ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

LƢU THỊ CÚC

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ XỬ LÝ VÀ TUẦN HOÀN
NƢỚC THẢI CHĂN NUÔI SỬ DỤNG KẾT HỢP
MÔ HÌNH ĐẤT NGẬP NƢỚC KIẾN TẠO
VÀ MÔ HÌNH AQUAPONICS

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG

THÁI NGUYÊN - 2015
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

LƢU THỊ CÚC

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ XỬ LÝ VÀ TUẦN HOÀN
NƢỚC THẢI CHĂN NUÔI SỬ DỤNG KẾT HỢP
MÔ HÌNH ĐẤT NGẬP NƢỚC KIẾN TẠO
VÀ MÔ HÌNH AQUAPONICS
Chuyên ngành: Khoa học môi trƣờng
Mã số: 60 44 03 01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƢỜNG

Trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài, tôi đã nhận được sự giúp
đỡ tạo điều kiện thuận lợi nhất, những ý kiến đóng góp và những lời chỉ bảo quý
báu của tập thể và cá nhân trong và ngoài trường đại học Nông Lâm Thái
Nguyên. Đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc TS. Dư Ngọc Thành là
người trực tiếp hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian nghiên cứu đề tài
và hoàn thành luận văn. Tôi xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của Ủy
ban nhân dân thành phố Lào Cai, Công ty TNHH Giải pháp Kỹ thuật và Truyền
thông môi trường và các cơ quan ban ngành khác có liên quan tạo điều kiện cho
tôi thu thập số liệu, những thông tin cần thiết để thực hiện luận văn này.
Tôi xin được bày tỏ lòng cảm ơn chân thành và sâu sắc tới sự giúp đỡ tận
tình, quý báu đó!
Xin trân trọng cảm ơn!
Tác giả luận văn

Lƣu Thị Cúc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




iii

MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................... ii
MỤC LỤC ......................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..................................................................... vi
DANH MỤC BẢNG ......................................................................................... vii

1.4.4. Lợi ích sử dụng Aquaponics ................................................................. 16
1.5. Cơ sở khoa học của nghiên cứu ............................................................... 17
1.5.1. Các nghiên cứu ở nước ngoài................................................................ 17
1.5.2. Các nghiên cứu ở trong nước ................................................................ 24
Chƣơng 2: NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................ 29
2.1. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu ......................................... 29
2.2. Thời gian và địa điểm nghiên cứu............................................................ 29
2.3. Nội dung nghiên cứu và các chỉ tiêu theo dõi .......................................... 29
2.4. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................... 30
2.4.1. Phương pháp thiết kế mô hình thí nghiệm ............................................ 30
2.4.2. Phương pháp bố trí thí nghiệm.............................................................. 34
2.4.3. Phương pháp lấy mẫu và phân tích ....................................................... 35
2.4.4. Phương pháp tổng hợp và so sánh ........................................................ 37
2.4.5. Phương pháp xử lý số liệu..................................................................... 37
Chƣơng 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ............................................................ 39

3.1. Điều kiện tự nhiên, thời tiết - khí hậu khu vực nghiên cứu ..................... 39
3.1.1. Vị trí địa lý ............................................................................................ 39
3.1.2. Thời tiết - Khí hậu ................................................................................. 39
3.1.3. Ảnh hưởng của điều kiện tự nhiên, thời tiết - khí hậu đến nghiên cứu ......... 40
3.2. Hiệu quả xử lý nước thải của mô hình nghiên cứu với các công thức
thí nghiệm khác nhau .............................................................................. 42
3.2.1. Đánh giá chất lượng nước thải đầu vào ................................................ 42
3.2.2. Đánh giá chất lượng nước thải sau xử lý của các công thức
thí nghiệm .............................................................................................. 44
3.2.3. So sánh hiệu quả xử lý nước thải của các công thức thí nghiệm .......... 51
3.3. Đánh giá hiệu quả kinh tế và đề xuất giải pháp ....................................... 55
3.3.1. Tính toán tổng thu của từng công thức ................................................. 55
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN


Biochemical Oxygen Demand

Nhu cầu oxy hóa sinh hóa

COD

Chemical Oxygen Demand

Nhu cầu oxy hóa hóa học

CV

Coefficient of variation

Hệ số biến động

ĐNNKT

Đất ngập nước kiến tạo

DO

Dissolved Oxygen

Oxy hòa tan

LSD

Least significant difference


TNMT

Resources - Environment

Tài nguyên - Môi trường

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




vii

DANH MỤC BẢNG
Trang
Bảng 1.1. Thành phần hóa học nước thải của lợn [15] ..................................... 6
Bảng 1.2. Tính chất nước thải chăn nuôi lợn [15] ............................................ 6
Bảng 1.3. Kết quả phân tích một số chỉ tiêu vật lý, hoá học của nước thải
chăn nuôi sau công trình khí sinh học Biogas [8] ............................. 9
Bảng 2.1. Các loại vật liệu lọc sử dụng trong mô hình thí nghiệm ................ 30
Bảng 2.2. Hệ thực vật được sử dụng trong mô hình thí nghiệm ..................... 30
Bảng 2.3. Hệ động vật sử dụng trong mô hình Aquaponics ........................... 30
Bảng 2.4. Các chỉ tiêu theo dõi và phương pháp phân tích ............................ 36
Bảng 3.1. Kết quả phân tích một số chỉ tiêu hóa – sinh học của nước thải
đầu vào............................................................................................. 42
Bảng 3.2. Kết quả phân tích một số chỉ tiêu Vật lý của nước thải đầu vào ........ 43
Bảng 3.3. Khả năng xử lý BOD5 trong nước thải của các công thức thí nghiệm ... 44
Bảng 3.4. Khả năng xử lý COD trong nước thải của các công thức thí nghiệm..... 45
Bảng 3.5. Khả năng xử lý T-P trong nước thải của các công thức thí nghiệm ....... 46
Bảng 3.6. Khả năng xử lý T-N trong nước thải của các công thức thí nghiệm ...... 47

Hình 3.1. Khả năng xử lý BOD5 của các công thức thí nghiệm ..................... 45
Hình 3.2. Khả năng xử lý Coliform của các công thức thí nghiệm ................ 49
Hình 3.3: Khả năng xử lý nước thải của các công thức thí nghiệm................ 53

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Nước là cội nguồn của sự sống, là yếu tố quan trọng hàng đầu cho sự
tồn tại và phát triển của con người cũng như sinh vật. Tuy nhiên hiện nay, tài
nguyên nước đang suy giảm nghiêm trọng cả về số lượng và chất lượng mà
nguyên nhân chủ yếu - không ai khác lại là chính con người.
Kinh tế phát triển, nhu cầu sử dụng nước ngày một tăng và nước thải là
một hệ quả tất yếu. Nước thải phát sinh từ mọi hoạt động sống, hoạt động sản
xuất của con người và nếu không có biện pháp quản lý và xử lý kịp thời thì ô
nhiễm môi trường nước do nước thải chỉ còn là vấn đề thời gian. Một trong
những nguồn nước thải có tải trọng lớn, ảnh hưởng trực tiếp đến tài nguyên
nước của nước ta hiện nay là: nước thải chăn nuôi. [8]
Cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội, hội nhập nền kinh tế thế giới,
các ngành nghề đều được đẩy mạnh phát triển. Chăn nuôi cũng vậy: các cơ sở
chăn nuôi ngày càng tăng dù là số lượng hay quy mô. Phát triển chăn nuôi
đem lại hiệu quả kinh tế cao, tuy nhiên bên cạnh những đóng góp về mặt kinh
tế, chăn nuôi cũng bộc lộ nhiều nhược điểm. Các trang trại chăn nuôi với mặt
bằng hạn hẹp không đảm bảo các điều kiện về vệ sinh thú y và nhất là không
xử lý chất thải trước khi thải ra ngoài môi trường làm cho đất, nước, không

các yếu tố vi lượng,…) tối ưu cho sự phát triển của cây trồng cũng như cân
bằng T - N trong hệ thống. Tồn tại phổ biến nhất của Aquaponics là vấn đề xử
lý nước bể nuôi cá cũng như việc phải bổ sung dinh dưỡng cho phù hợp với
sự phát triển của cây trong mô hình. Việc thay nước và bổ sung dung dịch
dinh dưỡng cho hệ thống sau một thời gian sử dụng gây tốn kém, khó khăn
cho vận hành và gây ô nhiễm môi trường. [3]
Xử lý và tái sử dụng nước thải sau xử lý đang là một hướng đi mới đầy
triển vọng, đảm bảo cho sự phát triển bền vững của tương lai, đã được triển
khai nghiên cứu ở nhiều nước trên thế giới. Câu hỏi đặt ra ở đây là: “Làm thế
nào để kết hợp được hiệu quả về mặt môi trường và hiệu quả kinh tế trên cùng
một hệ thống xử lý nước thải, cụ thể ở đây là nước thải chăn nuôi, đồng thời
đảm bảo tái sử dụng hiệu quả nước sau xử lý?”. Xuất phát từ trăn trở đó, tôi
tiến hành thực hiện đề tài: “Nghiên cứu công nghệ xử lý và tuần hoàn nước
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




3

thải chăn nuôi sử dụng kết hợp mô hình đất ngập nước kiến tạo và mô
hình Aquaponics”. Kết quả của đề tài sẽ góp phần giải quyết hiệu quả bài
toán về môi trường và kinh tế: vừa bảo vệ chất lượng nguồn nước, làm tăng
hiệu quả sử dụng đồng thời giảm chi phí xử lý nước thải chăn nuôi, bảo vệ
sức khỏe người lao động, rất thích hợp với điều kiện của Việt Nam; vừa cung
cấp lợi ích thiệt thực về kinh tế thông qua lượng sinh khối thu được từ mô
hình Aquaponics.
2. Mục tiêu của đề tài
2.1. Mục tiêu chung
- Xác định được khả năng xử lý và tuần hoàn nước thải chăn nuôi khi kết

29 tháng 11 năm 2005, định nghĩa như sau: “Môi trường bao gồm các yếu tố
tự nhiên và vật chất nhân tạo bao quanh con người, có ảnh hưởng đến đời
sống, sản xuất, sự tồn tại, phát triển của con người và sinh vật”.
* Ô nhiễm môi trường nước: Là sự thay đổi thành phần và chất lượng
nước không đáp ứng cho các mục đích sử dụng khác nhau, vượt quá tiêu chuẩn
cho phép và có ảnh hưởng xấu đến đời sống con người và sinh vật. Nước trong
tự nhiên tồn tại dưới nhiều hình thức khác nhau: Nước ngầm, nước ở các sông
hồ, tồn tại ở thể hơi trong không khí, ... Nước bị ô nhiễm nghĩa là thành phần
của nó tồn tại các chất khác, mà các chất này có thể gây hại cho con người và
cuộc sống các sinh vật trong tự nhiên. Nước ô nhiễm thường là khó khắc phục
mà phải phòng tránh từ đầu.
* Nước thải chăn nuôi: Nước thải chăn nuôi là một loại nước thải rất
đặc trưng và có khả năng gây ô nhiễm môi trường cao do có chứa hàm lượng
cao các chất hữu cơ, cặn lơ lửng, N, P và VSV gây bệnh. [8]
1.2. Tổng quan về nƣớc thải chăn nuôi
1.2.1. Khái niệm về ô nhiễm môi trường trong chăn nuôi
Ô nhiễm môi trường trong chăn nuôi là: sự thay đổi bất lợi môi trường
không khí, môi trường đất và môi trường nước hoàn toàn hay đại bộ phận do
hoạt động chăn nuôi các hoạt động nuôi trồng thủy sản do con người tạo nên.
Những hoạt động này tác dụng trực tiếp, gián tiếp đến sự thay đổi về mặt
năng lượng, mức độ bức xạ, thành phần hóa học, tính chất vật lý, ... Những
thay đổi đó tác động có hại đến con người và sinh vật trên trái đất. [15]
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




5

1.2.2. Nguồn gốc phát sinh chất thải chăn nuôi


6

Bảng 1.1. Thành phần hóa học nƣớc thải của lợn [15]
STT
1
2
3
4
5
6
7

Đặc tính
Vật chất khô
NH4-N
Nt
Tro
Urea
Cacbonates
pH

Đơn vị
g/kg
g/kg
g/kg
g/kg
mmol/l
g/kg


7

Đặc tính
Độ màu
Độ đục
BOD5
COD
SS
Pt
Nt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

Đơn vị
Pt-CO
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l

Giá trị
350 - 870
420 - 550
3500 - 8900
5000 - 12000
680 - 1200
36 - 72
220 - 460

năng lượng. Tùy theo từng nhóm vi khuẩn mà sử dụng là hiếu khí hay kỵ khí
mà người ta thiết kế các công 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 thông thường;
+ Bể aeroten xáo trộn hoàn toàn;
+ Bể aeroten mở rộng;
+ Mương oxy hóa;
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




8

+ 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 dòng nước từ dưới lên (UASB);
+ Bể phản ứng yếm khí tiếp xúc;
+ Bể lọc kỵ khí;
+ Bể phản ứng có dòng nước đi qua lớp cặn lơ lửng và lọc tiếp qua lớp
vật liệu lọc cố định.
* Các hệ thống xử lý tự nhiên bằng phương pháp sinh học.
- Hồ sinh học:
+ Hồ hiếu khí;

Màu sắc

Đơn vị
-

Kết quả
Xanh đen

QCVN 40-20111(cột B)
-

Mùi

-

Hôi

Không có mùi

COD

mg/l

661.04

150

BOD5

mg/l


mg/l

0.46

-

TSS

mg/l

850.68

100

pH

-

7.96

5.5-9

EC

mS/m

8518

-

lý nước thải hiệu quả hơn, giảm diện tích và đặc biệt có thể quản lý được quá
trình vận hành ở mức đơn giản”. [1]
ĐNNKT gần đây đã được biết đến trên thế giới như một giải pháp công
nghệ mới, xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên với hiệu suất cao, chi phí thấp
và ổn định, ngày càng được áp dụng rộng rãi. Ở Việt Nam, công nghệ trên thực
chất còn rất mới.
ĐNNKT dùng để xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên. Với các
thông số làm việc khác nhau, đất ngập nước kiến tạođược sử dụng rộng rãi
trong xử lý nhiều loại nước thải. Khác với bãi đất ngập nước tự nhiên, thường
là nơi tiếp nhận nước thải sau khi xử lý, với chất lượng đã đạt yêu cầu theo
tiêu chuẩn và chúng chỉ làm nhiệm vụ xử lý bậc cao hơn, ĐNNKT là một
thành phần trong hệ thống các công trình xử lý nước thải sau bể tự hoại hay
sau xử lý bậc hai. [1]
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




11

1.3.2. Các loại hình đất ngập nước nhân tạo
Có 2 kiểu phân loại đất ngập nước kiến tạo cơ bản theo hình thức chảy:
Loại dòng chảy tự do trên mặt đất (Free surface flow) và loại chạy ngầm trong
đất (Subsurface slow).
1.3.2.1. Đất ngập nước có dòng chảy bề mặt (Surface flow wetland - SFW)
hay bãi lọc trồng cây ngập nước
Hệ thống này mô phỏng một đầm lầy hay đất ngập nước trong điều kiện
tự nhiên. Dưới đáy bãi lọc là một lớp đất sét tự nhiên hay nhân tạo, hoặc rải một
lớp vải nhựa chống thấm. Trên lớp chống thấm là đất hoặc vật liệu phù hợp cho
sự phát triển của thực vật có thân nhô lên khỏi mặt nước. Dòng nước thải chảy

giữa đất và không khí.
Bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy ngang có khả năng xử lý chất hữu cơ
và rắn lơ lửng tốt, nhưng khả năng xử lý các chất dinh dưỡng lại thấp, do điều
kiện thiếu oxy, kị khí trong các bãi lọc không cho phép nitrat hoá amoni nên
khả nãng xử lý nitơ bị hạn chế. Xử lý phốtpho cũng bị hạn chế do các vật liệu
lọc được sử dụng (sỏi, đá dăm) có khả năng hấp phụ kém. [1]

Hình 1.2. Bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




13

Loại này bao gồm cả các loại bãi lọc có dòng chảy nằm ngang hay dòng
chảy thẳng đứng từ dưới lên, từ trên xuống.
Dòng chảy dưới bề mặt vùng đất ngập nước (SSF) là: Vùng đất ngập
nước của SSF được xây dựng với vật liệu xốp (ví dụ: đất, cát, sỏi) như là một
chất nền cho tăng trưởng của thực vật bắt nguồn từ vùng đất ngập nước. Các
vùng đất ngập nước của SSF được thiết kế để nước chảy theo chiều ngang
hoặc theo chiều dọc thông qua các bề mặt và dưới bề mặt mặt đất. Các loài
thực vật được trồng phổ biến nhất trong bãi lọc là Cỏ nến, Sậy, Cói, Bấc,
Lách,... oxy cung cấp cho bề mặt và cho phép sinh học tăng trưởng tích lũy về
nguồn gốc của nó. Vi khuẩn và nấm có lợi sống trong chất nền như màng sinh
học gắn liền với các hạt chất nền. Dòng chảy được duy trì bởi đáy và độ dốc
hoặc một cấu trúc điều chỉnh cho phép mực nước được hạ xuống ở cuối nền.
Loại này ít tốn kém và tạo sự điều hòa nhiệt độ khu vực cao hơn loại chảy
ngầm, nhưng hiệu quả xử lý kém hơn, tốn diện tích đất nhiều hơn và có thể
phải giải quyết thêm vấn đề muỗi và côn trùng phát triển. [15]

khuẩn nhiều hơn nữa).
Nước thải đi qua vùng đất ngập nước từ từ và làm sạch nước ra khỏi hệ
thống xử lý. Nước thải được chuyển vào hệ thống xử lý theo một đường ống
và chảy trong lòng vật liệu lọc của hệ thống nằm bên dưới bề mặt đất.
1.4. Tổng quan về Aquaponics
1.4.1. Khái niệm về Aquaponics
Thuật ngữ Aquaponics là sự kết hợp của từ Aquaculture (nuôi trồng thủy
sản) và Hydroponics (thủy canh). Aquaponics là một hệ thống canh tác mới
đầy tiềm năng trong tương lai ở Việt Nam và trên thế giới. Aquaponics dựa trên
các hệ thống sản xuất như chúng ta đã biết trong tự nhiên. Aquaponics là sự kết
hợp của cả hai hệ thống: nuôi trồng thủy sản và thủy canh. [4]
1.4.2. Đặc trưng cơ bản của Aquaponics
Hệ thống thủy canh đòi hỏi người quản lý phải có trình độ kỹ thuật nhất
định và tương đối khó khăn trong việc bổ sung chất dinh dưỡng (phân bón,
các yếu tố vi lượng,…) tối ưu cho sự phát triển của cây trồng. Nước trong hệ
thống thủy canh cần phải được thay định kỳ và sau đó phải bổ sung dinh
dưỡng cho phù hợp với sự phát triển của cây. Điều này gây tốn kém, khó
khăn cho vận hành hệ thống và gây ô nhiễm môi trường.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




15

Nuôi trồng thủy sản tập trung vào việc tối đa hóa sự tăng trưởng của cá
trong bể hoặc ao nuôi. Cá nuôi trong bể thường có mật độ khá cao, khoảng
10kg/100 lít nước và cần phải thay nước khoảng 20-50% mỗi ngày. Điều này
gây tốn kém trong vận hành và gây ô nhiễm môi trường khi mà nước thải
trong bể cá chứa một lượng cao amonia và chất thải rắn từ cá.