử dụng TVTS với tải lượng nước thải khác nhau.
Nội dung 4: Xây dựng và đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình sinh thái (MHST) sử
dụng TVTS để giảm thiểu nitơ (N), photpho (P) và chất hữu cơ từ nước thải chăn nuôi
lợn trang trại sau công đoạn xử lý vi sinh vật quy mô pilot.
4. Ý nghĩa khoa học của đề tài:
Việc ứng dụng TVTS trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn được nghiên cứu một
cách cơ bản, khoa học, tổng thể từ qui mô phòng thí nghiệm đến qui mô pilot và xây
dưng mô hình xử lý tại hiện trường trang trại. Nghiên cứu này vừa tạo cơ sở khoa học
tin cậy vừa chứng minh tính khả thi của công nghệ.
+ Lần đầu tiên tại Việt Nam, các loài thực vật thủy sinh lựa chọn để ứng dụng
trong công nghệ sinh thái xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau giai đoạn xử lý vi sinh vật


3

được đánh giá về khả năng chống chịu COD, amôni, nitrat và khả năng loại bỏ các
nhân tố này.
+ Công nghệ sinh thái ứng dụng TVTS do đề tài xây dựng là công đoạn cuối,
không thể thay thế, xử lý hiệu quả N và P,trong quy trình công nghệ xử lý nước thải
chăn nuôi lợn.
+ Công trình là cơ sở khoa học quan trọng góp phần triển khai hiệu quả việc
ứng dụng CNST xử lý nước thải chăn nuôi ở quy mô sản xuất.
5. Điểm mới của luận án
+ Lựa chọn được các loài TVTS thích hợp cho xử lý nước thải chăn nuôi lợn
sau công nghệ vi sinh vật trên cơ sở loại bỏ COD, N, P hiệu quả cao.
+ Lựa chọn được loại hình CNST sử dụng TVTS phù hợp ứng dụng trong xử lý

nước thải chăn nuôi lợn.
+ Tích hợp CNST đã lựa chọn vào hệ thống xử lý quy mô 30 m 3/ngày đêm, xử
lý bổ sung COD, N và P trong nước thải chăn nuôi lợn có hiệu quả với chí phí thấp,
vận hành đơn giản, có khả năng nhân rộng và thích ứng trong điều kiện chăn nuôi
trang trại tại Việt Nam.
6. Kết cấu của luận án
Luận án được bố cục thành 3 chương và các phần mở đầu; kết luận, kiến nghị
và tài liệu tham khảo.
Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu;
Chương 2: Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu;
Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận.
Luận án được trình bày trong 130 trang A4, 25 bảng biểu, 54 hình vẽ, danh mục
6 công trình khoa học của tác giả đã được công bố, 166 tài liệu tham khảo tiếng Việt
và tiếng Anh.


4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Tổng quan về nước thải chăn nuôi lợn
1.1.1. Vài nét về tình hình chăn nuôi lợn trang trại
Chăn nuôi trang trại là định hướng phát triển của ngành chăn nuôi. Nếu vào
năm 2011, số đầu lợn tại các trang trại ước tính chiếm 15 - 16% tổng đàn và sản lượng
thịt lợn xuất chuồng chiếm 28 - 30% tổng sản lượng thịt lợn hơi xuất chuồng trong cả
nước thì đến 2014, đàn lợn trong các trang trại chăn nuôi chiếm khoảng 35% tổng đàn,
40 - 45% về tổng sản lượng thịt lợn xuất chuồng [2 - 4]. Điều này cho thấy định hướng
phát triển chăn nuôi trang trại đang diễn ra trong thực tiễn nước ta.
Theo thống kê năm 2014, cả nước có 26,7 triệu con lợn. Về số trang trại chăn
nuôi nói chung cả nước có 10.044 trang trại. Theo vùng sinh thái, vùng Đồng bằng
sông Hồng có số trang trại nhiều nhất, chiếm tới 34,8%. Trong vùng này, Hà Nội đứng

đầu với 979 trang trại.
Bảng 1.1. Phân bố số lợn và trang trại chăn nuôi theo vùng sinh thái
Năm 2014
TT
1
2

3

4
5
6
7

Năm 2016

26.761.577

100

Số trang
trại nói
chung
10.044

6.824.759

25,5

3.444

7.414.398

1.420.469

979

1.589.941

Vĩnh Phúc

509.520

297

574.324

Hưng Yên

589.191

565

625.425

Thái Bình
Miền núi và
trung du
Hòa Bình
Bắc Trung Bộ

& Duyên Hải
Miền Trung
Tây Nguyên

1.030.022

265

1.048.093

1.299

7.175.528

51

381.900

Đông Nam Bộ
Đồng Bằng
sông Cửu
Long

Vùng

Số lợn

Cả nước
Đồng bằng
Sông Hồng

Hà Nội

6.626.398

Tỷ lệ %

24,8

393.899

Số lợn

Tỷ lệ %

29.075.315

100
25,5

24,7

5.207.484

19,5

1.108

5.420.643

18,6

1.742.343

6,5

616

1.903.281

6,5

2.890.167

10,8

2.522

3.358.493

11,6

3.470.425

12,9

908

3.802.971

13,1

Nguồn: Thống kê chăn nuôi Việt Nam [3, 5]


5

Theo thống kê năm 2016, cả nước có 29 triệu lợn, trong đó vùng đồng bằng
sông Hồng có số lượng lợn lớn nhất là 7,4 triệu lợn (26%), tiếp đến là miền núi và
trung du 7,2 triệu lợn (25%), thấp nhất là Tây Nguyên có 1,9 triệu lợn (7%). Trong 29
triệu con lợn, tăng 4,5%, trong đó lợn thịt có 24,7 triệu con, tăng 4,6% so với cùng kỳ
2015 [5]. Như vậy, theo thời gian, mỗi năm đàn lợn lại tăng lên (bảng 1.2). Tuy nhiên,
cùng với sự gia tăng đàn vật nuôi thì tình trạng ô nhiễm môi trường do chất thải chăn
nuôi cũng đang gia tăng.
Bảng 1.2. Số lượng lợn cả nước (tính đến tháng 10/2016)

Tổng số Lợn

Tăng,
So sánh
giảm
(%) 2016/
2016-2015
2015

Đ.vị
tính

1/10/2014

1/10/2015

1/04/2016

1/10/2016

Con

26.761.577 27.751.010

28.312.083

29.075.315

1.324.304

105

4.058.446

4.297.222

4.235.439

176.992

104

22.779.643 23.622.978

23.947.247

24.765.234

1.142.256

105

69.586

67.614

74.642

5.056

107

47.202.407 50.960.488

27.853.436

51.115.510

155.022

100

2.150.515

3.664.556,9

172.922

105

Trong đó: Nái

Con

Lợn thịt

Con

Lợn đực giống
Số con lợn thịt
xuất chuồng
Sản lượng thịt
xuất chuồng
Số con lợn sữa
xuất chuồng
SL lợn sữa xuất
chuồng

Con
Con

3.913.922
68.013

Tấn

3.351.075

3.491.634

Con

3.232.410

3.070.527

2.831.933,2

-238.593

92

Tấn

25.713

27.842

24.224,5

-3.618

87

Nguồn: Thống kê chăn nuôi Việt Nam 01/10/2016, Chăn nuôi Việt Nam [5]

1.1.2. Ô nhiễm môi trường do chăn nuôi lợn gây ra tại Việt Nam
Theo khảo sát của nhóm nghiên cứu đề tài KC.08.04 của TS. Trần Văn Tựa
(2015), trong tổng số 20 trang trại chăn nuôi lợn đã được khảo sát tại 05 địa phương là
Hà Nội (HN), Vĩnh Phúc (VP), Hưng Yên (HY), Thái Bình (TB) và Hòa Bình (HB).
Các thông số khảo sát gồm:
-

Diện tích trang trại, số chuồng, diện tích mỗi chuồng
Số lượng vật nuôi
Nguồn nước, lượng sử dụng (m3/ngày)
Lượng thức ăn tiêu thụ (kg/ngày)
Nước thải
Biện pháp thu gom, xử lý chất thải

Về lượng nước tiêu thụ, kết quả khảo sát tại một số trang trại chăn nuôi lợn với
số lượng từ 1000 con trở lên (bao gồm lợn thịt, nái và hậu bị) cho thấy lượng nước tiêu
thụ có sự biến động lớn, dao động từ 15 đến 60 lít/đầu lợn/ngày đêm (bảng 1.3).


6

Lượng phân thải ra trong một ngày đêm tùy thuộc vào giống, loài, tuổi và khẩu phần
ăn. Lượng phân lợn thải ra mỗi ngày có thể ước tính 6 - 8% khối lượng của vật nuôi.
Bảng 1.3. Số đầu lợn và lượng nước tiêu thu tại một số trang trại điển hình
TT

Trang trại

Số đầu lợn nuôi

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16

VP1.
VP3
VP5
VP8
TB1
TB2
TB3
TB4
TB5
TB6
HY1
HY2
HY3

HN1
HN2
HB1

1000
1800
1600
1300
1320
6600
3320
1700
2750
4000
1040
1320
1380
590
690
1400

Lượng nước tiêu thụ
(m3/ng.đêm)
70-80
120
100
100
90
100
100

80
60
250
40
20-30
60
20-30
40
40

Ghi chú: VP: Vĩnh Phúc, TB: Thái Bình, HY: Hưng Yên, HN: Hà Nội và HB: Hòa Bình

Nguồn: Báo cáo tổng kết đề tài KC08.04/11-15 [6]
Khảo sát của tổ chức JICA và Viện CNMT trước đây tại 5 trang trại chăn nuôi
lợn điển hình cho thấy lượng nước tiêu thụ từ 10 - 40 lít/đầu lợn/ng.đêm, trong khi đó,
tại Nhật Bản con số này là 20 - 30 lit. Với 4293 trang trại chiếm 35% số đầu lợn trong
cả nước (9,345 triệu lợn), nếu trung bình lượng nước thải là 25 - 30 lít/con, lượng nước
thải ra một năm là con số đáng kể [7].
Về thành phần và mức độ ô nhiễm của nước thải chăn nuôi lợn trang trại, kết
quả khảo sát được tổng hợp ở bảng 1.4. Trước biogas, lượng COD, TN, TP trong nước
thải rất cao với các số liệu tương ứng là 3587 mg/L, 343 mg/L và 92 mg/L. Sau khi
được xử lý kỵ khí bằng hầm biogas các thông số trên giảm còn tương ứng 800 mg/L;
307mg/L và 62mg/L. Lượng ôxy hòa tan trong nước thải trước biogas hầu như không
còn sau xử lý biogas cũng không đáng kể.
Một trong các yếu tố gây ô nhiễm nghiêm trọng nước thải chăn nuôi lợn là
lượng coliform. Kết quả khảo sát của đề tài cho thấy rằng lượng coliform trong nước
thải vượt tiêu chuẩn cho phép nhiều lần. Điều này không chỉ đối với nước thải từ
chuồng trại mà cả nước sau biogas. Trong nước thải trước khi vào hầm biogas, lượng

7

coliform là 372.104MPN/100 ml, còn nước sau xử lý bằng biogas chứa 226.104
MPN/100 ml.
Bảng 1.4. Thành phần và mức độ ô nhiễm nước thải chăn nuôi lợn trang trại.
Trước biogas

QCVN
62-MT:2016/
BTNMT

Sau biogas

Thông số

pH
T0 (0C)
DO (mg/L)
COD (mg/L)
TN (mg/L)
N-NH+4
(mg/L)
TP (mg/L)
SS (mg/L)
Total
Coliform
(MPN/100ml)
E.coli
(MPN/100ml)

Trung
bình
7,56
30,35
0,00
3587
343

7,30-7,87
29-32
0-0
860-4590
167-907

Trung
bình
7,76
30,35
0,08
800
307

315

130- 870

92,2
2248

250-295

520-9520

Min-Max

Min-Max

Cột A

Cột B

7,19-7,90
28,2-32,6
0-0,60
391-1792
115-531

6,0 – 9,0
100
50

5,5 – 9,0
300
150

289

110-506

-

-

62,1
1431

19-127
360-3280

50

150

372.104

226.104

3000

5000

169.104

135.104

-

-

Nguồn: Báo cáo tổng kết đề tài KC08.04/11-15 [6]
Qua bảng 1.4 có thể nhận thấy rằng nước thải sau quá trình xử lý bằng hầm

biogas chứa hàm lượng cao các chất gây ô nhiễm môi trường. Hàm lượng COD, tổng
N, tổng P, coliform,... vượt rất nhiều lần quy định theo loại B (QCVN40: 2011BTNMT). Vì vậy, nếu thải ra môi trường sẽ gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng,
ảnh hưởng đến sức khỏe con người và đời sống của sinh vật thủy sinh.
Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải phụ thuộc vào thành phần của phân,
nước tiểu gia súc, lượng thức ăn rơi vãi, mức độ và phương thức thu gom phân như số
lần thu gom, phương pháp vệ sinh chuồng trại (có hót phân hay không hót phân, trước
khi rửa chuồng trại), lượng nước dùng tắm gia súc và vệ sinh chuồng trại [8, 9].
Phùng Đức Tiến và cs (2009) [10], Trịnh Quang Tuyên và cs (2010) [11] đánh
giá thực trạng ô nhiễm môi trường trong chăn nuôi nói chung cũng chỉ ra: Tình hình
xử lý chất thải còn chưa được quan tâm đúng mức. Tỷ lệ cơ sở chăn nuôi có khu xử lý
chất thải rất thấp. Phương thức xử lý còn rất thô sơ chủ yếu là ủ phân tươi và phân nhỏ
xử lý bằng biogas. Còn lại một tỷ lệ lớn chất thải đổ trực tiếp ra môi trường. Môi
trường chăn nuôi bị ô nhiễm nặng. Nước thải chăn nuôi không được xử lý gây ô nhiễm
nặng nề môi trường xung quanh, đặc biệt là các chỉ tiêu vi sinh vật. Đây là một nguồn


8

lây lan dịch bệnh. Hàm lượng Coliform cao hơn mức cho phép là 78,1 - 630,4 lần.
Mức độ ô nhiễm có xu hướng tăng theo quy mô chăn nuôi. Chăn nuôi trang trại với
mức tập trung cao, không có biện pháp xử lý chất thải có mức độ ô nhiễm cao hơn.
Trong ba đối tượng vật nuôi (lợn, bò và gia cầm), chăn nuôi lợn có mức độ ô nhiễm
cao nhất.
Trịnh Quang Tuyên (2010) [11] tiến hành khảo sát hiện trạng ô nhiễm nước thải
trong chăn nuôi lợn tập trung cho thấy COD trong nước thải trước biogas so với chỉ
tiêu nước thải cho phép loại B (QCVN 40:2011) đều vượt quá giới hạn 11,7 đến 15,6
lần. Nước thải sau biogas vẫn vượt 2,5 lần đến 3,3 lần, nước thải ra ngoài môi trường
còn vượt tiêu chuẩn 1,6 đến 2,0 lần. Chỉ tiêu BOD5 của nước thải trước biogas so với
chỉ tiêu nước thải cho phép loại B đều vượt quá giới hạn cho phép với vượt từ 6,9 đến
12,4 lần, sau biogas và sau ao chứa nước thải vượt 2,8 lần đến 3,5 lần, nước thải ra

ngoài đều vượt chuẩn cho phép từ 1,3 đến 2,2 lần. Các chỉ tiêu NO3-, tổng P, coliform
của nước thải tại các tỉnh điều tra đều vượt mức cho phép nhiều lần.
Vũ Thị Khánh Vân và cs (2013) [12], điều tra về thực trạng ô nhiễm nước thải
chăn nuôi được tiến hành trên 102 trang trại chăn nuôi lợn công nghiệp có quy mô từ
100 lợn thịt trở lên hoặc trên 20 lợn nái quy đổi tại 3 tỉnh/ thành phố trên cả nước bao
gồm Thái Bình (41 trang trại), Đà Nẵng (30 trang trại) và Đồng Nai (31 trang trại). Kết
quả nghiên cứu cho thấy, khoảng 30% số trang trại áp dụng hình thức thu gom chất
thải rắn và lỏng tách riêng và khoảng 60% số trang trại thu gom chất thải theo hướng
hỗn hợp. Trong đó, tỷ lệ trang trại xử lý chất thải bằng biogas là 53% ở miền Nam,
60% ở miền Bắc và 42% ở miền Trung. Tuy nhiên, trong các trang trại có xử lý
biogas, có đến 57%, 71% và 87% trang trại lần lượt ở 3 miền Bắc, Trung, Nam xả thải
biogas thừa trực tiếp ra môi trường. Hàm lượng Coliform tổng số của nước thải sau
biogas, nước rửa chuồng và nước ở hố tắm cho lợn đều vượt quá tiêu chuẩn cho phép
(theo QCVN 40:2011-BTNMT) 4 - 2.200 lần. Hàm lượng BOD5 và COD trong nước
thải sau biogas của các trang trại chăn nuôi ở miền Bắc vượt cao hơn 10 và 20 lần so
với ngưỡng cho phép.
Kết quả điều tra hiện trạng một số cơ sở chăn nuôi thuộc các tỉnh Hưng Yên,
Thái Bình, Vĩnh Phúc, Hòa Bình và Hà Nội trong khuôn khổ đề tài KC08.04/11-15 do
nhóm nghiên cứu thực hiện cũng cho thấy: Tại hầu hết các trang trại khảo sát, lượng
COD, TN và TP của nước thải sau khi xử lý bằng hầm biogas đều còn rất cao, dao
động từ 714 đến 4590 mg/L với COD, từ 531 - 1131 mg/L với TN và 127 - 146 mg/L
với TP. Mặc dù một số trang trại đã có hệ thống xử lý cấp 2 (xử lý hiếu khí hoặc ao
sinh học) nhưng lượng COD, TN và TP sau khi thải ra môi trường vẫn vượt tiêu chuẩn
thải loại B (QCVN40: 2011- BTNMT) nhiều lần (COD 117 - 1030 mg/L; TN: 2,5 270 mg/L). Đáng chú ý là lượng NH4+ sau xử lý bằng biogas còn tương đối lớn, trung
bình dao động trong khoảng 500 - 1000 mg/L. Đây là một trong những nhân tố chính
gây phú dưỡng cho môi trường tiếp nhận nếu không được xử lý tốt [6].


9

Như vậy, chăn nuôi lợn trang trại đang phát triển mạnh và cũng là định hướng
cho lĩnh vực này trong tương lai. Cùng với hiệu quả kinh tế mang lại, vấn đề ô nhiễm
môi trường nói chung và ô nhiễm nước thải từ chăn nuôi lợn trang trại là một thực tế
gây bức xúc trong xã hội.
1.1.3. Hiện trạng công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn
Theo kết quả khảo sát thì hiện có 4 loại hình công nghệ điển hình được các
trang trại áp dụng để xử lý nước thải chăn nuôi:
1 - Nước thải chăn nuôi (có thể lẫn phân hoặc đã được tách phân) được xử lý
bằng hồ kị khí có phủ bạt sau đó qua ao sinh thái rồi thải ra môi trường, có khoảng
8,3% trang trại sử dụng biện pháp này.
2 - Nước thải chăn nuôi được xử lý qua hầm biogas, sau đó được thải ra kênh
mương, chiếm 50% số trang trại khảo sát.
3 - Nước thải chăn nuôi (có thể lẫn phân hoặc đã được tách phân) được xử lý
bằng hầm biogas, sau đó được xử lý tiếp bằng ao/ hồ sinh học, chiếm 25% số trang trại
khảo sát.
4 - Nước thải chăn nuôi được xử lý bằng ổn định kỵ khí, sau đó bằng phương
pháp lọc sinh học kị khí hoặc aeroten, cuối cùng qua hồ thực vật thủy sinh rồi thải ra
ngoài, chiếm 8,3% số trang trại khảo sát.
Còn lại 8,4% trang trại không xử lý gì mà thải trực tiếp ra kênh mương hoạc ao
cá làm ô nhiễm môi trường xung quanh một cách nghiêm trọng.
Qua khảo sát điều tra cùng với kết quả khảo sát của tổ chức JICA kết hợp với
Viện Công nghệ môi trường trong khuôn khổ Dự án tăng cường năng lực Viện Khoa
học và Công nghệ Việt Nam trong lĩnh vực bảo vệ môi trường nước - Giai đoạn II giữa
Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam và tổ chức JICA, Nhật Bản, về công nghệ xử
lý nước thải chăn nuôi [13], có thể đưa ra các qui trình công nghệ xử lý nước thải đang
áp dụng phổ biến tại các trang trại chăn nuôi lợn của ta như hình 1.1.
Đối với nước thải chăn nuôi lợn, đặc tính nước thải thay đổi rất lớn do phương
pháp chăn nuôi, quản lý chuồng trại (như việc có tách lỏng rắn hay không), điều kiện
của từng địa phương. Những điều này ảnh hưởng lớn đến quy mô xử lý, duy trì hệ
thống xử lý khó khăn và tốn kém về kinh tế.

Mặc dù hầu hết các trang trại mà chúng tôi khảo sát đều đã có áp dụng một
hoặc một vài phương pháp kết hợp để xử lý nước thải nhưng chất lượng nước thải đầu
ra chưa đạt tiêu chuẩn xả thải, kể cả một vài trang trại áp dụng cả biện pháp hiếu khí
vào trong quy trình. Mặt khác, nguồn năng lượng là khí sinh học thu được từ hầm
biogas hầu như chưa được sử dụng triệt để, có trang trại thải thẳng khí ra môi trường,


Luận án đầy đủ ở file: Luận án full