Nghiên cứu sử dụng bèo tây eichhornia crassipes (mart.) solms để xử lý nitơ và phôtpho trong nước thải chăn nuôi lợn sau công nghệ biogas

Nghiên c TAP CHI SINHtây Eichhornia crassipes<br /> u s d ng Bèo HOC 2014, 37(1): 53-59<br /> DOI: 10.15625/0866-7160/v37n1.6047<br /> <br /> NGHIÊN C U S D NG BÈO TÂY Eichhornia crassipes (Mart.) Solms<br /> Đ X LÝ NITƠ VÀ PHÔTPHO TRONG NƯ C TH I CHĂN NUÔI L N<br /> SAU CÔNG NGH BIOGAS<br /> Vũ Th Nguy t*, Tr n Văn T a, Nguy n Trung Kiên, Đ ng Đình Kim<br /> Vi n Công ngh môi trư ng, Vi n Hàn lâm KH & CN Vi t Nam, *tranvunguyet@gmail.com<br /> TÓM T T: Bài báo này trình bày các k t qu nghiên c u v kh năng lo i b N và P trong nư c<br /> th i chăn nuôi l n ñã x lý qua h m biogas b ng vi c s d ng Bèo tây (Eichhornia crassipes) qui<br /> mô pilot. K t qu th c nghi m cho th y, t i lư ng 50 l/m2.ngày, v i t ng s nitơ (TN) và t ng s<br /> phôtpho (TP) ñ u vào trung bình là 89,79 mg/l và 15,69 mg/l, hi u su t x lý tương ng 65,79% và<br /> 55,19%. T i lư ng 100 l/m2.ngày, v i TN và TP ñ u vào trung bình 100,38 mg/l và 12,52 mg/l,<br /> hi u su t x lý tương ng 39,70% và 43,29%. Như v y, t i lư ng 50 l/m2.ngày, lư ng TN và TP<br /> lo i b là 2953,64 mgN/m2.ngày và 432,96 mgP/m2.ngày, còn t i lư ng 100 l/m2.ngày, các giá tr<br /> tương ng 3985,09 mgN/m2.ngày và 541,99 mgP/m2.ngày. H th ng pilot cho th y, hi u qu lo i<br /> b TN và TP khá cao trong khi v n hành ñơn gi n nên có tri n v ng áp d ng trong ñi u ki n th c<br /> t ñ x lý nư c th i chăn nuôi l n. Tuy nhiên, ñ ñánh giá tính n ñ nh, h th ng c n ñư c ho t<br /> ñ ng v i th i gian lâu dài hơn.<br /> T khóa: Bèo tây, nư c th i chăn nuôi l n, th c v t n i, lo i b nitơ và phôtpho<br /> M<br /> <br /> Đ U<br /> <br /> Chăn nuôi c a Vi t Nam là m t trong nh ng<br /> ngành quan tr ng trong nông nghi p, nhưng<br /> cũng là ngành gây ô nhi m n ng cho môi trư ng<br /> do ngu n nư c th i chăn nuôi không ñư c x lý,<br /> ñ c bi t v các ch tiêu vi sinh v t [18]. Vì v y,<br /> vi c ki m soát và x lý nư c th i chăn nuôi c n<br /> ñư c ñ c bi t quan tâm.<br /> Nư c th i chăn nuôi l n có hàm lư ng COD,<br /> nitơ và phôtpho r t cao. Sau khi x lý nư c th i<br /> chăn nuôi b ng phương pháp sinh h c (k khí,<br /> hi u khí), m c dù ch t ô nhi m gi m ñáng k<br /> nhưng nư c v n chưa ñ t yêu c u x th i, nh t<br /> là ñ i v i nitơ, phôtpho - nh ng tác nhân gây ra<br /> hi n tư ng phú dư ng t i th y v c ti p nh n.<br /> Công ngh sinh thái s d ng th c v t th y sinh<br /> (TVTS) có nhi u ưu ñi m so v i h th ng x lý<br /> nư c th i thông thư ng, trong ñó, có v n ñ<br /> gi m nitơ và phôtpho ñ n m c ch p nh n v<br /> m t môi trư ng. Phương pháp này r t thân thi n<br /> môi trư ng, r ti n, d v n hành và có tính hi u<br /> qu [4, 8, 16]. T i Hoa Kỳ, công ngh ñ t ng p<br /> nư c nhân t o, m t lo i hình công ngh sinh<br /> thái, ñư c s d ng khá ph bi n ñ x lý nư c<br /> th i chăn nuôi [9].<br /> Cây bèo tây, Eichhornia crassipes (Mart.)<br /> Solms, là m t trong các loài th c v t th y sinh<br /> (TVTS) ñư c s d ng thành công cho x lý<br /> <br /> nư c th i nhi u nư c trên th gi i. Bèo tây có<br /> ti m năng l n trong vi c lo i b nhi u ch t ô<br /> nhi m trong nư c th i [5, 10, 11] và nhi u công<br /> ngh s d ng loài TVTS này như là c u thành<br /> cơ b n ñã ñư c xây d ng [1]. H th ng x lý<br /> nư c th i s d ng bèo tây ñư c áp d ng ch<br /> y u vùng khí h u m vì nó m n c m v i nhi t<br /> ñ th p và băng giá. Ph n Nam c a Hoa Kỳ có<br /> nhi u h th ng x lý v i bèo tây [1, 23]. H<br /> th ng này cũng ñư c s d ng mi n Nam nư c<br /> Pháp, Brazil, Argentina, n Đ , Ai C p, Trung<br /> Qu c và các nư c khác có nhi t ñ mùa ñông<br /> không quá th p [2, 5, 6, 7, 10, 11, 16, 17].<br /> Vi t Nam là qu c gia có tri n v ng trong<br /> vi c ng d ng công ngh sinh thái s d ng<br /> TVTS trong x lý ô nhi m nư c do có ñi u ki n<br /> khí h u nhi t ñ i cùng v i h th c v t khá<br /> phong phú và ña d ng. Tuy nhiên, các nghiên<br /> c u và ng d ng hi n nay còn ít ñư c quan tâm<br /> và thi u tính h th ng.<br /> V T LI U VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN C U<br /> <br /> V t li u ñư c s d ng là Bèo tây (Eichhornia<br /> crassipes), thu c h L c bình (Pontederiaceae)<br /> [3]. Bèo s d ng cho th c nghi m là cây bánh t ,<br /> sinh trư ng m nh, ñư c l y t ao thu c khu v c<br /> C Nhu (T Liêm, Hà N i).<br /> Th c nghi m<br /> 53<br /> <br /> Vu Thi Nguyet et al.<br /> <br /> ch nh n ng ñ các thành ph n như COD, NH4+,<br /> NO3-, PO43- trư c khi ti n hành th c nghi m.<br /> <br /> Đ c trưng nư c th i chăn nuôi<br /> Ngu n nư c th i s d ng trong nghiên c u<br /> này ñư c l y t nư c th i sau quá trình x lý<br /> y m khí h m biogas t i Trung tâm nghiên c u<br /> l n Th y Phương (T Liêm, Hà N i), có các<br /> thông s chính như sau: pH trong kho ng 7,838,2; T ng s ch t r n lơ l ng (TSS) trong<br /> kho ng 5460-9450 mg/l; Nhu c u ôxy hóa h c<br /> (COD) trong kho ng 775,53-1985,98 mg/l; TN<br /> trong kho ng 744,59-1114,24 mg/l; TP trong<br /> kho ng 50,04-115,24 mg/l. Trong các d ng nitơ<br /> (N) thì d ng NH4+ là ch y u (703,82-892,11<br /> mg/l) còn d ng NO3- là không ñáng k (0,651,68 mg/l). Nh m ñ t tiêu chu n th i sau x lý,<br /> nư c th i ñ u vào ñư c pha loãng và ñi u<br /> <br /> Thí nghi m ñư c ti n hành t i pilôt c a<br /> Phòng Th y sinh h c môi trư ng. Các s li u<br /> ñư c phân tích t i phòng thí nghi m c a Phòng<br /> Th y sinh h c môi trư ng, Vi n Công ngh môi<br /> trư ng.<br /> B trí thí nghi m qui mô pilôt<br /> Thí nghi m ñư c ti n hành trong b có kích<br /> thư c: C × D × R = 60 cm × 200 cm × 50 cm<br /> (hình 1).<br /> Th tích ngăn phân ph i: Cp × Dp × Rp = 10<br /> cm × 20 cm × 50 cm = 10 lít.<br /> Th tích ngăn tr ng bèo tây: Hs × Ds × Rs =<br /> 40 cm × 180 cm × 50 cm = 360 lít.<br /> 20 cm<br /> <br /> 180 cm<br /> <br /> 40 cm<br /> <br /> Nư c ra<br /> <br /> Ngăn tr ng<br /> bèo<br /> Ngăn phân ph i nư c<br /> <br /> Van x ñáy<br /> <br /> Thùng ch a nư c th i<br /> <br /> Bơm ñ nh<br /> lư ng<br /> <br /> Hình 1. Sơ ñ th c nghi m t i pilôt<br /> Ho t ñ ng c a h th ng: Nư c th i ban ñ u<br /> bơm t thùng ch a vào ngăn phân ph i nư c qua<br /> bơm ñ nh lư ng sau ñó ch y vào ngăn x lý<br /> tr ng bèo. Bèo tây ñư c th vào chi m 4/5 di n<br /> tích m t nư c. Nư c sau x lý ch y ra ngoài qua<br /> ng thoát theo cơ ch ch y tràn. T i lư ng nư c<br /> th i nghiên c u là 50 l/m2.ngày (tương ng v i<br /> th i gian lưu là 8 ngày) và 100 l/m2.ngày (tương<br /> ng v i th i gian lưu là 4 ngày).<br /> Phương pháp<br /> Các ch tiêu: NH4+, NO3- , NO2- , PO43- , TP<br /> và TN ñư c xác ñ nh theo phương pháp chu n<br /> (APHA, 1995), so màu trên máy ño quang UVVis 2450, Shimadzu-Nh t B n.<br /> 54<br /> <br /> K T QU VÀ TH O LU N<br /> <br /> Hi u qu x lý nitơ<br /> Hi u qu x lý nitơ t nư c th i chăn nuôi<br /> l n c a h th ng s d ng bèo tây (hình 2) cho<br /> th y, t i lư ng nư c th i 50 l/m2.ngày, v i TN<br /> ñ u vào trung bình 89,79 mg/l, khi ra kh i h<br /> th ng lư ng TN còn 30,71 mg/l, hi u su t x lý<br /> ñ t 65,79%. V i t i lư ng nư c th i 100<br /> l/m2.ngày, TN ñ u vào trung bình 100,38 mg/l,<br /> khi ra kh i h th ng lư ng TN trung bình còn<br /> 60,53 mg/l, hi u su t x lý TN ñ t trung bình<br /> 39,70 %. Như v y hi u su t x lý TN xét v t<br /> l % t i lư ng 50 l/m2.ngày cao hơn 1,65 l n<br /> so v i t i lư ng 100 l/m2.ngày.<br /> <br /> Nghiên c u s d ng Bèo tây Eichhornia crassipes<br /> <br /> A<br /> <br /> B<br /> <br /> C<br /> <br /> Hình 2. Hi u qu lo i b TN c a Bèo tây t i lư ng 50 l/m2.ngày (A),<br /> 100 l/m2.ngày (B) và hi u su t x lý TN c 2 t i lư ng (C)<br /> A<br /> <br /> B<br /> <br /> C<br /> <br /> Hình 3. Hi u qu lo i b NO3- c a Bèo tây t i lư ng 50 l/m2.ngày (A),<br /> 100 l/m2.ngày (B) và hi u su t x lý NO3- 2 t i lư ng (C)<br /> A<br /> <br /> B<br /> <br /> C<br /> <br /> +<br /> Hình 4. Hi u qu lo i b NH4 c a Bèo tây t i lư ng 50 l/m2.ngày (A),<br /> +<br /> 100 l/m2.ngày (B) và hi u su t x lý NH4 2 t i lư ng (C)<br /> <br /> K t qu nh n ñư c v i nitơ d ng nitrat và<br /> amôn trình bày hình 3 và 4. V i lư ng ñ u<br /> vào t i lư ng 50 l/m2.ngày, trung bình 41,19<br /> mg/l và 10,52 mg/l tương ng. ñ u ra lư ng<br /> NO3- trung bình còn 10,92 mg/l và lư ng NH4+<br /> còn 2,24 mg/l. Theo tính toán có 73,48% nitrat<br /> +<br /> và 78,70% lư ng NH4 ñư c lo i b .<br /> t i<br /> 2<br /> lư ng 100 l/m .ngày, khi lư ng nitrat và amôn<br /> ñ u vào tương ng 47,89 mg/l và 32,67 mg/l.<br /> ñ u ra lư ng NO3- còn 13,86 mg/l và lư ng<br /> NH4+ còn 14,78 mg/l. Như v y, có 71,05%<br /> +<br /> nitrat và 54,75% lư ng NH4 ñã ñư c lo i b .<br /> <br /> V i hai t i lư ng nư c th i th c nghi m nêu<br /> trên, t i lư ng TN ñưa vào h th ng là 4489,5<br /> mg/m2.ngày và 10038 mg/m2.ngày và lư ng TN<br /> lo i b tương ng là 2953,64 mg/m2.ngày (hi u<br /> su t 65,79%) và 3985,09 mg/m2.ngày (hi u su t<br /> 39,70 %).<br /> So v i h th ng x lý nư c th i chăn nuôi<br /> l n tr ng cây s y theo công ngh dòng m t [20]<br /> và h th ng dòng ng m tr ng c vetiver [13]<br /> cùng t i lư ng (hình 5), kh năng lo i b t ng<br /> nitơ c a bèo tây cao hơn. N u như h th ng bèo<br /> tây lo i b 65,59% TN t i lư ng 50 l/m2.ngày<br /> 55<br /> <br /> Vu Thi Nguyet et al.<br /> <br /> và 39,7 % TN<br /> t i lư<br /> th ng dòng m t tr ng<br /> 53,52% và 35,02%, còn<br /> th ng dòng ng m tr ng c<br /> 38,63%.<br /> <br /> ng 100 l/m2.ngày h<br /> s y lo i tương ng<br /> các s li u này h<br /> Vetiver là 63,52% và<br /> <br /> Hi u qu x lý phôtpho<br /> Hi u qu x lý phôtpho t nư c th i chăn<br /> nuôi l n c a h th ng s d ng bèo tây ñư c<br /> trình bày hình 6.<br /> t i lư ng 50 l/m2.ngày,<br /> hàm lư ng TP trong nư c vào h th ng là 15,69<br /> mg/l và ñ u ra còn l i là 7,03 mg/l, hi u qu x<br /> lý TP là 55,19%. V i lư ng TP này nư c th i<br /> g n ñ t tiêu chu n th i lo i B cho nư c th i<br /> công nghi p (QCVN 40/2011-BTNMT-6 mg/l).<br /> Tính trên ñơn v di n tích, t i lư ng TP ñưa vào<br /> h th ng là 784,5 mg/m2.ngày và lư ng lo i b<br /> <br /> A<br /> <br /> B<br /> <br /> theo hi u su t 55,19%<br /> mg/m2.ngày.<br /> <br /> ng v i 432,96<br /> <br /> Hình 5. Hi u qu lo i b TN c a m t s TVTS<br /> <br /> C<br /> <br /> Hình 6. Hi u qu lo i b T-P c a Bèo tây t i lư ng 50 l/m2.ngày (A),<br /> TP t i lư ng 100 l/m2.ngày (B) và hi u su t x lý T-P 2 t i lư ng (C)<br /> t i lư ng 100 l/m2.ngày, hi u qu x lý TP là 43,29% khi giá tr ñ u vào c a h th ng là<br /> 12,52 mgP/l và khi ra kh i h th ng, hàm lư ng<br /> TP còn l i trong nư c là 7,10 mg/l. V i lư ng<br /> TP này, nư c th i cũng g n ñ t tiêu chu n th i<br /> lo i B cho nư c th i công nghi p (QCVN<br /> 40/2011-BTNMT-6 mg/l). Tính trên ñơn v di n<br /> tích, t i lư ng TP ñưa vào h th ng là 1252<br /> mg/m2.ngày và lư ng lo i b theo hi u su t<br /> 43,29% ng v i 541,99 mg/m2.ngày. Như v y,<br /> khi tăng t i lư ng nư c lên g p ñôi thì hi u qu<br /> x lý phôtpho gi m (hi u qu x lý T-P th p<br /> hơn 1,27 l n (hình 6c).<br /> Kh năng lo i b TP c a h th ng s d ng<br /> bèo tây cũng ñư c so sánh v i m t s h th ng<br /> x lý tr ng TVTS khác (hình 7) cho th y, kh<br /> năng lo i b phôtpho c a bèo tây cao hơn s y<br /> dòng ch y m t và c vetiver dòng ch y ng m.<br /> 56<br /> <br /> Tính trung bình, kh năng lo i b TP c a h<br /> th ng bèo tây cao hơn 1,28 l n so v i h th ng<br /> tr ng s y dòng ch y m t (có hi u su t x lý TP<br /> 42,83% t i lư ng 50 l/m2.ngày và TP 33,03%<br /> t i lư ng 100 l/m2.ngày [20]), cao hơn 1,46<br /> l n so v i h th ng c vetiver dòng ch y ng m<br /> (hi u su t x lý TP 39,55%<br /> t i lư ng 50<br /> l/m2.ngày và TP 27,6%<br /> t i lư ng 100<br /> l/m2.ngày) [13].<br /> Nhìn chung, v i c hai t i lư ng nư c th i<br /> ñã th nghi m, h th ng x lý v i Eichhornia<br /> crassipes ñã lo i b hi u qu c TN và TP. K t<br /> qu nghiên c u c a chúng tôi tương t v i m t<br /> s công b trong và ngoài nư c [12,14, 15, 19,<br /> 21, 22]. Sooknah et al. (2004) [15], ñã nuôi bèo<br /> tây trong thí nghi m theo m 31 ngày v i nư c<br /> th i phân chu ng nuôi bò s a ñã qua phân h y<br /> y m khí. V i nư c pha loãng 2 l n có t ng Nitơ<br /> <br /> Nghiên c u s d ng Bèo tây Eichhornia crassipes<br /> <br /> kjeldahl (TKN) 164 mg/l, TP 16,5 mg/l và SS<br /> 487 mg/l, bèo tây ñã lo i b TKN 91,7%, amoni<br /> 99,6%, ph t pho t ng s 98,5%.<br /> Nghiên c u x lý nư c th i chăn nuôi l n qui<br /> mô pilôt b ng h th ng UASB k t h p máng<br /> TVTS (là bèo tây) ñã làm gi m 70% lư ng NNH4+, 58-65% lư ng PO43-. Nư c sau x lý b ng<br /> máng TVTS có pH n ñ nh 6,8-6,9 [14].<br /> <br /> Hình 7. Hi u qu lo i b TP c a m t s TVTS<br /> Lâm Ng c Th và Đào Văn B y (2005) [22]<br /> +<br /> nghiên c u kh năng bèo tây lo i b NH4 trong<br /> nư c sông Tô L ch cho th y, sau 3 ngày nuôi<br /> +<br /> bèo, hàm lư ng NH4 t 10,41 mg/l gi m xu ng<br /> 2,51 mg/l và sau 5 ngày thì g n h t hoàn toàn<br /> (ch còn 0,01 mg/l). Nư c sau khi nuôi bèo ñ t<br /> +<br /> +<br /> lo i A xét v NH4 . M c dù hàm lư ng NH4<br /> này chưa cao và không rõ TN là bao nhiêu, tuy<br /> v y cũng cho th y kh năng c a bèo tây trong<br /> +<br /> lo i b ion NH4 t nư c th i.<br /> Nghiên c u trư c ñây c a chúng tôi cũng<br /> cho th y, bèo tây có kh năng lo i b khá t t<br /> ch t h u cơ, N và P t nư c phú dư ng. Trong<br /> thí nghi m qui mô pilôt, h th ng s d ng bèo<br /> tây lo i b 30,43-32,64% TN, 57,32-67,36% TP<br /> [21]. Tuy nhiên, hàm lư ng ch t dinh dư ng<br /> trong nư c phú dư ng nghiên c u không cao so<br /> v i nư c th i chăn nuôi l n. V i nư c th i ch<br /> bi n th y s n, h th ng s d ng bèo tây ñã lo i<br /> +<br /> b 33,9% TN; 38,9% NH4 và 47,33% TP t<br /> +<br /> nư c th i ch a các TN, NH4 và TP, tương ng<br /> là 45,63 mg/l; 40,19 mg/l và 7,69 mg/l [19].<br /> Trương Th Nga và nnk. (2010) [12] ñã<br /> nghiên c u x lý nư c th i chăn nuôi b ng th c<br /> v t khác như rau ng và bèo tây t i H u Giang.<br /> <br /> K t qu cho th y, rau ng x lý ñư c 53,60%<br /> TN, 33,56% TP trong khi bèo tây gi m ñư c<br /> 64,36% TN và 42,54% TP. Tác gi cũng có<br /> nh n xét là rau ng và bèo tây có kh năng thích<br /> nghi và phát tri n t t trong môi trư ng nư c<br /> th i.<br /> Hi n nay Vi t Nam, x lý nư c th i chăn<br /> nuôi l n trang tr i ch y u m i ch x lý k khí<br /> (b biogas, h k khí ph b t) và h sinh h c.<br /> Nư c th i sau x lý chưa ñáp ng yêu c u x<br /> th i, nh t là ñ i v i nitơ và phôtpho. Vi c x lý<br /> ch t ô nhi m N và P h u như chưa ñư c chú ý<br /> trong khi ñây là y u t chính gây phú dư ng<br /> môi trư ng nư c các thu v c ti p nh n d n ñ n<br /> “n hoa nư c” do vi khu n lam (VKL) ñ c phát<br /> tri n m nh, làm m t cân b ng sinh thái và suy<br /> gi m ch t lư ng nư c, nh hư ng x u ñ n môi<br /> trư ng s ng và s c kh e c ng ñ ng.<br /> K t qu nghiên c u s d ng h th ng th c<br /> v t n i v i cây Bèo tây, Eichhornia crassipes,<br /> ñ x lý nư c th i chăn nuôi l n sau biogas cho<br /> hi u qu x lý nitơ và phôtpho cao. Công ngh<br /> này n u ñư c hoàn thi n s góp ph n tích c c<br /> vào phát tri n h th ng nông nghi p b n v ng<br /> trong ñó chăn nuôi là m t b ph n c u thành<br /> quan tr ng c a h th ng này.<br /> K T LU N<br /> <br /> H th ng s d ng bèo tây ñã x lý hi u qu<br /> N và P. t i lư ng 50 l/m2.ngày, hi u su t x<br /> lý các ch t ô nhi m TN, NO3-, NH4+ và TP l n<br /> lư t là là 65,79%; 73,48%; 78,70% và 55,19%.<br /> Tính ra, t i lư ng TN và TP ñưa vào h th ng là<br /> 4489,5 mgN/m2.ngày và 784,5 mgP/m2.ngày và<br /> lư ng ñư c lo i b tương ng là 2953,64<br /> mgN/m2.ngày và 432,96 mgP/m2.ngày. V i t i<br /> lư ng 100 l/m2.ngày, hi u su t x lý các ch t ô<br /> nhi m TN, NO3-, NH4+ và TP l n lư t là<br /> 39,70%; 71,05%; 54,47% và 43,29%. Tính trên<br /> ñơn v di n tích, khi ñưa vào h th ng 10038<br /> mgTN/m2.ngày và 1252 mgTP/m2.ngày thì<br /> lư ng ñư c lo i b tương ng là 3985,09 mg<br /> N/m2.ngày và 541,99 mgP/m2.ngày.<br /> L i c m ơn: Công trình ñư c th c hi n trong<br /> khuôn kh Đ tài c p Nhà nư c KC08.04/11-15.<br /> Các tác gi chân thành cám ơn B KH&CN,<br /> Văn phòng các Chương trình Khoa h c Công<br /> ngh tr ng ñi m c p Nhà nư c, Chương trình<br /> 57<br /> <br />