Tóm tắt
Nước thải chăn nuôi (NTCN) thường chứa nhiều thành phần ô nhiễm đã và đang gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường. Thực tế cho thấy, NTCN phát sinh với lưu lượng lớn, hàm lượng các chất ô nhiễm cao, đặc biệt là thành phần chất hữu cơ. Ngoài ra, ở nhiều hiện NTCN cũng chưa được xử lý đầy đủ và hiệu quả.
Nghiên cứu này đánh giá đặc tính một số thông số ô nhiễm chính (pH, COD, TSS và T-N) của nước thải tại 9 cơ sở chăn nuôi lợn. Hiện trạng công tác xử lý nước thải (XLNT) cũng được khảo sát để làm cơ sở cho việc đánh giá tiềm năng xử lý, tận dụng dòng nước thải chứa hàm lượng hữu cơ cao trong chăn nuôi lợn nhằmthu biogas (khí metan) thông qua kỹ thuật lên men yếm khí. Giải pháp này vừa đảm bảo các yêu cầu về chất lượng nước đầu ra trước khi xả thải vào môi trường, vừa thu hồi tài nguyên từ dòng thải.
Từ khóa: Nước thải chăn nuôi, biogas, hiệu quả xử lý, chất ô nhiễm.
MỞ ĐẦU
Đặc tính NTCN phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tuổi vật nuôi, chế độ ăn uống, nhiệt độ, độ ẩm trong chuồng, cách thức vệ sinh chuồng, xử lý chất thải… Ngoài ra, đặc tính NTCN còn bị ảnh hưởng rất lớn từ việc pha loãng, lưu trữ và quá trình tách rắn lỏng. Trong các đối tượng vật nuôi (lợn, bò và gia cầm), chăn nuôi lợn có mức độ ô nhiễm cao nhất [1,2]. NTCN có nguy cơ gây ô nhiễm môi trường cao do có chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ, chất rắn lơ lửng, nitơ (N), photpho (P) và vi sinh vật gây bệnh. Thành phần phần hữu cơ chiếm ~70 – 80 % trong chất rắn tách từ nước thải gồm các hợp chất hydrocacbon, proxit, axit amin, chất béo và các dẫn xuất của chúng có trong phân và thức ăn thừa. Hàm lượng N, P trong nước thải tương đối cao do có trong thức ăn và một phần bài tiết theo phân và nước tiểu. Ngoài ra, trong NTCN còn chứa lượng lớn vi khuẩn, virut gây bệnh với nhiều chủng loại như: E.coli, Streptococcus sp, Salmonella sp, Shigenla sp, Proteus, Clostridium sp…đây là các vi khuẩn gây bệnh tả, lỵ, thương hàn, kiết lỵ. Các loại virus có thể tìm thấy trong nước thải như: corona virus, poio virus, aphtovirus…và ký sinh trùng trong nước gồm các loại trứng và ấu trùng, ký sinh trùng đều được thải qua phân, nước tiểu và dễ dàng đi vào nguồn nước [3].
Ở Việt Nam, NTCN chủ yếu được xử lý bằng phương pháp sinh học với công nghệ yếm khí, hiếu khí kết hợp mương oxi hóa tự nhiên/hồ sinh học. Các hệ thống biogas được sử dụng phổ biến kết hợp hệ ao hồ sinh học, trong đó các hệ biogas có quy mô lớn thường sử dụng túi HDPE. Ngoài ra, công nghệ sinh học sử dụng hệ lọc tầng bùn ngược dòng (USBF) cũng được sử dụng ở một số trang trại chăn nuôi lợn. Tuy nhiên, các phương pháp trên chưa xử lý được hiệu quả các thành phần ô nhiễm, nước thải sau bể biogas vẫn chưa đáp ứng yêu cầu tiêu chuẩn xả thải, đặc biệt về thông số COD, TSS, N, P do vậy cần có các bước xử lý tiếp theo.
Trên thế giới, NTCN cũng được xử lý bằng các phương pháp sinh học do tính bền vững, dễ thích nghi với nhiều điều kiện tự nhiên. Ở các nước châu Á như Trung Quốc, Thái Lan,…công nghệ UASB được sử dụng khá phổ biến do xử lý hiệu quả nước thảicó tải trọng ô nhiễm cao, giảm mùi và có thể thu biogas [4]. Bên cạnh đó, công nghệ sinh học theo mẻ kế tiếp (SBR) cũng được áp dụng khá hiệu quả với NTCN lợn có hàm lượng N, P cao (> 90%) [5]. Sử dụng thực vật (thủy sinh) kết hợp các ao hồ sinh học, bãi lọc trồng câylà khá phổ biển ở nhiều nước, tuy nhiên ở Việt Nam đôi khi các giải pháp này khó áp dụng do mặt bằng đất hạn chế.
Việc đánh giá đặc tính NTCN cũng góp phần quan trọng trong lựa chọn phương pháp, công nghệ xử lý để đạt hiệu quả theo yêu cầu xả thải và thu hồi tài nguyên [3, 6]. Nghiên cứu này đã đánh giá đặc tính dòng nước thải và hiệu quả xử lý của một số cơ sở chăn nuôi lợn có quy mô khác nhau ở 3 miền. Các kết quả sẽ là cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo để đánh giá tiềm năng lên men yếm khí thành phần hữu cơ nhằm nâng cao hiệu quả XLNT và thu hồi metan.
2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tượng khảo sát, địa điểm lấy mẫu
Đối tượng nghiên cứu là NTCN lợn và hệ thống xử lý NTCN. Điều tra khảo sát thực tế tại 9 cơ sở thuộc 3 tỉnh Vĩnh Phúc, Hà Tĩnh và Đồng Nai.
2.2. Phương pháp lấy mẫu, phân tích
Tiến hành lấy mẫu nước tại hố gom nước thải trước khi vào bể biogas tại hai thời điểm trong khi rửa chuồng và không rửa chuồng. Các mẫu được lấy và phân tích 2 lần lặp (lấy giá trị trung bình) tại một số vị trí dòng thải điển hình (Bảng 1).
Lấy mẫu nước theo tiêu chuẩn TCVN 5992-1995; TCVN 5993-1995; TCVN 5994-1995. Xử lý và bảo quản mẫu nước theo TCVN 6663-14:2000, ISO 5667-14:1998.Phương pháp phân tích theo TCVN 6492:2011, 6491:1999, TCVN 6625:2000 và TCVN 6638:2000tương ứng đối với pH, COD, TSS và T-N.
Một số hóa chất chính sử dụng trong nghiên cứu: Axit sunfuric, Bạc sunfat, Kali dicromat, Sắt (II) amoni sunfat, Kali hidro phtalat, Feroin, Kali sunfat, Đồng sunfat. Các hóa chất là tinh khiết dùng cho phân tích của Merck.
Các thiết bị chính: máy đo pH để bàn loại Professional AD1030, cân phân tích, Shimadu, Nhật, Bộ đun phân tích COD Velp EC16, hệ Kjeldahl.
Bảng 1. Thông tin về các cơ sở chăn nuôi và vị trí lấy mẫu nước thải
| Tỉnh | Cơ sở | Năm hoạt động | Số lao động | Quy mô | Ký hiệu mẫu* | Vị trí lấy mẫu |
| Vĩnh Phúc | Hộ chăn nuôi ĐVT | 2013
|
4 | 3,0ha 30 lợn nái 200 lợn thịt | VP.TR3 | Trước biogas |
| VP.TR4 | Sau biogas | |||||
| VP.TR5 | Nước vệ sinh chuồng | |||||
| Hộ chăn nuôi TVT | 2014
|
10 | 7ha 3000 lợn thịt | VP.TI3 | Trước biogas | |
| VP.TI4 | Sau biogas | |||||
| Công ty TNHH TMPĐ | 2007
|
12 | 3,0ha 400 lợn thịt
100 lợn giống 60 lợn nái |
VP.P3 | Trước biogas khu lợn thịt | |
| VP.P4 | Sau biogas khu lợn thịt | |||||
| VP.P5 | Trước biogas khu lợn nái | |||||
| Hà Tĩnh | Hợp tác xã Chăn nuôi THĐM | 2015
|
5 | 3,0ha
300 lợn nái ngoại sinh sản 04 lợn đực 850 lợn thịt |
HT.Đ3 | Trước biogas |
| HT.Đ4 | Sau biogas | |||||
| HT.Đ5 | Đầu ra (thải vào nguồn tiếp nhận) | |||||
| Hợp tác xã chăn nuôi HH | 2016
|
13 | 5,0ha
600 lợn nái 2000 lợn thịt |
HT.H3 | Trước biogas | |
| HT.H4 | Sau biogas | |||||
| HT.H5 | Đầu ra (thải vào nguồn tiếp nhận) | |||||
| Công ty CP Chăn nuôi MTRC | 2013
|
100 (tổng) | 3,0ha
1200 đầu lợn (300 lợn giống 900 lợn nái) |
HT.M3 | Trước biogas | |
| HT.M4 | Sau biogas | |||||
| HT.M5 | Đầu ra (thải vào nguồn tiếp nhận) | |||||
| Đồng Nai | Công ty CP nông nghiệp VGGP | 2008
|
100 | 23ha 15.000 lợn nái | ĐN.V 3 | Đầu vào hệ thống XLNT |
| ĐN.V4 | Đầu ra hệ thống XLNT | |||||
| Công ty CPChăn nuôi CP Việt Nam KNP | 2012
|
70 | 2,8ha
12.000 lợn hậu bị 2.400 lợn nái |
ĐN.A3 | Hồ chứa nước (tái sử dụng) | |
| Công ty TNHH APKS | 2014
|
20 | 4,2ha 1200 lợn nái | ĐN.AP3 | Hồ chứa nước (tái sử dụng) |
Ghi chú: * Mẫu được ký hiệu theo tên tỉnh và mã của các cơ sở khảo sát
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Hiện trạng phát sinh nước thải và hệ thống xử lý
Qua khảo sát, NTCN ở các cơ sởđều được thải trộn dòng với các dòng nước thải từ vệ sinh, rửa chuồng, nước tiểu và phần nhỏ phân lợn còn lại sau khi vệ sinh chuồng (vệ sinh khô). Lưu lượng nước thải của các cơ sở/trang trại khảo sát được đưa ra ở Hình 1.Định mức nước thải của hầu hết các cơ sở trong khoảng 30-45 lít/đầu lợn (tính trung bình), không phân biệt lợn nái và lợn thịt. Tuy nhiên, Hợp tác xã chăn nuôi HH và Công ty TNHH APKS có mức thải khá chênh lệch tương ứng 19 và 81 lít/đầu lợn. Sự khác biệt này có thể do số liệu điều tra chưa xác định rõ dòng thải tách, trộn với các dòng khác như nước thải sinh hoạt ở Công ty TNHH APKS.
Hình 1. Lưu lượng nước thải của các cơ sở sản xuất
Công trình xử lý NTCN hiện đang áp dụng tại các cơ sở/trang trại được đưa ra ở Bảng 2.Kết quả cho thấy, cả 9 cơ sở đều sử dụng công nghệ điển hình là kết hợp bể biogas và kênh/ao hồ sinh học (Hình 2). Một số cơ sở như Công ty CP nông nghiệp VGGP và Công ty CP Chăn nuôi CP Việt Nam KNP đã đầu tư xây dựng hệ thống XLNT sau biogas đạt hiệu quả cao. Ngoài xử lý sinh học (yếm khí) truyền thống, áp dụng công nghệ hiếu khí, keo tụ-tủa bông, lọc áp lực và khử trùng. Nước đầu ra đạt QCVN 62:2016-MT/BTNMT, mức A và được tái sử dụng.
Bảng 2. Hiện trạng xử lý NTCN lợn tại các cơ sở khảo sát
|
STT |
Cơ sở | Giải pháp xử lý | Đầu ra/Nguồn tiếp nhận |
| 1 | Hộ chăn nuôi ĐVT | Nước thải à hố lắng 1à bể biogas (150 m3)àhố lắngà mương tiêuàthải | Sông Phan
|
| 2 | Hộ chăn nuôi TVT | Nước thảià hố gas (100 m3)àhệ thống biogasàbể lắng 8 ngăn (1200 m3: 30x10x4m)àthải | SôngPhan |
| 3 | Công ty TNHH TMPĐ | Nước thải àhố tách phân, bùn à bể biogas (180m3:10x3x6m)àao sinh học (1 ha) àkênhàthải | Sông Cà Lồ |
| 4 | Hợp tác xã chăn nuôi THĐM | Nước thải àbể biogas (990m2)à 3 hồ sinh học (7233 m2) àhố khử trùng (4 m2) | Bể biogas hoạt động không hiệu quả |
| 5 | Hợp tác xã chăn nuôi HH | Nước thải àbể biogas à hệ thống hồ sinh học: 2 hồ kỵ khí, 2 hồ tùy nghi, 1 hồ thực vật, 1 hồ khử trùng à Mương dẫn àthải | Hồ đập Cầu Trắng.
Đạt QCVN 62-MT:2016/BTNMT, B (Kq = 0,6, Kf = 1,3 |
| 6 | Công ty CP Chăn nuôi MTRC | Nước thảiàhố thu/lắng (25m³)à bể biogas (2800m², 7000m³: 70x40x2,5m) àhồ sinh học (6772m³ x 2) à thải(Hình 2) | Kênh thủy lợi xã Thạch Vĩnh.
Khí biogas: ~2000-2500 m³/ngày (CH4~ 55-70%) |
| 7 | Trại lợn công ty CP nông nghiệp VGGP | Hệ thống XLNT 500 m3/ngày đêm
Nước thải à bể điều hòa/lắng sơ bộà hệ thống bể yếm khí àbể hiếu khí àlắng II àkeo tụ tủa bông àlọc áp lực àkhử trùng àhồ chứa àtái sử dụng |
Đạt QCVN 62-MT:2016/BTNMT, A
Tái sử dụng |
| 8 | Công ty CP Chăn nuôi CP Việt Nam KNP | Hệ thống XLNT 150 m3/ngày đêm
Công nghệ tương tự Trại lợn công ty CP nông nghiệp VGGP(cùng đơn vị thi công xây dựng) |
|
| 9 | Công ty TNHH APKS | Hệ thống bể biogas (~6.000 m3:3.000 – 3.200m3) à 3hồ chứa không chống thấm.
Hệ thống XLNT150 m3/ngày đêm (xây dựng tháng 8/2016) |
Hồ chứa Tái sử dụng |
Hình 2. Quy trình xử lý nước thải của Công ty CP chăn nuôi MTRC
3.2. Kết quả phân tích đặc tính dòng thải tại các cơ sở khảo sát
Kết quả điều tra thực trạng hoạt động và đánh giá đặc tính dòng nước thải tại các cơ sở cho thấy: Giá trị pH của các mẫu nước thải đầu vào và ra đều nằm trong QCVN 62:2016/BTNMT đối với NTCN (Hình 3). Giá trị pH trong các công trình nghiên cứu trước cũng nằm trong khoảng axit hoặc kiềm yếu 6,3 – 8,6 [7,8].
Các kết quả đánh giá COD, TSS và TN trong dòng nước thải trước, sau bể biogas và đầu ra/điểm xả thải được chỉ ra ở các Hình4-6.
Hình3. Biến thiên pH của nước thải trước và sau biogas
Hình4. Biến thiên COD của nước thải trước và sau biogas
Kết quả cho thấy, hệ thống biogas của các cơ sở hoạt động khá hiệu quả, mức giảm COD đạt trung bình 60%, một số cơ sở như VP.P4, HT.Đ4 và HT.M4 đạt 80% (Hình 4). Số liệu này cũng phù hợp với kết quả khảo sát tại 20 trang trại, trong đó COD trước biogas rất cao (~3.587 mg/L), sau biogas còn 800mg/L, hiệu suất đạt ~ 80%. Tại các ao sinh học sau biogas COD giảm xuống còn ~ 161 mg/L [9].
So sánh với NTCN lợn tại một trang trại ở Trung Quốc, CODvà amoni cũng ở mức rất cao, tương ứng 5200và 720 mg/L [10]. Trong nghiên cứu của Mofokeng (2016), giá trị COD của NTCN lợn dao động trong khoảng rất lớn từ 210 – 9400 mg/L [11].
Dựa vào kết quả phân tích COD đầu vào và ra hệ thống biogas có thể tính toán sơ bộ lượng chất hữu cơ đã chuyển hóa và tiềm năng thu hồi khí biogas (khí metan) ở một số cơ sở. Tính toán với định mức (theo lý thuyết) thể tích biogas sinh ra ~ 0,35 lít/g COD chuyển hóa và hàm lượng metan trong biogas ~ 65-70%. Tổng thể tích khí biogas tính tương ứng với bể biogas có kích thước đủ để lưu nước thải từ 30 đến 60 ngày [2] (Bảng 3). Kết quả ước tính tiềm năng sinh biogas ở Bảng 3 cho thấy, giữa các cơ sở khảo sát hiệu suất sinh khí là khá tương đồng dựa trên mức độ phân hủy (giảm COD) và lưu lượng nước thải. Ngoài ra, số liệu cũng tương đối phù hợp với số liệu điều tra thực tế ở Công ty CP Chăn nuôi MTRC với bể biogas có thể tích đủ lưu nước thải trong 60 ngày. (khí biogas: ~2000 – 2500 m³/ngày, CH4~ 55-70 %).
Bảng 3. Ước tính tiềm năng sinh biogas của một số cơ sở khảo sát
| STT | Cơ sở | COD chuyển hóa (g/m3) = CODvào-CODra | Lưu lượng thải (m3/ngày)
|
Ước tính tiềm năng sinh khí biogas theo lượng thải hàng ngày = (c) x (d) x 0,35 lít/gCOD | Ước tính tổng tiềm năng sinh khí từ bể biogas (m3/ngày) | |
| Nước thải lưu 30 ngày = (e) x 30 ngày | Nước thải lưu 60 ngày = (e) x 60 ngày | |||||
| (a) | (b) | (c) | (d) | (e) | (f) | (g) |
| 1 | Hộ chăn nuôi ĐVT | ~1000 | 10 | 3.500 lít/ngày (3,5 m3/ngày) | 105 | 210 |
| 2 | Hộ chăn nuôi TVT | ~1000 | 155 | 54.250 lít/ngày (54,25 m3/ngày) | 1628 | 3256 |
| 3 | Công ty TNHH TMPĐ | ~1400 | 25 | 12.250 lít/ngày (12,25 m3/ngày) | 368 | 736 |
| 4 | Công ty CP Chăn nuôi MTRC | ~1600 | 100 | 56.000 lít/ngày (56m3/ngày) | 1680 | 3360 |
Đối với TSS, hầu hết mẫu đầu vào bể biogas có giá trị trong khoảng 1000 – 2000 mg/L, riêng nước thải của Công ty TNHH TMPĐ và Hợp tác xã chăn nuôi HH có giá trị rất cao, 3.500 đến trên 4.000 mg/L (Hình 5). Kết quả cũng phù hợp với đánh giá về giá trị TSS của NTCN lợn thường rất cao, hàm lượng đã pha loãng (15%) vẫn cao ở mức 1340 ± 34mg/L.[12].
Hiệu quả xử lý nitơ (theo T-N) là khá thấp, chỉ đạt 10%. Đặc biệt ở Hợp tác xã ĐM, nitơ đầu ra biogas còn cao hơn đầu vào, nguyên nhân có thể do có các nguồn thải khác xung quanh chưa xác định được.
Hình 5. TSS của nước thải trước, sau biogas và đầu ra vào nguồn tiếp nhận, ao/hồ chứa
Một số cơ sở ở Đồng Nai có nitơ ở đầu ra (mương tiêu, hồ/ao chứa nước thải sau xử lý) giảm đáng kể có thể do pha trộn với các dòng của nước thải sau biogas. Tuy nhiên hàm lượng tổng nitơvẫn cao hơn QCVN 62/2016 BTNMT, mức B (Hình 6).
Hình 6. Giá trị T-N của nước thải trước, sau biogas và đầu ra/nguồn tiếp nhận (mương tiêu, hồ/ao chứa)
Trong nghiên cứu của Trần Văn Tựa và cộng sự (2015) ở 20 trang trại chăn nuôi lợn, giá trị T-N trước và sau biogas cũng chênh lệch khá rõ rệt, tương ứng ~343 và 307 mg/L (hiệu suất ~ 10%). Tuy nhiên, sau đó T-N giảm rõ rệt chỉ còn 12 mg/L ở các ao hồ sinh học. Kết quả này có thể do các quá trình làm sạch tự nhiên và pha loãng.
4. KẾT LUẬN
Nước thải của cả 9 cơ sở khảo sát đều được thải chung (trộn dòng), lưu lượng thải dao động trong khoảng 10-500 m3/ngày, đêm theo quy mô trang trại với định mức thải ước tính khoảng 30 – 45 lít/đầu lợn.
Đặc tính dòng nước thải có mức độ ô nhiễm các thành phần hữu cơ khá cao, COD dao động lớn giữa các cơ sở trong khoảng 500 – 3000 mg/L;giá trị TSS và T-N cao, tương ứng trong khoảng 1000 – 2000mg/L và 200 – 700 mg/L.
Tất cả 9 cơ sở đều sử dụng công nghệ truyền thống với hệ thống bể biogas để XLNT, hiệu quả xử lý COD, TSS và T-N tương ứng đạt ~ 60-80, 70 và 10 %. Tuy nhiên,một số cơ sở đã đầu tư hệ thống XLNT sau biogas với công nghệ kỵ khí, hiếu khí, keo tụ-tủa lông, lọc áp lực và khử trùng. Nước thải đầu ra đạt QCVN 62:2016/BTNMT, mức A và được tận dụng cho tưới cây và/nuôi thủy sản. Tiềm năng sinh biogas ước tính theo mức độ giảm COD, lưu lượng thải và thể tích bể biogascho thấy sự tương đồng giữa các cơ sở và tương đối phù hợp với số liệu thu thập từ thực tế. Tuy nhiên, cần đánh giá đầy đủ hơn chất lượng nước đầu ra, tăng tỉ lệ hàm lượng metan trong biogasvà tính ổn định để đảm bảo an toàn khi tái sử dụng.
Lời cảm ơn: Tác giả xin trân trọng cảm ơn sự phối hợp của nhóm nghiên cứu và hỗ trợ của đề tài Nghị định thư NĐT 31.JPA/17.
Nguyễn Thị Hà1, Ngô Vân Anh1, Ngô Ngọc Anh2
1Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
2Trung tâm Nghiên cứu Quan trắc và Mô hình hóa môi trường, Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
(Nguồn: Bài đăng trên Tạp chí Môi trường, số Chuyên đề Tiếng việt 1/2020)
