Microsoft Word Bai giang Xử lý CTBCNSH 2015 docx TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỎ ĐỊA CHẤT TH S VŨ THỊ PHƯƠNG THẢO Bài giảng XỬ LÝ CHẤT THẢI BẰNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC (Dùng cho sinh viên ngành Kỹ thuật môi trường) HÀ.
Khái niệm và phân loại nước thải
Khái niệm và nguồn gốc nước thải
Nước thải là chất lỏng thải ra sau quá trình sử dụng của con người, có thành phần và tính chất đã bị biến đổi so với nước ban đầu Nguồn gốc nước thải rất đa dạng, từ các nguồn thải sinh hoạt, đô thị và công nghiệp, và việc nắm được nguồn gốc này là nền tảng để lựa chọn công nghệ và biện pháp xử lý phù hợp nhằm hạn chế ô nhiễm đối với môi trường Có nhiều loại nước thải với thành phần và tính chất khác nhau, đi kèm với nhiều loại hình công nghệ và kỹ thuật xử lý để giảm tác động tiêu cực lên môi trường tiếp nhận Theo nguồn gốc phát sinh, nước thải có thể được phân loại thành bốn loại: nước thải sinh hoạt, nước thải thương mại, nước thải công nghiệp và nước mưa chảy tràn trên bề mặt.
Nước thải sinh hoạt phát sinh chủ yếu từ các hộ gia đình, khu văn phòng, trường học, và những nguồn tương tự
Nước thải thương mại là loại nước thải phát sinh từ các khu thương mại và cơ sở dịch vụ như nhà hàng, quán ăn, cũng như từ các hoạt động giặt là (trong các cơ sở có tối đa 4 máy giặt), nuôi gia súc, gia cầm và dịch vụ chăm sóc sức khỏe Thành phần của nước thải thương mại về cơ bản tương tự nước thải sinh hoạt, nhưng có thể chứa một số chất ở nồng độ cao hơn so với nước thải sinh hoạt điển hình Loại nước thải này được mô tả là không chứa độc tố và các chất nguy hại, đồng thời không chứa chất thải công nghiệp.
Nước thải công nghiệp là nước thải phát sinh sau khi được sử dụng tại các nhà máy, khu khai khoáng và doanh nghiệp, có mức độ và đặc tính ô nhiễm rất đa dạng Đặc tính ô nhiễm và nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải phụ thuộc vào loại hình công nghiệp, công nghệ sản xuất và công suất hoạt động được áp dụng Do sự đa dạng này, mỗi loại nước thải lại đòi hỏi một công nghệ xử lý riêng biệt và giải pháp xử lý nước thải công nghiệp tối ưu nhằm đảm bảo hiệu quả xử lý và tuân thủ các quy chuẩn môi trường.
Nước thải sản xuất không bẩn là loại nước thải phát sinh chủ yếu khi làm nguội thiết bị và giải nhiệt tại các trạm làm lạnh, nơi hơi nước được ngưng tụ lại Do quá trình này hầu như không mang theo các chất ô nhiễm, nên nước thải này thường được quy ước là nước sạch Việc nhận diện đúng đặc tính của nước thải không bẩn giúp tối ưu hóa quy trình tái sử dụng và xử lý, giảm thiểu chi phí vận hành và đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn môi trường.
Nước thải công nghiệp là nước thải phát sinh từ quá trình sản xuất, xúc rửa máy móc thiết bị và hoạt động sinh hoạt của công nhân, thường chứa tạp chất, chất độc hại và vi khuẩn nên cần xử lý cục bộ trước khi xả vào hệ thống thoát nước hoặc nguồn nước tùy mức độ Các ngành như sản xuất bột ngọt, cà phê, bia, đường, giấy, cao su, xi mạ, khoáng sản, dệt nhuộm tạo ra nước thải có nồng độ ô nhiễm cao và khó xử lý; nếu thải trực tiếp ra môi trường có thể gây nguy cơ nghiêm trọng Để chọn công nghệ xử lý nước thải phù hợp, cần chú ý đến các thành phần chính như kim loại nặng và dầu mỡ (đặc biệt nhiều trong nước thải ngành xi mạ) cùng chất hữu cơ khó phân hủy (xuất hiện trong nước thải dược phẩm, nông dược, dệt nhuộm) Những thành phần này không chỉ khó xử lý mà còn độc hại đối với con người và hệ sinh thái, và cả các thành phần khác dù không nguy hiểm nhưng khi quá nhiều và không được xử lý đúng cách cũng là mối đe dọa đối với nguồn nước và môi trường.
Nước mưa chảy tràn bề mặt là phần nước mưa và nước tuyết tan không thấm qua đất, chảy tràn trên mặt đường và các bề mặt đất Nước này không thấm vào đất, di chuyển trên bề mặt và được thu gom vào hệ thống thoát nước thành phố hoặc chảy trực tiếp vào các nguồn nước mặt.
Quá trình đô thị hóa đang diễn ra với nhịp độ nhanh, kéo theo sự gia tăng lượng nước thải trong hệ thống cống thoát nước của các thành phố và khu đô thị Lượng nước thải này là chất lỏng tồn tại trong hệ thống cống và bao gồm các nguồn từ nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp và nước thải từ các dịch vụ Sự gia tăng mật độ dân cư và hoạt động kinh tế đồng nghĩa với nhu cầu quản lý nước thải hiệu quả hơn để bảo vệ môi trường, đảm bảo vệ sinh và an toàn nguồn nước Vì vậy, tối ưu hóa hệ thống thoát nước và xử lý nước thải là yếu tố then chốt trong quy hoạch đô thị và phát triển bền vững.
Trong quản lý môi trường nước thải đô thị, việc phân loại nguồn gây ô nhiễm thành nguồn xác định và nguồn không xác định là cách tiếp cận mang ý nghĩa thiết yếu cho công tác điều chỉnh và kiểm soát ô nhiễm Nguồn xác định gồm các cửa xả nước mưa và tất cả nước thải được đưa vào nguồn tiếp nhận nước có tổ chức thông qua hệ thống cống và kênh rãnh, trong khi nguồn không xác định là nước chảy trôi trên các bề mặt phân tán khác.
Các nguồn xác định thường có thể định lượng và kiểm soát trước khi thải Ngược lại các nguồn không xác định thường rất khó quản lý.
Phương pháp biểu thị độ nhiễm bẩn
Đánh giá độ nhiễm bẩn của nguồn nước dựa trên các thông số vật lý, hóa học và sinh học có trong nước Tùy theo mục đích sử dụng nước, các chỉ tiêu cần thiết để đánh giá chất lượng nước sẽ khác nhau, nhằm xác định mức độ ô nhiễm và mức độ an toàn cho từng mục đích Các chỉ tiêu phổ biến bao gồm các thông số vật lý như độ đục, màu và mùi, các tham số hóa học như pH, tổng chất rắn hòa tan (TDS), nồng độ kim loại và chất hữu cơ, và các chỉ số sinh học như vi khuẩn và vi sinh vật gây bệnh Việc lựa chọn và phân tích các chỉ tiêu thích hợp giúp xác định nguồn nước phù hợp và đề xuất biện pháp xử lý nhằm đảm bảo an toàn nước sử dụng và tuân thủ các tiêu chuẩn chất lượng nước.
Các thông số vật lý cơ bản thường được quan tâm như nhiệt độ, độ đục, độ màu, cặn lơ lửng, tổng chất rắn hoà tan, độ dẫn điện,
Nhiệt độ là thông số quan trọng trong thiết kế trạm xử lý nước thải vì ảnh hưởng đến các quá trình xử lý sinh học và hoá sinh diễn ra trong nước Nhiệt độ nước thải có thể thay đổi theo mùa và theo địa điểm, do đó cần được giám sát để tối ưu hóa hiệu suất xử lý Độ đục là chỉ số cho biết mức độ đục của nước do các phần tử lơ lửng gây ra Độ màu có thể nhận biết bằng mắt và liên quan trực tiếp đến pH và hàm lượng oxy hòa tan, từ đó giúp đánh giá mức độ ô nhiễm của nước thải.
Cặn lơ lửng là các chất rắn không tan tồn tại ở dạng nổi trên mặt nước hoặc lơ lửng trong nước, gây nước có độ đục và ảnh hưởng xấu đến chất lượng nước Chúng có thể được loại bỏ bằng phương pháp lọc, giúp nước trong sạch và an toàn cho sinh hoạt cũng như sản xuất Việc xử lý cặn lơ lửng bằng lọc là bước quan trọng trong hệ thống xử lý nước, giúp giảm độ đục và tối ưu hóa các giai đoạn xử lý tiếp theo.
Tổng chất rắn hòa tan (TDS) là tập hợp các chất rắn hữu cơ và vô cơ có mặt ở dạng hòa tan và không thể loại bỏ bằng phương pháp lọc; TDS bao gồm các anion, cation, phân tử và các hạt keo có kích thước nhỏ, đều góp phần làm nước có khả năng dẫn điện Độ dẫn điện của nước phản ánh khả năng truyền dẫn dòng điện và có liên hệ trực tiếp với hàm lượng tổng chất rắn hòa tan trong nước.
Trong đánh giá chất lượng nước thải, các thông số hoá học cơ bản luôn được quan tâm như COD (nhu cầu oxy hoá học), BOD (nhu cầu oxy sinh học), DO (hàm lượng oxy hoà tan), tổng nitơ, tổng photpho, hàm lượng các khí có trong nước thải, nồng độ các muối dinh dưỡng, các nguyên tố kim loại nặng và tỷ số BOD/COD, nhằm đánh giá mức độ ô nhiễm và tiềm năng phân hủy của nước thải.
Nhu cầu oxy hóa học (COD) đặc trưng cho lượng oxy cần thiết để oxy hóa các chất hữu cơ có trong nước thải bằng dicromat trong môi trường axit Đây là chỉ số được sử dụng rộng rãi để ước lượng gián tiếp khối lượng các hợp chất hữu cơ có trong nước Khối lượng oxy cần thiết để oxy hóa một hợp chất hữu cơ thành điôxít cacbon, amoniac và nước được thể hiện dưới dạng tổng quát.
Nhu cầu oxy sinh học (BOD) đặc trưng cho tổng lượng oxy cần thiết để các vi khuẩn không có khả năng quang hợp thực hiện quá trình oxy hoá các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học ở nước hoặc môi trường nước bị ô nhiễm BOD là chỉ tiêu quan trọng để đánh giá mức độ ô nhiễm hữu cơ và khả năng tự làm sạch của nước, phản ánh lượng chất hữu cơ dễ phân hủy có trong mẫu Chỉ số BOD càng cao cho thấy lượng oxy tiêu thụ nhiều hơn, đồng nghĩa với áp lực oxy lên hệ sinh thái và yêu cầu xử lý nước thải lớn hơn Thông thường người ta đo BOD sau 5 ngày ở 20°C (BOD5) bằng cách so sánh mức oxy hòa tan ban đầu với lượng oxy còn lại sau thời gian thí nghiệm, từ đó đánh giá khả năng oxy hoá của vi khuẩn và mức ô nhiễm hữu cơ của mẫu nước.
Tổng nitơ (TN) bao gồm tất cả các dạng tồn tại của nitơ trong nước, bao gồm hàm lượng amonia tự do, nitơ hữu cơ, nitrit và nitơrat
Tổng photpho bao gồm tất cả các dạng photpho hữu cơ và vô cơ tồn tại trong nước
Hàm lượng các chất khí Các khí có trong nước thải thường là các khí O2, H2S,
Tỷ số BOD/COD cho biết khả năng phân hủy sinh học của các chất hữu cơ trong nước thải và là thước đo quan trọng để đánh giá hiệu quả áp dụng các phương pháp xử lý nước thải bằng sinh học Chỉ số này phản ánh mức độ dễ phân hủy sinh học của chất hữu cơ, từ đó hỗ trợ lựa chọn công nghệ xử lý phù hợp và tối ưu hóa quá trình làm sạch nước thải cũng như chi phí vận hành.
Dầu, mỡ thường xuất hiện nhiều trong nước thải, bao gồm các chất béo, các loại dầu, các chất sáp…
Các thành phần chất độc trong nước thải có thể chứa một số các hợp chất độc gây ảnh hưởng tới quá trình sống của các vi sinh vật
Các thông số sinh học cơ bản thường được quan tâm như mật độ các vi khuẩn Faecal Coliform, sự phân bố của rong, tảo, …
Trong nước thải sinh hoạt còn tồn tại nhiều loại vi sinh như vi trùng, siêu vi trùng, rong tảo và các vi sinh vật nước khác Tùy tính chất nước thải, các loại vi sinh này có thể vô hại hoặc gây hại; nhóm có hại gồm các vi sinh gây bệnh và một số loài rong rêu, tảo, cần được loại bỏ trước khi thải vào nguồn tiếp nhận Chỉ tiêu quan trọng cần quan tâm là số lượng Coliforms và E coli trong nước Coliforms được xem là chỉ tiêu vệ sinh thông dụng, cho thấy sự hiện diện của các vi sinh vật có thể gây bệnh Ba nhóm vi sinh chỉ thị ô nhiễm phân thường được nhắc đến gồm: nhóm coliform đặc trưng là Escherichia coli (E coli); nhóm Streptococci đặc trưng là Streptococcus faecalis; và nhóm Clostridia khử sunfit đặc trưng là Clostridium perfringens Coliforms là các trực khuẩn đường ruột Gram âm, không sinh bào tử, hiếu khí hoặc kỵ khí tuỳ nghi, có khả năng lên men lactose để sinh acid và hơi ở 37°C sau 24 giờ Coliforms là thành phần của hệ vi sinh vật đường ruột ở người và các động vật máu nóng khác và được sử dụng để chỉ thị mức độ vệ sinh trong chế biến, bảo quản, vận chuyển thực phẩm và nước uống cũng như để chỉ thị sự ô nhiễm phân trong mẫu môi trường.
Sự hiện diện của tảo trong nước gây ra nước có màu và thiếu oxy do sự phát triển nhanh của tảo, đặc biệt là khi xảy ra hiện tượng nở hoa tảo Quá trình này đồng thời phát sinh các hợp chất có mùi khó chịu và làm tăng nồng độ các chất hữu cơ trong nước Việc tảo phát triển nhiều còn có thể sinh ra các chất độc hại, làm giảm chất lượng nước và tiềm ẩn nguy cơ cho sức khỏe.
Các phương pháp hỗ trợ cho xử lý sinh học
Các phương pháp cơ học (lắng, lọc, tuyển nổi đơn giản)
Nước thải công nghiệp, cũng như nước thải sinh hoạt thường chứa các chất tan và không tan ở dạng hạt lơ lửng Các hợp chất lơ lửng có thể ở dạng rắn và lỏng, chúng tạo với nước thành hệ huyền phù Phương pháp xử lý cơ học có thể loại bỏ được đến 60% các tạp chất không tan và giảm chất ô nhiễm có khả năng phân huỷ sinh học BOD đến 20% Để tách rác và các hạt lơ lửng ra khỏi nước thải, thông thường người ta sử dụng các quá trình cơ học: lọc qua song chắn hoặc lưới, lắng dưới tác dụng của lực trọng trường hoặc lực li tâm và lọc Tại song chắn rác, các tạp chất thô như rác, túi nylon, vỏ trái cây, giẻ, gỗ và các vật khác được giữ lại nhằm đảm bảo cho máy bơm và các công trình, thiết bị xử lý nước thải hoạt động ổn định Đây là bước quan trọng nhằm đảm bảo độ an toàn cho toàn hệ thống xử lý nước thải
Sau đó nước thải thường được đưa tới bể điều hoà để ổn định lưu lượng rồi qua các bể lắng đợt 1, bể lắng đợt 2 để tách cặn lơ lửng
Quá trình lắng và tuyển nổi là hai phương pháp tách các hạt lơ lửng khỏi nước thải dựa trên các chỉ tiêu SS (mg/L) hoặc độ đục Quá trình này diễn ra sau một thời gian lưu nước nhất định với điều kiện thuận lợi tương ứng: lắng cho các hạt nặng hơn nước và tuyển nổi cho các hạt nhẹ hơn nước.
Theo nồng độ và khuynh hướng tương tác giữa các hạt, có 4 dạng lắng: lắng độc lập, lắng tạo bông, lắng cản trở và lắng trong vùng nén Lắng độc lập và lắng tạo bông thường diễn ra khi hàm lượng cặn lơ lửng ở mức tương đối thấp, trong khi lắng cản trở và lắng trong vùng nén thường xuất hiện khi hàm lượng cặn lơ lửng cao Trong thực tế, bốn dạng lắng thường xảy ra đồng thời, nhưng lắng độc lập và lắng tạo bông đóng vai trò quyết định đối với quá trình lắng và phân tầng.
Các phương pháp hoá lý (keo tụ, hấp phụ, hấp thụ, tuyển nổi chân không)
Phương pháp keo tụ là quá trình xử lý nước nhằm làm các hạt cặn nhỏ kết tụ thành bông cặn lớn để lắng hoặc lọc dễ dàng hơn Các hạt cặn có kích thước lớn sẽ tự lắng trong nước, trong khi các hạt nhỏ ở trạng thái lơ lửng Trong các kỹ thuật xử lý nước bằng biện pháp cơ học như lắng tĩnh và lọc, chỉ những hạt có kích thước lớn hơn 10 mm có thể được loại bỏ, còn những hạt có đường kính d < 10 mm phải được xử lý bằng phương pháp lý hóa Đặc điểm cơ bản của hạt cặn nhỏ là do kích thước cực kỳ nhỏ nên bề mặt tiếp xúc trên một đơn vị thể tích rất lớn, giúp chúng dễ hấp thụ và kết bám với các chất xung quanh hoặc lẫn với nhau để hình thành bông cặn lớn hơn Đồng thời, các hạt cặn mang điện tích và có thể liên kết với nhau hoặc đẩy nhau bằng lực điện từ; tuy nhiên trong môi trường nước, do các lực tương tác giữa các hạt và sự khuếch tán ngẫu nhiên của nhiệt Brown, các hạt cặn luôn tồn tại ở trạng thái lơ lửng.
Việc phá vỡ cân bằng động tự nhiên của môi trường nước tạo điều kiện cho các hạt cặn kết dính với nhau thành những hạt cặn lớn hơn và dễ lắng xuống, từ đó nâng cao hiệu quả xử lý nước Trong công nghệ xử lý nước, người ta bổ sung hóa chất keo tụ nhằm tăng khả năng kết dính của các hạt cặn lơ lửng, giúp chúng hình thành các hạt lớn hơn và dễ loại bỏ hơn trong quá trình xử lý.
Có 2 phương pháp keo tụ:
Keo tụ bằng các chất điện ly được thực hiện bằng cách cho thêm vào nước các chất điện ly ở dạng ion đối dấu Khi nồng độ của các ion đối dấu tăng lên, càng nhiều ion được chuyển từ lớp khuếch tán vào lớp điện tích kép dẫn tới làm giảm độ lớn của thế điện động và đồng thời làm giảm lực đẩy tĩnh điện Nhờ chuyển động Brown, các hạt keo mang điện tích nhỏ va chạm với nhau và dễ kết dính bởi lực hút phân tử, hình thành các bông cặn ngày càng lớn.
Keo tụ bằng hệ keo ngược dấu là quá trình tạo ra trong nước một hệ keo mới mang điện tích ngược dấu với hệ keo cặn bẩn có sẵn, nhờ đó các hạt keo mang điện tích trái dấu sẽ trung hòa lẫn nhau Chất keo tụ thường được sử dụng là phèn nhôm hoặc phèn sắt, được đưa vào nước ở dạng hòa tan và sau phản ứng thủy phân sẽ hình thành hệ keo mới mang điện tích dương, có khả năng trung hòa với các loại keo mang điện tích âm.
Các ion kim loại mang điện tích dương tham gia vào quá trình trao đổi ion với các cation nằm ở lớp điện tích kép của hạt cặn mang điện tích âm, làm giảm thế điện động ξ và giúp các hạt keo liên kết với nhau nhờ lực hút phân tử, từ đó hình thành các bông cặn.
Trong quá trình xử lý nước, các ion kim loại tự do tham gia phản ứng thủy phân, hình thành các hạt keo mang điện tích dương như Al(OH)3 và Fe(OH)3 Những hạt keo này có khả năng kết dính với các hạt keo mang điện tích âm tự nhiên, tạo thành các bông cặn keo tụ Đồng thời, Al(OH)3 và Fe(OH)3 kết hợp với các anion có trong nước và với nhau để hình thành các bông cặn có hoạt tính bề mặt cao Các bông cặn này khi lắng sẽ hấp thụ và cuốn theo chúng các hạt keo, cặn bẩn, hợp chất hữu cơ và các chất mùi vị, tồn tại ở trạng thái hòa tan hoặc lơ lửng trong nước cho tới khi được xử lý tiếp. -**Support Pollinations.AI:** -🌸 **Ad** 🌸Powered by Pollinations.AI free text APIs [Support our mission](https://pollinations.ai/redirect/kofi) to keep AI accessible for everyone.
Phương pháp hấp phụ được dùng rộng rãi để làm sạch nước thải khỏi các chất hữu cơ hòa tan sau xử lý sinh học và cả trong xử lý cục bộ khi nước thải chứa một lượng rất nhỏ các chất này; những chất này không phân hủy bằng đường sinh học và thường có độc tính cao Nếu các chất cần khử được hấp phụ tốt và chi phí riêng cho chất hấp phụ không lớn, thì phương pháp này là lựa chọn hợp lý hơn cả Nói chung, quá trình hấp phụ gồm 3 giai đoạn: tiếp xúc và khuếch tán chất ô nhiễm tới bề mặt hấp phụ, khuếch tán qua màng nước và vào cấu trúc xốp của vật liệu hấp phụ, và gắn kết các phân tử lên các vị trí hoạt động trên bề mặt hoặc trong lỗ xốp của vật liệu hấp phụ.
- Di chuyển các chất cần hấp phụ từ nước thải tới bề mặt hạt hấp phụ
- Thực hiện quá trình hấp phụ;
Quá trình hấp phụ là hiện tượng di chuyển chất ô nhiễm vào bên trong hạt hấp phụ qua vùng khuếch tán ở phía trong hạt Người ta thường dùng than hoạt tính, các vật liệu tổng hợp hoặc một số chất thải của quá trình sản xuất như xỉ, tro và mạt sắt, kết hợp với các chất hấp phụ khoáng sản như đất sét và silicagen để loại bỏ các chất ô nhiễm đặc trưng như chất hoạt động bề mặt, chất màu tổng hợp, dung môi clo hoá và các dẫn xuất phenol với các nhóm chức hydroxyl Ứng dụng của quá trình hấp phụ rất rộng, từ xử lý nước cấp và nước thải đến làm sạch không khí và loại bỏ các hợp chất hữu cơ nguy hại, giúp cải thiện chất lượng môi trường và hỗ trợ tái chế, phục hồi nguồn tài nguyên.
- Tách các chất hữu cơ như phenol, alkylbenzen-sulphonic acid, thuốc nhuộm, các hợp chất thơm từ nước thải bằng than hoạt tính;
- Có thể dùng than hoạt tính khử thuỷ ngân;
- Có thể dùng để tách các chất nhuộm khó phân huỷ;
- Ứng dụng còn hạn chế do chi phí cao
1.2.3 Ph ươ ng pháp hoá h ọ c (oxy hoá, trung hoà)
Phương pháp trung hòa là quá trình điều chỉnh pH của nước thải về mức trung tính khi pH quá cao hoặc quá thấp Các biện pháp trung hòa thường sử dụng dung dịch axit hoặc bazơ để cân bằng pH, giúp nước thải nhanh chóng đạt trạng thái an toàn cho các bước xử lý tiếp theo và tuân thủ các tiêu chuẩn môi trường Việc ổn định pH còn nâng cao hiệu quả của các quy trình xử lý nước thải khác và giảm tác động tiêu cực lên thiết bị, từ đó duy trì quá trình xử lý bền vững.
Việc trung hòa nước thải được thực hiện bằng nhiều cách khác nhau bao gồm:
- Trộn lẫn nước thải với axit hoặc kiềm
- Bổ sung các tác nhân hóa học
- Lọc nước axit qua vật liệu lọc có tác dụng trung hòa
- Hấp thụ khí axit bằng chất kiềm hoặc hấp thụ amoniac bằng nước axit
Trong quá trình trung hòa nước thải, một lượng bùn cặn được hình thành và tích tụ Khối lượng bùn phụ thuộc vào nồng độ và thành phần của nước thải cũng như loại và lượng tác nhân xử lý được sử dụng trong quá trình này.
Phương pháp oxy hóa và khử là một phương pháp chủ lực trong xử lý nước thải, sử dụng các chất oxy hóa mạnh nhằm phân hủy ô nhiễm và khử các hợp chất khó phân hủy Các chất oxy hóa được sử dụng phổ biến gồm clo ở dạng khí và dạng lỏng, clo dioxit, clorat canxi, hypoclorit canxi và natri, permanganat kali, bicromat kali, oxy từ không khí và ozon.
Trong quá trình oxy hóa, các chất độc hại trong nước thải được chuyển thành các chất ít độc hơn và tách ra khỏi nước thải Tuy nhiên, quá trình này tiêu tốn một lượng lớn tác nhân hóa học, nên oxy hóa học chỉ được áp dụng khi các tạp chất gây ô nhiễm nước thải không thể được loại bỏ bằng các phương pháp xử lý nước thải khác.
Ozon tác động mạnh mẽ lên các chất khoáng và chất hữu cơ trong nước; quá trình ozon hóa cho phép đồng thời khử màu, khử mùi và tiệt trùng nước Sau quá trình ozon hóa, số lượng vi khuẩn bị tiêu diệt lên đến hơn 99%, đồng thời ozone còn oxy hóa các hợp chất nitơ và photpho, từ đó giảm ô nhiễm nước và cải thiện chất lượng nước uống và sinh hoạt.
Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học
Phương pháp hoá học (oxy hoá, trung hoà)
Phương pháp trung hòa là quá trình điều chỉnh pH của nước thải để đưa về trạng thái trung tính Khi nước thải có pH quá cao (kiềm) hoặc quá thấp (axit), người ta áp dụng các biện pháp trung hòa nhằm cân bằng hệ axit-bazơ và đưa pH về mức an toàn cho môi trường Các kỹ thuật phổ biến gồm bổ sung axit hoặc bazơ ở liều lượng được kiểm soát, hệ thống trung hòa tự động và sử dụng chất điều chỉnh có độ chính xác cao Việc trung hòa nước thải giúp giảm tác động tới hệ sinh thái, bảo vệ thiết bị và tuân thủ quy chuẩn xả thải Quá trình được theo dõi bằng cảm biến pH và điều khiển tự động để đảm bảo kết quả ổn định và tối ưu chi phí vận hành.
Việc trung hòa nước thải được thực hiện bằng nhiều cách khác nhau bao gồm:
- Trộn lẫn nước thải với axit hoặc kiềm
- Bổ sung các tác nhân hóa học
- Lọc nước axit qua vật liệu lọc có tác dụng trung hòa
- Hấp thụ khí axit bằng chất kiềm hoặc hấp thụ amoniac bằng nước axit
Trong quá trình trung hòa nước thải, một lượng bùn cặn được hình thành Lượng bùn này phụ thuộc vào nồng độ và thành phần của nước thải cũng như loại và lượng tác nhân xử lý được sử dụng trong quá trình Việc xác định và kiểm soát các thông số này cho phép tối ưu hóa quá trình xử lý nước thải, giảm sản phẩm bùn và nâng cao hiệu quả loại bỏ các chất ô nhiễm.
Phương pháp oxy hóa và khử là một trong những phương pháp xử lý nước thải phổ biến, sử dụng các chất oxi hóa mạnh như clo ở dạng khí và dạng lỏng, dioxit clo, clorat canxi, hypoclorit canxi và natri, permanganat kali, bicromat kali, oxy từ không khí và ozon để phân hủy các chất ô nhiễm và làm sạch nước.
Trong quá trình xử lý nước thải bằng oxy hóa, các chất độc hại được biến đổi thành các chất ít độc hại hơn và tách khỏi nước thải Do tiêu thụ một lượng lớn tác nhân hóa học nên quá trình oxy hóa chỉ được áp dụng khi các tạp chất gây ô nhiễm không thể bị loại bỏ bằng các phương pháp xử lý khác.
Ozon tác động mạnh mẽ với các chất khoáng và chất hữu cơ trong nước; quá trình oxy hóa bằng ozon đồng thời khử màu, khử mùi và tiệt trùng nước Sau quá trình ozon hóa, số lượng vi khuẩn bị tiêu diệt lên tới hơn 99%, đồng thời ozon tiếp tục oxy hóa các hợp chất nitơ, photpho và các chất hữu cơ khó phân hủy Nhờ đó nước được làm sạch sâu và an toàn cho sinh hoạt, sản xuất và nước uống Công nghệ ozon hóa được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước uống, nước cấp và nước thải công nghiệp.
1.3 Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học
Xử lý nước thải bằng công nghệ sinh học ngày càng được ứng dụng rộng rãi nhờ hiệu quả vượt trội so với các biện pháp xử lý hóa lý Các phương pháp sinh học không chỉ làm sạch nước thải mà còn đưa chất thải trở về vòng tuần hoàn tự nhiên thông qua chu trình sinh học và sự phân hủy tự nhiên, tạo ra nước thải sau xử lý đạt chuẩn và an toàn cho môi trường khi xả ra ngoài Trong quá trình này, quy trình khép kín không bị tác động bởi các hóa chất bên ngoài, nên lượng nước thải và chất thải sau xử lý được thải ra môi trường sạch hơn và ít biến đổi về thành phần Áp dụng công nghệ sinh học trong xử lý nước thải mang lại ý nghĩa thiết thực, vừa đem lại lợi ích kinh tế, vừa đóng góp cho xã hội và môi trường.
Ứng dụng sinh học trong công nghệ xử lý chất thải như một vòng tuần hoàn tự nhiên khép kín, giúp xử lý chất thải hiệu quả mà không gây ra ảnh hưởng xấu hay biến đổi bất lợi nào cho môi trường Quá trình này cho nước thải được xử lý có chất lượng cao, đầu ra sạch hơn và có đặc tính gần với nước tự nhiên, đáp ứng các tiêu chuẩn môi trường và an toàn cho hệ sinh thái.
Công nghệ sinh học là công cụ xử lý nước thải triệt để và chủ động, tác động trực tiếp lên các thành phần và tính chất của nước thải nhằm đạt hiệu quả cao Do không yêu cầu can thiệp trực tiếp của con người vào quá trình xử lý tự nhiên, công nghệ này giúp hệ thống vận hành thuận tiện và dễ quản lý.
Xử lý nước thải bằng các biện pháp sinh học giúp tiết kiệm kinh phí, vì chi phí cho các biện pháp sinh học thường thấp hơn so với các phương án xử lý khác, và chi phí quản lý cũng thấp nhờ việc quản lý đơn giản.
Trong nước thải công nghiệp, đặc biệt từ công nghiệp hóa chất, tồn tại những chất khó phân hủy có thể gây ô nhiễm và tồn tại lâu dài trong môi trường Để đối phó, các nhà khoa học đã phân lập và nuôi cấy các chủng vi sinh có khả năng phân hủy những chất này trong điều kiện tự nhiên Việc ứng dụng các chủng phân hủy sinh học vào hệ thống xử lý nước thải giúp làm giảm nồng độ chất ô nhiễm, nâng cao hiệu quả xử lý và hướng tới quản lý nước thải bền vững.
- Các phương pháp khử kim loại nặng trong bùn vừa xử lý được ô nhiễm vừa thu lại được các kim loại quý
Chúng tôi có khả năng xử lý nguồn nước thải có nồng độ cao, đặc biệt là các chỉ tiêu BOD, COD và SS Trong đó nước thải dễ xử lý sinh học có nồng độ COD từ 20.000 – 30.000 mg/l (phân hủy kỵ khí) Với công nghệ sinh học tiên tiến và hệ thống xử lý phù hợp, dòng nước thải này được xử lý hiệu quả, giảm tải ô nhiễm và đáp ứng các tiêu chuẩn xả thải, đồng thời tối ưu chi phí vận hành.
- Phân hủy hiếu khí được ứng dụng rộng rãi để ổn định chất rắn với kích thước bể xử lý từ nhỏ đến trung bình (Q < 20.000 – 40.000 m 3 /ngày )
- Hồ sinh học dùng xử lý các loại nước thải công nghiệp, sinh hoạt và cả nước thải chăn nuôi có hàm lượng chất hữu cơ ô nhiễm cao
Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học dựa trên hoạt động của các sinh vật sống có khả năng phân giải các hợp chất hữu cơ và vô cơ, từ đó cung cấp nguồn năng lượng và vật chất cho sự phát triển của chính những sinh vật này Quá trình phân hủy các chất hữu cơ sẽ tạo ra nước, còn các chất vô cơ hoặc các khí đơn giản được hình thành từ quá trình này.
Để nước thải được xử lý sinh học hiệu quả, nó phải là môi trường sống của quần thể vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải Điều này đòi hỏi nước thải phải không chứa chất độc gây chết hoặc ức chế hoàn toàn hệ vi sinh và hàm lượng kim loại nặng phải ở mức cho phép, vì muối của các kim loại này ảnh hưởng lớn đến hoạt động sống của vi sinh vật Nếu nồng độ kim loại nặng vượt quá giới hạn cho phép, vi sinh vật không thể tăng trưởng và có thể chết, khiến quá trình xử lý sinh học không thực hiện được.
1.3.1 Quá trình sinh h ọ c hi ế u khí trong x ử l ý n ướ c th ả i
Trong xử lý nước thải, quá trình sinh học hiếu khí sử dụng các vi sinh vật hiếu khí để phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải khi đủ oxy hòa tan ở nhiệt độ và pH thích hợp Quá trình phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật hiếu khí có thể được mô tả bằng sơ đồ thể hiện các bước biến đổi sinh học và hiệu quả xử lý của hệ thống.
(CHO)nNS + O2à CO2 + H2O + NH4 + H2S + Tế bào vi sinh vật + …
Trong điều kiện hiếu khí NH4 + và H2S bị phân hủy nhờ quá trình nitrat hóa, sunfat hóa bởi các vi sinh vật tự dưỡng:
Hoạt động của vi sinh vật hiếu khí gồm hai quá trình chính: dinh dưỡng và phân hủy Trong quá trình dinh dưỡng, vi sinh vật hiếu khí sử dụng chất hữu cơ, các chất dinh dưỡng và nguyên tố vi lượng để tổng hợp tế bào, tăng sinh khối và sinh sản Trong quá trình phân hủy, chúng oxy hóa các chất hữu cơ hòa tan hoặc ở dạng keo phân tán thành nước, CO2 và các khí khác.
Quá trình sinh học kỵ khí trong xử lý nước thải
Quá trình sinh học kỵ khí có khả năng xử lý nước thải có nồng độ chất hữu cơ cao; trong điều kiện thiếu oxy, vi khuẩn kỵ khí phân hủy và chuyển hóa các hợp chất hữu cơ thành CO2 và CH4 (khí sinh học) Trước đây, công nghệ kỵ khí được áp dụng để xử lý bùn cặn, chất thải hữu cơ và nước thải có tải lượng hữu cơ cao; tại các trạm xử lý nước thải đô thị thường có các bể metan để xử lý bùn cặn Nguồn thiếu năng lượng trong những năm 70 đã thúc đẩy phát triển và áp dụng rộng rãi công nghệ xử lý kỵ khí phát sinh năng lượng Sau đó, nhiều nghiên cứu thực nghiệm và ứng dụng được tiến hành; các kỹ thuật xử lý kỵ khí nước thải ngày càng được cải tiến và kết quả là làm giảm đáng kể thời gian lưu bùn trong các công trình xử lý kỵ khí Ngày nay, xử lý sinh học kỵ khí còn được áp dụng để xử lý nước thải có nồng độ chất hữu cơ trung bình và thấp, như nước thải sinh hoạt.
Vào năm 1896, quá trình phân hủy kỵ khí được ứng dụng lần đầu ở nước Anh để sản xuất khí metan phục vụ thắp sáng đường phố Sau chiến tranh thế giới thứ hai, công nghệ xử lý kỵ khí đã phát triển rất nhanh.
Vào năm 1950, bể phản ứng tiếp xúc kỵ khí ra đời là phát minh quan trọng trong xử lý kỵ khí, cho phép kéo dài thời gian lưu bùn so với thời gian lưu nước trong bể phản ứng Cuối những năm 1960, Yong và McMarty sáng chế bể lọc kỵ khí Đến cuối những năm 1970, Lettinga và các đồng nghiệp tại Đại học Nông nghiệp Hà Lan đã phát minh ra bể xử lý sinh học dòng chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí (Upflow Anaerobic Sludge Blanket - UASB), công nghệ xử lý nước thải kỵ khí đang được ứng dụng rộng rãi nhất hiện nay Công nghệ xử lý bằng AF và UASB đã thúc đẩy sự phát triển của các kỹ thuật xử lý kỵ khí tốc độ cao, đồng thời xây dựng lý thuyết về phát triển làm giàu vi sinh vật trong bùn nhằm tăng cường hòa trộn và tiếp xúc giữa nước thải và bùn Bể phản ứng kỵ khí tuần hoàn và tầng bùn hạt giãn nở là những ví dụ điển hình cho các hệ thống xử lý kỵ khí hiện đại.
Các quá trình kỵ khí yêu cầu ít năng lượng, phát sinh ít bùn dư, yêu cầu chất dinh dưỡng ít, và có thể chịu được tải lượng thể tích lớn; quá trình xử lý kỵ khí làm phát sinh năng lượng mới tương đương 10.4×106 kJ/ngđ, trong khi các quá trình hiếu khí lại yêu cầu sử dụng năng lượng - 1.9×106 kJ/ngđ; Quá trình kỵ khí làm giảm lượng sinh khối dư với hệ số 6 đến 8, và điều này sẽ làm giảm chi phí cho công đoạn xử lý bùn cặn; Đối với các quá trình xử lý hiếu khí bằng bùn hoạt tính, tỷ lệ thích hợp giữa BOD và các chất dinh dưỡng có trong nước thải là BOD: N: P 100: 5: 1 Tuy nhiên, trong quá trình xử lý kỵ khí, nhu cầu sử dụng các chất dinh dưỡng ít hơn theo tỷ lệ BOD: N: P = 350÷500: 5: 1 Nước thải có đủ nitơ và photpho và các thành phần vi lượng khác nhau để đáp ứng nhu cầu về dinh dưỡng trong xử lý kỵ khí Ngược lại, đối với các quá trình xử lý hiếu khí thường cần bổ sung thêm các chất dinh dưỡng; Quá trình kỵ khí thường đạt được tải lượng hữu cơ cao hơn so với quá trình hiếu khí (tải lượng hữu cơ là 3,2÷32 kg COD/m 3 ngđ đối với quá trình kỵ khí cao hơn nhiều so với mức 0,5÷3,2 COD/m 3 ngđ đối với quá trình hiếu khí) [Speece, 1996] Lượng chất hữu cơ được loại bỏ nhiều hơn trên đơn vị thể tích công trình
Tuy nhiên, quá trình kỵ khí lại đòi hòi thời gian khởi động lâu hơn, bổ sung thêm các chất kiềm, xử lý nước thải và vi khuẩn kỵ khí thường rất nhạy cảm với các chất độc; Tốc độ phát triển của các vi khuẩn kỵ khí thường chậm hơn vì vậy đòi hỏi thời gian khởi động hệ thống lâu hơn, thường từ 8 đến 12 tuần; Hệ thống cần đảm bảo nồng độ kiềm ở mức từ 2.000 đến 3.000 mg/L (theo CaCO3) để trung hòa lượng khí CO2 và các axit hữu cơ dễ bay hơi phát sinh từ quá trình phân hủy kỵ khí và duy trì độ pH thích hợp với sự phát triển của các vi khuẩn Nếu lượng kiềm này không có sẵn trong nước thải hoặc không được tạo ra bởi quá trình phân hủy các chất đạm hay axit amin, nhu cầu bổ sung thêm các chất kiềm sẽ làm tăng chi phí hóa chất đáng kể
Quá trình lên men kỵ khí là sự chuyển hóa các hợp chất cao phân tử thành khí sinh học nhờ sự tác động của nhiều nhóm vi sinh vật Quá trình phân hủy kỵ khí được diễn ra qua nhiều bước khác nhau, và quá trình chuyển hóa toàn phần bao gồm bốn giai đoạn chính, mỗi giai đoạn đóng vai trò thiết yếu trong việc phá vỡ liên kết và chuyển đổi chất nền thành các sản phẩm cuối cùng.
Thủy phân là quá trình chuyển hóa các chất rắn phức tạp thành các hợp chất hòa tan có trọng lượng phân tử nhẹ hơn, nhờ tác động của các enzym ngoại bào được tiết ra từ vi khuẩn gây men Các chất đạm được phân hủy thành axit amin; cacbonhidrat được chuyển hóa thành các đường đơn và đường đôi có thể hòa tan; các chất béo được phân giải thành chuỗi axit béo và glycerin Trên thực tế, tốc độ thủy phân có thể ức chế tốc độ phân hủy kỵ khí Đặc biệt, tốc độ chuyển hóa chất béo sẽ diễn ra rất chậm ở điều kiện dưới 20°C.
Axit hóa là giai đoạn trong quá trình lên men, nơi các chất hòa tan được hình thành từ sự thủy phân nhờ hoạt động của vi khuẩn lên men và được chuyển hóa thành các hợp chất hữu cơ đơn giản như axít béo dễ bay hơi, cồn và axít lactic, đồng thời giải phóng các chất khí như CO2 và H2.
CO2, H2, NH3 và H2S có thể là các sản phẩm liên quan đến quá trình lên men axit, được thực hiện bởi nhiều loài vi khuẩn khác nhau, phần lớn là vi khuẩn kỵ khí bắt buộc; tuy nhiên cũng có một số vi khuẩn lưỡng tính có thể chuyển hóa các chất hữu cơ qua con đường ôxy hóa Điều này rất quan trọng trong xử lý nước thải kỵ khí, vì ôxy hòa tan có thể gây ảnh hưởng xấu cho các vi khuẩn kỵ khí và các vi khuẩn mêtan hóa.
Quá trình acetat hóa chuyển hóa các hợp chất hình thành từ quá trình axit hóa thành các sản phẩm cuối để sinh khí metan gồm axetat, H2 và CO2 Khoảng 70% COD trong nước thải đầu vào được chuyển thành axit acetic, phần còn lại tập trung làm nguồn cung cấp electron cho phản ứng tạo khí hydro Tùy thuộc vào thế năng oxy hóa của các chất hữu cơ ban đầu, acetat hóa có thể diễn ra đồng thời với sự hình thành CO2 hoặc H2.
Mêtan hóa là giai đoạn chiếm tỉ lệ nhỏ trong toàn bộ quá trình phân hủy, mặc dù ở nhiệt độ thấp nó có thể thủy phân Mêtan được tạo thành từ quá trình phân hủy axetat hoặc từ phản ứng khử dioxit cacbon bằng hidro, tương ứng, bởi các vi khuẩn lên men giấm và vi khuẩn hidro.
Tổng hợp mêtan từ vi khuẩn lên men giấm
CH3COOH → CH4 + CO2 Tổng hợp mêtan từ vi khuẩn hydro
Các vi khuẩn tổng hợp metan từ H2 và CO2 phát triển nhanh hơn các vi khuẩn sử dụng acetat [Henzen and Harremoes 1983], nên quá trình tổng hợp CH4 bởi vi khuẩn lên men giấm thường chịu giới hạn về tỉ lệ trong suốt quá trình chuyển hóa các hợp chất hữu cơ cao phân tử có trong nước thải thành khí sinh học.
Các nhóm vi khuẩn khác nhau tham gia vào quá trình chuyển hóa chất hữu cơ và đều có khả năng đồng hóa và dị hóa Do đó, bên cạnh việc giải phóng các sản phẩm lên men khác nhau, lượng sinh khối mới cũng được hình thành thông qua bốn giai đoạn chuyển hóa được mô tả ở trên Để thuận tiện, ba giai đoạn đầu thường được gộp lại và gọi là quá trình lên men axit, trong khi giai đoạn thứ tư được gọi là quá trình metan hóa.
Quá trình lên men axit làm giảm pH do sinh ra các axit béo dễ bay hơi và các chất trung gian dễ phân ly; vì quá trình mêtan hóa chỉ tiến triển tốt ở pH trung tính, nên có thể xảy ra tình trạng phản ứng không ổn định khi tốc độ khử axit trong mêtan hóa giảm so với tốc độ phát sinh axit, khiến tổng lượng axit còn lại làm giảm pH và gây ức chế sự phát triển của các vi khuẩn mêtan hóa Hiện tượng này được gọi là “chua” trong các bể phản ứng kỵ khí và là một sự cố rất phổ biến trong vận hành các hệ thống xử lý kỵ khí Để tránh hiện tượng “chua”, cần duy trì sự cân bằng giữa quá trình lên men axit và quá trình mêtan hóa.
*Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kỵ khí
Các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến quá trình phân hủy kỵ khí nước thải gồm nhiệt độ, pH, các thành phần dinh dưỡng chính và các hợp chất độc hại trong nước đầu vào; đối với nước thải sinh hoạt, ba yếu tố cuối thường không cần phải cân nhắc, và điều kiện pH thích hợp và ổn định được duy trì nhờ sự có mặt của các hợp chất axit cacbonic mà không cần bổ sung hóa chất để hiệu chỉnh pH Hàm lượng dinh dưỡng trong nước thải rất lớn; các hợp chất có tính độc đối với vi khuẩn nói chung không có trong nước thải sinh hoạt, và ảnh hưởng độc của sunfua không nghiêm trọng, trong khi ảnh hưởng của oxy hòa tan chỉ xuất hiện khi hệ thống xử lý kỵ khí được thiết kế không hợp lý Đối với nước thải có nồng độ chất ô nhiễm cao, nhiệt độ vận hành ở một quy mô công suất nhất định có thể được xem là biến số nhằm điều chỉnh hệ thống xử lý kỵ khí vì trong giới hạn cho phép nó có thể được kiểm soát bằng cách khai thác metan sinh ra để làm ấm nước thải; hình thức này không áp dụng cho nước thải có nồng độ thấp như nước thải sinh hoạt vì năng lượng từ metan sinh ra không đủ để tăng nhiệt độ của hệ thống Nhiệt lượng lớn nhất được sinh ra từ đốt cháy metan từ quá trình phân hủy ở mức 500 mg/L COD (giá trị điển hình cho nước thải thô) là 1,5 kcal/L; về lý thuyết có thể tăng nhiệt độ lên 1,5°C nhưng giá trị tối đa này chỉ đạt được khi các chất ô nhiễm được chuyển hóa hoàn toàn thành metan-COD và nhiệt lượng trong metan được khai thác toàn bộ, do đó nước thải sinh hoạt cần được xử lý ở nhiệt độ nó vào hệ thống, nhiệt độ này luôn thấp hơn nhiệt độ tối ưu cho quá trình phân hủy kỵ khí.
Các hệ thống xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên
Cánh đồng tưới và cánh đồng lọc
Trong nước thải sinh hoạt chứa hàm lượng dinh dưỡng N, P, K khá đáng kể với tỉ lệ phổ biến N:P:K = 5:1:2, khiến nước thải trở thành nguồn phân bón tốt và phù hợp với sự phát triển của thực vật Vì vậy, từ lâu người ta đã nghĩ đến việc sử dụng nước thải như nguồn phân bón để tưới cho các cánh đồng nông nghiệp ở vùng ngoại ô; nước thải công nghiệp cũng có thể được sử dụng nếu chúng ta loại bỏ các chất độc hại.
Trong thời điểm thu hoạch, gieo hạt và vào mùa mưa, nước thải được dự trữ trong các đầm hồ như hồ nuôi cá, hồ sinh học hoặc hồ điều hòa nhằm tận dụng nguồn nước và hạn chế ô nhiễm Nước thải cũng có thể được xả ra cánh đồng cỏ, cánh đồng trồng cây ưa nước hoặc đổ về vùng dự trữ để cân bằng nguồn nước và bảo vệ môi trường nông nghiệp Cách làm này giúp tối ưu hóa tưới tiêu, giảm thất thoát nước và hỗ trợ quản lý nước theo chu kỳ mùa vụ Đây là một phương án kết nối giữa thu hoạch, gieo trồng và mùa mưa, mang lại lợi ích cho hệ sinh thái và sản xuất nông nghiệp.
Trước khi đưa nước thải vào cánh đồng, nước thải phải được xử lý sơ bộ qua hệ thống sàng chắn rác và bể lắng cát hoặc bể lắng để loại bỏ chất rắn và tạp chất Trước khi sử dụng nước thải cho tưới tiêu, cần tham khảo ý kiến của chuyên gia nông nghiệp để đảm bảo an toàn và hiệu quả cho cây trồng và đất đai.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống xử lý nước thải bằng cánh đồng tưới và cánh đồng lọc dựa trên khả năng giữ các cặn nước trên mặt đất và nước thấm qua đất như đi qua khe lọc, nhờ có oxy trong các lỗ hổng và mao quản của lớp đất mặt để vi sinh vật hiếu khí phân hủy các chất hữu cơ nhiễm bẩn; càng sâu nước thải đi, lượng oxy càng giảm và quá trình oxy hóa các chất hữu cơ càng giảm, cho tới khi chỉ còn diễn ra quá trình khử nitrat ở độ sâu nhất định Đã xác định được rằng quá trình oxy hóa nước thải chỉ xảy ra ở lớp đất mặt xuống tới khoảng 1.5 m, vì vậy các cánh đồng tưới và bãi lọc thường được xây ở nơi có mực nước ngầm thấp hơn mặt đất từ 1.5 m trở lên.
Nguyên tắc xây dựng bao gồm hai thành phần chính là cánh đồng tưới và bãi lọc Cả hai đều là những khu đất được san phẳng hoặc có độ dốc rất nhỏ và được ngăn cách thành các ô nhờ các bờ đất để phân chia; nước thải được phân phối vào mạng lưới liên kết gồm mương chính, máng phân phối và hệ thống tưới trong từng ô Nếu khu đất chỉ được dùng để xử lý nước thải hoặc chứa nước thải khi cần thiết thì được gọi là bãi lọc.
Bãi lọc ngập nước
Bãi lọc ngập nước (wetlands) là hệ sinh thái ngập nước có mực nước nông hoặc ở sát bề mặt đất, với cây trồng là các loại thực vật thích nghi với đất ẩm Thực vật nơi đây quang hợp, hấp thụ carbon từ khí quyển và chuyển hóa thành các chất hữu cơ, cung cấp nguồn năng lượng cho các hoạt động sống và cho sự phát triển của các sinh vật dị dưỡng như vi khuẩn và nấm.
Bãi lọc ngập nước nhân tạo có khả năng phân hủy và chuyển hóa các chất hữu cơ cũng như các chất khác, nhờ vào các quá trình thủy học và chu trình hóa học đặc trưng Với khả năng này, bãi lọc ngập nước được sử dụng để làm sạch nước, bao gồm xử lý nước thải đô thị, nước thải nông nghiệp, nước thải công nghiệp và nước mưa Bãi lọc ngập nước được coi như “quả thận của tạo hóa” với những đặc tính về thủy học và chu trình hóa học, là nơi chứa các chất thải từ các nguồn tự nhiên và nhân tạo [Mitsch và Gosselink, 1993].
Ngoài mục đích xử lý nước, bãi lọc ngập nước còn mang lại nhiều lợi ích khác như tạo cảnh quan xanh sạch và môi trường sống cho con người cũng như cho các loài thú Bãi lọc ngập nước có thể coi như một "siêu thị sinh học" nhờ tính đa dạng sinh học phong phú của nó Nhiều loài chim, bò sát, động vật lưỡng cư và cá sống và phát triển trong môi trường bãi lọc ngập nước, hoặc sử dụng khu vực ngập nước làm nơi cư trú định kỳ theo chu kỳ sống Bên cạnh đó, bãi lọc ngập nước còn có giá trị thẩm mỹ cao, góp phần nâng cao vẻ đẹp cảnh quan và sự hài hòa của khu vực.
*Các d ạ ng bãi l ọ c ng ậ p n ướ c nhân t ạ o
Bãi lọc ngập nước nhân tạo có thể được phân loại dựa trên hình thức nuôi trồng điển hình của các loại thực vật, gồm hệ thống thực vật nổi, hệ thống rễ chùm nổi và hệ thống thực vật chìm (Hình 1.1) Hầu hết các hệ thống sử dụng cây rễ chùm, tuy nhiên người ta có thể phân loại thêm theo dạng vật liệu sử dụng và chế độ dòng chảy trong hệ thống nhằm tối ưu hiệu quả xử lý và thiết kế.
Hình 1.1 mô tả hệ thống XLNT sử dụng thực vật nổi với ba dạng cấu hình chính: hệ thống dòng chảy bề mặt ở dạng hồ, nơi nước thải tiếp xúc với thực vật nổi trên mặt nước; hệ thống dòng chảy ngầm ngang ở dạng bãi lọc có nền chống thấm; và hệ thống dòng chảy ngầm đứng ở dạng bãi lọc có nền chống thấm.
Hệ thống dòng chảy bề mặt
Hệ thống dòng chảy bề mặt là hệ thống được thiết kế có lớp nước bề mặt tiếp xúc với không khí Trong hệ thống dòng chảy ngầm, mực nước được cố định ở mức thấp hơn so với bề mặt vật liệu Đối với hệ thống dòng chảy ngầm ngang, lớp vật liệu luôn ở trạng thái bão hòa nước; đối với hệ thống dòng chảy đứng, lớp vật liệu không ở trạng thái bão hòa vì nước được cấp không liên tục theo các khoảng thời gian nhất định và được thấm qua lớp vật liệu, tương tự như trong hệ thống lọc cát gián đoạn.
Mọi dạng bãi lọc ngập nước đều được trồng ít nhất một loại thực vật có rễ trên nền vật liệu (thường là đất, sỏi hoặc cát) Các chất ô nhiễm được khử nhờ sự phối hợp của các quá trình hóa học, lý học và sinh học, cùng với quá trình lắng, kết tủa và hấp thụ vào đất, sự đồng hóa bởi thực vật và các chuyển hóa do vi khuẩn thực hiện.
Bãi lọc ngập nước tự nhiên có diện tích rất đa dạng, từ dưới 1 ha cho tới trên 1000 ha, và gần 50% có diện tích nằm trong khoảng 10–100 ha Bãi lọc ngập nước nhân tạo với dòng chảy bề mặt thường có diện tích nhỏ hơn, khoảng 60% có diện tích nhỏ hơn một mức ngưỡng nhất định so với tự nhiên.
Thông thường, tải lượng thủy lực trong các bãi lọc tự nhiên nhỏ hơn so với các bãi lọc nhân tạo do các hệ thống này không được thiết kế cho mục đích xử lý nước thải Các hệ thống được thiết kế để xử lý nước thải có nồng độ nitơ và phospho thấp hoặc được lưu giữ hoàn toàn thường có tải lượng bề mặt rất thấp; ngược lại, các hệ thống được thiết kế để xử lý các chất hữu cơ (BOD) và chất lơ lửng lại có tải lượng bề mặt cao hơn Chiều sâu mực nước trong các hệ thống dao động từ khoảng 5 đến 90 cm, thông thường là 30 đến 40 cm Các hệ thống dòng chảy bề mặt thường được sử dụng để xử lý bổ sung và được bố trí sau các hồ sinh học tùy tiện hoặc hồ hiếu khí trong dây chuyền xử lý nước thải.
Ở châu Âu, hệ thống bãi lọc dòng chảy ngầm qua đất và sỏi đã được ứng dụng phổ biến; sậy (Phragmites australis) là loại thực vật được trồng phổ biến nhất và một số hệ thống có thể bổ sung thêm các loài thực vật khác Đất hoặc sỏi được dùng làm vật liệu lọc vì chúng duy trì dòng chảy ngầm, nhưng các hệ thống dùng đất thường gặp vấn đề dòng chảy tràn bề mặt trong khi hệ thống dùng sỏi dễ mắc hiện tượng tắc dòng Diện tích bề mặt của các hệ thống dòng chảy ngầm nhỏ (