NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THỰC VẬT THỦY SINH TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

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

Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới TS, NCVCC. Trần Văn Tựa và GS,TS.
Đặng Đình Kim vì đã có những chỉ dẫn q 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 hồn thành bản luận án này.
Tơi xin chân thành cảm ơn Bộ Khoa học & Cơng nghệ, Văn phịng các Chương
trình Khoa học Cơng 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.
Tơi xin cảm ơn Lãnh đạo Viện Công nghệ môi trường và các bạn đồng nghiệp
phịng Thủy sinh học mơi trường, Viện Cơng nghệ mơi trường đã tạo điều kiện về mọi
mặt và đóng góp các ý kiến q báu về chun mơn trong suốt q trình tơi thực hiện
và bảo vệ Luận án.
Tơi xin trân trọng cảm ơn Ban Lãnh đạo và bộ phận Đào tạo của Học viện khoa
học và Công nghệ đã giúp tơi hồn 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 q 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 ni lợn trang trại ........................................................ 4
1.1.2. Ơ nhiễm mơi 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 cơng 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 cơng nghệ sử dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải ....... 15
1.3.5. So sánh hệ thống cơng nghệ dịng 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 ni 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 ni lợn của các loại hình cơng nghệ ... 48
2.2.3. Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chăn ni lợn của mơ 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 mơ phịng 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. Cơng nghệ dịng chảy trên bề mặt ....................................................................... 85
3.2.3. Cơng nghệ dịng 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 cơng nghệ.............. 108
3.3. Xây dựng, vận hành và đánh giá hiệu quả giảm thiểu COD, N và P trong mơ hình
sinh thái........................................................................................................................ 110
3.3.1. Xây dựng mơ hình sinh thái ............................................................................... 110
3.3.2. Đánh giá hiệu quả xử lý của mơ 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 mơ 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 mơ hình sinh thái tích hợp trong mơ hình tổng thể xử
lý nước thải chăn ni lợn tại Lương Sơn, Hịa Bình ................................................. 126
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 130
KẾT LUẬN ................................................................................................................. 130
KIẾN NGHỊ................................................................................................................. 131
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG 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)
Cơng nghệ sinh thái
Chemical Oxygen Demand (Nhu cầu ơ xy hóa học)
Đối chứng
Đất ngập nước
Đất ngập nước nhân tạo
Dissolved Oxygen (ơxy hịa tan)
Food and Agriculture Organization (Tổ chức nông lương thế
giới)
Hà Nội
Hệ thống
Ngổ Trâu
Nông nghiệp và Phát triển nơng thơn
Phịng thí nghiệm
Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia
Mơ 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 cơng 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 cơng nghệ dịng mặt ......................... 85
Bảng 3.4. Hiệu quả xử lý của hệ Rau muống theo cơng nghệ dịng mặt ...................... 88
Bảng 3.5. Hiệu quả xử lý của hệ thống Sậy theo cơng nghệ dịng ngầm ...................... 92
Bảng 3.6. Hiệu quả xử lý của hệ thống cỏ Vetiver theo cơng nghệ dịng 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 cơng nghệ ....... 109
Bảng 3.9. Các thơng số thiết kế hệ thống .................................................................... 112
Bảng 3.10. Các thông số thủy lý của mơ hình sinh thái .............................................. 122
Bảng 3.11. Chi phí xây dựng mơ hình sinh thái với TVTS......................................... 124
Bảng 3.12. Hiệu quả xử lý COD, TN và TP của mơ hình xử lý nước thải ................. 128


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ các qui trình cơng nghệ xử lý nước thải đang áp dụng tại các trang trại
chăn ni 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 dịng 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 dịng mặt tại pilot ............................................ 49
Hình 2.3. Sơ đồ thực nghiệm hệ thống dịng ngầm tại pilơt ......................................... 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 cơng nghệ dịng mặt .... 86
Hình 3.23. Hiệu quả xử lý COD, TN và TP của Rau muống theo cơng nghệ dịng mặt90
Hình 3.24. Hiệu quả xử lý COD, TN và TP của hệ thống dịng 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 cơng 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 mơ hình sinh thái tại hiện trường ..................................... 111
Hình 3.33. Hiệu quả loại bỏ COD của mơ hình sinh thái tại Lương Sơn, Hịa Bình .. 114
Hình 3.34. Hiệu quả loại bỏ TN của mơ hình sinh thái tại Lương Sơn, Hịa Bình ..... 118
Hình 3.35. Hiệu quả loại bỏ TP của mơ hình sinh thái tại Lương Sơn, Hịa Bình ...... 120
Hình 3.36. Sơ đồ trang trại Hịa Bình Xanh và vị trí xây dựng mơ 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 nơng
thơn 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 nơng dân. Tuy nhiên, cùng với sự gia tăng đàn vật ni 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, khơng 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 cơng 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 cơng 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 mơi 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 ni 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 thơng thường. CNST, thân thiện với
mơi 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 lồi 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 mơi trường. Cơng 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 mơ
phịng 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 cơng nghệ sử dụng TVTS với tải lượng nước thải khác nhau.
Nội dung 4: Xây dựng và đánh giá hiệu quả xử lý của mơ 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 phịng thí nghiệm đến qui mơ pilot và xây
dưng mơ 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 cơng 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 cơng nghệ xử lý nước thải
chăn ni lợn.
+ Cơng 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 lồi 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 cơng 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 ni 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
ni nói chung cả nước có 10.044 trang trại. Theo vùng sinh thái, vùng Đồng bằng
sơng 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 n

589.191

565

625.425

Thái Bình
Miền núi và
trung du
Hịa 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
sơng 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 ni thì tình trạng ơ nhiễm mơi 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 ni Việt Nam [5]

1.1.2. Ơ nhiễm mơi 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 Hịa Bình (HB).
Các thơng 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 ni

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: Hịa 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 thơng số trên giảm cịn tương ứng 800 mg/L;
307mg/L và 62mg/L. Lượng ơxy hịa tan trong nước thải trước biogas hầu như khơng
cịn sau xử lý biogas cũng khơng 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

Thơng 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 khơng 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 mơi trường trong chăn ni nói chung cũng chỉ ra: Tình hình
xử lý chất thải cịn chưa được quan tâm đúng mức. Tỷ lệ cơ sở chăn ni 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 mơ chăn ni. Chăn ni trang trại với
mức tập trung cao, khơng có biện pháp xử lý chất thải có mức độ ơ nhiễm cao hơn.
Trong ba đối tượng vật ni (lợn, bị và gia cầm), chăn ni lợn có mức độ ơ 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 ngồi mơi trường
cịn 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 ni lợn cơng 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 ni thuộc các tỉnh Hưng n,
Thái Bình, Vĩnh Phúc, Hịa Bình và Hà Nội trong khn 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 cịn 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 mơi 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 ơ nhiễm
mơi trường nói chung và ơ 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 cơng nghệ điển hình được các
trang trại áp dụng để xử lý nước thải chăn ni:
1 - Nước thải chăn ni (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 mơi trường, có khoảng
8,3% trang trại sử dụng biện pháp này.
2 - Nước thải chăn ni được xử lý qua hầm biogas, sau đó được thải ra kênh
mương, chiếm 50% số trang trại khảo sát.
3 - Nước thải chăn ni (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 ni 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
ngồi, chiếm 8,3% số trang trại khảo sát.
Cịn lại 8,4% trang trại khơng 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 cơng nghệ xử
lý nước thải chăn ni [13], có thể đưa ra các qui trình cơng nghệ xử lý nước thải đang
áp dụng phổ biến tại các trang trại chăn ni lợn của ta như hình 1.1.
Đối với nước thải chăn ni 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 khơng), điều kiện
của từng địa phương. Những điều này ảnh hưởng lớn đến quy mơ 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,


10

có trang trại sử dụng vào mục đích đun nấu và thắp sáng, còn lại hầu như chưa sử dụng
để chạy máy phát điện.
8,4%
8,3%

50%

25%

8,3%

Hình 1.1. Sơ đồ các qui trình công nghệ xử lý nước thải đang áp dụng tại các trang
trại chăn ni lợn [6]
Hiện nay có thể nói ở nước ta chưa có quy trình hồn thiện nào được công bố
và ứng dụng thực tế để xử lý nước thải chăn nuôi đạt tiêu chuẩn thải. Báo cáo năm
2006 của nhóm tác giả Ngơ Kế Sương và cs về “Mơ hình xử lý nước thải chăn ni
heo tại xí nghiệp chăn ni Gị Sao” được coi là đầy đủ và đại diện cho các nghiên cứu
xử lý nước thải chăn nuôi ở Việt Nam. Tuy nhiên đây chỉ là mơ hình thử nghiệm có
cơng suất xử lý 30 m3/ngày trong số nước thải 935 m3/ngày của Xí nghiệp 12.000 đầu
lợn các loại với diện tích ao thực vật thủy sinh 720 m2. Nếu tính cho cả xí nghiệp sẽ
cần gần 2,5 ha, điều này sẽ khó khả thi nếu khơng tính tới phương án sử dụng mặt

nước hiệu quả hơn và sinh khối bèo dư [14].
Xử lý nước thải chăn nuôi lợn trang trại chủ yếu mới là xử lý bằng hầm biogas
và hồ sinh học. Hầm biogas chỉ xử lý được chất hữu cơ còn hồ sinh học có thể xử lý N
và P nhưng thời gian lưu lâu. Các phương pháp xử lý khác như phương pháp kỵ khí
UASB, kỵ khí tiếp xúc, lọc sinh học, xử lý hiếu khí Aeroten,... đã được một số tác giả
quan tâm nghiên cứu và tỏ ra có hiệu quả nhưng hầu hết mới chỉ dừng lại ở thực
nghiệm, đề xuất về lý thuyết hoặc ứng dụng nếu có chỉ ở quy mô nhỏ lẻ. Đặc biệt, việc
xử lý chất ô nhiễm N và P hầu như chưa được quan tâm, trong khi đây là yếu tố gây
phú dưỡng môi trường nước các thuỷ vực tiếp nhận dẫn đến “nở hoa nước” do vi tảo


11

bao gồm vi khuẩn lam (VKL) độc phát triển mạnh, làm mất cân bằng sinh thái và suy
giảm chất lượng nước, ảnh hưởng xấu đến môi trường sống và sức khỏe cộng đồng
[15]. Chất thải rắn, bùn thải trong chăn nuôi chưa được xử lý triệt để, chưa tạo ra được
sản phẩm hữu ích cho thị trường.
Trong những năm gần đây, việc phát triển hệ thống nông nghiệp bền vững
đang được chú trọng trong đó chăn ni là một bộ phận cấu thành quan trọng của hệ
thống. Tuy nhiên, sự phát triển của ngành chăn nuôi đang phải đương đầu với những
khó khăn cả về kỹ thuật và những yếu tố kinh tế và xã hội. Việc chăn nuôi phát triển
theo quy mô trang trại tập trung nảy sinh vấn đề ô nhiễm môi trường, nhất là ô nhiễm
nước thải gây bức xúc cho cộng đồng dân cư và thu hút sự quan tâm sâu sắc của xã
hội.
1.2. Tổng quan về các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi lợn
Việc xử lý nước thải chăn nuôi lợn nhằm giảm nồng độ các chất ô nhiễm trong
nước thải đến một nồng độ cho phép có thể xả vào nguồn tiếp nhận. Đối với nước thải
chăn ni, có thể áp dụng các phương pháp xử lý sau:
- Phương pháp cơ học
- Phương pháp hóa lý

- Phương pháp sinh học
* Phương pháp xử lý cơ học
Mục đích là tách chất rắn, cặn, phân ra khỏi hỗn hợp nước thải bằng cách thu
gom, phân riêng. Có thể dùng song chắn rác, bể lắng sơ bộ để loại bỏ cặn thô, dễ
lắng tạo điều kiện thuận lợi và giảm khối tích các cơng trình xử lý tiếp theo. Ngồi
ra, có thể dùng phương pháp ly tâm hoặc lọc, hàm lượng cặn lơ lửng trong nước thải
chăn nuôi khá lớn khoảng vài ngàn mg/L và dễ lắng nên có thể lắng sơ bộ trước rồi
sau đó đưa sang các cơng trình phía sau. Sau khi tách nước thải được đưa ra các cơng
trình phía sau còn phần chất rắn được đem đi ủ làm phân bón.
* Phương pháp hóa lý: Nước thải chăn ni cịn chứa nhiều chất hữu cơ, chất vơ cơ
dạng hạt có kích thước nhỏ, khó lắng, khó có thể tách ra bằng phương pháp cơ học
thơng thường vì tốn nhiều thời gian và hiệu quả khơng cao. Ta có thể áp dụng phương
pháp keo tụ để loại bỏ chúng. Các chất keo tụ thường sử dụng là phèn nhôm,
phèn sắt, phèn bùn kết hợp với polyme trợ keo tụ để tăng quá trình keo tụ. Theo
nghiên cứu của Trương Thanh Cảnh (2006) [8] tại trại chăn nuôi heo 2/9, phương pháp
keo tụ có thể tách được 80 - 90% hàm lượng chất lơ lửng có trong nước thải chăn ni
heo. Phương pháp này loại bỏ được hầu hết các chất bẩn có trong nước thải chăn ni,
tuy nhiên chi phí xử lý cao. Áp dụng phương pháp này để xử lý nước thải chăn nuôi là
không hiệu quả về mặt kinh tế. Ngoài ra tuyển nổi cũng là một phương pháp để tách
các hạt có khả năng lắng kém nhưng có thể kết dính vào các bọt khí nổi lên, tuy nhiên


12

chi phí đầu tư, vận hành cho phương pháp này cao cũng không hiệu quả về mặt kinh
tế.
* Phương pháp xử lý sinh học: Phương pháp này dựa trên sự hoạt động của các vi sinh
vật có khả năng phân hủy các chất hữu cơ. Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và
các chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng. Tùy theo từng nhóm vi
khuẩn sử dụng là hiếu khí hay kỵ khí mà người ta thiết kế các cơng trình khác nhau và

phụ thuộc vào khả năng tài chính, diện tích đất mà người ta có thể sử dụng hồ sinh học
hay các bể nhân tạo để xử lý. Các hệ thống xử lý nhân tạo bằng phương pháp sinh học:
- Xử lý theo phương pháp hiếu khí:
+ Bể aeroten thơng thường
+ Bể aeroten xáo trộn hoàn toàn
+ Bể aeroten mở rộng
+ Mương oxy hóa
+ Bể hoạt động gián đoạn (SBR)
+ 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 dịng nước từ dưới lên (UASB)
+ Bể phản ứng yếm khí tiếp xúc
+ Xử lý bằng cơng nghệ hầm biogas
+ 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 thống tự nhiên
+ Hồ hiếu khí làm thống nhân tạo: Hồ tùy nghi, hồ kỵ khí, hồ xử lý bổ sung
+ Cánh đồng tưới
+ Vùng đất ngập nước (bãi lọc trồng cây)
Theo Hoàng Kim Giao “Có 3 nhóm biện pháp cơ bản hạn chế ô nhiễm do chăn
nuôi. Thứ nhất cần quy hoạch lại, đưa chăn nuôi ra xa đô thị, khu dân cư, khu công
nghiệp và nhất thiết phải thực hiện quy định chăn ni an tồn gắn với bảo vệ mơi
trường. Thứ hai sử dụng kỹ thuật cho vào thức ăn và chất thải chăn nuôi các enzym,
các chế phẩm sinh học nhằm hạn chế khí độc hại và vi sinh vật có hại. Thứ 3 ứng dụng
tiến bộ kỹ thuật thân thiện với môi trường. Tùy điều kiện cụ thể từng nơi để lựa chọn

một trong 3 quy trình xử lý chất thải như: Bể lắng - hầm biogas - ao sinh học, hầm
biogas - ao sinh học và hầm biogas - thùng sục khí - ao sinh học, trong đó trọng tâm
là chăn ni theo mơ hình VAC và sử dụng hầm biogas” [16].


13

* Ngồi ra cịn một số các giải pháp khác như: Ủ chất thải rắn bằng phương
pháp sinh học che phủ kín. Gần đây việc chăn ni trên đệm lót sinh thái được khuyến
khích.
1.3. Cơng nghệ sinh thái trong xử lý nước thải chăn nuôi
1.3.1. Khái niệm công nghệ sinh thái
Kỹ nghệ sinh thái nổi lên như là ý tưởng mới vào đầu những năm 1960 nhưng
định nghĩa của nó cần vài thập kỉ để hoàn chỉnh, việc thực hiện cịn đang được điều
chỉnh và việc cơng nhận nó như một mơ hình cịn tương đối mới. Kỹ nghệ sinh thái
được H. Odum và cs, 1963, giới thiệu khi sử dụng các nguồn năng lượng tự nhiên như
là đầu vào chủ yếu để kiểm soát các hệ sinh thái [17]. Mitsch và Jorgensen 1989 [18],
lần đầu tiên định nghĩa: “Kỹ nghệ sinh thái (Ecological engineering) là sự kết hợp giữa
sinh thái học và kỹ nghệ liên quan với thiết kế, kiểm tra và xây dựng hệ sinh thái. Việc
thiết kế hệ sinh thái bền vững nhằm kết hợp xã hội con người với mơi trường tự nhiên
vì lợi ích của cả hai”.
Barrett (1999) đưa ra định nghĩa sát nghĩa hơn về thuật ngữ: thiết kế, xây dựng,
hoạt động và quản lý (đó là kỹ nghệ) các cơng trình về nước/cảnh quan và liên kết
quần xã động vật và thực vật (đó là hệ sinh thái) để làm lợi cho nhân loại và tự nhiên.
Các thuật ngữ khác với nghĩa tương tự hay tương đương bao gồm công nghệ sinh thái
(ecotechnology) và hai thuật ngữ thường hay dùng nhất trong kiểm sốt sự xói mịn:
kỹ nghệ sinh học đất (soil bioengineering) và kỹ thuật sinh học. Tuy nhiên, kỹ nghệ
sinh thái không nên nhầm lẫn với công nghệ sinh học (biotechnology) khi mô tả kỹ
thuật gen (genetic engineering) ở mức độ tế bào hoặc kỹ nghệ sinh học
(bioengineering) với nghĩa xây dựng các phần của cơ thể nhân tạo [19].

CNST trong đề tài này là CNST sử dụng TVTS trong xử lý ô nhiễm nước và
cũng được hiểu là công nghệ đất ngập nước nhân tạo (Constructed wetlands), bãi lọc
trồng cây,… Trong xử lý nước thải giầu nitơ và photpho. CNST sử dụng TVTS có
nhiều ưu điểm, rất thân thiện mơi trường, được quan tâm ở nhiều nước trên thế giới.
1.3.2. Các nhóm thực vật thủy sinh trong cơng nghệ sinh thái
TVTS trong cơng nghệ này có thể được phân ra các nhóm chính sau [20]:
- TVTS nửa ngập nước: Đây là thực vật chủ yếu trong vùng đất ngập nước có
thân và lá nhơ lên khỏi mặt nước và hệ rễ phát triển rộng. Thực vật thích nghi về hình
thái với việc mọc ở nơi ngập nước do có các khoang khí lớn bên trong thân để vận
chuyển oxy đến rễ. TVTS này bao gồm các loài như Sậy (Phragmites spp.), Cỏ nến
hay Đi mèo (Typha spp.), Cói (Cyperus spp.), Bấc (Juncus spp.), Cỏ năn (Scirpus
spp.), Lác (Carex spp.), Lưỡi đồng (Iris spp.).


14

- TVTS có lá nổi: Các thực vật này khơng đứng cao trên mặt nước. Chúng bao
gồm cả các loài có rễ bám đáy như cây Súng (Nymphaea spp.) và các loài sống nổi
trên mặt nước như Bèo tây (Eichhornia crassipes), Bèo cái (Pistia stratiotes) và Bèo
tấm (Lemna spp. và Spirodella spp.).
- TVTS sống chìm dưới mặt nước: Các TVTS này có các mơ quang hợp hồn
tồn ngập trong nước nhưng hoa lại thường phơi ra trên mặt nước. Thuộc nhóm thực
vật này có Rong đi chó (Myriophyllum spp), Rong đuôi chồn (Ceratophyllum spp)
(là cỏ mọc lơ lửng trong nước, khơng có rễ bám đáy đất).
1.3.3. Vai trị của thực vật thuỷ sinh trong xử lý nước thải
Hiệu quả xử lý ơ nhiễm của một số lồi TVTS và tảo đã được kiểm chứng trong
các điều kiện thí nghiệm và cho thấy rằng chúng có tiềm năng trong xử lý nước thải
[21]. Người ta đã biết đến khả năng của TVTS trong việc vận chuyển oxy từ khơng khí
vào trong nước nhờ bộ rễ, cho phép hình thành nhóm sinh vật hiếu khí quanh bộ rễ
thực vật. Các vi sinh vật hiếu khí thích hợp cho việc phân giải sinh học các hợp chất

hữu cơ phức tạp thành các chất đơn giản. Sản phẩm của quá trình phân giải này sẽ
được thực vật sử dụng cho quá trình sinh trưởng, phát triển. Khả năng loại bỏ các chất
ô nhiễm vô cơ và hữu cơ trong nước đã được chứng minh là có sự cộng sinh giữa
TVTS và các vi sinh vật sống trong và xung quanh rễ của chúng. Thực vật và các vi
sinh vật có thể đạt được hiệu quả xử lý cao khi chúng phối hợp với nhau trong một hệ
sinh thái cân bằng. Thân và lá của thực vật nửa ngập nước và rễ của thực vật nổi làm
giảm tốc độ dòng chảy, gây ra sự thay đổi của quá trình lọc và lắng của các hạt (cặn,
vụn hữu cơ) và là nơi sống bám của nhiều loài tảo và vi sinh vật. Oxy chuyển từ phần
thân và lá khí sinh xuống bộ rễ và giải phóng ra vùng rễ, tạo điều kiện thuận lợi cho
quá trình nitrat và phản nitrat hố. Bởi vậy, TVTS đóng vai trò chủ yếu trong việc
giảm nồng độ NH4+, NO2- , NO3-, PO4 3- cũng như TSS và COD [21].
Các vi sinh vật phân huỷ các chất hữu cơ và sản phẩm cuối cùng của q trình
này là CO2, H2O, axít hữu cơ, ... Các hợp chất này cung cấp cho các TVTS, trước hết là
tảo. Các loài TVTS như tảo, rong Đi chó, rong Xương cá, lau Lác, các loại bèo,…
có rễ, thân tạo điều kiện cho vi sinh vật bám vào mà khơng bị chìm xuống đáy. Chúng
cung cấp oxy cho vi khuẩn hiếu khí, ngồi ra cịn cung cấp cho vi sinh vật những hoạt
chất sinh học cần thiết. Ngược lại, vi khuẩn cung cấp ngay tại chỗ cho thực vật những
sản phẩm trao đổi chất của mình, đồng thời thực vật giúp cho vi sinh vật khỏi bị chết
dưới ánh nắng mặt trời. Tảo là nguồn thức ăn cho cá và các loài thuỷ sản khác, khi
chết sẽ là chất dinh dưỡng cho vi sinh vật. Vai trị chính của tảo và TVTS là khử
nguồn amơn hoặc nitrat và nguồn phốt pho có ở trong nước.


15

Vai trị chủ yếu của TVTS có thể kể đến như sau [23]:
- Làm giá thể cho vi sinh vật sinh sống
- Tạo điều kiện cho q trình nitrat hố và phản nitrat hố
- Vận chuyển ơxy
- Vận chuyển nước và chất ô nhiễm

- Sử dụng chất dinh dưỡng
- Lắng, lọc
- Nguồn che sáng
- Cung cấp lớp đất và trầm tích mới
- Ảnh hưởng về vật lý
1.3.4. Các loại hình công nghệ sử dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải
Công nghệ sử dụng thực vật trong xử lý ô nhiễm nước thải thực chất là hệ thống
đất ngập nước nhân tạo trồng cây thuỷ sinh. Hệ thống còn được gọi là bãi lọc trồng
cây. Hệ thống đất ngập nước nhân tạo (ĐNNNT) được sử dụng cho xử lý nhiều loại
nước thải (công nghiệp, sinh hoạt, nước thải thành phố, khai mỏ....) từ hàng thập kỷ
nay. Đây là loại hình cơng nghệ tương đối mới và được ứng dụng ngày càng phổ biến
ở nhiều nước trên thế giới. Hệ thống gồm một hoặc một số đơn vị xử lý (ao hay
mương nơng) trong đó trồng các thực vật phát triển mạnh ở vùng đất ngập nước hay
đất ẩm ướt. Căn cứ vào chức năng xử lý, đặc điểm dòng nước chảy trong hệ thống mà
chia ra các loại hình khác nhau. Thơng thường có ba loại hình chính (hình 1.2).
Tại các nước phát triển như Đức, Mỹ, Pháp, Nhật Bản, Hàn Quốc… các công
nghệ xử lý nước thải sử dụng TVTS đã được phát triển rất thành công. Bắt đầu từ
những năm 1980, rất nhiều cơ sở xử lí nước thải tại các bang nước Mỹ đã phát triển và
ứng dụng công nghệ xử lý ô nhiễm với việc sử dụng các loài thực vật nổi và hệ thống
hồ ổn định. Phương pháp xử lý ô nhiễm hữu cơ và vô cơ tại vùng rễ của một số TVTS
- còn gọi là “Phương pháp vùng rễ”, đã được các nhà khoa học Đức nghiên cứu và
triển khai có hiệu quả tại nhiều nơi [23].
Để xác định loài thực vật cho xử lý nước thải cần phải xem xét đến đặc điểm
sinh trưởng, khả năng chống chịu của thực vật, các nhân tố mơi trường. Ngồi ra cũng
cần xem xét đến đặc điểm của nước thải, yêu cầu về chất lượng dòng thải, loại hệ thuỷ
sinh, cơ chế loại bỏ ơ nhiễm, lựa chọn quy trình, thiết kế quy trình, độ tin cậy của quá
trình [20, 25 - 27].


16

Mực nước
Lớp nước nông

nnôcạn

Bề mặt giá thể

Bề mặt giá thể

Lớp đá nền
Mực nước

Mực nước

Lớp lót đáy

Hình 1.2. Các loại hình công nghệ sinh thái sử dụng TVTS trong xử lý nước thải
1.3.4.1. Hệ thống dòng chảy trên bề mặt
Hệ thống dòng chảy trên bề mặt hay hệ thống bề mặt nước thống là các bể đất
nơng trồng cây nửa nổi. Hệ thống này được xây dựng ở Mỹ để cải thiện chất lượng
nước từ đầu những năm 1970. Trong hệ thống, dòng nước chảy trên bề mặt đất từ
điểm vào đến điểm ra. Thiết kế hệ thống bắt chước chế độ thuỷ học (hydrologic) trong
đất ngập nước tự nhiên. Hoạt động của hệ thống xử lý nước thải này cần nhiều diện
tích đất [23].
Nước dịng vào hệ thống chứa các thể vẩn và chất ơ nhiễm hồ tan chảy chậm
và trải ra trên vùng nước nông rộng và trồng cây nửa ngập nước. Các thể hạt rắn (điển
hình như TSS) bị giữ và lắng xuống do vận tốc dòng chảy thấp. Các thể rắn chứa chất
hữu cơ có thể phân huỷ sinh học (được xác định như BOD), tổng nitơ và tổng phốt
pho, rất ít kim loại và các chất hữu cơ khó phân huỷ khác. Các chất ơ nhiễm khơng tan

này đi vào chu trình sinh địa hố trong cột nước và đất trên mặt của vùng đất ngập
nước. Hệ thống dịng chảy trên bề mặt có một số đặc điểm chung với đầm phá tuỳ tiện
nhưng cũng có sự khác biệt quan trọng về cấu trúc và chức năng. Các quá trình xảy ra
trong cột nước ở vùng nước mở (khơng có cây và độ sâu lớn hơn) gần giống như các
vùng ở trong ao. Trên bề mặt là vùng tự dưỡng chủ yêu là tảo sợi và tảo trôi nổi hoặc
TVTS nổi hoặc nửa nổi hạn chế ánh sáng xuống vùng sâu. Sự thiếu ánh sáng dẫn đến
ở vùng sâu các q trình vi sinh kỵ khí xảy ra chủ yếu [23].