Tiểu luận môn sinh thái môi trường chủ đề ứng dụng nguyên tắc sinh thái trong xử lý nước thải bằng mô hình đất ngập nước với thực vật

Nội dung đề tài sẽ trình bày về các nguyên tắc cơ bản của sinh thái học và ứng dụng chúng trong mô hình đất ngập nước với thực vật để x ử lý nước thải.. T ổng quan v ề công nghệ ử lý nướ

B Ộ CÔNG THƯƠNG

BÀI TIỂU LUẬN

Môn : SINH THÁI MÔI TRƯỜNG

L ời Mở Đầu

Trong bối cảnh xã hội hiện nay, việc xử lý nước thải là mộ ấn đề đang đượt v c

tài này, chúng ta sẽ tìm hiểu v ứng dề ụng nguyên tắc sinh thái trong xửlý nước thải bằng mô hình đất ngập nước với thực vật Nội dung đề tài sẽ trình bày về các nguyên tắc cơ bản của sinh thái học và ứng dụng chúng trong mô hình đất ngập nước với thực vật để x ử lý nước thải Chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về các loại thực vật phù hợp cho mô hình này và quy trình thiế ế, xây dựng mô hình Kết k t quả của nghiên cứu này sẽ cung

quả và bền vững, góp phần b o vả ệ môi trường và nâng cao chất lượng cuộc sống của cộng đồng

M ỤC LỤC

I Tổng quan đất ng p m n 5 ậ ặ

1 Khái niệm 5

2 Chức năng 5

II T ng quan vổ ề công nghệ ử lý nướ x c th i bả ằng đất ngập nước nhân tạo 5 1 Các cơ chế ử lý chất ô nhiễm trong đấ x t ngập nước 5

2 Đất ngập nước và đất ngập nước nhân tạo trong x ử lý ô nhiễ m 10

M ột số lưu ý khi sử ụng hệ thố d ng đ t ngấ ập nước nhân tạo : 11

III Các yếu tố cơ bản trong h ệ thố ng thi ết kế ệ thống đất ng h ập nước 11

1 Quá trình vật lý, hóa học 11

2 Quá trình sinh học 12

IV Tổng quan hình thức nghiên cứu v x ề ử lý nướ c th i bả ằng mô hình đất ng ập nước 12 1 Đặt vấn đề 12

2 Thi ết kế thí nghiệ m 14

2.1.1 Phương pháp lấy mẫu và phân tích 16

3 K t quế ả nghiên cứ u 17

3.1.1 Hiệu qu x ả ử lý của mô hình dòng chả y thẳng đứng v i t i nớ ả ạp th ủy lực 500mL/phút/m2. 17

3.1.2 Hiệu qu x ả ử lý của mô hình dòng chả y thẳng đứng v i t i nớ ả ạp thủy l ực 1000 mL/phút/m2 19

V Lau s y & ậ ứng dụ ng trong x ử lí nước thả i 20

1 Khái niệm 20

2 Đặc điểm 21

3 Lau sậy x ử lý nước ô nhiễm 21

4 Thi ết kế cánh đồ ng lau s y xậ ử lý nước thả i 22

VI Quy trình thực hi ện công nghệ ử lý nướ x c th ải: 22 VII Tài liệu tham kh o 24 ả

1 Tài liệu tham kh o tiả ếng việt 24

2 Tài liệu tham kh o tiả ếng anh 24

26

IX Bảng đánh giá thành viên 26

M ỤC L C Ụ HÌNH ẢNH

Hình 1 Chu trình carbon trong đất ngập nước 6

Hình 2.Chu trình nito ngập trong nước 8

Hình 3.Chu trình photpho ngập trong nước 8

H ình 4 C s ỏ ậy ( bên trái ) và Vertiver trưởng thành ( bên phải ) 13

Hình 5 Sơ đồ h ệ thống bể thí nghiệm 15

Hình 6 Sơ đồ thi ết kế bể thí nghiệm 16

Hình 7 Hàm lượng và hiệu qu ả xử lý (a) BOD5, (b) COD, (c) TSS và (d) fecal coliform trong thí nghiệm T1 18

Hình 8 Hàm lượng và hiệu qu ả xử lý (a) BOD5, (b) COD, (c) TSS và (d) fecal coliform trong thí nghiệm T2 19

H ình 9 Bãi lau sậy 21

Hình 10 Mô hình xử lí chất th ải bằng cây sậy 22

M ỤC L C BỤ ẢNG Bảng 1 Đặc tính của ch ất lượng nguồn nước trước xử lý 12

B ảng 2 B ố trí thí nghiệm nghiên cứu 14

Bảng 3 Thông số ận hành hệ v thống thí nghiệm’ 14

B ảng 4 Phương pháp phân tích chất lượng nước 17

I T ổng quan đất ngập mặn

Đất ngập mặn là loạ ất có tính chất đặi đ c biệt do bị ảnh hưởng b i nư c biển và ở ớ

Hồng

Chức năng của đất ngập mặn :

và sinh sống tốt nhờ vào các chất dinh dưỡng có trong đất

sống c a nhiủ ều loài sinh vật đặc hữu như cây mặn và các loài động v t biậ ển, đây cũng là nơi sinh sản, nuôi trồng tôm, cua, ốc

trong vi c gi cho sệ ữ ự cân bằng sinh thái của khu v c, b o vự ả ệ và duy trì hệ sinh thái ven biển Nó cũng giúp ấ h p thụ các chất độc hại như kim loạ ặng và các hợi n p chất hữu cơ

để nuôi trồng tôm, cua, ốc và đánh bắt cá Nó cũng được s d ng trong s n xu t muử ụ ả ấ ối

và các sản phẩm khác

II T ổng quan v ề công nghệ ử lý nướ x c th ải bằng đất ngập nước nhân tạo

Trong các bãi lọc đất ngập nước, phân hủy sinh học đóng vai trò lớn nhất trong việc lo i bạ ỏ các chấ ữu cơ dạng hòa tan hay dạng keo có khả năng phân hủt h y sinh học

(BOD) có trong nước thải, BOD còn lại cùng các chất rắn lắng được sẽ bị loại bỏ nhờ quá trình lắng

Bãi lọc đất ngập nước về cơ bản hoạt động như bể lọc sinh học Tuy nhiên, đối với bãi lọc đất ngập nước, vai trò của vi sinh vật lơ lửng dọc theo chiều sâu cột nước

của bãi lọc đ i với vi c loố ệ ại bỏ BOD cũng rất quan trọng

lọc tương tự như trong bể lọc sinh học nhỏ giọt Phân hủy sinh học xảy ra khi các chất hữu cơ hòa tan được mang vào lớp màng vi sinh bám trên phần thân ngập nước của thực vật, hệ thống r ễ và những vùng vậ ệu l c xung quanh, nht li ọ ờ quá trình khuếch tán

❖ Quá trình loại b ỏ các chất r n ắ

Các chất rắn lắng được loạ ỏ ễ dàng nhờ cơ chếi b d lắng trọng lực vì hệ thống bãi lọc trồng cây có thời gian lưu nước dài Chất rắn không lắng được, chất keo có thể được loại bỏ thông qua cơ chế ọc (nếu có sử ụng cát lọc) l d

Các cơ chế xử lý trong hệ ống này phụ th thuộc rất nhiều vào kích thước và tính chất của các chất rắn có trong nước thải và các dạng v t li u lậ ệ ọc được s d ng Th c vử ụ ự ật trong bãi lọc không đóng vai trò đáng kể trong việc loại bỏ các chất rắn

❖ Quá trình khử nitơ

Nitơ được loại bỏ trong các bãi lọc chủ yếu nhờ 3 cơ chế chủ yếu sau:

• Nitrat hóa/khử nitơ

• Sự bay hơi của ammoniac (NH3)

• Sự h p th cấ ụ ủa thực vật

của b mề ặt tiếp xúc giữ ễ à đấa r v t ph n ngầ ập nước c a th c vủ ự ật có than nhô lên khỏi mặt nước

oxy hóa và phần ngập nước của thực vật là nơi chủ yếu xảy ra quá trình nitrat hóa, tại

bởi vi khu n nitrobacter ẩ

Ở môi trường nhiệt độ cao hơn, một s ố NH4+ chuyển sang d ng NH3 v ạ à bay hơi

thực v t h p thậ ấ ụ Tuy nhiên, nitrat được cấp vào từ vùng oxy hóa nhờ ện tượ hi ng khu ch ếtán

Đố ới v i bề mặt chung giữa đất và rễ, oxy từ khí quyển khuếch tán vào vùng lá, than, r cễ ủa các cây trồng trong bãi lọc và tạo nên một l p giớ àu oxy tương tự như lớp b ềmặt chung giữa đấ à nước t v

NO3- Ph n NO3- ầ không bị cây trồng h p th s b khuấ ụ ẽ ị ếch tán vào vùng thiếu khí, và bị

nhờ ngu n NH4+ t ồ ừ vùng thiếu khí khuếch tán vào

Hình 2.Chu trình nito ngập trong nước

❖ Quá trình khử photpho

Cơ chế loại bỏ photpho trong bãi lọc đất ngập nước gồm có:

• Sự h p th cấ ụ ủa thực vật

• Các quá trình đồng hóa của vi khuẩn

• Sự h p ph ấ ụ lên đất, vật li u l c (ch y u l ệ ọ ủ ế à lên đất sét) và các chấ ữu cơ.t h

• Kết tủa và lắng các ion Ca2+, Mg2+, Fe3+ và Mn2+

Khi thời gian lưu nước d i và à đấ ử ụng có cấu trúc mịn thì các quá trình loại t s d

bỏ photpho ch yủ ếu là sự ấ h p phụ và kế ủa, do điềt t u kiện này tạo cơ hội cho quá trình hấp phụ photpho và các phả ứng trong đấn t xảy ra

Vai trò của thực vật trong vấn đề loại bỏ photpho vẫn còn là vấn đề tranh cãi.

Các quá trình hấp phụ, kết tủa và lắng chỉ đưa được photpho vào đất hay vật liệu lọc

trầm tích đó phải được nạo vét và xả bỏ

❖ Quá trình xử lý kim loại nặng

Thực vật đầm lầy cũng ảnh hưởng gián tiếp đến sự lo i bạ ỏ và tích trữ kim loạ ặng khi i n

sinh vật các vật liệu lọc là nơi tích tụ chủ ếu các kim loạ ặ y i n ng

Cơ chế loại bỏ chúng gồm có:

• Kết tủa và lắng dở ạng hydroxit không tan trong vùng hiếu khí, ở ạ d ng sunfit, kim loại trong vùng kị khí của lớp v t li u ậ ệ

• Hấp thụ lên các kết tủa oxy hydroxit sắt, mangan trong vùng hiếu khí

• Kết hợp l n th c v t v ẫ ự ậ à đất – H p th ấ ụ vào rễ, thân và lá của thực v t trong ậbãi lọc cây trồng

❖ Quá trình xử lý các hợp chất hữu cơ

Các hợp ch t hấ ữu cơ được lo i b ạ ỏ trong các hệ thống ch y u nh ủ ế ờ cơ chế bay hơi, hấp phụ, phân hủy bởi các vi sinh vật (ch yủ ếu là vi khuẩn và nấm) và hấp ph c a thụ ủ ực vật.Yếu t quan trố ọng ảnh hưởng đến hi u su t lo i bệ ấ ạ ỏ các chấ ữu cơ nhờt h quá trình bay hơi là hàm số phụ thuộc của trọng lượng phân tử chất gây ô nhiễm

Các chất bẩn hữu cơ chính còn có thể loại bỏ nhờ quá trình hút bám vật lí lên bềmặt các chấ ắng đượt l c và sau đó là quá trình lắng Quá trình này thường xảy ra ở phần đầu bãi lọc Các chấ ữu cơ cũng bịt h thực vật hấp thụ

❖ Quá trình xử lý vi khuẩn, virut

Về b n chả ất cũng giống như quá trình loạ ỏ các vi sinh trong hồi b sinh h c Vi ọkhuẩn v à virut có trong nước thải được loại bỏ nhờ:

Các quá trình vật lí như lắng, dính kết, lọc, hấp phụ

Bị tiêu diệt do điều kiện môi trường không thuậ ợi trong m t thn l ộ ời gian dài

Quá trình xử lý các chấ ữu cơ có khả năng phân hủt h y sinh h c: s ọ ự phân hủy sinh học đóng vai trò lớn nhất trong việc loai bỏ các chấ ữu cơ dạng hòa tan hay dạt h ng keo

rắn lắng đượ ẽ ị loại b nh c s b ỏ ờ quá trình lắng

Quá trình tách các chất rắn: các chất rắn lắng được loại bỏ dễ dàng nhờ cơ chế lắng trọng lực, vì các hệ thống này có thời gian lưu nước dài Chất rắn không lắng được, chất keo có thể được loại bỏ thông quá các cơ chế lọc

Quá trình khử Nitơ: trong các bãi lọc, sự chuyển hóa của N2 xảy ra trong các tầng oxi hóa khử của đất, bề mặt tiếp xúc giữa dễ và đất, phần ngập nước của thực vật

có thân nhô lên mặt đất

Quá trình xử lý kim loại nặng: các loài thực vật khác nhau có khả năng hấp thụ kim loại mạnh rất khác nhau Thực vật đầm lầy cũng ảnh hưởng gian tiếp đến sự loại bỏ

và tích trữ kim loại nặng khi chúng ảnh hưởng đến chế độ thủy lực, cơ chế hóa học lớp trầm tích và hoạt động của vi sinh vật Các vật liệu lọc là nơi tích tụ chủ yếu các kim loại nặng

Quá trình xử lý các hợp chất hữu cơ: các hợp chất hữu cơ được loại bỏ trong các

hệ thống chủ yếu nhờ cơ chế bay hơi, hấp phụ, phân hủy bởi các vi sinh vật và háp thụ thực vật

Quá trình xử lý vi khuẩn và virut: về bản chất cũng giống như quá trình loại bỏ các vi sinh trong hồ sinh học Vi khuẩn và vi rút có trong nước thải được loại bỏ nhờ quá trình lắng, dính kết, lọc, hấp phụ; bị tiêu diệt do điều kiện môi trường không thuận lợi trong thời gian dài

Quá trình khử phosphor: là cơ chế duy nhất đưa hẳn Phosphor a khỏi hệ thống bãi lọc Các quá trình hấp phụ, kết tủa và lắng chỉ đưa được P vào đất hay vật liệu lọc

Khi lượng phosphor trong lớp vật liệu vượt quá khả năng chứa thì phần vật liệu hay lớp trầm tích đó phải được nạo vét và xả bỏ

Một số lưu ý khi sử ụ d ng hệ thống đất ngập nước nhân tạo :

❖ Đánh dấu v ịtrí các bồn chứa

❖ Bảo tồn nước,duy trì trong thời gian hoạt động

❖ Hạn ch s dế ử ụng các bồn chứa phụ

❖ Giảm thiểu hoặc loạ ỏ việc sử di b ụng các sản phẩm tạo rác vào hệ thống

❖ Không phụ chất độc hại như: thuốc sừ sâu, sơn, xăng dầu,…

❖ Giảm thiểu việc sử ụng các chấ d t nguy hại như chấ ẩy và chất làm sạch t t

❖ Không dẫn nước từ hồ bơi, bình nước nóng vào hệ thống, đặc biệt là chlorine

❖ Trước khi trồng cây, luôn rũ sạch đất quanh gốc cây

III Các yếu tốcơ bản trong h ệ th ng thiết k h thốố ế ệ ng đ t ngập nước ấ

Lắng xuống, đóng cặn: loại bỏ chất hạt và chấ ắn lơ lửng t r

Thấm hút bề mặt: bao gồm các quá trình hấp thụ và hấp phụ, xảy ra trên bề mặt của các loài thực vật, chất nền, trầm tích, rác rưởi

và lắng xuống, đây là một biện pháp hữu hiệu hạn chế tác hạ ủa các kim loại có tính i cđộc trong đất ngập nước

sáng mặt trời

Sự bay hơi: xảy ra khi áp suất đủ lớn, hợp chất sẽ chuyển sang thể khí

2 Quá trình sinh học

Các chất hữu cơ hòa tan được phân hủy bởi các vi sinh vật đáy và vi sinh vật bám dính trên thực vật Có sự nitrat và phản nitrat hóa do tác động của vi sinh vật Dưới các

Các loại thực vật trong hệ thống đất ngập nước có rễ bám vào lớp đất ở đáy và thân vươn cao lên trên mặt nước Thực vật thủy sinh là một phần không thể thiếu được của các hệ sinh thái này

Bảng 1 Đặc tính của chất lượng nguồn nước trước xử lý

Đố ới v i hệ thực vật, dựa vào những kết quả của các nghiên cứu trước đây, loài sậy ph biổ ến Phragmites australis L (Abou-Elela Hellal,2012; Aboubacaretal., 2018; Havens et al., 2003; Mirco & Attilio, 2013) và cỏ Vertiver với tên gọi Vertiverria zizanioides L (Badejo et al., 2018; Danh et al., 2009; Effendi et al., 2015; Indrayatie et al., 2013) đã được chọn lựa cho nghiên cứu Việc chọn lựa các loài cỏ nhằm tạo điều kiện so sánh với các kết quả nghiên cứu trên thế giới về hiệu quả xử lý

Lâm Những cây sậy và vertiver trưởng thành có thân chắc khoẻ với đường kính khoảng

từ 0,5 đến 1 cm được ch n lọ ọc Sau đó cắ ỏ ết lá, cắt thàt b h nh từng đoạn có chiều dài từ

khu vực ươm và ươm cho đến khi thành cây đã phát rễ và lá mới Các cây mới sau đó được chuyển vào trồng trong các bể thí nghiệm để tiếp tục phát triển Mật độ c a sủ ậy và

sau khi chúng đã được trồng 05 tháng – v i chi u cao t ớ ề ừ 0,6 đến 0,8 m.Nghiên cứu được

bố trí theo thiết kế thí nghiệm yếu tố Hai yếu tố được nghiên cứu là tả ại n p th y lủ ực

(T1), 1000 mL/phút/m2 (T2) và 1500mL/phút/m2 (T3); và loại cây gồm cỏ sậy, cỏ

tương đương gồm:

Hình 4 C sỏ ậy ( bên trái ) và Vertiver trưởng thành ( bên phải )

- Tả ại n p 1 (T1) ứng với Sậy (S1), Vertiver (V1) + Đối chứng không trồng cây (C1)

- Tả ại n p 2 (T2) ứng với Sậy (S2), Vertiver (V2) + Đối chứng không trồng cây (C2)

- Tả ại n p 3 (T3) ứng với Sậy (S3), Vertiver (V3) + Đối chứng không trồng cây (C3)

2 Thiết kế thí nghiệm

Các nghiệm thức được bố trí theo phương pháp bố trí kh i đố ầy đủ ngẫu nhiên và mỗi nghi m th c 3 l n l p lệ ứ ầ ặ ại có đối ch ng (Bứ ảng 2) Thí nghiệm được thi t k vế ế ận hành với lưu lượng dòng chảy từ 30 đến 90 L/h, thời gian lưu thủy lực (HRT) từ 4,7 đến 14

Bảng 2 Bố trí thí nghi m nghiên cệ ứu

Các nghiệm thức được bố trí theo phương pháp bố trí kh i đố ầy đủ ngẫu nhiên và mỗi nghi m th c 3 l n l p lệ ứ ầ ặ ại có đối ch ng (Bứ ảng 2) Thí nghiệm được thi t k vế ế ận hành với lưu lượng dòng chảy từ 30 đến 90 L/h, thời gian lưu thủy lực (HRT) từ 4,7 đến 14

• Bố trí hệ thống bể thí nghi m: Nguệ ồn nước được bơm lên bể chứa đặt ở độ cao 2,5 m, cách mặt bể thí nghiệm 1,5 m Nước sẽ chảy xuống các bể thí nghiệm

lực/thời gian lưu nước tương ứng với các thí nghiệm

Hình 5 Sơ đồ ệ thống b h ể thí nghiệm

Hệ thống b thi nghi m: Hể ệ ệ thống thí nghiệm gồm có các bể nhựa plastic, mỗi

các bể thí nghiệm có chứa các lớp v t li u l c theo th tậ ệ ọ ứ ự: đá 4×6 cm dày 20 cm, đá 1×2

khối v t li u lậ ệ ọc tương ứng 40% Độ r ng khỗ ối được xác định bằng cách đo lường lượng nước đi qua, xác định theo tỷ lệ giữa thể tích trống (khoảng trống các lỗ hổng giữa các lớp v t li u) ậ ệ trên tổng thể tích (tổng thể tích thực không chứa các lớp v t liậ ệu) Dòng

nước thí nghiệm t b ừ ể chứa đặt trên cao thông qua hệ thống hình xương cá đặ ằm trên t nmặt bể và được đục lỗ nhằm phân phố ều nưới đ c trên bề ặt các bể m

Hình 6 Sơ đồ thiết kế ể thí nghiệm b

xử lý) được thu tại đầu ra c a bủ ể thí nghiệm C ụ thể, sau khi ổn định h ệ thống 3 tu n, ầ ở

chứa nước đầu ra sau quá trình xử lý thông qua hệthống van xả Các mẫu được tiến hành thu liên tục trong 10 tu n v i t n su t thu m u 1 tuầ ớ ầ ấ ẫ ần/lần để đánh giá chất lượng và hiệu quả x ử lý của h ệ thống Quá trình lấy mẫu được th c hi n theo TCVN 6663-1:2011 Chự ệ ất

cứ vào mục đích xem xét hiệu qu x ả ử lý các thành phần cơ bản, nghiên cứu ch ỉtiến hành lấy mẫu phân tích các chấ ữu cơ (COD, BOD5), chấ ắn lơ lửng (TSS) và yế ốt h t r u t vi sinh (fecal coliform) Các mẫu nước được phân tích tại Trung tâm Nghiên cứu Công