Đang tải... (xem toàn văn)
Nghiên cứu ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải chăn nuôi lợnNghiên cứu ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải chăn nuôi lợnNghiên cứu ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải chăn nuôi lợnNghiên cứu ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải chăn nuôi lợnNghiên cứu ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải chăn nuôi lợnNghiên cứu ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải chăn nuôi lợnNghiên cứu ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải chăn nuôi lợnNghiên cứu ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải chăn nuôi lợnNghiên cứu ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải chăn nuôi lợnNghiên cứu ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn
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 MƠI TRƯỜNG Chun ngành: Kỹ thuật mơi trường Mã số: 62.52.03.20 Người hướng dẫn khoa học: TS Trần Văn Tựa GS,TS Đặng Đình Kim HÀ NỘI – 2018 LỜI CẢM ƠN Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS, NCVCC Trần Văn Tựa GS,TS Đặng Đình Kim có dẫn quý báu phương pháp luận, định hướng cho hướng nghiên cứu khoa học quan trọng trình thực luận án tạo điều kiện thuận lợi giúp tơi hồn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Bộ Khoa học & Cơng nghệ, Văn phòng Chương trình Khoa học Công nghệ trọng điểm cấp Nhà nước, Chương trình KC.08/11-15, chủ nhiệm đề tài KC08.05/11-15 hỗ trợ kinh phí thực nghiên cứu Tơi xin cảm ơn Lãnh đạo Viện Công nghệ môi trường bạn đồng nghiệp phòng Thủy sinh học mơi trường, Viện Công nghệ môi trường tạo điều kiện mặt đóng góp ý kiến quý báu chun mơn suốt q trình tơi thực bảo vệ Luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Lãnh đạo phận Đào tạo Học viện khoa học Cơng nghệ giúp tơi hồn thành học phần Luận án thủ tục cần thiết Cuối xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, người thân chia sẻ, động viên tinh thần nguồn cổ vũ, giúp đỡ tơi vượt qua khó khăn suốt trình thực Luận án NGHIÊN CỨU SINH Vũ Thị Nguyệt MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tổng quan nước thải chăn nuôi lợn 1.1.1 Vài nét tình hình chăn ni lợn trang trại 1.1.2 Ơ nhiễm mơi trường chăn ni lợn gây Việt Nam 1.1.3 Hiện trạng công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn 1.2 Tổng quan phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi lợn 11 1.3 Công nghệ sinh thái 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 công nghệ sinh thái 13 1.3.3 Vai trò thực vật thuỷ sinh xử lý nước thải 14 1.3.4 Các loại hình cơng nghệ sử dụng thực vật thủy sinh xử lý nước thải 15 1.3.5 So sánh hệ thống cơng nghệ dòng chảy mặt dòng chảy ngầm 25 1.3.6 Sơ lược số loài thực vật thủy sinh nghiên cứu 27 1.4 Ứng dụng thực vật thủy sinh xử lý nước thải nước thải chăn ni lợn 32 1.4.1 Tình hình nghiên cứu giới 32 1.4.2 Tình hình nghiên cứu nước 36 CHƯƠNG 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 chống chịu xử lý tác nhân ô nhiễm 46 2.2.2 Đánh giá khả xử lý nước thải chăn ni lợn loại hình cơng nghệ 48 2.2.3 Đánh giá hiệu xử lý nước thải chăn ni lợn 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 nghiên cứu 55 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 56 3.1 Khả chống chịu xử lý ô nhiễm nước thải chăn nuôi lợn sau giai đọan xử lý vi sinh vật qui mơ phòng thí nghiệm 56 3.1.1 Khả chống chịu số yếu tố môi trường thực vật thủy sinh 56 3.1.2 Hiệu xử lý nhiễm lồi TVTS lựa chọn 62 3.2 Hiệu xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau xử lý vi sinh vật số loại công nghệ sử dụng thực vật thủy sinh với lưu lượng nước thải khác 81 3.2.1 Công nghệ sử dụng thực vật Bèo tây 81 3.2.2 Cơng nghệ dòng chảy bề mặt 85 3.2.3 Cơng nghệ dòng chảy ngầm 91 3.2.4 Hệ thống phối hợp thực vật thủy sinh 100 3.2.5 So sánh hiệu xử lý TN, TP COD loại hình cơng nghệ 108 3.3 Xây dựng, vận hành đánh giá hiệu giảm thiểu COD, N P mơ hình sinh thái 110 3.3.1 Xây dựng mô hình sinh thái 110 3.3.2 Đánh giá hiệu xử lý mơ hình sinh thái 113 3.3.2.1 Hiệu xử lý COD 113 3.3.2.2 Hiệu xử lý nitơ 116 3.3.2.3 Hiệu xử lý photpho 120 3.3.2.4 Sự biến đổi yếu tố thủy lý mơ hình sinh thái 122 3.3.2.5 Bước đầu tính tốn hiệu kinh tế 123 3.4 Đánh giá hiệu xử lý mơ hình sinh thái tích hợp mơ hình tổng thể xử lý nước thải chăn ni lợn Lương Sơn, Hòa Bình 126 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 130 KẾT LUẬN 130 KIẾN NGHỊ 131 DANH MỤC CÁC CÔNG 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) Công nghệ sinh thái Chemical Oxygen Demand (Nhu cầu ô xy hóa học) Đối chứng Đất ngập nước Đất ngập nước nhân tạo Dissolved Oxygen (ơxy hòa tan) Food and Agriculture Organization (Tổ chức nông lương giới) Hà Nội Hệ thống Ngổ Trâu Nông nghiệp Phát triển nông thơn Phòng 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 Thực vật thủy sinh DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Phân bố số lợn trang trại chăn nuôi theo vùng sinh thái Bảng 1.2 Số lượng lợn nước (tính đến tháng 10/2016) Bảng 1.3 Số đầu lợn lượng nước tiêu thu số trang trại điển hình Bảng 1.4 Thành phần mức độ ô nhiễm nước thải chăn nuôi lợn trang trại Bảng 1.5 So sánh ưu nhược điểm hệ thống dòng chảy ngang dòng chảy thẳng đứng 22 Bảng 1.6 BOD bị loại bỏ số hệ thống dòng ngầm 23 Bảng 1.7 So sánh ưu điểm nhược điểm hệ thống dòng mặt hệ thống dòng ngầm26 Bảng 1.8 Hiệu loại bỏ BOD5 TSS số kiểu hệ thống đất ngập nước nhân tạo27 Bảng 1.9 Tình hình nghiên cứu sử dụng TVTS xử lý nước thải giới 32 Bảng 1.10 Tình hình nghiên cứu sử dụng TVTS xử lý nước thải Việt Nam 41 Bảng 2.1 Thành phần nước thải sau xử lý vi sinh vật Trung tâm nghiên cứu lợn Thụy Phương (Viện Chăn nuôi) 45 Bảng 2.2 Thành phần môi trường thủy canh cho 46 Bảng 2.3 Các công thức thí nghiệm khả chống chịu 47 Bảng 3.1 Khả chống chịu số yếu tố môi trường thực vật thủy sinh 62 Bảng 3.2 Hiệu xử lý hệ thống sử dụng Bèo tây 81 Bảng 3.3 Hiệu xử lý hệ thống Sậy theo cơng nghệ dòng mặt 85 Bảng 3.4 Hiệu xử lý hệ Rau muống theo cơng nghệ dòng mặt 88 Bảng 3.5 Hiệu xử lý hệ thống Sậy theo cơng nghệ dòng ngầm 92 Bảng 3.6 Hiệu xử lý hệ thống cỏ Vetiver theo cơng nghệ dòng ngầm 96 Bảng 3.7 Hiệu xử lý hệ thống phối hợp Bèo tây Sậy 100 Bảng 3.8 So sánh hiệu xử lý TN, TP COD loại hình cơng nghệ 109 Bảng 3.9 Các thông số thiết kế hệ thống 112 Bảng 3.10 Các thơng số thủy lý mơ hình sinh thái 122 Bảng 3.11 Chi phí xây dựng mơ hình sinh thái với TVTS 124 Bảng 3.12 Hiệu xử lý COD, TN TP mơ hình xử lý nước thải 128 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Sơ đồ qui trình cơng nghệ xử lý nước thải áp dụng trang trại chăn nuôi lợn 10 Hình 1.2 Các loại hình cơng nghệ sinh thái sử dụng TVTS xử lý nước thải 16 Hình 1.3: Cơ chế loại bỏ nitrogen đất ngập nước 18 Hình 1.4: Sơ đồ đất ngập nước dòng chảy ngầm theo chiều ngang 21 Hình 1.5: Sơ đồ đất ngập nước dòng chảy ngầm theo chiều đứng 21 Hình 1.6 Bèo tây (Eichhornia crassipes) 27 Hình 1.7 Bèo (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 pilot với Bèo tây 48 Hình 2.2 Sơ đồ thực nghiệm hệ thống dòng mặt pilot 49 Hình 2.3 Sơ đồ thực nghiệm hệ thống dòng ngầm pilơt 50 Hình 2.4 Sơ đồ thực nghiệm hệ phối hợp Bèo tây Sậy pilot 51 Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống phối hợp Sậy, Thủy trúc, Bèo tây cỏ Vetiver pilot 52 Hình 3.1 Ảnh hưởng nồng độ COD khác lên sinh trưởng TVTS 57 Hình 3.2 Ảnh hưởng nồng độ NH4+ khác lên sinh trưởng TVTS 58 Hình 3.3 Ảnh hưởng nồng độ NO3- khác lên sinh trưởng TVTS 60 Hình 3.4 Ảnh hưởng pH khác lên sinh trưởng TVTS 61 Hình 3.5 Hiệu xử lý COD (%)-Thí nghiệm theo mẻ 63 Hình 3.6 Hiệu xử lý TSS (%)-Thí nghiệm theo mẻ 64 Hình 3.7 Hiệu xử lý NH4+ - thí nghiệm theo mẻ 65 Hình 3.8 Hiệu xử lý TN- thí nghiệm theo mẻ 67 Hình 3.9 Hiệu xử lý PO43- - Thí nghiệm theo mẻ 68 Hình 3.10 Hiệu xử lý TP- thí nghiệm theo mẻ 70 Hình 3.11 Hiệu xử lý COD (%)- Thí nghiệm bán liên tục 71 Hình 3.12 Hiệu xử lý COD trung bình (%)- Thí nghiệm bán liên tục 72 Hình 3.13 Hiệu xử lý NH4+ (%)- Thí nghiệm bán liên tục 73 Hình 3.14 Hiệu xử lý NH4+ trung bình (%)- Thí nghiệm bán liên tục 74 Hình 3.15 Hiệu xử lý TN (%)- Thí nghiệm bán liên tục 75 Hình 3.16 Hiệu xử lý TN trung bình (%) - Thí nghiệm bán liên tục 75 Hình 3.17 Hiệu xử lý PO43- (%)- Thí nghiệm bán liên tục 76 Hình 3.18 Hiệu xử lý PO4- trung bình (%)- Thí nghiệm bán liên tục 77 Hình 3.19 Hiệu xử lý TP (%) - Thí nghiệm bán liên tục 78 Hình 3.20 Hiệu xử lý TP trung bình (%) - Thí nghiệm bán liên tục 79 Hình 3.21 Hiệu xử lý COD, TN TP Bèo tây 83 Hình 3.22 Hiệu xử lý COD, TN TP Sậy theo cơng nghệ dòng mặt 86 Hình 3.23 Hiệu xử lý COD, TN TP Rau muống theo công nghệ dòng mặt90 Hình 3.24 Hiệu xử lý COD, TN TP hệ thống dòng ngầm trồng Sậy 93 Hình 3.25 Hiệu xử lý COD, TN TP hệ thống dòng ngầm trồng cỏ Vetiver98 Hình 3.26 Hiệu xử lý COD, TN TP hệ thống phối hợp Bèo tây – Sậy 101 Hình 3.27 Hiệu xử lý COD, TN TP hệ thống phối hợp Sậy – Bèo tây 103 Hình 3.28 Khả loại bỏ COD hệ thống phối hợp 104 Hình 3.29 Hiệu xử lý TN hệ thống phối hợp 105 Hình 3.30 Hiệu xử lý TP HT phối hợp 107 Hình 3.31 Sơ đồ công nghệ sinh thái xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau xử lý công nghệ vi sinh vật 111 Hình 3.32 Sơ đồ hệ thống mơ hình sinh thái trường 111 Hình 3.33 Hiệu loại bỏ COD mơ hình sinh thái Lương Sơn, Hòa Bình 114 Hình 3.34 Hiệu loại bỏ TN mơ hình sinh thái Lương Sơn, Hòa Bình 118 Hình 3.35 Hiệu loại bỏ TP mơ hình sinh thái Lương Sơn, Hòa Bình 120 Hình 3.36 Sơ đồ trang trại Hòa Bình Xanh vị trí xây dựng mơ hình xử lý chất thải 127 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong thời gian qua, với phát triển mạnh mẽ đất nước, mặt nông thơn có nhiều đổi Kinh tế phát triển, đời sống người nông dân nâng cao Hoạt động chăn nuôi tạo nguồn thu nhập cho nhiều hộ nơng dân Tuy nhiên, với gia tăng đàn vật ni tình trạng ô nhiễm môi trường chất thải chăn nuôi gia tăng Chất thải chăn nuôi bao gồm phân chất độn chuồng, thức ăn thừa, xác gia súc, gia cầm chết, phân thành 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 báo cáo đánh giá chi tiết đầy đủ ô nhiễm môi trường ngành chăn nuôi gây Theo báo cáo môi trường quốc gia năm 2014 tổng số 23.500 trang trại chăn ni, có khoảng 1.700 sở có hệ thống xử lý chất thải Mặt khác, trang trại chăn nuôi đa phần nằm xen kẽ khu dân cư, có quỹ đất nhỏ, hẹp, khơng đủ diện tích để xây dựng 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 xử lý, số lại thải trực tiếp thẳng ao, hồ, kênh, rạch [1] Để giải vấn đề có nhiều cơng nghệ xử lý chất thải chăn nuôi xử lý phương pháp vật lý để tách chất thải rắn – lỏng, xử lý phương pháp sinh học kỵ khí, xử lý phương pháp sinh học hiếu khí, cơng nghệ dùng riêng biệt kết hợp với để cải thiện hiệu xử lý hiệu kinh tế q trình xử lý Hiện nay, cơng nghệ biogas sử dụng rộng rãi Theo kết điều tra Bộ NN&PTNT năm 2013 54 tỉnh thành nước, có 3.950 trang trại tổng số 12.427 trang trại điều tra có xây dựng hầm biogas, chiếm 31,79%, có 196 trang trại xây dựng cơng trình tích 300 m3, đa phần hầm biogas xây dựng với quy mô nhỏ [1] Những hầm biogas bước đầu phát huy tác dụng việc bảo vệ mơi trường, tạo khí đốt phục vụ đời sống Tuy nhiên, công nghệ biogas bộc lộ nhược điểm, nước thải sau xử lý không đạt tiêu chuẩn; Hầm biogas chủ yếu xử lý chất hữu cơ, chưa xử lý nitơ photpho, yếu tố gây tượng phú dưỡng; Vi khuẩn gây bệnh chưa khống chế hiệu gây nguy cao bệnh truyền nhiễm, đặc biệt chăn ni lợn Vì vậy, nước thải chăn nuôi lợn sau xử lý biogas cần phải xử lý tiếp trước thải môi trường Để xử lý bổ sung chất hữu cơ, nitơ phôtpho trước thải vào nguồn tiếp nhận, công nghệ sinh thái (CNST) sử dụng thực vật thuỷ sinh (TVTS) cho 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 đạt hiệu xử lý cao ổn ... loài thực vật thủy sinh nghiên cứu 27 1.4 Ứng dụng thực vật thủy sinh xử lý nước thải nước thải chăn ni lợn 32 1.4.1 Tình hình nghiên cứu giới 32 1.4.2 Tình hình nghiên cứu nước ... môi trường thực vật thủy sinh 56 3.1.2 Hiệu xử lý nhiễm lồi TVTS lựa chọn 62 3.2 Hiệu xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau xử lý vi sinh vật số loại công nghệ sử dụng thực vật thủy sinh với... thải chăn nuôi lợn CNST sử dụng TVTS xử lý nước thải nói chung, bao gồm nước thải chăn nuôi lợn Nội dung 2: Đánh giá khả chống chịu (COD, NH4+, NO3-, pH) xử lý COD, nitơ, photpho nước thải chăn nuôi