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




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


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

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 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


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.

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


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

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


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


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


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
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

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



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

-

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

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


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