Research on evaluating the efficiency of recovery nutrients (N, P) in an integrated ecology system for catfish farming
- Institute for Environment and Resources, VNUHCM, Vietnam
- Faculty of Technology, Dong Nai Technology University, Bien Hoa City, Vietnam
Abstract
The purpose of this is to evaluate the ability to recover nutrients (N, P) emitted from catfish farming by using an integrated ecological system towards zero emissions. An integrated system has been designed and implemented for a catfish pond with a water surface area of 10,300 m2. Wastewater is treated with water hyacinth, sludge is used for organic fertilizer production, and dead fish carcasses are used as raw material for liquid fertilizer production. The SFA (substance flow analysis) method was applied to evaluate the efficiency of nutrient source recovery in the system. The results show that the nutrient supply to fish ponds is mainly from fish food (about 30,450 kgN/ha/crop and 3,675 kgP/ha/crop). Harvested fish in the adult stage accumulate N and P content in fish biomass of 12,480 kgN ha/crop and 540 kgP/ha/crop respectively. Wastewater from fish ponds sent through aquatic ditches has an amount of 11,509 kgN/ha/crop and 2,978 kgP/ha/crop. The treatment efficiency of the aquatic pond reached 70%, and the amount of nutrients emitted into the environment through wastewater was 3,453 kgN/ha/crop and 893 kgP/ha/crop respectively. The efficiency of retaining nutrients after composting is about 70 - 80%, the product of this process is organic fertilizer containing N and P contents of 0.26% and 0.12% respectively.
MỞ ĐẦU
Nuôi cá da trơn là một trong những nghề nuôi trồng thủy sản được áp dụng phổ biến nhất ở đồng bằng sông Cửu Long. Sản phẩm cá da trơn của Việt Nam được xuất khẩu sang hơn 100 nước trên thế giới dưới dạng phille đông lạnh 1. Tổng diện tích nuôi cá tra ở đồng bằng sông Cửu Long đạt 808.800 ha, sản lượng cá 2.251.825 tấn/năm, đóng góp lớn vào GDP của Việt Nam 2. Sản lượng thủy sản chín tháng đầu năm 2023 của tỉnh An Giang khoảng 476,8 ngàn tấn, tăng 7,21% hay tăng 32 ngàn tấn so cùng kỳ. Trong đó, sản lượng cá tra thu hoạch (bao gồm sản lượng nuôi lồng, bè) 429 ngàn tấn, tăng 9,36%, tăng 36,7 ngàn tấn so cùng kỳ3. Tuy nhiên, chất thải phát sinh từ hoạt động nuôi trồng thủy sản, nhất là cá tra gây tác động tiêu cực đến môi trường. Các loại chất thải phát sinh từ hoạt động này có thể bao gồm chất thải rắn như bùn thải, thức ăn dư thừa, xác cá chết và nước thải có hàm lượng dinh dưỡng (N, P) cao4, 5. Tại các khu vực nuôi cá tra bằng nước tự nhiên của tỉnh, hàm lượng ô nhiễm chất dinh dưỡng sẽ biến đổi theo mùa. Cụ thể, vào mùa khô hàm lượng các chất dinh dưỡng có xu hướng cao hơn so với mùa mưa đặt biệt là các kênh nội đồng. Chất lượng nước tại các thủy vực tự nhiên xung quanh khu vực nuôi cá tra thâm canh chịu tác động trực tiếp từ hoạt động nuôi, trao đổi nguồn nước phục vụ nuôi cá. Các hàm lượng phosphate, tổng nitơ (TN) và tổng phốtpho (TP) trong nước có giá trị cao6.
Để giảm thiểu ô nhiễm môi trường nông thôn, những mô hình nông nghiệp tích hợp như mô hình Vườn – Ao (VA), mô hình Vườn – Chuồng (VC) mô hình Vườn – Ao – Chuồng (VAC và mô hình Vườn – Ao – Chuồng – Biogas (VACB) đã được ứng dụng và đem lại hiệu quả cao.7. Ứng dụng mô hình tích hợp công - nông nghiệp không phát thải (Agriculture – Inductry zero emission system: AIZES) bao gồm các thành phần như Vườn -Chuồng – Ao – Biogas – Nhà – Trạm (VACBNT) nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tạo ra sinh kế bền vững cho người dân ở vùng nông thôn khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long 8. Trong đó các giải pháp như ủ phân hữu cơ, sản xuất trùn từ bùn đáy ao, xử lý nước thải bằng ao thủy sinh đã được tích hợp vào mô hình nhằm nâng cao hiệu quả xử lý và chuyển đổi chất ô nhiễm. Với mục đích tối ưu hóa quá trình vận hành và sử dụng tài nguyên hiệu quả, một mô hình sinh thái tích hợp đã được thiết kế. Mô hình bao gồm ao nuôi thủy sản, trồng rau trên giá thể rơm và hệ thống ủ phân hữu cơ, năng suất tích lũy của cụm tăng đáng kể, giúp cải thiện 12% hiệu quả năng lượng, tăng 18% sản lượng lương thực và giảm 25% chi phí vận hành9. Nếu kỹ thuật thu bùn đúng và hiệu quả thì hàm lượng chất dinh dưỡng trong bùn thải ao nuôi cá tra công nghiệp rất cao, hoàn toàn có thể thay thế được phân hữu cơ10. Phân bón hữu cơ được sản xuất từ bùn đáy ao nuôi cá kết hợp với phân bón hóa học có thể thay thế 25-75% lượng phân bón vô cơ được sử dụng làm nguồn dinh dưỡng cho dưa chuột và rau muống, đồng thời làm tăng sản lượng rau11. Trầm tích (bùn đáy) ao nuôi cá còn được bổ sung vào quá trình sản xuất phân hữu cơ từ phân xanh (Green Waste) giúp tăng cường hiệu quả của quá trình ủ 12. Bùn đáy được phối trộn để tạo thành phân hữu cơ 2-1-2 và phân bón lá 6-6-3 tương ứng với tỉ lệ N:PO:KO 13. Phân bón từ bùn đáy ao có thành phần dinh dưỡng đa lượng N, P, K cao, các kim loại vi lượng (Cu, Mn, Zn) đạt giá trị thích hợp cho chất lượng phân bón hữu cơ, các chỉ tiêu kim loại nặng (As, Pb, Cd) và vi sinh có hại (E. Coli, Coliforms, và Salmonella), dưới tiêu chuẩn cho phép của phân bón hữu cơ theo Tiêu chuẩn Việt Nam. Việc sử dụng phân hữu cơ sản xuất từ bùn đáy ao nuôi cá giúp cải tạo đất rất tốt, giảm dung trọng của đất, tăng độ bền đoàn lạp và thể tích ẩm độ và thể tích hữu dụng14.
Khi ứng dụng các loại thực vật để xử lý chất dinh dưỡng (N, P) từ nước thải thủy sản phụ thuộc vào phân bố của thực vật, hệ thống thực vật này làm giảm lượng dinh dưỡng (N, P) thất thoát đến 49% nhờ sản xuất sinh khối15. Khi tái sử dụng nước thải ao cá cho ruộng lúa, chúng được chứng minh là giảm tỷ lệ sử dụng phân bón theo truyền thống từ 20 – 40% đã cải thiện hiệu quả loại bỏ N từ ao cá thông qua ruộng lúa và năng suất lúa không thay đổi, bên cạnh đó còn hạn chế lượng N tích lũy trong đất sau thu hoạch16. Trong khí đó nếu ứng dụng nước thải ao cá tra cho sản xuất rau thì hiệu quả năng suất tăng lên gấp 1,8 lần so với canh tác truyền thống và tăng 13-14 lần so với độc canh cá tra 17. Một loại chất thải rắn khác phát sinh từ ao cá là xác cá chết, phân bón lỏng từ xác cá chết là phân bón dạng lỏng chứa một hàm lượng lớn khoáng chất và rất giàu Nitơ, chất thải sẽ được phân hủy hiếu khí trong vòng 15 ngày dưới sự hỗ trợ của vi sinh18.
Các phương pháp phổ biến được dùng để đánh giá dòng vật chất thông thường là đánh giá vòng đời (LCA – Life cycle assessment), phân tích dòng vật chất (MFA – Material flow analysis), phân tích dòng chất (SFA – Substances flow analysis), phương pháp phân tích đầu vào và đầu ra (IOA – Input output analysis)19. Trong đó LCA là một công cụ chủ yếu để định lượng và đánh giá lợi ích và tác động môi trường của các giải pháp hoặc để lựa chọn các giải pháp xử lý chất thải theo hướng tuần hoàn khác nhau. MFA tính đến trạng thái và sự thay đổi của các luồng nguyên liệu bên trong hệ thống bằng cách tính toán cân bằng khối lượng theo thời gian trong một không gian nhất định. Dòng vật chất được đo theo khối lượng của chúng, cung cấp thông tin về số lượng vật liệu đã được sử dụng nhưng không cung cấp thông tin về chất lượng của luồng vật liệu. Thách thức chính khi sử dụng phương pháp này chính là tính không chắc chắn của dữ liệu và tính sẵn có của thông tin. Tuy nhiên phương pháp này có thể được áp dụng trên các quy mô khác nhau. Phương pháp phân tích đầu vào và đầu ra được phát triển để mô tả và phân tích sự phụ thuộc lẫn nhau trong nền kinh tế khu vực. Khung phân tích IO thường được mở rộng để phân tích các tác động môi trường và kinh tế xã hội liên quan đến hoạt động của các ngành đó. Mô hình IO dành riêng cho phân tích chất thải dựa trên việc tương tác giữa các thành phần kinh tế và quá trình xử lý chất thải được tạo ra. Phương pháp SFA thường được sử dụng để đánh giá và xác định tiềm năng quản lý các dòng dinh dưỡng như N và P dựa trên phân tích định lượng và định tính các hệ thống phức tạp sử dụng định luật bảo toàn khối lượng 20. Công cụ phân tích dòng chất đã được điều chỉnh thêm để phù hợp với các điều kiện cụ thể ở các nước đang phát triển, nơi dữ liệu sẵn có còn khan hiếm và không chắc chắn 21, 22. Việc phân tích và ước tính quá trình tái chế chất dinh dưỡng trong các hệ thống tích hợp đã cung cấp cơ sở cho quá trình đánh giá hệ sinh thái nông nghiệp23. Các nghiên cứu về dòng nguyên liệu có thể phân tích được đồng thời các hệ thống phức tạp, đặt biệt là các chất dinh dưỡng có trong hệ thống nhằm đưa ra các phương án quản lý phù hợp24, 25, 26, 27.
Các vùng nuôi cá tra nói riêng và thủy sản nói chung, các hoạt động này thải ra môi trường một lượng lớn chất thải chứa nhiều hàm lượng dinh dưỡng (N, P) ở các dạng khác nhau như bùn thải, nước thải và chất thải rắn. Các dạng chất thải này phải được quản lý theo hướng tuần hoàn và thu hồi cho các ứng dụng khác nhau trong nông nghiệp nhằm hạn chế hiện tượng phú dưỡng hóa cho các thủy vực xung quanh vùng nuôi. Trong nghiên cứu này phương pháp SFA đã được sử dụng để phân tích hai đối tượng chính là N và P trong mô hình sinh thái tích hợp được thiết kế cho vùng nuôi cá tra quy mô công nghiệp.
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Cách tiếp cận
Nghiên cứu này hướng đến đề xuất mô xử lý chất thải tích hợp cho ao nuôi cá tra với mục tiêu tuần hoàn nguồn dinh dưỡng (N, P) và giảm thiểu phát thải các nguồn dinh dưỡng này ra môi trường. Dựa trên các lý thuyết về hệ thống công nông nghiệp không phát thải và hiện trạng đối tượng nghiên cứu điển hình, có 5 bước để thiết kế mô hình sinh thái tích hợp cho ao nuôi được thực hiện như sau:
-
Khảo sát hiện trạng sản xuất và môi trường của vùng nuôi cá tra bao gồm: quy mô, diện tích ao nuôi, chế độ thay nước, chu kỳ nuôi, lượng thức ăn sử dụng, bố trí mặt bằng tổng thể, chất lượng nước cấp, tải lượng ô nhiễm của các nguồn thải khác nhau từ ao nuôi;
-
Kiểm toán đánh giá sơ bộ dòng vật chất của đối tượng nghiên cứu điển hình: định lượng các dòng vật chất, xác định các dòng thải có thể quay vòng khép kín trong mô hình;
-
Đề xuất mô hình xử lý chất thải từ ao nuôi cá theo hướng tuần hoàn dòng dinh dưỡng trên cơ sở hiện trạng của vùng nuôi kết hợp với các đối tượng vệ tinh xung quanh vùng nuôi đã được khảo sát và đánh giá.
-
Đánh giá hiệu quả xử lý của các giải pháp đã được đề xuất trong mô hình sinh thái tích hợp, nhất là đối với kỹ thuật xử lý bùn thải và nước thải từ ao nuôi.
-
Đánh giá hiệu quả tuần hoàn các dòng dinh dưỡng (N, P) trong mô hình bằng phương pháp SFA trên cở sở đánh giá các nguồn dinh dưỡng đầu vào ao nuôi, các chất thải và sinh và quá trình chuyển đổi chất ô nhiễm thành các sản phẩm có giá trị.
Mô tả đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu được tiến hành tại trang trại nuôi cá tra, trang trại là một trong các vùng nguyên liệu của Công ty CP XNK Thủy sản Cửu Long tại Thành phố Long Xuyên, tỉnh An Giang, hiện trạng vùng nuôi được thể hiện trong Figure 1. Con giống của vùng nuôi được cung cấp và mua từ đại lý, mật độ nuôi từ 90-100 con/m mặt nước với trọng lượng 30-33g/con. Một chu kỳ nuôi kéo dài khoảng 8-10 tháng, trọng lượng cá đạt từ 0,7-1,4kg/con. Kích thước hạt thức ăn thay đổi theo kích thước của cá, phần trăm protein trong thức ăn khoảng 28-30%. Chế độ thay nước đối với con nhỏ là 1-2 lần hoặc 3-4 lần trên ngày, đối với ao nuôi giai đoạn trưởng thành có thể thay liên tục lớn hơn 20% thể tích ao nuôi (khoảng 30-40%). Các hóa chất cơ bản được sử dụng trong quá trình nuôi trồng thủy sản như vôi với khối lượng 7-10kg/100m, thuốc tím, các emzym tiêu hóa được sử dụng chung với khẩu phần ăn của cá. Nguồn cấp nước chính cho vùng nuôi là kênh Cái Sao, các hộ dân trong khu vực có chung lối đi với vùng nuôi. Hộ dân xung quanh đa số là nhân viên cho vùng nuôi, bên cạnh đó có các sinh kế chính khác như: trồng lúa (3 vụ trên năm), vườn tạp, chăn nuôi gia súc, gia cầm.
(a) Kênh cấp nước, (b) Ao nuôi, (c) Xác cá chết, (d) Ao chứa.
Tái thiết kế vùng nuôi hiện hữu
Mô hình cho vùng nuôi được thiết kế trên cơ sở lấy vùng nuôi làm trung tâm, nguồn nước cấp từ vùng nuôi được lấy từ kênh Cái Sao đây cung là nơi tiếp nhận nước thải sau khi xử lý qua ao lắng thủy sinh. Ao nuôi thương phẩm được nghiên cứu điển hình với diện tích mặt nước là 10.300m, sâu 1,9m, tổng thể tích ao nuôi là 19.570m, nước cấp được bơm trực tiếp từ hai máy bơm đi qua hệ thống kênh cấp nước của vùng nuôi đến các ao. Mỗi ngày thay nước 2 lần lúc nước lớn, tỷ lệ trao đổi nước 20% (tương đương 3.914m/ngày.đêm). Vùng nuôi cá có bố trí 3 ao chứa hiện hữu, mỗi ao diện tích khoảng 6.000m, cải tạo một trong 3 ao để xử lý nước thải. Nước thải từ ao nuôi qua hệ thống thoát nước đến ao thủy sinh, diện tích mặt nước 5.600m, sâu 2,1m. Bố trí sinh khối lục bình che phủ ít nhất 70% diện tích mặt nước ao thủy sinh (tương đương 3.920 m). Thời gian lưu nước trong mương thủy sinh là khoảng 3 – 4h (HRT = 4).
Khu vực ủ phân hữu cơ được xây dựng với diện tích 400m (DxRxH: 20m×20m×0.3m), có bố trí rảnh thoát nước rỉ. Bùn thải sau khi thu, được tách nước tự nhiên khoảng 2 ngày sau đó phối trồn cùng với lục bình và phân xanh theo tỷ lệ 8:1:1 tương ứng (bùn đáy:phân xanh:lục bình). Chế phẩm được sử dụng là chế phẩm Bio-EM, phối trộn cùng với 18 lít nước và 2 lít mật rỉ đường cho mỗi lần sử dụng. Phân hữu cơ được ủ theo phương pháp luống dài (windrow composting), mỗi luống ủ dài 15m và có đảo trộn. Phân comost hình thành được sử dụng bởi hộ dân lân cận, bón cho vườn chuối để thay thế lượng phân hóa học đang sử dụng, phân đạm từ xác cá chết cũng được hộ dân sử dụng cho vườn tạp (xoài, dừa) và rau màu (mướp dàn).
Xác cá chết từ ao thương phẩm được thu gom hằng ngày, sau đó được đưa vào khu vực sản xuất dịch đạm cá thủy phân. Tại đây, xác cá chết được băm nhỏ và phối trộn cùng với emzym Alcalase 2L với tỷ lệ emzym/cơ chất là 0,2% ở nhiệt độ thông thường và pH khoảng 8. Dịch thủy phân thành phẩm có thể được sử dụng sau 14 ngày ủ, dịch đạm được thu phía trên thiết bị ủ (Ø 58 mm, chiều cao là 890mm) và chất rắn được lắng đọng bên dưới sẽ được cung cấp cho quá trình ủ phân hữu cơ. Dịch đạm thành phẩm có thể được sử dụng cho vườn mãng cầu xiêm dạng phân bón lá. Mô hình được đề xuất tổng quát như Figure 2, những cụm công nghệ được đưa vào cân bằng bao gồm: ao cá, chuồng, vườn, ao lắng thủy sinh, ủ phân hữu cơ, ủ phân đạm.
Mô hình nghiên cứu được đề xuất cho vùng nuôi cá tra
Phương pháp phân tích dòng vật chất
Sử dụng phương pháp dòng chất (SFA) để định lượng dòng chảy N và P trong mô hình sinh thái khép kín, từ đó xác định được các vị trí tích tũy và phát thải hàm lượng dinh dưỡng. Hệ thống được xây dựng gồm có 6 hệ thống chính và 24 hệ thống phụ, được thể hiện chi tiết trong Bảng 1. Mối quan hệ giữ các hệ thống phụ được phân tích dựa trên sự tương tác qua lại thông qua quá trình trao đổi chất thải. SFA dựa trên định luật bảo toàn khối lượng, trong đó phát biểu rằng khối lượng của một hệ kín sẽ không đổi, bất kể các quá trình hoạt động bên trong hệ thống đó. Phần mềm STAN 2.6 (subSTance flow 280 Analysis) được sử dụng để mô tả trực quan động lực của dòng N và P trong hệ thống.
Các dòng chất cần được phân tích và thiết lập công thức tính toán.
|
Thành phần |
Ký hiệu |
Dòng vật chất |
Công thức | |
|
AO CÁ (X1) |
Đầu vào |
P1 |
Nước cấp vào ao cá |
C1,N(P)×Sao×Dao×90×0,2 |
|
P2 |
Thức ăn cho cá |
C2,N(P)× Mfood | ||
|
P3 |
Cá giống |
C3,N(P)× Mca | ||
|
Đầu ra |
P4 |
Cá thu hoạch |
C4,N(P) × Mca | |
|
P5 |
Nước thải |
C5,N(P) × Sao × Dao × fao | ||
|
P6 |
Bùn thải |
C6,N(P) × Sao × Hbun | ||
|
P7 |
Xác cá chết |
C7,N(P) × Mca | ||
|
CHUỒNG (X2) |
Đầu vào |
P8 |
Thức ăn cho bò |
C8,N(P) × Nbo × 10-3 |
|
P9 |
Nước uống + tắm |
C9,N(P) × (Qbo × Nbo) | ||
|
Đầu ra |
P10 |
Phân thải bò |
C10,N(P) × No × 10-3 | |
|
P11 |
Sinh khối bò |
C11,N(P) × Nbo × Wbo × 10-3 | ||
|
P12 |
Nước thải |
C12,N(P) × Qbo × 10-3 | ||
|
VƯỜN (X3) |
Đầu vào |
P13 |
Phân hữu cơ |
C13,N(P) × mcp × Svuon |
|
P14 |
Nước tưới vườn |
C14,N(P) × Qxl × Svuon | ||
|
Đầu ra |
P15 |
Sản phẩm nông nghiệp (mãng cầu xiêm) |
C15,N(P) × Ms | |
|
AO LẮNG THỦY SINH (X4) |
Đầu vào |
P16 |
Nước thải sau ao cá |
C16,N(P) × Qsh × 10-3 |
|
Đầu ra |
P17 |
Sinh khối lục bình |
C17,N(P) × Sao × 15 | |
|
P18 |
Nước thải sau xử lý |
C18,N(P) × Qsh × 10-3 | ||
|
COMPOST (X5) |
Đầu vào |
P19 |
Bùn thải từ ao cá |
C6,N(P) × Sao × Hbun |
|
P20 |
Phân bò thải |
C21,N(P) × Mphan | ||
|
P21 |
Thủy sinh (lục bình) |
C22,N(P) × Mthuysinh | ||
|
Đầu ra |
P22 |
Phân compost |
C23,N(P) × Pp | |
|
HỆ THỐNG Ủ PHÂN CÁ (X6) |
Đầu vào |
P23 |
Xác cá chết |
C7,N(P) × Pca |
|
Đầu ra |
P24 |
Dịch thủy phân đạm |
C25,N(P) × Qdich dam | |
Phương pháp phân tích
Phương pháp phân tích các thông số thí nghiệm của nghiên cứu được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Chất thải rắn và Chất thải nguy hại – Viện Môi trường và Tài nguyên. Mẫu nước được thu và bảo quản theo Tiêu chuẩn TCVN 6663-3:2003. Các thông số pH, oxy hòa tan (DO), nhiệt độ được đo nhanh tại hiện trường bằng thiết bị máy đo đa năng cầm tay với điện cực WTW 350i (Germany), đối với chỉ tiêu tổng N của mẫu nước được phân tích theo tiêu chuẩn TCVN 6638:2000 (ISO 10048:1991). Chỉ tiêu tổng P được phân tích theo phương pháp SMEWW 4500-P.B&D:2017. Mẫu thịt cá thương phẩm và mẫu thức ăn được lấy tại thời điểm triển khai thực hiện mô hình, giai đoạn cá được 6 – 7 tháng nuôi. Lấy mẫu và bảo quản lạnh gửi về phòng thí nghiệm ngay sau khi thu để phân tích các thông số tổng Nitơ theo các phương pháp thử của Phòng thí nghiệm. Mẫu bùn đáy ao, thức ăn và phân hữu cơ sau khi ủ được thu và đưa về phòng thí nghiệm phân tích các chỉ tiêu về N theo phương pháp TCVN 6498:1999. Đối với hàm lượng N trong dịch đạm thủy phân được phân tích theo phương pháp TCVN 10682:2015.
KẾT QUẢ
Đánh giá hiệu quả tuần hoàn dinh dưỡng
Để đánh giá khả năng tuần hoàn dinh dưỡng trong mô hình, một loạt sáu hệ thống phụ từ X đến X được thực hiện kiểm kê dòng N và dòng P cụ thể, kết quả kiểm kê được trình bày trong Bảng 2. Ở mỗi hệ thống phụ sẽ kiểm kê tổng N và P có trong hệ thống ở đầu vào và đầu ra. Trong mô hình sinh thái hướng đến khép kín thì nguồn N đầu ra của hệ thống phụ này sẽ là đầu vào của hệ thống phụ khác nhằm tuần hoàn và tái sử dụng các chất dinh dưỡng, chi tiết được thể hiện trong Figure 3.Trong mô hình nuôi cá tra tích hợp hướng đến không phát thải, nguồn chất thải phát sinh từ ao cá bao gồm hàm lượng nước thải chứa nhiều chất ô nhiễm dinh dưỡng và bùn thải từ trầm tích đáy là nơi lắng đọng nhiều chất thải hữu cơ thừa.
Ước tính khối lượng vật chất trong mô hình sinh thái khép kín
|
Ký hiệu |
Dòng vật chất |
Khối lượng (m) |
Tổng N |
Tổng P |
Đơn vị | |
|
Gía trị |
Đơn vị | |||||
|
P1 |
Nước cấp vào ao cá |
450.000 |
m3/ha/vụ |
1.876,5 |
76,50 |
kg/ha/vụ |
|
P2 |
Thức ăn cho cá |
15,000 |
tấn/ha/vụ |
30.450 |
3.675 |
kg/ha/vụ |
|
P3 |
Cá giống |
0,21 |
tấn/ha/vụ |
4.368 |
0.18900 |
kg/ha/vụ |
|
P4 |
Cá thu hoạch |
600 |
tấn/ha/vụ |
12,480 |
540 |
kg/ha/vụ |
|
P5 |
Nước thải |
470.000 |
m3/ha/vụ |
11,515 |
2,979.8 |
kg/ha/vụ |
|
P6 |
Bùn thải |
375 |
tấn/ha/vụ |
513.750 |
180 |
kg/ha/vụ |
|
P7 |
Xác cá chết |
2.000 |
kg/ha/vụ |
41,6 |
1,8 |
kg/ha/vụ |
|
P8 |
Thức ăn cho bò |
25 |
kg/con.ngày |
630,0 |
472,5 |
kg /con.ngày |
|
P9 |
Nước uống + tắm |
15 |
L/con.ngày |
0,00567 |
0,00605 |
kg/con.ngày |
|
P10 |
Phân thải bò |
7 |
kg/con.ngày |
104,9 |
70,5 |
kg/con.ngày |
|
P11 |
Sinh khối bò |
400 |
kg/con.chu kỳ |
1,075 |
0,448 |
kg/con.chu kỳ |
|
P12 |
Nước thải |
16,83 |
L/con.ngày |
5.301,45 |
1.060,29 |
kg/con.ngày |
|
P13 |
Phân hữu cơ |
6,5 |
kg/vụ/m2 |
20,57 |
3,33 |
kg/vụ/m2 |
|
P14 |
Nước tưới vườn |
0,2 |
m3/m2 |
4,8 |
1,344 |
kg/m2 |
|
P15 |
Sản phẩm nông nghiệp (mãng cầu xiêm) |
1,2 |
kg/m2 |
4,56 |
0,36 |
kg/m2 |
|
P16 |
Nước thải sau ao cá |
469.760 |
m3/ha/vụ |
11.509 |
2.978 |
kg/ha/vụ |
|
P17 |
Sinh khối lục bình |
15 |
kg/m2 |
927 |
855 |
kg/500m2 |
|
P18 |
Nước thải sau xử lý |
469.760 |
m3/ha/vụ |
3.453 |
893 |
kg/ha/vụ |
|
P19 |
Bùn thải từ ao cá |
165 |
tấn/ha/vụ |
226,05 |
79,20 |
kg/ha/vụ |
|
P20 |
Phân bò thải |
21 |
tấn/vụ |
245,44 |
165 |
kg/vụ |
|
P21 |
Thủy sinh (lục bình) |
20,62 |
tấn/vụ |
424,88 |
391,88 |
kg/vụ |
|
P22 |
Phân compost |
206 |
tấn/vụ |
536 |
248 |
kg/vụ |
|
P23 |
Xác cá chết |
2.000 |
kg/ha/vụ |
41,60 |
1,80 |
kg/ha/vụ |
|
P24 |
Dịch thủy phân đạm |
1.800 |
lít/vụ |
34 |
1,45 |
kg/vụ |
Tại hệ thống phụ X, hàm lượng chất dinh dưỡng đầu vào chủ yếu có trong hàm lượng thức ăn cho cá (chứa khoảng 30.450kgN/ha/vụ và 12.480kgP/ha/vụ). Ở đầu ra của hệ thống X, cá thu hoạch giai đoạn trưởng thành tích lũy hàm lượng N có trong sinh khối cá tươi là 12.480 kgN/ha/vụ và hàm lượng P là 540 kgP/ha/vụ, hàm lượng N và P còn lại sẽ chứa trong nước thải và bùn đáy. Nước thải ra hằng ngày tương ứng 20% lượng nước cấp vào ao, nồng độ N và P trong nước thải ra lần lượt là 24,5mg/L và 6,34mg/L tương ứng với phát thải 96kgN/ha/ngày và 24,8kgP/ha/ngày. Lượng nước thải này đưa qua ao lắng thủy sinh để xử lý chất dinh dưỡng có trong nước thải bằng thủy sinh (lục bình), còn bùn đáy ao sẽ được dùng thể ủ phân compost.
Hệ thống phụ X tiếp nhận nước thải từ hệ thống phụ Xvới nồng độ khoảng 11.509 kgN/ha/vụ và 2.978 kgP/ha/vụ, tại đây các quá trình sinh hóa sẽ diễn ra do sự sinh trưởng và phát triển của lục bình cùng hệ vi khuẩn, sau đó lượng nước sau xử lý sẽ được đưa ra nguồn nước cấp với nồng độ 3.453 kgN/ha/vụ và 893 kgP/ha/vụ. Sự gia tăng sinh khối lục bình tích lũy 927kgN/m và 855 kgP/m với diện tích ao thủy sinh là 500m.
Bùn thải tích lũy từ đáy ao có chứa một hàm lượng lớn chất hữu cơ là đầu vào của hệ thống phụ X. Bùn đáy được sử dụng là 165 tấn/vụ có khoảng 226,05 kgN/vụ và 79,2 kgP/vụ, nguồn bùn thải này được phối trộn với sinh khối lục bình (khoảng 424,88kgN/vụ và 391,88 kgP/vụ) và bổ sung nguồn dinh dưỡng từ phân xanh từ chăn nuôi bò tại hệ thống phụ X (khoảng 245,44kgN/vụ và 165 kgP/vụ). Công thức phối trộn này theo tỉ lệ 10% lục bình lấy từ ao lắng thủy sinh, 10% phân bò và 80% bùn đáy ao. Các nguyên liệu được phối trộn và ủ ít nhất trong vòng 30 ngày trước khi đưa ra sử dụng. Lượng phân bón này được sử dụng bón cho vườn trồng cây rất tốt góp phần cải tạo chất lượng đất, đồng thời hạn chế việc sử dụng phân bón hóa học. Với lượng bùn thải được sinh ra từ ao nuôi khoảng 375 tấn/ha/vụ, sau khi ủ phân compost đã xử lý được 165 tấn/ha/vụ, số bùn thải còn lại sẽ nằm ở ao lắng. Như vậy tỷ lệ giảm lượng bùn thải đạt tỷ lệ 44% so với trước khi triển khai mô hình.
Tại ao nuôi cá, ngoài nước thải và bùn thải thì một lượng cá chết cũng được kể đến. Toàn bộ lượng cá chết này được sử dụng để ủ phân đạm, là đầu vào của hệ thống phụ X có chứa khoảng 41,6kgN/ha/vụ và 1,8kgP/ha/vụ. Sản phẩm đầu ra của quá trình này là dịch đạm thủy phân có khoảng 34 kgN/vụ và 1,458 kgP/vụ với hiệu suất lưu giữ N sau khi thủy phân là 90%. Sản phẩm phân đạm cá này có thể được sử dụng cho quá trình canh tác rau hữu cơ và nó được chứng minh là có tác động tích cực đến sinh trưởng và phát triển của thực vật28. Ngoài ra, có thể tận dụng cây cỏ mọc xung quanh các ao và trong vườn cây trồng để làm thức ăn cho bò.
Dòng dinh dưỡng (N) tuần hoàn trong mô hình sinh thái khép kín (đơn vị: tấn)
Đánh giá bổ sung hiệu quả của mô hình
Thu hồi dinh dưỡng từ quá trình đồng ủ lục bình và bùn đáy ao
Trong Bảng 3 thể hiện tổng hàm lượng N của bùn thải từ ao cá (1,5%) và lục bình (1,16%) làm nguyên liệu cho quá trình ủ phân compost, tổng hàm lượng N của phân trộn phụ thuộc đầu vào hàm lượng N ban đầu có trong nguyên liệu thô và mức độ phân hủy. Thời gian ủ phân hữu cơ kéo dài từ 30 đến 40 ngày thì sản phẩm hoàn thiện cuối dùng đạt nồng độ N là 1,2%, tổng hàm lượng N trong chất ủ đã chuẩn bị gần bằng với chất nền ban đầu (Figure 4). Hàm lượng N tăng lên do sự khoáng hóa của các vật liệu giàu hữu cơ và hoạt động của vi sinh vật cố định N, sự giảm pH trong quá trình ủ phân từ 6,8 đến 6,5 là một yếu tố quan trọng trong quá trình lưu trữ N bằng phân bón mà nếu không sẽ có thể bị mất đi dưới dạng amoni tại mức pH cao hơn.
Tính chất của của bùn thải và lục bình làm nguyên liệu ủ
|
Parameter |
pH |
EC |
Độ ẩm |
VS |
Độ tro |
Tổng |
Tổng C |
Tổng P |
C/N |
|
Đơn vị |
- |
dS/m |
% |
% |
%-dwt |
%-dwt |
%-dwt |
%-dwt |
- |
|
Bùn thải từ đáy ao |
6,8 |
0,36 |
81,2 |
25,4 |
46,8 |
1,5 |
18,2 |
0,87 |
9,5 |
|
Lục bình từ ao thủy sinh |
5,9 |
4,8 |
85,6 |
73,5 |
25,6 |
1,1 |
50,1 |
0,06 |
43,1 |
|
Phân bón thành phẩm |
6,5 |
0,71 |
31,5 |
30,5 |
47,0 |
1,2 |
25,3 |
0,85 |
21 |
Khi có quá nhiều Nitơ, thì vi sinh vật sẽ bị thiếu hụt Cacbon. Khi đó vi sinh vật không có đủ năng lượng để biến Nitơ thành protein. Chính vì vậy chỉ tiêu tổng cacbon hữu cơ cũng là một chỉ tiêu quan trọng có liên quan đên sự chuyển hóa N của vi sinh vật. Trong Figure 4 sự thay đổi hàm lượng tổng cacbon là tương đối đáng kể trong suốt quá trình ủ phân, giảm từ 15,6% xuống còn 14,9%, việc giảm cacbon trong quá trình ủ phân là do sự phân hủy sinh học của vật liệu ban đầu được chuyển thành carbon dioxide29, 30. Tổng hàm lượng C hữu cơ được quan sát thấy là 50% đối với lục bình đã giảm khi ủ phân31.
Sự thay đổi tổng Nito và tổng cacbon hữu cơ trong quá trình ủ phân
Hấp thu và loại bỏ chất dinh dưỡng của lục bình trong ao thủy sinh
Hiệu quả xử lý N từ nước thải ao nuôi cá bằng phương pháp sử dụng lục bình được thể hiện trong Figure 5. Thời gian thực hiện thử nghiệm kéo dài 30 đến 40 ngày, kết quả cho thấy hiệu quả xử lý tổng N trong ao thủy sinh đạt được là 79.5% với diện tích che phủ của lục bình là 42%, tương tự với 32. Trong 20 ngày sau quá trình xử lý bằng lục bình nồng độ tổng N tăng nhẹ từ 19.1mg/L lên 20.2 mg/L do thành phần nito hữu cơ được đưa vào nước bởi quá trình phân hũy của hệ sinh thái33. Lục bình là loại thực vật chứa đến 95% là nước, sinh trưởng và phát triển của lục bình phụ thuộc vào nhiệt độ và hàm lượng dinh dưỡng có trong nước thải 34, 35. Do tốc độ sinh trưởng của lục bình nhanh nên trong thời gian ngắn xử lý nước thải lục bình diện tích che phủ của ao thủy sinh đã tăng lên từ 900m lên đến 2,100m (Figure 4). Tuy nhiên, diện tích lục bình tăng nhanh trong thời gian ngắn sẽ ngăn chặn sự xâm nhập của ánh sáng mặt trời và oxy hòa tan trong nước, do vậy giải pháp được đưa ra là thu hồi Nito từ sinh khối lục bình cho quá trình ủ phân hữu cơ tương tự với các nghiên cứu trước đây 36.
Sự thay đổi của tổng N và độ che phủ của lục bình
THẢO LUẬN
Qua quá trình đánh giá hiện trạng vùng nuôi, đề xuất mô hình, triển khai mô hình thực tế và áp dụng công cụ SFA vào lượng hóa các giá trị dinh dưỡng trong mô hình sinh thái khép kín. Mô hình này nếu được nhân rộng sẽ giúp cho vùng nuôi cá tra tại tỉnh An Giang nói riêng cũng như khu vực Đồng bằng sông Cửu Long nói chung giải quyết được các vấn đề ô nhiễm từ ao cá tra thâm canh quy mô công nghiệp. So sánh với các nghiên cứu về dòng nguyên liệu có thể được phân tích đồng thời trong các thiết kế phức tạp, đặc biệt là trong quá trình thu hồi dinh dưỡng được quản lý bằng các giải pháp khác nhau để tái sử dụng chất dinh dưỡng và hạn chế ô nhiễm môi trường24, 25. Phương pháp này cũng đã được áp dụng cho việc tính toán dòng vật chất cho ao nuôi cá tra, xác định khối lượng chất thải đi vào từng công trình đơn vị hay lượng chất thải được xả thải trực tiếp ra môi trường. Nước thải xả ra kênh tiếp nhận chiếm 74,1%, phần còn lại bốc hơi vào không khí (21,17%), tích tụ trong phân hữu cơ và sinh khối của cây trồng (4,73%). Chất hữu cơ tích lũy trong cây trồng và trong đất lần lượt là 1,95% và 9,6%, phần còn lại được tích lũy trong phân hữu cơ26, 27. Trong khi kết quả của nghiên cứu này cho thấy phân tích hiệu suất xử lý của thủy sinh đạt 70% và hiệu suất lưu giữ các chất dinh dưỡng sau khi ủ là 70-80%. Hiện tại hầu hết các vùng nuôi cá tra lớn đều là các vùng nguyên liệu của các doanh nghiệp chế biến thủy sản, tạo thành chuỗi giá trị liên kết từ vùng nuôi đến nhà máy. Các vùng nuôi này đều phải thực hiện các giải pháp quản lý môi trường, nhằm hạn chế phát thải chất ô nhiễm ra môi trường xung quanh, nhất là nguồn nước mặt. Hầu hết các giải pháp này đều là các giải pháp xử lý cơ bản, dựa vào thực vật thủy sinh bản địa, tuy nhiên tốc độ sinh trưởng và phát triển của thực vật thủy sinh tương đối nhanh dễ gây mất kiểm soát và giảm khả năng xử lý. Các giải pháp được đề xuất trong mô hình nhìn chung đều là các giải pháp cơ bản, tuy nhiên khi kết hợp chúng lại sẽ tạo ra một vòng tuần hoàn dinh dưỡng khép kín. Từ đó các giải pháp này không chỉ giúp bảo vệ môi trường khu vực vùng nuôi mà còn tạo sự liên kết giữa các đối tượng sinh kế vệ tinh xung quanh ao nuôi, các đối tượng này khi triển khai mô hình sẽ được hưởng lợi trực tiếp từ các giải pháp đã được đề xuất. Bên cạnh đó các đối tượng xung quanh cũng sẽ trao đổi hoặc tiếp nhận, hoặc cung cấp chất thải cho mô hình để tạo nên sản phẩm có giá trị. Khi đó mô hình sẽ được duy trì và phát triển bền vững trong tương lai.
KẾT LUẬN
Nghiên cứu đã đánh giá được hiệu quả thu hồi chất dinh dưỡng của mô hình sinh thái khép kín cho ao nuôi cá tra thông qua công cụ SFA. Các dòng dinh dưỡng (N và P) trong mô hình sinh thái tích hợp cho vùng nuôi cá tra đã được đánh giá. Hàm lượng dinh dưỡng chính chủ yếu là từ thức ăn cho vùng nuôi, lượng dinh dưỡng được hấp thu bởi cá tra cho sinh trưởng và phát triển. Hàm lượng N và P còn lại được thải ra môi trường với các dạng chính bao gồm nước thải, bùn thải và chất thải rắn (xác cá chết). Trong nghiên cứu này các nguồn dinh dưỡng hòa tan, hoặc xâm nhập từ không khí hoặc bị thất thoát vào đất được xem như không ảnh hưởng đến kết quả kiểm kê, các nguồn này được xem như là thất thoát. Nước thải của vùng nuôi được xử lý qua ao thủy sinh với thời gian lưu nước thấp nhất là 4 giờ, sau đó được thải ra nguồn tiếp nhận, bùn thải được ủ phân hữu cơ dùng để bón lại cho vườn tại trang trại và trao đổi với các hộ dân vệ tinh xung quanh. Xác cá chết được sử dụng như là cơ chất trong quá trình sản xuất dịch đạm thủy phân, sản phẩm này được sử dụng như phân bón lá cho vườn tạp của các hộ dân xung quanh. Các nghiên cứu tiếp theo cần tối ưu hóa việc sản xuất phân bón từ bùn thải, nhất là khi các kỹ thuật thu hồi bùn còn hạn chế, chất lượng bùn thải không cao.
LỜI CẢM ƠN
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (ĐHQG-HCM) trong khuông khổ Đề tài mã số DN2022-24-02 với tên đề tài là “Ứng dụng phân tích dòng vật chất (MFA) trong việc quản lý dòng Nitơ hướng đến hệ sinh thái khép kín cho các ao nuôi cá tra khu vực đồng bằng sông Cửu Long”.
XUNG ĐỘT LỢI ÍCH
Nhóm tác giả cam đoan rằng không có xung đột lợi ích trong công bố bài báo “Nghiên cứu đánh giá khả năng thu hồi chất dinh dưỡng (N,P) trong mô hình sinh thái tích hợp cho ao nuôi cá tra”
ĐÓNG GÓP CỦA TÁC GIẢ
Trần Trung Kiên: Phân tích hình thức, Điều tra, Quản lý dữ liệu, Phương pháp luận, Viết – bản thảo gốc, Viết – rà soát & chỉnh sửa. Đồng Thị Thu Huyền: Phương pháp luận, phân tích dữ liệu. Nguyễn Thanh Hùng: Khái niệm hóa, Phương pháp luận, Nguồn tài liệu, Viết – rà soát & chỉnh sửa, Giám sát, Quản lý đề tài. Trần Thị Hiệu: Điều tra, Kiểm chứng, Phân tích hình thức, Viết – bản thảo gốc. Nguyễn Thị Phương Thảo: Điều tra, Quản lý dữ liệu. Nguyễn Việt Thắng: Khảo sát, Triển khai mô hình.
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
N: Nitơ
P: Photpho
VS: Chất rắn bay hơi (volatile solids)
SFA: Phân tích dòng chất
HRT: Thời gian lưu nước
QCVN : Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia