Đề tài Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi bằng cây dầu mè ( jatropha curcas l.) trên mô hình bãi lọc thực vật

ở Bắc Âu. Đất ngập nước xử lý nước thải ở Việt Nam Công nghệ xử lý phân bùn bể photphat bằng bãi lọc ngầm trồng cây có dòng chảy thẳng đứng - Trung tâm kỹ thuật môi trường đô thị và khu công nghiệp - trường Đại học Xây dựng phối hợp với Viện KH & CN Môi trường Liên bang Thụy Sỹ SANDEC, EAWAG Công trình nghiên cứu làm sạch nước Hồ Tây bằng cây thủy sinh Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng bãi lọc ngầm trồng trồng cây dòng chảy thẳng đứng trong điều kiện Việt Nam - PGS.TS. Nguyễn Việt Anh và nhóm nghiên cứu thực hiện Xây dựng mô hình hệ thống đất ngập nước nhân tạo để xử lý nước thải sinh hoạt tại các xã Minh Nông, Bến Gót, Thành Phố Việt Trì - GS.TSKH Dương Đức Tiến và các cộng sự thực hiện Nghiên cứu xử lý ô nhiễm N, P trong nước sông Tô Lịch bằng Bèo Tây - Th.S Đào Văn Bảy và GS.TSKH Lâm Ngọc Thụ thực hiện Nghiên cứu sử dụng một số thực vật nước để làm sạch kim loại nặng trong nước hồ Bảy Mẫu - PGS.TS Lê Thị Hiền Thảo – Trường Đại Học Xây Dựng Xử lý kim loại nặng (Cr, Pb2+ và Ni2+) trong nước thải công nghiệp bằng Bèo Tây - Nhóm nghiên cứu thuộc Khoa Môi Trường , Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Ưu nhược – điểm khi sử dụng thực vật làm sạch môi trường nước Ưu điểm: Hiệu quả xử lý chậm nhưng ổn định đối với các loại nước có BOD, COD thấp, không có độc tố. Chi phí xử lý không cao. Quá trình công nghệ không đòi hỏi kỹ thuật phức tạp. Sinh khối tạo ra sau quá trình xử lý được ứng dụng vào nhiều mục đích khác nhau: Làm nguyên liệu cho thủ công mỹ nghệ. Làm thực phẩm cho người và gia súc. Làm phân bón cải tạo đất: Sinh khối có thể thu hoạch, chế biến thành phân hữu cơ, phụ gia cải tạo đất, bón trên rễ cây mới trồng, đốt thành tro hay làm phân Compost. Tái tạo năng lượng: Sinh khối sử dung sản xuất Ethanol, đốt trực tiếp thành củi. Nguyên liệu sản xuất bột giấy, giấy và sợi. Làm dược phẩm. Bộ rễ thân cây ngập nước là giá thể rất tốt đối với vi sinh vật, sự vận chuyển của cây đưa VSV đi theo. Chúng dịch chuyển từ vị trí này đến vị trí khác ở khu vực nước ô nhiễm, làm tăng khả năng chuyển hóa vật chất trong nước, quan hệ giữa VSV và thực vật thủy sinh là quan hệ cộng sinh. Sử dụng thực vật xử lý nước trong nhiều trường hợp không cần cung cấp năng lượng. do vậy có thể ứng dụng ở những vùng hạn chế việc cung cấp năng lượng. Nhược điểm: Diện tích cần dùng để xử lý chất thải lớn, chúng luôn đòi hỏi phải có đủ ánh sáng. Sự tiếp xúc giữa thực vật và ánh sáng trong điều kiện có đủ chất dinh dưỡng càng nhiều thì quá trình chuyển quá càng tốt. Do vậy diện tích bề mặt càng nhiều càng tốt. Nó rất thích hợp cho những vùng nông thôn, những vùng không được cấp điện. Trong trường hợp không có thực vật thủy sinh, VSV không có nơi bám vào. Chúng dễ dàng trôi theo dòng nước hoặc lắng xuống đáy. Rễ thực vật có thể là nơi các VSV gây hại định cư, chúng là tác nhân sinh học gây ô nhiễm môi trường mạnh. Ngoài ra, thực vật chiếm không gian lớn, ngăn cản ánh sáng chiếu sâu vào nước. Thảm thực vật thủy sinh phủ kín bề mặt, tác dụng này tạo điều kiện cho các VSV phát triển bao gồm có ích và có hại. CHƯƠNG 3: NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM Nghiên cứu tài liệu Điều tra về thành phần, tính chất nước thải chăn nuôi. Nghiên cứu các tài liệu có sẵn về cây Dầu mè (Jatropha curcas L.) ở Việt Nam. Nghiên cứu thu hoạch các hình ảnh của thực vật. Nghiên cứu tài liệu về tình hình sinh trưởng và phát triển của cây, khả năng nhiễm sâu bệnh. Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải bằng thực vật. Nghiên cứu mô hình thực nghiệm Mô hình thí nghiệm Chuẩn bị cây và vật liệu thí nghiệm Vật liệu thí nghiệm: Bạt che mưa, nắng Xô nhựa 20l Ống nhựa 16mm Ống đong 100 ml Đá xây dựng, đá mi, cát Một số vật liệu khác: Gỗ, Gạch, cát, đá, Keo Dán, Silicon,… H Hình 3.1. Các vật liệu trong mô hình. Cây Jatropha được lấy từ khu trồng cây Jatropha ở Ninh Thuận, chọn những cây 2 tháng tuổi, có chiều cao, số lá, chu vi thân tương đối giống nhau, lá xanh tươi. Theo đề tài cây thực hiện qua ba giai đoạn: Giai đoạn dưỡng cây Jatropha. Chọn 12 cây Jatropha 2 tháng tuổi, rễ khoảng 7-11 cm và thân cây khoảng 26-32 cm, trồng ổn định trên các thùng thí nghiệm trong 3 tuần Hình 3.2. Cây Jatropha được đo chiều dài và cân nặng trước khi cho vào mô hình. Giai đoạn cây thích nghi. Sau 3 tuần dưỡng, cây được thích nghi với môi trường nước thải chăn nuôi ở nồng độ pha loãng tăng dần trong 18 ngày. Giai đoạn này giúp cây và VSV thích ứng tốt với nước thải chăn nuôi, hạn chế sốc do sự thay đổi nồng độ. Giai đoạn thí nghiệm. Cây được tưới nước thải chăn nuôi với các nồng độ khác nhau. Thời gian thí nghiệm trong 4 tuần. Xây dựng mô hình Xô nhựa dung tích 20lit, chiều cao 30 cm, bán kính miệng 31cm, bán kính đáy 25cm , phía dưới đáy mô hình có ống nhựa ∅=16 cm, dùng để lấy nước trong mô hình ra. HìHình 3.3. Mô hình thực vật. Bảng 3.1. Thành phần vật lý các vật liệu trong mô hình Thông số Đơn vị Cát Đá mi Đá lớn Khối lượng riêng Kg/m3 1266 3687 3820 Khả năng tích ẩm Lít nước/kg vật liệu 0,24 0,043 0,0281 Khối lượng kg 10 5 5 Thành phần nước thải đầu vào Địa điểm lấy mẫu: hộ gia đình chăn nuôi bò sữa ở xã Đông Thạnh – Hóc Môn Thời gian lấy mẫu: 2 lần vào tháng 03 – 05/2010 Thành phần nước thải chăn nuôi đầu vào Bảng 3.2. Thành phần nước thải đầu vào Chỉ tiêu Đơn vị Giá trị pH 7,8 COD mgO2/l 2944 BOD5 mgO2/l 710 N tổng mg/l 461.5 P tổng mg/l 3.8 Thí nghiệm 1: Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải chăn nuôi của cây Jatropha Khảo sát 1: Khảo sátngưỡng nồng độ thích hợp cho thực vật Sau 3 tuần trồng ổn định trên các thùng thí nghiệm, cây được thích nghi với môi trường nước thải chăn ở nồng độ pha loãng tăng dần trong 18 ngày, với mỗi nồng độ lưu trong 3 ngày.Các mức nồng độ nước thải chăn nuôi phục vụ cho thí nghiệm khảo sát ngưỡng chịu đựng của thực vật dao động từ 5%-50%, ngoài ra giai đoạn này giúp cây thích ứng tốt với nước thải chăn nuôi, hạn chế sốc do sự thay đổi nồng độ. Các chỉ tiêu pH, BOD5,COD, N tổng, P tổng của các mẫu nước pha loãng được trình bày ở bảng sau: Bảng 3.3. Các chỉ tiêu hóa sinh học của nước chăn nuôi pha loãng Nồng độ pha loãng Chỉ tiêu BOD5 ( mg/l) COD (mg/l) SS (mg/l) TN (mg/l) TP (mg/l) 5% 35.5 147 289 23 0.19 10% 71 294 578 46 0.38 15% 106.5 442 867 69 0.57 20% 142 589 1155 92 0.76 30% 213 883 1733 138 1.14 40% 284 1178 2311 184 1.52 50% 355 1472 2889 231 1.90 60% 426 1766 3466 277 2.28 100% 710 2944 5777 461 3.80 Quan sát và ghi nhận các chỉ tiêu sinh trưởng, các biểu hiện của cây trông môi trường bị ô nhiễm, số cây chết. Từ đó xác định được ngưỡng chịu đựng của thực vật. Khảo sát 2: Khảo sát lượng nước tưới thích hợp cho cây Tưới nước với lưu lượng từ 1,5 lít, 2 lít, 2,5 lít, 3 lít vào mô hình, Kiểm tra mỗi ngày, thêm vào lượng nước sạch đảm bảo duy trì mức nước không đổi trong suốt thời gian lưu. Quan sát và ghi nhận các chỉ tiêu sinh trưởng, các biểu hiện của cây, số cây chết. Từ đó, xác định được ngưỡng chịu đựng của cây. Khảo sát 3: thời gian lưu nước, và nồng độ thích hợp cho thực vật Tưới nước thải chăn nuôi ở các nồng độ khác nhau 10%, 20%, 30%, 40% lên mô hình. Thu nước ở van xả nước đặt ở dưới mô hình sau thời gian lưu nước là 3, 5, 7 ngày. Đo các thông số của mẫu nước đầu ra của mô hình, tính toán hiệu quả xử lý. So sánh với mẫu nước đầu ra của mô hình đối chứng là đất không trồng cây. Thí nghiệm lô trồng cây được lặp lại 4 lần, lô đối chứng lập lại 2 lần. Từ đó rút ra được thời gian lưu nước, nồng độ thích hợp. Hình 3.4. Nồng độ nước thải từ 10-40% Bảng 3.4 : Sơ đồ bố trí thí nghiệm Lô 1 Lô 2 Lô đối chứng 10% 30% 10% 40% 10% 20% 20% 40% 30% 30% 20% 40% Ghi chú: 10%, 20%, 30%,40% là nồng độ pha loãng nước thải chăn nuôi Các chỉ tiêu theo dõi Các chỉ tiêu theo dõi bao gồm chỉ tiêu bay hơi nước trong mô hình, chỉ tiêu lý hóa, sinh học của nước đầu vào và đầu ra (COD, BOD, N, P, SS), chỉ tiêu sinh trưởng của cây trồng. Các chỉ tiêu bay hơi nước trong mô hình Lượng nước được tưới vào mô hình trồng cây và mô hình đối chứng lấy từ kết quả của quá trình khảo sát lượng nước tưới thích hợp vào cây. Mỗi ngày, mở van xả ở mỗi mô hình, rút toàn bộ nước trong mô hình ra. Dung ống đong đo lượng nước vừa rút ra, ghi chép lại chính xác tới từng ml. Từ đó suy ra được lượng nước bay hơi từ bề mặt cát ( qua mô hình đối chứng không trồng cây) và lượng nước bay hơi qua bề mặt lá (bằng cách lấy lượng nước còn lai trong mô hình đối chứng trừ đi lượng nước trong mô hình trồng cây). Bổ sung nước sạch trở lại mô hình đúng với lượng nước ban đầu Hình 3.5. Cân bằng nước cho mô hình Các chỉ tiêu lý hóa, sinh học của nước đầu vào và đầu ra Xác định các thông số đầu vào và ra của nước thải: Bảng 3.5. Các phương pháp dùng để phân tích các chỉ tiêu môi trường. Chỉ tiêu Phương pháp BOD5 Winkler cải tiến COD Phương pháp đun kín N Phân huỷ và chưng cất Kieldal P phương pháp dựa vào phản ứng giữa ion PO4(3-) với ammonium molipdat và và SnCl2 SS phương pháp khối lượng Phân tích kết cấu đất theo phương pháp Savinốp (phương pháp rây khô). Hiệu suất của mô hình được tính bằng công thức H%= A-BA×100% Trong đó: A: giá trị thông số trước xử lý. B: giá trị thông số sau xử lý. Chỉ tiêu sinh trưởng của cây Theo dõi các chỉ tiêu sinh trưởng: chiều cao (cm), số lá cây.. tình hình sâu bệnh hại. Chiều dài cây dài thân cây được tính từ mặt đất cho đến ngọn, số lá của cây được đếm từ gốc cho đến ngọn. Thí nghiệm 2: Nghiên cứu khả năng sử dụng nước thải chăn nuôi làm nguồn dinh dưỡng của cây Jatropha Khảo sát 4: Khảo sát khả năng sử dụng nguồn dinh dưỡng đạm từ nước thải chăn nuôi Các chỉ tiêu cần khảo để thấy khả năng sử dụng nguồn dinh dưỡng đạm trong nước thải chăn nuôi của cây Jatropha: Sự tăng sinh khối (tươi và khô) của cây dầu mè trong môi trường nước thải chăn nuôi Trước khi tiến hành thí nghiệm, cây cần được đo chiều cao và khối lượng. Sau khi quá trình thí nghiệm xong, cân đo lại chiều và khối lượng để xác định khối lượng sinh khối tươi của cây. Sự tích lũy nitrogen trong cát và sự phân bố nitrogen trong rễ, thân, lá của cây Đối với mẫu cát: sau khi mô hình vận hành xong, mẫu vật liệu được thu gom lại và được trộn lại tạo mẫu đồng nhất. Cân 10 g mẫu cho vào 100ml nước cất, lắc trong 1 giờ để trích ly mẫu. Phân tích chỉ tiêu N tổng cho 100ml nước đó. Từ đó suy ra được khả năng tích lũy Nitơ trên vật liệu. Lượng tích lũy N trong vật liệu bằng lượng N có trong cát bằng lượng N tích lũy trong cát sau khi vận hành mô hình trừ đi lượng N có trong cát ban đầu. Đối với mẫu thực vật: chọn cây ở nồng độ lớn nhất 40% để phân tích . Mẫu thực vật được chia làm 3 phần: rễ, thân, lá. Cân khối lượng tươi của 3 phần này. Sấy khô mẫu thực vật ở nhiệt độ 100 -105 0C, hút ẩm trong bình hút ẩm trong 1 giờ, đem ra cân lại. Sau đó tiến hành nghiền mẫu. Cân 0,1g mẫu đem đi phân tích Nitơ tổng. Từ đó suy ra khả năng tích lũy nitơ ở các phần khác nhau của thực vật. Lượng tích lũy N tích lũy thực vật bằng tổng lượng N đo được trong các phần khác nhau của thực vật Hình 3.4. Mẫu thực vật được chia làm 3 phần rễ, thân, lá. Kế hoạch thực hiện thí nghiệm Đợt thí nghiệm Khảo sát Thời gian Thu thập tài liệu 1/03/2010 – 24/03/2010 Chuẩn bị mô hình 25/03/2010 – 17/04/2010 Thí nghiệm1 Khảo sát 1 18/04/2010 – 06/05/2010 Khảo sát 2 08/05/2010 – 10/05/2010 Khảo sát 3 Thời gian lưu nước 3 ngày 11/05/2010 – 13/05/2010 Thời gian lưu nước 7 ngày 14/05/2010 -20/05/2010 Thời gian lưu mẫu 5 ngày 21/05/2010 – 25/05/2010 Thời gian lưu mẫu 3 ngày 26/05/2010 -28/05/2010 Thời gian lưu mẫu 5 ngày 29/05/2010 – 2/06/2010 Thời gian lưu mẫu 7 ngày 3/6 /2010 -10/6/2010 Thí nghiệm 2 Khảo sát 4 Khả năng tích lũy đạm trong thực vật và môi trường đất 11/06/2010 -15/06/2010 Phương pháp xử lý kết quả thí nghiệm Mỗi thông số liên quan được phân tích từ 3-5 lần để thu nhận giá trị trung bình qua các lần đo. kết quả của các thông số tại mỗi thời điểm đo được xử lý: Kiểm tra và loại bỏ các thông số thô đại. Tính giá trị trung bình của các thông số đo sau khi đã loại sai số thô. Tính độ lệch chuẩn của giá trị trung bình. Giá trị trung bình được chọn để tính toán và thể hiện trên đồ thị, số liệu tính toán cụ thể của giá trị trung bình và sai số của giá trị trung bình được trình bày trong phụ lục. Các số liệu được xử lý bằng phần mền Excel và được báo cáo chi tiết trong phụ lục của đề tài. CHƯƠNG 4 : KẾT QUẢ – THẢO LUẬN Khảo sát ngưỡng nồng độ thích hợp của cây Sau quá trình thí nghiệm khảo sát ngưỡng nồng độ thích hợp cho cây, biểu hiện phản ứng của cây với các nồng độ nước thải chăn nuôi khác nhau được thể hiện qua bảng sau: Bảng 4.1. Biểu hiện của thực vật trong quá trình khảo sát Nồng độ pha loãng Biểu hiện của cây 5% Cây phát triển bình thường, lá xanh tươi tốt, chồi cây phát triển bình thường. 10% Cây phát triển bình thường, lá xanh tươi tốt, chồi cây phát triển bình thường. 15% Cây phát triển bình thường, lá xanh tươi tốt, chồi cây phát triển bình thường. 20% Cây phát triển bình thường, lá xanh tươi tốt, chồi cây phát triển bình thường. 30% Vài cây xuất hiện lá vàng, tốc độ phát triển chồi chậm hơn mấy ngày trước. 40% Lá cây vàng và rụng, chồi chậm phát triển, tốc độ lá lớn chậm Nhận xét: Sau quá trình thích nghi nước thải, từ nồng độ 5%, đến 20% cây vẫn phát triển tốt, bình thường. Nhưng khi sang nồng độ 30% vài lá có biểu hiện vàng, sang tới nồng độ 40% lá cây một số chậu rụng lá, cây phát triển chậm. Vì vây, sau quá trình khảo xác nồng độ thích hợp cho cây chọn 4 mức độ nồng độ 10%, 20%, 30%, 40% để phục vụ cho các khảo sát tiếp theo. Hình 4.1. Phản ứng của cây ở giai đoạn thích nghi nồng độ nước thải 20%. Hình 4.2. Phản ứng của cây ở giai đoạn thích nghi nồng độ nước thải 30%. Hình 4.3. Phản ứng của cây ở giai đoạn thích nghi nồng độ nước thải 40%. Khảo sát lưu lượng tưới thích hợp cho cây Tưới nước với lưu lượng từ 1,5 lít, 2 lít, 2,5 lít, 3 lít vào mô hình, Kiểm tra mỗi ngày, thêm vào lượng nước sạch đảm bảo duy trì mức nước không đổi trong suốt thời gian lưu. Sau 3 ngày, khảo sát lưu lượng tưới thích hợp biểu hiện của thực vật như sau: Bảng 4.2. Biểu hiện của cây Jatropha sau khảo sát. Lưu lượng tưới (ml) Biểu hiện vật liệu trong mô hình Biểu hiện của cây 1500 Nước thấm vào cát Cây phát triển bình thường sau 3 ngày lưu nước 2000 Nước thấm vào cát, cát có phần hơi sệch Đến ngày thứ 3 lá cây mới có dấu hiệu chuyển sang lá màu vàng 2500 Nước và mặt cát xấp xỉ bằng nhau Sau 2 ngày lưu nước, lá cây có dấu hiệu chuyển màu vàng, đến ngày lưu nước thứ, lá cây chuyển sang màu vàng 3000 Nước ngập trên mặt cát khoảng 1,5 cm Sau 2 ngày lưu nước, lá cây có dấu hiệu chuyển màu vàng, đến ngày lưu nước thứ 3, lá cây chuyển sang màu vàng Hình 4.4. Biểu hiện của cây sau 3 ngày lưu nước với lưu lượng 1,5l; 2l; 2,5l; 3l Kết luận: Lượng nước tưới thích hợp cho cây trong mô hình là 1500 ml nước, ở lượng nước này cây có thể phát triển tốt, chồi cây phát triển, quá trình quang hợp của lá cây bình thường, không xảy ra hiện tượng lá cây bị vàng do úng nước. Khảo sát này đã chứng minh cây Jatropha là loài cây chịu ngập úng kém. Khảo sát thời gian lưu nước và nồng độ thích hợp Chỉ tiêu về lượng bay hơi nước của mô hình Sau quá trình thí nghiệm, từ lượng nước bổ sung hằng ngày vào trong mô hình lập bảng thống kê lượng nước sử dụng cho các thành phần trong mô hình. Số liệu lượng nước bổ sung hằng ngày được đặt trong phần phụ lục. Bảng 4.3. Lượng nước sử dụng cho các thành phần trong mô hình STT Thông số Đơn vị Lượng nước % 1 Lượng nước thải vào mô hình ml 1500 100% 2 Lượng nước chảy ra ml 338 22,5% 3 Lượng nước được giữ lại trong mô hình ml 1162 77,5% Lượng nước bay hơi qua bề mặt cát ml 125 8% Lượng nước bay hơi qua bề mặt lá ml 275 18% Lượng nước thấm trong lớp vật liệu ml 762 51% 4 Rò rỉ ml 0 0 Hình 4.5. Cân bằng nước trong mô hình Nhận xét: Qua biểu đồ ta nhận thấy khi lưu nước trong mô hình, lượng nước chảy ra là 23%, lượng nước còn lại trong mô hình 77%. Trong đó, lượng nước được giữ lại trong lớp vật liệu chiếm 51%, lượng nước bay hơi ra khỏi mô hình tổng cộng là 26% , bao gồm 8% là bay hơi qua bề mặt cát ( qua mô hình đối chứng), 18% là bay hơi qua bề mặt lá (qua mô hình trồng cây xác định được lượng nước bay hơi qua bề mặt cát và lượng nước cây sử dụng). Lượng nước bay hơi qua bề mặt lá nhiều hơn gấp đôi lượng nước bay hơi qua bề mặt cát. Điều này, có lẽ do cây dầu mè có lá to, xòe rộng nên tốc độ thoát hơi nước qua bề mặt lá nhiều hơn, điều này giúp cho quá trình xử lý nước hiệu quả hơn. Nhưng cũng do cây có lá to, tán rộng, nên trong mô hình có trồng cây đã che bề mặt cát, làm ảnh hưởng đến độ bay hơi bề mặt cát của mô hình trồng cây nhỏ hơn so với tốc độ bay hơi bề mặt cát của mô hình đối chứng, làm ảnh hưởng đến kết quả thu được. Ngoài ra, kết quả mà đề tài thu được còn phụ thuộc rất nhiều về các điều kiện bên ngoài như thời tiết, nhiệt độ, khí hậu độ ẩm, do vậy kết quả chỉ mang tính chất tương đối. Các chỉ tiêu lý hóa sinh học của nước thải đầu ra Chỉ tiêu pH pH nước thải chăn nuôi là 7,9, pH nước thải đầu vào mô hình ( nước thải pha loãng đầu vào) 7,1- 7,4. khoảng pH này nằm trong giới hạn sinh trưởng, phát triển của thực vật và hệ vi sinh vật, giúp cho các quá trình sinh hóa diễn ra thuận lợi. Nước thải đầu ra của mô hình đối chứng và mô hình thực vật đều giảm. và đều nằm trong quy chuẩn QCVN 24: 2009/BTNMT. Biến đổi BOD5 của các nghiệm thức BOD là lượng oxy cần thiết để vi sinh vật oxy hóa các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học trong điều kiện hiếu khí, là một trong những chỉ tiêu quan trọng được dùng để đánh giá mức độ gây ô nhiễm của nước thải. Sau quá trình vận hành kết quả chỉ tiêu BOD5 của nước thải sau khi xử lý được thống kê như sau: Bảng 4.4. Chỉ tiêu BOD5 của nước thải sau khi xử lý. Mô hình có trồng cây Nghiệm thức BOD5 đầu vào (mg/l) 3 ngày 5ngày 7 ngày BOD5 H % BOD5 H % BOD5 H % 10% 71 30 58 29 59 16 78 20% 142 61 57 53 63 35 75 30% 213 89 58 75 65 43 80 40% 284 133 53 115 60 76 73 Mô hình đối chứng Nghiệm thức BOD5 đầu vào (mg/l) 3 ngày 5 ngày 7 ngày BOD5 H % BOD5 H % BOD5 H % 10% 71 42 41 40 43 31 57 20% 142 83 42 85 40 65 54 30% 213 121 43 113 47 86 60 40% 284 145 49 134 53 120 58 Hình 4.6. Biến thiên chỉ tiêu BOD5 của nước thải chăn nuôi ở từng nồng độ 10%, 20%, 30% 40% trong thời gian lưu là 3,5,7 ngày. Hình 4.7. Biến thiên hiệu quả xử lý chỉ tiêu BOD5 của nước thải chăn nuôi ở các nồng độ 10%, 20%, 30% 40% trong từng thời gian lưu là 3,5,7 ngày. Nhận xét: Chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học ở các nồng độ đều giảm nhanh trong 3 ngày đầu, tốc độ phân hủy chất hữu cơ giảm lại trong những ngày sau. Chất hữu cơ được giữ lại qua lớp cát và đá, và được hệ vi sinh vật trong cát phân hủy khoảng 41- 60%. Trong mô hình cây, chất hữu cơ còn được cây và hệ vi sinh vật quanh rễ cây hấp thu, chuyển hóa thành sinh khối và bay hơi qua bề mặt lá nên hiệu quả xử lý chất hữu cơ trong mô hình cây cao hơn 50-83%. Vì vậy, chất hữu cơ được cây hấp thu khoảng 11-23%. Qua quá trình làm thí nghiệm, nhận thấy nồng độ nước thải chăn nuôi 10% sau thời gian xử lý 3,5,7 ngày đều đạt loại B QCVN 24:2009/BTNMT , nồng độ nước thải 20%, 30% sau thời gian xử lý 7 ngày đều đạt loại B QCVN 24:2009/BTNMT. Hiệu quả chất hữu cơ xử lý trong thời gian 7 ngày là cao nhất. Vì vậy có thể kết luận thời gian lưu nước càng cao thì hiệu quả xử lý càng cao. Hiệu quả xử lý chất hữu cơ có khả năng xử lý sinh học ở cùng 1 thời gian ở các nồng độ khác nhau tương đối ngang nhau. Trong đó hiệu quả xử lý ở nồng độ 10% và 30% là tốt nhất, thời gian lưu 3 ngày hiệu quả là 58%, thời gian lưu 5 ngày hiệu quả lần lượt là 69%, 65% và thời gian lưu 7 ngày hiệu quả là 78%, 80%. Biến đổi COD của các nghiệm thức COD (nhu cầu oxy hóa học là lượng oxy cần thiết để oxy hóa các chất hữu cơ trong thành phần nước thải bằng phương pháp hóa học. COD là thông số quan trọng để khảo sát, đánh giá hiện trạng ô nhiễm và xác định hiệu quả của các công trình xử lý nước. Qua quá trình xử lý hàm lượng COD của nươc thải được thống kê như sau: Bảng 4.5. Chỉ tiêu COD của nước thải sau khi xử lý. Mô hình có trồng cây Nghiệm thức COD đầu vào (mg/l) 3 ngày 5 ngày 7 ngày COD H % COD H % COD H % 10% 294 52 82 33 89 19 94 20% 589 137 77 105 82 56 91 30% 883 191 78 113 87 98 89 40% 1178 361 69 227 81 178 85 Mô hình đối chứng Nghiệm thức COD đầu vào (mg/l) 3 ngày 5 ngày 7 ngày COD H % COD H % COD H % 10% 294 104 65 85 71 38 87 20% 589 213 64 206 65 122 79 30% 883 358 60 319 64 265 70 40% 1178 508 57 470 60 394 67 Hình 4.8. Biến thiên chỉ tiêu COD của nước thải chăn nuôi ở từng nồng độ 10%, 20%, 30% 40% trong thời gian lưu là 3,5,7 ngày. Hình 4.9. Biến thiên hiệu quả xử lý COD của nước thải chăn nuôi ở các nồng độ 10%, 20%, 30% 40% trong từng thời gian lưu là 3,5,7 ngày. Nhận xét: Hiệu quả xử lý COD của cây Jatropha trong mô hình cũng khá cao 69-94%,.hàm lượng COD giảm nhanh trong 3 ngày đầu với hiệu suất là 69-82% và hiệu quả xử lý chậm dần trong những ngày sau đó: hiệu quả xử lý khoảng 81-89% trong thời gian lưu 5 ngày, hiệu quả xử lý cao nhất là trong 7 ngày lưu 86- 94%. Ở nồng độ 10%, nước sau xử lý đạt loại B QCVN 24: 2009/BTNMT. Chỉ tiêu COD giảm là nhờ chất hữu cơ được giữ lại qua lớp cát và đá, và được hệ vi sinh vật trong cát phân hủy khoảng 57-87 % ( qua mô hình đối chứng). FChất hữu cơ còn được cây và hệ vi sinh vật quanh rễ cây hấp thu, chuyển hóa thành sinh khối và bay hơi qua bề mặt lá khoảng 6-19%. Hiệu quả xử lý chất hữu cơ ở cùng 1 thời gian ở các nồng độ khác nhau tương đối ngang nhau. Trong đó, hiệu quả xử lý COD cao nhất là ở nồng độ 10%, ở nồng độ này dễ dàng cây đã thích nghi với môi trường nước thải nên tốc độ phát triển cây nhanh, chồi cây mau lớn, lá to tạo điều kiện cho các chất hữu cơ hòa tan được rễ hút lên, di chuyển qua thân và thoát hơi qua bề mặt lá, Hiệu quả xử lý COD ở nồng độ 40% tương đối thấp hơn so với các nồng độ khác, vì đây là nồng độ nước thải cao nhất, cây phát triển kém, chồi lâu lớn, những ngày đầu lá rụng, về sau cây đã thích nghi được với môi trường, nhưng khả năng phát triển của cây thấp, lá nhỏ ít phát triển, điều này chứng tỏ khả năng hấp thu chất dinh dưỡng từ nước thải của cây ở nồng độ này ít. Biến đổi N tổng của các nghiệm thức Nitơ là một trong những nguyên tố chính của cuộc sống, là thành phần của protein và acid nucleic trong tế bào vi sinh vật, động vật và thực vật. Tuy nhiên nếu hàm lượng Nitơ trong nước quá cao sẽ gây độc ảnh hưởng đến động vật, con người. Ngoài ra hàm lượng Nitơ trong nước quá cao khi thải ra môi trường ngoài sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa, tảo nở hoa… Do vậy, cần phải loại bỏ hàm lượng N trong nước thải trước khi thải ra môi trường ngoài. Hàm lượng Nitơ của nước thải sau khi xử lý đạt kết quả như sau: Bảng4.6. Chỉ tiêu Nitơ tổng của nước thải sau khi xử lý. Mô hình có trồng cây Nghiệm thức N tổng (mg/l) 3 ngày 5 ngày 7 ngày N H% N H% N H% 10% 46 15 68 9 80 5 90 20% 92 32 66 20 78 13 86 30% 138 50 63 34 76 22 84 40% 185 77 58 53 71 33 82 Mô hình đối chứng Nghiệm thức N tổng (mg/l) 3 ngày 5 ngày 7 ngày N H% N H% N H% 10% 46 19 58 16 65 11 77 20% 92 40 56 38 59 23 75 30% 138 67 52 66 52 38 72 40% 185 92 50 92 50 55 70 Hình 4.10. Biến thiên chỉ tiêu nitơ của nước thải chăn nuôi ở từng nồng độ 10%, 20%, 30% 40% trong thời gian lưu là 3,5,7 ngày. Hình 4.11. Biến thiên hiệu quả xử lý nitơ của nước thải chăn nuôi ở các nồng độ 10%, 20%, 30% 40% trong từng thời gian lưu là 3,5,7 ngày. Nhận xét : kết quả từ mô hình trồng cây cho thấy khả năng xử lý N tổng khá tốt . Trong 3 ngày, hàm lượng N tổng giảm nhanh xuống khoảng 58-68 %, tới ngày lưu thứ 5 hàm lượng N tổng vẫn tiếp tục giảm xuống, mặc dù tốc độ chậm lại so với thời gian 3 ngày và xử ký được khoảng 71-80% so với hàm lượng đầu vào. Sau 7 ngày lưu hiệu quả xử lý N tổng là cao nhất khoảng 82-90%. Ở nồng độ 10%, hàm lượng N tổng nước sau xử lý trong thời gian 3,5,7 ngày đều đạt loại B QCVN 24: 2009/BTNMT. Hiệu quả N tổng ở cùng 1 thời gian ở các nồng độ khác nhau có sự chênh lệch. Trong đó, hiệu quả xử lý N tổng cao nhất là ở nồng độ 10%, Hiệu quả xử lý N tổng ở nồng độ 40% là thấp nhất. Hiệu quả xử lý ở mô hình trồng cây lớn hơn mô hình đối chứng là khoảng 8-23%, khoảng này chính là lượng N đã được cây hấp thụ và chuyển thành sinh khối. Hàm lượng N tổng giảm là nhờ quá trình nitrat hóa/ khử Nito, ngoài ra lượng Nitơ được hệ vi sinh vật xung quanh rễ hấp thụ hoặc thực hiện những phản ứng sinh hóa chuyển thành chất dinh dưỡng giúp cây hấp thụ, ngoài ra còn do nhiệt độ môi trường, phản ứng hóa học chuyển thành các chất bay hơi (N2). Biến đổi Photpho của các nghiệm thức Cũng như Nitơ, photspho là một nguyên tố dinh dưỡng quan trọng đối với sự phát triển của thực vật và vi sinh vật. Việc thải chất dinh dưỡng này vào các nguồn tiếp nhận trong tự nhiên làm tăng sự phát triển của tảo và dẫn đến hiện tượng phú dưỡng trong các hồ và sông suối .Do đó cần phải giảm nồng độ photpho trong dòng thải sau xử lý thứ cấp để ngăn ngừa hiện tượng trên. Sau thời gian thí nghiệm, hàm lượng của photpho được trình bày trong bảng sau: Bảng 4.7. Chỉ tiêu Photphp tổng của nước thải sau khi xử lý. Mô hình có trồng cây Nghiệm thức P tổng đầu vào (mg/l) 3 ngày 5 ngày 7 ngày P H % P H % P H % 10% 0,38 0,077 79,7% 0,058 85% 0,019 95% 20% 0,76 0,198 74,0% 0,153 80% 0,100 87% 30% 1,14 0,318 72,1% 0,265 77% 0,155 86% 40% 1,52 0,590 61,2% 0,432 72% 0,291 81% Mô hình đối chứng Nghiệm thức P tổng đầu vào (mg/l) 3 ngày 5 ngày 7 ngày P H % P H % P H % 10% 0,38 0,138 63,6% 0,108 72% 0,072 81% 20% 0,76 0,294 61,3% 0,236 69% 0,156 79% 30% 1,14 0,466 59,1% 0,385 66% 0,315 72% 40% 1,52 0,704 53,7% 0,526 65% 0,460 70% Hình 4.12. Biến thiên chỉ tiêu photpho của nước thải chăn nuôi ở từng nồng độ 10%, 20%, 30% 40% trong thời gian lưu là 3,5,7 ngày. Hình 4.13. Biến thiên hiệu quả xử lý P tổng của nước thải ở các nồng độ 10%, 20%, 30% 40% trong từng thời gian lưu là 3,5,7 ngày. Nhận xét: Hàm lượng Photsphat trong nước thải được xử lý rất tốt . Chỉ trong 3 ngày, hàm lượng P tổng giảm nhanh xuống 61-80 %, tới ngày lưu thứ 5 hàm lượng P tổng vẫn tiếp tục giảm còn 72-85%. Sau 7 ngày lưu hàm lượng P tổng giảm là cao nhất khoảng 81-95%. Tất cả hàm lượng P tổng nước thải đầu ra đều đạt QCVN 24: 2009/BTNMT. Hiệu quả xử lý P cao như vậy vì phần lớn hàm lượng P tổng trong nước thải chăn nuôi là Photpho hữu cơ dễ phân hủy, ngoài ra do hàm lượng P đầu vào rất thấp khoảng 3,8 mg/l, vì vậy hàm lượng P sau khi xử lý đều đạt loại A QCVN 24: 2009/BTNMT. Hiệu quả xử lý hàm lượng P tổng ở cùng 1 thời gian ở các nồng độ khác nhau có sự chênh lệch. Trong đó, hiệu quả xử lý hàm lượng P tổng cao nhất là ở nồng độ 10%, hiệu quả xử lý P tổng ở nồng độ 40% là thấp nhất, có thể vì thực vật ở nồng độ thấp dễ thích nghi môi trường nước thải hơn thực vật ở nồng độ cao, do đó thực vật ở nồng độ thấp hấp thu hàm lượng photphat manh hơn. Hàm lượng photpho trong mô hình đối chứng giảm ít hơn trong mô hình thực vật vì trong mô hình đối chứng, hàm lượng photphat giảm nhờ sự hấp phụ trên bề mặt cát và được các vi sinh vật trong đất phân hủy. Còn trong mô hình thực vật hàm lượng photpho còn được cây hấp thụ chủ yếu là ở dạng HPO42- và H2PO4-. Biến đổi SS của các nghiệm thức Sau quá trình vận hành mô hình, hàm lượng chất rắn lơ lửng trong nước giảm như sau: Bảng 4.8. Chỉ tiêu SS của nước thải sau khi xử lý. Mô hình thực vật Nghiệm thức SS (mg/l) 3 ngày 5 ngày 7 ngày SS H% SS H% SS H% 10% 578 34,30 94,07 16,67 97,12 8,17 98,59 20% 1155 73,49 93,64 35,21 96,95 18,61 98,39 30% 1733 112,16 93,53 66,85 96,14 30,35 98,25 40% 2311 164,81 92,87 100,18 95,67 62,68 97,29 Mô hình đối chứng Nghiệm thức SS (mg/l) 3 ngày 5 ngày 7 ngày SS H% SS H% SS H% 10% 578 45,82 92,07 30,88 94,66 16,14 97,21 20% 1155 90,19 92,19 72,91 93,69 40,75 96,47 30% 1733 152,00 91,23 118,97 93,14 88,18 94,91 40% 2311 233,80 89,88 183,49 92,06 124,81 94,60 Hình 4.14. Biến thiên chỉ tiêu SS của nước thải chăn nuôi ở từng nồng độ 10%, 20%, 30% 40% trong thời gian lưu là 3,5,7 ngày. Hình 4.15. Biến thiên hiệu quả xử lý SS của nước thải ở các nồng độ 10%, 20%, 30% 40% trong từng thời gian lưu là 3,5,7 ngày. Nhận xét: Hiệu quả xử lý SS đạt kết quả rất cao, trong 3 ngày lưu nước, hàm lượng SS đã được loại bỏ 92 – 94%, với thời gian lưu nước 7 ngày hầu như hàm lượng SS đã được loại bỏ hoàn toàn, hiệu quả là 97-98% . Hiệu quả xử lý hàm lượng SS trong mẫu trồng cây và mẫu đối chứng chênh lệch nhau không nhiều chứng tỏ khả năng xử lý SS trong nước thải là nhờ khả năng lọc của lớp vật liệu, thực vật trong mô hình không đóng vai trò đáng kể trong việc loại bỏ chất thải rắn. Hàm lượng SS được loại bỏ nhờ cơ chế lọc qua cát và phân hủy sinh học do sự phát triển của vi sinh vật , hoặc là hút bám, hấp phụ lên thực vật, cát sỏi. Vì vậy khả năng loại bỏ hàm lương SS phụ thuộc rất nhiều vào tính chất, kích thước vật liệu lọc. Nhận xét chung: Sau quá trình thí nghiệm, nhận thấy thời gian lưu càng lâu thì hiệu quả xử lý càng cao, do vậy, thời gian lưu 7 ngày là thời gian nước thải chăn nuôi được xử lý hiệu quả nhất. Theo cảm quan, nước thải đầu ra trong, mẫu trong mô hình đối chứng còn hơi ngả màu vàng, mẫu trong mô hình thực vật gần như không màu, điều này chứng tỏ hàm lượng chất hữu cơ trong nước đã giảm đi rất nhiều, ở thời gian này phần lớn các chỉ tiêu điều đạt quy chuẩn QCVN 24: 2009/BTNMT loại B, có thể thải ra môi trường ngoài mà không cần qua thêm công trình khác. Bảng 4.9. Các chỉ tiêu nước thải sau thời gian lưu 7 ngày Chỉ tiêu Đơn vị Nồng độ pha loãng QCVN 24: 2009/BTNMT 10% 20% 30% 40% LoạiA LoạiB COD mg/l 19 56 98 178 50 100 BOD5 mg/l 16 35 43 76 30 50 N mg/l 5 13 22 33 15 30 P mg/l 0,019 0,1 0,155 0,291 4 6 SS mg/l 8,17 18,61 30,35 62,68 50 100 Đối với chỉ tiêu SS và P, nước thải đầu ra ở thời gian 7 ngày đều đạt quy chuẩn QCVN 24: 2009/BTNMT loại B. Chỉ tiêu N, BOD5, COD ở nồng độ 10%,20%,30% đều đạt quy chuẩn QCVN 24: 2009/BTNMT loại B. Thí nghiệm được tiến hành trên 4 nghiệm thức 10%, 20%, 30%, 40%. Kết quả sau thí nghiệm cho thấy thực vật ở môi trường nước thải 40% đã có sự thích nghi tốt, nhưng sự sinh trưởng của cây còn thấp và các chỉ tiêu sau xử lý vẫn chưa đạt quy chuẩn. Thực vật ở nồng độ 30% có tốc độ phát triển tốt, các chỉ tiêu đều đạt quy chuẩn QCVN 24: 2009/BTNMT loại B. Vì vậy, đề tài chọn mức tải lượng 30% để tính toán tải lượng cho mô hình cánh đồng tưới. Bảng 4.10. Tải lượng xử lý ô nhiễm của cát đá, thực vật ở nồng độ 30%. Chỉ tiêu Tải lượng xử lý (mg) Cát- đá Thực vật Tải lượng % Tải lượng % BOD5 256 129 49,51 127 50,49 COD 1178 384 67,40 794 32,60 SS 2555 132 94,83 2423 5,17 N 174 57 67,24 117 32,76 P 2 0.473 68,47 1.027 31,53 Hình 4.16. Tải lượng xử lý của thực vật và vật liệu ở nồng độ 30% Chỉ tiêu tăng trưởng chiều cao của cây Sau 30 ngày trồng trong môi trường nước thải chăn nuôi, khả năng thích nghi và chịu đựng của thực vật được thể hiện qua tốc độ phát triển chiều cao của cây Bảng 4.11. Tốc độ phát triển chiều cao của cây ở các nồng độ 10%- 40% Lần 1 2 3 4 5 6 Thân TB 10% 31 33 37 42 49 54 TB 20% 27 30 33 37 40 42 TB 30% 29 30 34 37 39 41 TB 40% 32 32 33 34 35 36 Trung bình 30 31 34 38 41 43 Tốc độ phát triển của cây (%) 0 3 13 26,66 36,66 43,33 Hình 4.17. Tốc độ phát triển thân cây ở các nồng độ 10% - 40% sau 30 ngày thí nghiệm Lần đo đầu tiên, cây ít tăng trưởng tốc độ phát triển trung bình của cây là 3%. Ở mô hình 10%, 20%, 30%, cây có phát triển nhưng rất chậm, ở mô hình 40% chiều cao cây hầu như không phát triển, chồi cây không lớn trong tuần này Đến lần đo 4 (20 ngày) , tốc độ phát triển của thân cây tăng dần đạt 26,66% so với chiều cao của cây ban đầu, ở giai đoạn này cây ở mô hình 10% phát triển nhanh vượt qua chiều cao của các mô hình còn lại. Điều này chứng tỏ cây đã bắt đầu thích nghi với nồng độ nước thải chăn nuôi. Đến lần đo 6 (30 ngày thí nghiệm), tốc độ phát triển của cây đạt giá trị 43,33% so với chiều cao ban đầu. Với kết quả này đã chứng tỏ cây Jatropha có khả năng chịu đựng và thích nghi cao. Chỉ tiêu tốc độ phát triển lá Tốc độ phát triển của lá ở 4 nồng độ qua 30 ngày thí nghiệm được biểu hiện qua bảng sau: Bảng 4.12. Tốc độ phát triển lá ở nồng độ 10%-40% Lần 1 2 3 4 5 6 10% 6 7 9 11 12 16 20% 6 5 8 11 8 9 30% 9 8 8 10 14 13 40% 9 7 7 9 9 10 Hình 4.18. Tốc độ phát triển của lá sau 30 ngày thí nghiệm Tốc độ phát triển lá trung bình tăng dần, nhưng với tốc độ chậm. Những tuần đầu lá ở mô hình 30%, 40% có biểu hiện không tốt, lá vàng và rụng, chồi không phát triển, có thể nồng độ 30,40% là hơi cao so với cây, cây chưa thích nghi được. Đến lần đo thứ 4, cây phát triển tốt hơn lá xanh, chồi phát triển, lá cây ở nồng độ 10% phát triển rất to và bự hơn so với nồng độ 20, 30%, lá ở nồng độ 40% có dấu hiệu phát triển, lá tươi hơn so với tuần đầu tiên. Sau 30 ngày (lần đo thứ 6) thí nghiệm, lá cây đã tăng thêm 50% so với lượng lá ban đầu. cây đã thích nghi được với nồng độ nước thải và đã sử dụng nguồn dinh dưỡng từ nước thải để tăng sinh khối cho cây. Thí nghiệm 2: Nghiên cứu khả năng sử dụng nước thải chăn nuôi làm nguồn dinh dưỡng của cây Jatropha Khảo sát 4: Khảo sát khả năng sử dụng nguồn dinh dưỡng đạm từ nước thải chăn nuôi: Sự tăng trưởng chiều cao và số lá của cây dầu mè trong môi trường nước thải chăn nuôi: được trình bày trong phần thí nghiệm 1 Sự tăng sinh khối (tươi và khô) của cây dầu mè trong môi trường nước thải chăn nuôi Bảng 4.13. Sinh khối của cây sau quá trình thí nghiệm Cây Khối lượng cây trước khi thí nghiệm (g) Khối lượng cây sau khi thí nghiệm (g) Sinh khối của cây tăng lên (g) Hệ số tăng mỗi ngày 1 39 136 97 1,043 2 41 118 77 1,036 3 38 114 76 1,037 4 53 108 55 1,024 5 42 130 88 1,038 6 38 112 74 1,037 7 38 100 62 1,033 8 40 82 42 1,024 Sau 30 ngày thí nghiệm, sinh khối của cây dầu mè tăng hơn từ 42- 97g, gấp 2- 3,5 lần khối lượng cây ban đầu. Cây ở mô hình có nồng độ 40% tăng sinh khối ít hơn các cây ở mô hình còn lại. Hệ số tăng mỗi ngày trung bình là 1,034 lần. Khi được áp dụng trên diện rộng mô hình xử lý, có thể tạm áp dụng công thức Nt=N0×1,034t Trong đó: Nt : là khối lượng của cây sau khi thí nghiệm (g) N0: là khối lượng của cây trước khi thí nghiệm (g) t: là thời gian thí nghiệm Sự tích lũy nitrogen trong cát và sự phân bố nitrogen trong rễ, thân, lá của cây Nitơ có vai trò đặc biệt quan trọng đối với sự sinh trưởng, phát triển của cây trồng và do đó nó quyết định năng suất và chất lượng thu hoạch. Nitơ có trong thành phần của hầu hết các chất trong cây: protein, axit nucleic, các sắc tố quang hợp, các hợp chất dự trữ năng lượng: ADP, ATP, các chất điều hoà sinh trưởng ,…Như vậy Nitơ vừa có vai trò cấu trúc, vừa tham gia trong các quá trình trao đổi chất và năng lượng. Nitơ có vai trò quyết định đến toàn bộ các quá trình sinh lý của cây trồng. Tuy nhiên, cây không đồng hóa trực tiếp nitơ hữu cơ, mà phải nhờ các loài vi sinh vật phân hủy và chuyển hóa nguồn nitơ bền vững thành ra nitơ dạng dinh dưỡng dễ tiêu (NH3 hoặc NH4+) cung cấp nguồn dinh dưỡng nitơ cho cây trồng. Nếu không có quá trình amon hóa thì dù có giàu hữu cơ đến đâu cũng đều vô hiệu với cây trồng và càng gây độc hại cho môi sinh. Sau quá quá trình vận hành mô hình, cây và đất được đem ra phân tích chỉ tiêu N, để xác định lượng Nitơ tích lũy trong cây và đất sau thới gian thí nghiệm. Sự tích lũy Nitơ được cát giữ lại Bảng 4.14. Hàm lượng N tích lũy trong vật liệu Mô hình Hàm lượng N tích lũy trong vật liệu sau khi vận hành Nồng độ (mg/kg) Vật liệu (kg) Tải lượng (mg) 4 56,8 10 568 8 85,2 10 852 3 56,8 10 568 7 71 10 710 Sự tích lũy Nitơ trong các thành phần của cây Sau khi thí nghiệm kết thúc, cây được nhổ lên, cân lại khối lượng. Cây được cắt nhổ ra từng phần rễ, thân, lá. Sau đó, được đem đi sấy khô để xác định độ ẩm và là bước đầu tiến hành kiểm tra chỉ tiêu nitơ tích lũy trong từng thành phần của cây. Bảng 4.15. Sinh khối và độ ẩm trong từng thành phần của cây Thành phần cây M tươi (g) M khô (g) M tươi của cây (g) M khô của cây (g) Độ ẩm% Cây 4 rễ 22,8277 5,9146 108 24 78 thân 55,965 12,3545 lá 29,5886 5,679 Cây 8 rễ 17,8927 4,34 82 17 79 thân 40,6374 8,6861 lá 23,2679 4,2697 Cây 3 rễ 23,5726 6,4681 114 28 75 thân 60,4735 16,7532 lá 29,7593 4,6185 Cây 7 rễ 18,4682 5,709 100 28 72 thân 56,4471 14,2665 lá 25,1247 8,1435 Sau khi sấy khô các mẫu thành phần cây, được đi cân lại khối lượng và xay nhỏ ra. Lấy 0,1 g để đem đi phân tích chỉ tiêu. Lượng nito xác định được là lượng nito của 0,1 g. Bảng và hình dưới đây thể hiện tải lượng nitơ được tích lũy trong từng thành phần cây: Bảng 4.16. Hàm lượng N tích lũy trong thực vật Thành phần cây Tải lượng N tích lũy (mg) Cây 4 rễ 260 1123 thân 702 lá 161 Cây 8 rễ 185 800 thân 518 lá 97 Cây 3 rễ 441 1463 thân 904 lá 118 Cây 7 rễ 324 1459 thân 972 lá 162 Hình 4.19. Biểu hiện hàm lượng N tích lũy trong các thành phần của cây. Biểu đồ phân bố lượng đạm của các thành phần cây cho thấy lượng N tích lũy trong thân là cao nhất 64%, ở rễ là 25% và lá 11%. Tổng lượng N tích lũy trong thân cây cao nhưng nếu so ở 0,1g thì lượng N trong rễ và thân chênh lệch không cao. Bảng 4.17. Hàm lượng N tích lũy trong vật liệu và thực vật Mô hình Hàm lượng N vào mô hinh (mg) Hàm lượng N tích lũy trong (mg) Hàm lượng N mất đi (mg) Vật liệu Thực vật 4 3324 568 1123 1633 8 3324 852 800 1672 3 2901 568 1463 870 7 2901 710 1459 732 Hình 4.20. Cân bằng đạm trong mô hình Qua biểu đồ ta nhận thấy vai trò của thực vật trong quá trình xử lý lượng N trong nước thải là không nhỏ, lượng N tích lũy trong thực vật chiếm 39% tải lượng N đầu vào, 22% được giữ lại trong đất và phần còn lại 39% do bay hơi đi. Qua 2 biểu đồ trên ta nhận thấy các loài vi sinh vật cộng sinh ở rễ thực vật đã hoàn thành tốt nhiệm vụ cố đinh đạm nito, tạo ra dạng amoniac để cây dễ hấp thu hơn. Nhận xét và bàn luận kết quả Trong phương pháp cánh đồng tưới, nước thải được sử dụng để cung cấp các chất dinh dưỡng cho thực vật và vi sinh vật. Trong phương pháp này, chất thải được xem như một nguồn tài nguyên hơn là một đối tượng cần xử lý. Trong mô hình cánh đồng tưới, nước thải được xử lý qua các phương pháp vật lý ( bay hơi và quá trình lọc qua các lớp vật liệu), phương pháp hóa sinh (dùng vi sinh vật để xử lý, phân hủy chất hữu cơ trong nước thải) và cuối cùng là sử dụng thực vật để hấp thu, tích lũy chất thải. Ở mô hình đối chứng: Chất thải được xử lý gần giống như bể lọc sinh học. Trong mô hình các vật liệu được xếp theo thứ tự từ nhỏ đến lớn ( cát- đá mi- đá lớn) tạo một mô hình lọc, giúp giữ lại các cặn lơ lửng và các chất hữu cơ, nhờ vây mà nước thải đầu ra mô hình có hàm lượng cặn lơ lửng rất thấp, so với mô hình thực vật thì hiệu quả xử lý hàm lượng cặn lơ lửng ở mô hình đối chứng tương đương với mô hình thực vật, có thể kết luận rằng thực vật không giữ vai trò quan trọng trong quá trình xử lý hàm lượng SS . Hàm lượng SS trong nước thải giảm chủ yếu là nhờ các vật liệu bên trong mô hình, do đó vật liệu lọc trong mô hình giữ vai trò tương đối quan trọng, khi chọn vật liệu trong mô hình cần quan tâm đến hình dạng, kích thước của hạt đất. Ngoài ra vật liệu lọc bên trong mô hình cũng là giá thể để các vi sinh vật trong nước thải bám vào, tạo thành một lớp màng nhày, các vi sinh vật trong lớp màng nhày đó sẽ oxi hóa các chất hữu cơ có trong nước thải và sử dụng chúng làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng, như vậy chất hữu cơ được tách ra khỏi nước và khối lượng của màng sinh học tăng lên. (CHO)nNS + O2 -> CO2 + H2O + NH4+ +H2S + tế bào vi sinh vật Trong bể lọc sinh học, bể được xục khí liên tục, còn trong mô hình đối chứng, phía trên của mô hình do tiếp xúc với không khí nên sẽ tạo ra các nhóm vi sinh vật hiếu khí, phần giữa và phần dưới mô hình do không tiếp xúc không được cung cấp oxi nên sẽ trở thành môi trường tùy nghi và kỵ khí Trong quá trình thí nghiệm ta nhận thấy hầu hết các chỉ tiêu đều giảm mạnh hơn 50% trong 3 ngày đầu. Điều này chứng tỏ các vi sinh vật trong đất đã thích ứng với môi trường nước thải rất nhanh và sử dụng rất nhiều các chất hữu cơ làm nguồn dinh dưỡng để tăng sinh khối. Ngoài quá trình lọc và quá trinh sinh học, nước thải trong mô hình đối chứng còn được xử lý bằng quá trình vật lý đó là sự bay hơi của các chất hữu cơ dễ bay hơi. Theo nguyên lý xây dựng bãi lọc thực vật, chiều cao để tạo ra môi trường hiếu khí là phải nhỏ hơn 1,5 m. Các mô hình thí nghiệm đều có chiều cao nhỏ hơn 1,5m do vậy không khí dễ dàng len lỏi vào bên trong bề mặt cát giúp tuần hoàn khí bên trong và bên ngoài mô hình, nhờ đó mà chất hữu cơ trong nước thải giảm đi phần nào Trong mô hình thực vật: Ngoài phương pháp vật lý - hóa sinh, chất ô nhiễm còn được cây xử lý bằng qua trình vận chuyển chất ô nhiễm qua thân và bay hơi qua bề mặt lá, cơ chế lọc bằng rễ Qua đồ thị, ta dễ dàng nhận ra hiệu quả ở mô hình thực vật cao hơn mô hình đối chứng, điều này có thể là do trong mô hình thực vật, cây đã thực hiện quá trình quang hợp sinh ra oxy đưa xuống rễ, lượng oxy hòa tan vào nước tạo điều kiện cho các vi sinh vật hiếu khí phát triển, khi lượng vi sinh vật ngày càng phát triển thì chất dinh dưỡng để vi sinh vật sử dụng sẽ tăng lên, dẫn đến chất hữu cơ trong nước sẽ giảm nhiều hơn. Ngoài ra, rễ của thực vật còn tiết ra enzym giúp phân hủy các hợp chất hữu cơ khó phân hủy thành các hợp chất dễ phân hủy, thực vật và vi sinh vật sẽ sử dụng các chất này để tăng sinh khối và phát triển; hàm lượng các hợp chất khó phân hủy giảm dẫn đến chỉ tiêu COD trong mô hình thực vật nhỏ hơn so với mô hình đối chứng. Rễ thực vật sẽ hấp thu các chất ô nhiễm vận chuyển qua rễ, thân, và được thoát hơi qua bề mặt lá nhờ vào các khí khổng trên bề mặt lá, đến một lúc nào đó, chất ô nhiễm được tích tụ nhiều trong lá, lá không thoát hơi được do khí khổng bị đóng lại, quá trình quang hợp ngưng, lá sẽ đổi màu vàng và rụng xuống. Để quá trình xử lý chất ô nhiễm qua bề mặt lá được thực hiện tốt, cần phải tưới một lưu lượng nước thải thích hợp cho cây, qua quá trình thí nghiệm, có thể thấy lưu lượng 1500ml cho mô hình 20kg vật liệu, là thích hợp cho cây. Cây Jatropha có lá to, lớn nên tốc độ thoát hơi nước qua bề mặt lá rất nhanh, đây chính là ưu điểm của cây, giúp xử lý một lượng lớn chất thải. Trong môi trường nước thải chăn nuôi ở các nồng độ pha loãng, biểu hiện tốc độ tăng trưởng của cây tương đối tốt. Thời gian đầu thực vật ở các nồng độ cao phát triểnchưa được tốt, lá vàng, cây không phát triển, nhưng sau 1 khoảng thời gian cây đã ổn định, mặt dù tốc độ tăng trưởng chưa cao, nhưng cũng là kết quả khả quan chứng tỏ cây Jatropha có khả năng thích nghi rất tốt với môi trường nước thải chăn nuôi. Cây phát triển tốt là nhờ cây sử dụng nguồn dinh dưỡng trong nước thải, đặc biệt là nitơ và photpho đã được cây sử dụng hiệu quả. Khi tiến hành thí nghiệm kiểm tra nồng độ đạm trong cây, ta nhận thấy thực vật đã hấp thu, tích tụ một lượng nito khá lớn, góp phần xử lý 39% lượng đạm đầu vào. Cây không thể tự mình trực tiếp hấp thu lượng đạm vào cơ thể mình, từ kết quả ở trên ta nhận thấy các vi sinh vật cộng sinh trên rễ đã hoàn thành tốt công việc phân hủy và chuyển hóa tạo thành một dạng amoniac dễ sử dụng hơn. So với các loài cây khác đã được dùng để xử lý nước thải, có lẽ hiệu quả xử lý nước thải của cây Jatropha là chưa cao, nhưng nếu tính về tuổi thọ và khả năng chóng chịu với môi trường nước thải có nồng độ cao, cây có phần vượt trội hơn cây thủy sinh , không tạo ra sản phẩm độc hại như các công trình xử lý bằng phương pháp hóa học, có thể giúp cải tạo môi trường không khí tại khu vực xử lý, cải tạo đất, và hơn hết là góp phần tạo ra một nguồn năng lượng mới cho xã hội. Cây thích hợp trồng ở những vùng có lượng mưa thấp, những vùng sâu, vùng xa, những vùng chưa có điện, vừa xử lý được một nguồn nước thải chăn nuôi ngăn ngừa ô nhiễm nguồn nước , vừa đem lại lợi nhuận về kinh tế từ hạt cây dầu mè. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1. Kết Luận Sau quá trình nghiên cứu sử dụng mô hình cánh đồng tưới trồng cây dầu mè để xử lý nước thải chăn nuôi ở nồng độ 10%- 40% đã thu được các kết quả khá khả quan về mặt bảo vệ môi trường cũng như đem lại hiệu quả kinh tế. Các kết quả của đề tài là rất cần thiết để thiết kế một bãi lọc thực vật hoàn chỉnh cho nước thải chăn nuôi của nước ta. Sau đây là một số kết luận mà đề tài đã nghiên cứu được: Cây có thể tồn tại, và phát triển trong môi trường nước thải 40%, tương ứng với ngưỡng COD =1178 mg/l, BOD5= 284 mg/l, SS=2311 mg/l, N=184 mg/l, 1,52 mg/l, do thời gian làm đề tài còn ít, kinh nghiệm trồng cây Jatropha còn kém nên số lượng cây dùng làm thí nghiệm không nhiều nên đề tài chỉ dừng lại ở nồng độ nước thải 40%, chưa kiểm tra được biểu hiện của cây ở các nồng độ cao hơn. Lượng nước tưới thích hợp cho cây trong mô hình là 1500 ml nước, ở lượng nước này cây có thể phát triển tốt, chồi cây phát triển, quá trình quang hợp của lá cây bình thường, không xảy ra hiện tượng lá cây bị vàng do úng nước. Lượng nước bay hơi qua mô hình, lượng nước đã được xử lý chiếm 26% lượng nước ban đầy, trong đó 8% là bay hơi qua bề mặt lá, và 18% là bay hơi qua bề mặt cát, lượng nước được giữ lại trong lớp vật liệu là 51% pH trong mô hình luôn ổn đinh trong khoảng 6-8%, khoảng pH này nằm trong giới hạn sinh trưởng, phát triển của thực vật và hệ vi sinh vật, giúp cho các quá trình sinh hóa diễn ra thuận lợi. Trong quá trình khảo sát thời gian lưu nước thải 3, 5,7 ngày và nồng độ nước thải 10% -40%, dựa vào kết quả đo được của các chỉ tiêu có thể kết luận thời gian lưu nước càng lâu, thì hiệu quả xử lý càng tốt. ở thời gian lưu nước 7 ngày, hiệu quả xử lý là tốt nhất. Ở nồng độ 10% -30%, hiệu quả xử lý là tương đương nhau, ở nồng độ 40% hiệu quả là thấp nhất. Các chỉ tiêu nước thải ở ở nồng độ 30%,ở thời gian lưu 7 ngày đều đạt quy chuẩn chuẩn loại B của QCVN 24:2009/ Hiệu xuất xử lý BOD5 của mô hình trong thời gian 7 ngày, ở nồng độ 30% là 80%. Trong đó tải lượng do đất xử lý là 49,51 % tải lượng BOD5 đã được xử lý, do cây xử lý là 50,49% tải lượng BOD5 đã được xử lý. Hiệu quả xử lý COD của mô hình trong thời gian 7 ngày, ở nồng độ 30% là 89%, trong đó tải lượng do đất xử lý là 67%, còn lại do cây xử lý tải lượng chiếm 33% tải lượng COD được xử lý. Hàm lượng Nitơ được cây tiêu thụ nhiều. Hiệu quả xử lý hàm lượng Nitơ của mô hình đạt từ 84% sau 7 ngày xử lý, trong đó tải lượng do cát- đá xử lý là 67%, còn lại 33% là do cây hấp thụ. Hàm lượng photpho nước thải cũng được xử lý tốt, hiệu quả xử lý đạt 86% sau 7 ngày lưu, trong đó tải lượng do cát – đá xử lý là 68% , còn lại là do cây hấp thu chuyển hóa thành sinh khối là 32%. Hàm lượng SS được loại bỏ rất tốt, hiệu quả xử lý là 98.25 %, nhưng phần lớn là nhờ quá trình lọc của đất, cây không giữ vai trò quan trọng trong việc xử lý hàm lượng SS. Tải lượng do cát – đá giữ lại là 95% tải lượng SS đã được xử lý, cây chỉ tham gia xử lý 5%. Sau quá trình thí nghiệm tốc độ phát triển của cây qua 30 ngày thí nghiệm được biểu hiện qua các thông số sau: Tốc độ phát triển của cây sau 30 ngày thí nghiệm đạt giá trị 43,33% so với chiều cao ban đầu. Cao gần gấp rưỡi chiều cao cây ban đầu. Với kết quả này đã chứng tỏ cây Jatropha có khả năng chịu đựng và thích nghi cao với nồngđộ nước thải chăn nuôi. Sau 30 ngày thí nghiệm, tốc độ phát triển của lá tăng 50% so với số lá ban đầu. Khối lượng khô tươi trung bình của cây là 101 g, Khối lượng khô trung bình của cây là 24,25g, độ ẩm của cây hay khả năng giữ nước của cây là 76%. Trong đó lượng nước cây giữ được trong rễ là 19,66%, trong thân 52,62%, trong lá là 27,72%. Khả năng tích lũy đạm trong cây cao đạt 39% lượng đạm đầu vào. Trong đó, hàm lượng đạm tích lũy trong rễ 25%, trong thân 64%, trong lá 11%. Lượng đạm tích lũy trong đất cũng khoảng 39%, còn lại được vi sinh vật chuyển thành N2 thoát hơi 5.2. Kiến Nghị Do thời gian thí nghiệm còn ít nên đề tài chỉ thực hiện được việc khảo sát khả năng xử lý nước thải, và khả năng sử dụng nước thải làm nguồn dinh dưỡng, đó là những phần cơ bản, đề tài vẫn còn nhiều thiếu sót như: mô hình chưa đưa ra thực địa để kết quả có tính khách quan hơn, mức độ ô nhiễm của nước thải đầu vào cao hay thấp, còn phụ thuộc vào qui mô sản xuất, lượng nước dọn vệ sinh chuồng trại nhiều hay ít của trang trại đó, chỉ mới nghiên cứu trên cây Jatropha 2-3 tháng tuổi…Vì vậy, để đưa mô hình ra thực tế, cũng như hoàn thiện mô hình cần phải nghiên cứu thêm nhiều vấn đề như: Nghiên cứu khả năng chịu đựng của cây ở các nồng độ lớn hơn 40%. Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải ở các giai đoạn phát triển của cây: giai đoạn trưởng thành, ra hoa, kết quả. Nghiên cứu sự biến thiên của pH trong mô hình. Nghiên cứu ảnh hưởng của nước thải chăn nuôi đến sản lượng, chất lượng hạt của cây, so sánh với cách trồng cây Jatropha tưới bằng nước sạch. Nghiên cứu lượng nước tưới ở từng giai đoạn phát triển của cây. Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải chăn nuôi bằng các cây thủy sinh, để so sánh với khả năng xử lý của cây Jatropha . Nghiên cứu so sánh khả năng phát triển, và xử lý nước thải của cây Jatropha được trồng bằng cách chiết, giâm cành. Nghiên cứu phân tích lợi ích kinh tế thu được từ bãi lọc thực vật trồng cây Jatropha. Ngoài ra, để đề tài được mọi người dân ứng dụng rộng rãi và đạt hiệu quả mong muốn, cần phải có sự giúp đỡ của chính quyền địa phương kêu gọi, vận động, tuyên truyền phổ biến cho người dân. Giúp người dân hiểu rõ mức độ ô nhiễm từ nước thải của ngành chăn nuôi và lợi ích môi trường cũng như kinh tế trong việc áp dụng bãi lọc thực vật vào trong trang trại của mình.