đánh giá khả năng xử lý đạm, lân và cân bằng nước của mô hình đất ngập nước nhân tạo xử lý nước thải sau bể tự hoại khoa mt tntn, trồng cây thủy trúc

Nhóm còn lại hầu hết là thuộc về biện pháp xử lý sinh học như xử lý nước thải bằng phương pháp đất ngập nước nhân tạo, bằng ao hồ sinh học, bằng thủy sinh thực vật,… Mặt hạn chế của nhóm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN

KHOA MT & TNTN, TRỒNG CÂY THỦY TRÚC

Cán bộ hướng dẫn: Sinh viên thực hiện:

NGUYỄN THỊ THU VÂN NGUYỄN QUỐC CHÁNH

MSSV: 1100870

Cần Thơ

2013

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

···

···

···

···

···

···

···

···

···

···

···

···

···

···

···

···

···

···

···

···

···

Cần Thơ, ngày tháng năm 2013 Cán bộ hướng dẫn

Nguyễn Thị Thu Vân

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN

···

···

···

···

···

···

···

···

···

···

···

···

···

···

···

···

···

···

···

Cần Thơ, ngày tháng năm 2013

Cán bộ phản biện 1 Cán bộ phản biện 2

Lê Hoàng Việt Phạm Văn Toàn

LỜI CẢM TẠ

Xin trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Cô Nguyễn Thị Thu Vân đã dành nhiều thời gian nhiệt tình hướng dẫn, động viên tinh thần và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn Xin chân thành cám ơn Thầy Lê Hoàng Việt

đã tận tình chỉ bảo, hỗ trợ về mặt kỹ thuật trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Để đạt được kết quả hôm nay, ngoài sự cố gắng của bản thân, còn nhờ nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ và động viên từ gia đình, thầy cô và bạn bè

Xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến:

Cha, Mẹ đã yêu thương, chăm sóc và hỗ trợ con trong suốt thời gian qua

Quý Thầy, Cô trong Bộ môn Kỹ thuật Môi trường và Khoa Môi trường và Tài nguyên Thiên nhiên đã giảng dạy, giúp đỡ và cung cấp nhiều kiến thức quý báu trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện đề tài

Tập thể lớp Kỹ thuật Môi trường K36, đặc biệt là các bạn trong nhóm làm luận văn tốt nghiệp học kỳ này đã nhiệt tình giúp đỡ, trao đổi kiến thức và động viên tôi suốt thời gian chuẩn bị mô hình cũng như trong quá trình thực hiện đề tài

Các anh, chị sinh viên Khoa Môi trường và Tài nguyên Thiên nhiên, các bạn sinh viên lớp Kỹ thuật Môi trường K37 đã nhiệt tình giúp đỡ, khích lệ tôi trong suốt thời gian tiến hành thí nghiệm

Tất cả những người bạn đã sát cánh và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua

TÓM TẮT

Đề tài được thực hiện trên mô hình đất ngập nước nhân tạo chảy ngầm theo phương ngang trước Khoa Môi trường & Tài nguyên Thiên nhiên để đánh giá khả năng xử lý đạm, lân của mô hình đất ngập nước nhân tạo trồng cây Thủy trúc xử lý nước thải sau bể tự hoại Khoa Môi Trường và Tài nguyên Thiên nhiên Mô hình được vận hành với hai thời gian lưu 5 ngày và 6 ngày để so sánh khả năng xử lý Các thông số theo dõi chất lượng nước trước và sau xử lý nhằm đánh giá hiệu suất xử lý của mô hình là COD, và Tổng P được so sánh với QCVN 40:2011/BTNMT, chỉ tiêu pH, SS được đối chiếu với QCVN 14:2008/BTNMT, hàm lượng TKN và NH 4 + và được sử dụng để đánh giá khả năng tái sử dụng nước đầu ra cho mục đích tưới tiêu được so sánh với QCVN 40:2011/BTNMT và QCVN 14:2008/BTNMT

Sau 3 tháng thực hiện đề tài, kết quả thu được:

Ở thời gian lưu 5 ngày hiệu suất xử lý của toàn bộ mô hình là: trên 92% đối với SS, COD

là trên 76%, TKN trên 38%, NH 4 + trên 39% và Tổng P là trên 88% Các chỉ tiêu pH và SS đạt QCVN 14:2008/BTNMT cột A; COD và Tổng P đạt QCVN 40:2011/BTNMT cột A TKN và NH 4 + không đạt QCVN 40:2011/BTNMT và QCVN 14:2008/BTNMT

Ở thời gian lưu 6 ngày hiệu suất xử lý của toàn bô mô hình là trên 95% đối với SS, COD trên 78%, TKN trên 39%, NH 4 + trên 40% và Tổng P trên 89% Các chỉ tiêu pH và SS đạt QCVN 14:2008/BTNMT cột A; COD và Tổng P đạt QCVN 40:2011/BTNMT cột A Riêng hai chỉ tiêu TKN và NH 4 + vẫn không đạt QCVN 40:2011/BTNMT và QCVN 14:2008/BTNMT

Từ ngày 1 đến ngày 70 số thân Thủy trúc ở mô hình A tăng 3,7 lần và mô hình B là 4,2 lần; tổng chiều dài thân của mô hình A tăng 3,7 lần, mô hình B tăng 3,71 lần; sinh khối tươi của thân và lá Thủy trúc tăng đối với mô hình A là 3,79 lần và B là 3,81 lần; Sinh khối tươi của rễ Thủy trúc tăng 3,77 lần đối với mô hình A và mô hình B là 3,8 lần; sinh khối khô của thân và lá Thủy trúc tăng 3,79 lần đối với mô hình A và 3,82 lần đối với mô hình B; Sinh khối khô của rễ Thủy trúc tăng 3,78 lần ở mô hình A và 3,82 lần ở mô hình B

Mặc dù hai chỉ tiêu TKN, NH 4 + không đạt QCVN 40:2011/BTNMT và hiệu suất xử lý của

mô hình nhìn chung không cao, nhưng hiệu quả xử lý các chỉ tiêu còn lại rất đáng kể Mặt khác, đất ngập nước nhân tạo có ưu điểm là dễ vận hành, tiết kiệm thiết bị, nhân công, chi phí đầu tư xây dựng thấp hơn các phương pháp khác, ngoài ra, Thủy trúc là nguồn nguyên liệu dễ tìm trong thiên nhiên nên rất phù hợp để áp dụng ở nước ta

Từ khóa: Thủy trúc, đất ngập nước, đạm, lân

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn này là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình luận văn nào trước đây

Tác giả luận văn

Nguyễn Quốc Chánh

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƯỚNG DẪN i

NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN ii

LỜI CẢM TẠ iii

TÓM TẮT iv

LỜI CAM ĐOAN v

MỤC LỤC vi

DANH SÁCH BẢNG x

DANH SÁCH HÌNH xii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xiv

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

2.1 NƯỚC THẢI SINH HOẠT 3

2.1.1 Nguồn gốc nước thải sinh hoạt 3

2.1.2 Phân loại nước thải sinh hoạt 4

2.1.3 Đặc tính của nước thải sinh hoạt 5

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI 8

2.3 XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO 8

2.3.1 Định nghĩa đất ngập nước nhân tạo 8

2.3.2 Phân loại đất ngập nước nhân tạo 8

2.4 CÁC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ Ô NHIỄM TRONG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO 14

2.4.1 Cơ chế loại bỏ chất rắn lơ lững 14

2.4.2 Cơ chế loại bỏ các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học 14

2.4.3 Cơ chế loại bỏ Nitơ 18

2.4.4 Cơ chế loại bỏ phốt pho 18

2.4.5 Cơ chế loại bỏ kim loại nặng 19

2.4.6 Cơ chế loại bỏ các mầm bệnh 20

2.5 ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM KHI SỬ DỤNG HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP

NƯỚC NHÂN TẠO TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 20

2.5.1 Ưu điểm khi sử dụng hệ thống đất ngập nước nhân tạo trong xử lý nước thải 20

2.5.2 Nhược điểm khi sử dụng hệ thống đất ngập nước nhân tạo trong xử lý nước thải 20

2.5.3 So sánh ưu điểm và nhược điểm của hai kiểu hình đất ngập nước nhân tạo 21 2.6 ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO CÓ DÒNG CHẢY NGẦM 22

2.6.1 Các yếu tố đặc trưng thiết kế của khu đất ngập nước nhân tạo có dòng chảy ngầm 22

2.6.2 Các điều kiện vận hành khu đất ngập nước nhân tạo có dòng chảy ngầm 23

2.7 CÁC ỨNG DỤNG THỰC TẾ CỦA ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 25

2.7.1 Các ứng dụng của đất ngập nước nhân tạo trong xử lý nước thải ở nước ngoài 25

2.7.2 Các ứng dụng của đất ngập nước nhân tạo trong xử lý nước thải ở nước ta 27 2.8 THỦY SINH THỰC VẬT & ỨNG DỤNG THỦY SINH THỰC VẬT TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 28

2.8.1 Sơ lược về thủy sinh thực vật 28

2.8.2 Phân loại thủy sinh thực vật 29

2.8.3 Thành phần của thủy sinh thực vật 30

2.8.4 Vai trò của thủy sinh thực vật trong xử lý nước thải 31

2.9 ƯU ĐIỂM & NHƯỢC ĐIỂM CỦA THỦY SINH THỰC VẬT TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI 31

2.9.1 Ưu điểm của thủy sinh thực vật trong xử lý nước thải 31

2.9.2 Nhược điểm của thủy sinh thực vật trong xử lý nước thải 32

2.10 THỦY TRÚC (Cyperus spp) 32

2.10.1 Sơ lược về cây Thủy trúc 32

2.10.2 Đặc điểm chung của cây Thủy trúc 32

2.10.3 Một số nghiên cứu và ứng dụng của Thủy trúc trong xử lý nước thải và đời

sống 33

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN 36

3.1 ĐỊA ĐIỂM VÀ THỜI GIAN THỰC HIỆN 36

3.2 PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN 36

3.2.1 Vật liệu thí nghiệm 36

3.2.2 Bố trí thí nghiệm 37

3.2.3 Phương pháp tiến hành 39

3.2.4 Các chỉ tiêu theo dõi và cách thu mẫu ……… 41

3.3.5 Phương pháp và phương tiện phân tích các chỉ tiêu 41

3.3.6 Các công thức tính toán 43

3.3.7 Phương pháp xử lý số liệu 45

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 46

4.1 MÔ HÌNH ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO 46

4.2 ĐẶC TÍNH CỦA NƯỚC THẢI SAU BỂ TỰ HOẠI 46

4.3 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ĐỊNH HƯỚNG 47

4.3.1 Thí nghiệm 1: Thí nghiệm được vận hành ở thời gian lưu 4 ngày 47

4.3.2 Thí nghiệm 2: Thí nghiệm được vận hành ở thời gian lưu 5 ngày 48

4.3.3 Thí nghiệm 3: Thí nghiệm được vận hành ở thời gian lưu 6 ngày 49

4.4 THÍ NGHIỆM CHÍNH THỨC 50

4.4.1 Thí nghiệm 4: thí nghiệm được vận hành ở thời gian lưu 5 ngày 50

4.4.2 Thí nghiệm 5: thí nghiệm được vận hành ở thời gian lưu 6 ngày 56

4.4.3 Nhận xét chung từ các kết quả đạt được ở hai thí nghiệm chính thức 63

4.4.4 Sự phát triển của Thủy trúc 64

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67

5.1 KẾT LUẬN 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

PHỤ LỤC A 70

PHỤ LỤC B 73

PHỤ LỤC C 89

DANH SÁCH BẢNG

2.1 Tiêu chuẩn cấp nước ở khu vực đô thị và nông thôn ở nước ta 3

2.2 Tiêu chuẩn nước thải sinh hoạt của các khu dân cư đô thị 3

2.3 Lượng chất bẩn của một người trong một ngày xả vào hệ thống thoát

nước

5

2.5 Khối lượng chất bẩn có trong nước thải sinh hoạt 6

2.6 Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt chưa được xử

lý

7

2.7 Hiệu quả xử lý của hệ thống có dòng chảy ngầm theo phương ngang 13

2.8 Các điều kiện tối ưu cho quá trình nitrat hóa 17

2.9 So sánh ưu và nhược điểm của hai kiểu hình đất ngập nước nhân tạo 21

2.10 Đặc điểm của một số loại nguyên liệu dùng trong xây dựng các

(SFS)

23

2.11 Các thông số tiêu biểu để thiết kế đất ngập nước chảy ngầm (SFS) 23

2.13 Vai trò của thủy sinh thực vật trong các hệ thống xử lý 31

4.3 Giá trị COD của thí nghiệm định hướng ở thời gian lưu 4 ngày 47

4.4 Hiệu suất xử lý COD của thí nghiệm định hướng ở thời gian lưu 4

ngày

48

4.5 Giá trị COD ở thí nghiệm định hướng ở thời gian lưu 5 ngày 48

4.6 Hiệu suất xử lý COD của thí nghiệm định hướng ở thời gian lưu 5

ngày

48

4.7 Giá trị COD ở thí nghiệm định hướng ở thời gian lưu 6 ngày 49

4.8 Hiệu suất xử lý COD của thí nghiệm định hướng ở thời gian lưu 6

ngày

49

4.9 Cân bằng nước của thí nghiệm chính thức ở thời gian lưu 5 ngày 50

4.10 Đặc tính nước thải của thí nghiệm chính thức ở nghiệm thức A với

4.11 Đặc tính nước thải của thí nghiệm chính thức ở nghiệm thức B với

4.12 Cân bằng nước của thí nghiệm chính thức ở thời gian lưu 6 ngày 57

4.13 Đặc tính nước thải của thí nghiệm chính thức ở nghiệm thức A với

4.14 Đặc tính nước thải của thí nghiệm chính thức ở nghiệm thức B với

thời gian lưu 6 ngày

58

2.4 Hệ thống đất ngập nước nhân tạo chảy ngầm theo phương thẳng

2.6 Cơ chế loại bỏ Nitơ trong hệ thống đất ngập nước 18

2.7 Hệ thống xử lý nước thải “hình bườm” trồng cây thủy sinh xử lý

nước thải đồng thời tạo cảnh quan

26

2.8 Một số ứng dụng của Thủy trúc trong đời sống 35

3.5 Mô hình đất ngập nước nhân tạo trước khi tiến hành đề tài 39

3.6 Mô hình đất ngập nước khi lấy hết vật liệu lọc 39

3.7 Đá 1 cm x 2 cm sử dụng làm vật liệu lọc trong thí nghiệm 40

3.8 Sơ đồ cân bằng nước trong hệ thống đất ngập nước nhân tạo 44

4.1 Giá trị pH của thí nghiệm chính thức ở thời gian lưu 5 ngày 52

4.2 Giá trị DO của thí nghiệm chính thức ở thời giab lưu 5 ngày 52

4.3 Giá trị SS của thí nghiệm chính thức ở thời gian lưu 5 ngày 53

4.4 Giá trị COD của thí nghiệm chính thức ở thời gian lưu 5 ngày 53

4.5 Giá trị NH4+ của thí nghiệm chính thức ở thời gian lưu 5 ngày 54

4.6 Giá trị TKN của thí nghiệm chính thức ở thời gian lưu 5 ngày 55

4.7 Giá trị Tổng P của thí nghiệm chính thức ở thời gian lưu 5 ngày 56

4.8 Giá trị pH của thí nghiệm định hướng ở thời gian lưu 6 ngày 59

4.9 Giá trị DO của thí nghiệm chính thức ở thời gian lưu 6 ngày 59

4.10 Giá trị SS của thí nghiệm chính thức ở thời gian lưu 6 ngày 60

4.11 Giá trị COD của thí nghiệm chính thức ở thời gian lưu 6 ngày 61

4.12 Giá trị NH4+ của thí nghiệm chính thức ở thời gian lưu 6 ngày 61

4.13 Giá trị TKN của thí nghiệm chính thức ở thời gian lưu 6 ngày 62

4.14 Giá trị TKN của thí nghiệm chính thức ở thời gian lưu 6 ngày 62

4.15 Sự phát triển số thân và số chồi của Thủy trúc theo thời gian 64

4.16 Sự phát triển chiều dài của Thủy trúc theo thời gian 64

4.17 Sự phát triển sinh khối tươi của Thủy trúc theo thời gian 65

4.18 Sự phát triển sinh khối khô của thân và lá Thủy trúc theo thời

gian

65

4.19 Sự phát triển sinh khối khô của rễ Thủy trúc theo thời gian 66

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh hóa

COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học CSFW Constructed Subsurface Flow Wetland Đất ngập nước kiến tạo

chảy ngầm CFFW Constructed Free surfate Flow Wetland Hệ thống đất ngập nước

nhân tạo chảy mặt tự do

SFS Subsurface Flow System Đất ngập nước nhân tạo

có dòng chảy dọc TKN Total Kjeldahl Nitrogen Tổng Nitơ Kjeldahl

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

Sự gia tăng dân số cùng với tốc độ đô thị hóa, công nghiệp hóa ngày càng nhanh đã tạo ra một sức ép lớn đến môi trường sống ở nước taHầu hết các sông, hồ ở các thành phố lớn, nơi có dân cư đông đúc và nhiều khu công nghiệp điều bị ô nhiễm nặng Nguyên nhân chính là do lượng nước thải sinh hoạt và công nghiệp chưa được xử lý tốt mà đổ thẳng vào các ao, hồ, sông, rạch,… Ngoài ra, nhiều nhà máy

và cơ sở sản xuất như các lò mổ và ngay cả bệnh viện cũng không được trang bị hệ thống xử lý nước thải đạt chuẩn

Hậu quả của tình trạng ô nhiễm nước là tỉ lệ người chết do các bệnh như: đau mắt

đỏ, tiêu chảy, ung thư,… ngày càng tăng lên Ngoài ra, tình trạng ô nhiễm nước cũng ảnh hưởng lớn đến đời sống của sinh vật và môi trường sinh thái

Hiện nay, có rất nhiều phương pháp xử lý nước thải khác nhau, tùy thuộc vào từng ngành nghề, loại hình nước thải, nguồn vốn, điều kiện sở tại,… Trước hết là nhóm biện pháp sử dụng khoa học kỹ thuật cao, ưu điểm của nhóm này là hiệu quả xử lý cao, chỉ cần thời gian ngắn và diện tích nhỏ Nhưng ngược lại để ứng dụng được biện pháp này thì chi phí đầu tư cho xây dựng, vận hành, bảo trì,… là rất cao mà không thể nơi nào cũng áp dụng được Nhóm còn lại hầu hết là thuộc về biện pháp

xử lý sinh học như xử lý nước thải bằng phương pháp đất ngập nước nhân tạo, bằng

ao hồ sinh học, bằng thủy sinh thực vật,… Mặt hạn chế của nhóm này chủ yếu là cần diện tích lớn nhưng chúng có nhiều ưu điểm như sự tận dụng kết hợp của cả ba quá trình sinh, lý, hóa xảy ra trong tự nhiên; dễ vận hành và không cần nhiều chi phí đầu tư cho xây dựng vận hành bảo trì,…

Với những ưu điểm đó thì biện pháp xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là rất phù hợp với điều kiện tự nhiên và điều kiện kinh tế - xã hội ở nước ta Bởi lẽ nước ta hiện tại là một nước đang trên đà phát triển còn gặp nhiều khó khăn về kinh

tế cũng như nguồn nhân lực có trình độ Do cơ cấu nền kinh tế đang chuyển dần từ nền kinh tế với nông nghiệp là chủ yếu sang công nghiệp và dịch vụ Với sự chuyển dịch đó thì nhiều cơ sở sản xuất mọc lên chủ yếu là với quy mô vừa và nhỏ, đa số các doanh nghiệp hay cơ sở sản xuất này điều gặp khó khăn về nguồn vốn cho nên phương pháp xử lý bằng sinh học nói chung cũng như xử lý bằng mô hình đất ngập nước nói riêng rất phù hợp với điều kiện kinh tế của họ

Hiện nay, nước ta đã có nhiều nghiên cứu dùng thủy sinh thực vật để xử lý nước thải như: dùng Lục Bình, Cỏ Vetiver, Bèo Tai Tượng, Bèo Cám, Rau Dừa Nước, Rau Muống, Sậy, Môn Cảnh, Vạn Niên Thanh, Ngãi Hoa,… Các loài thủy sinh thực vật này có nhiều ưu điểm nổi bậc trong vấn đề xử lý nước thải như sinh khối tăng nhanh, hiệu quả xử lý chất thải hữu cơ trong nước khá cao Tuy nhiên, ngoài những

ưu điểm nổi bật thì chúng cũng có một vài khuyết điểm như: khi tăng trưởng cực

đại sẽ gây tái ô nhiễm thứ cấp; Dễ bị sâu bệnh tấn công, hiệu quả xử lý không cao

và hầu hết là cần phải thu hoạch thường xuyên

Trong khi đó Thủy Trúc là loại cây thân và lá cỏ sống lâu năm, có nhiều ưu điểm vượt trội như: sinh trưởng và phát triển mạnh, có thể sống trong môi trường khô hạn, ngập úng hay ô nhiễm hữu cơ cao, phân bố rộng khắp và ưu điểm được cho là nổi trội nhất ở Thủy Trúc so với những thủy sinh thực vật khác là Thủy Trúc có hình dáng khá đẹp mắt rất phù hợp để nghiên cứu sử dụng cho những mô hình đất ngập nước nhân tạo bỡi lẽ một công trình xử lý nước thải tốt toàn diện không chỉ thiên về xử lý tốt, ít tốn kém mà còn phải mang lại vẽ mỹ quan cho khu vực xử lý,

vì thế đề tài “Đánh giá khả năng hấp thu đạm, lân & cân bằng nước của mô hình đất ngập nước nhân tạo xử lý nước thải sau bể tự hoại Khoa Môi trường và Tài nguyên Thiên nhiên trồng cây Thủy trúc” được tiến hành

Mục tiêu của đề tài: đánh giá khả năng hấp thu đạm, lân trong nước thải sau bể tự hoại Khoa Môi trường và Tài nguyên Thiên nhiên của mô hình đất ngập nước nhân tạo trồng cây Thủy trúc, đồng thời theo dõi cân bằng nước của mô hình

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU2.1 NƯỚC THẢI SINH HOẠT

2.1.1 Nguồn gốc nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt là nước thải có nguồn gốc phát sinh từ các hộ dân cư, các khu thương mại hay các cơ quan hành chính, bao gồm nước tắm giặt, nấu nướng,… Loại nước thải này có lưu lượng biến thiên theo giờ trong ngày, theo thời tiết, theo các thiết bị sử dụng nước và khả năng cấp nước sinh hoạt của cộng đồng đó (Lê Hoàng Việt, 2003)

Trong nước thải sinh hoạt chứa nhiều chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học, ngoài ra còn có cả thành phần vô cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh rất nguy hiểm (Lâm

Minh Triết et al., 2006)

Lượng nước thải sinh hoạt của khu dân cư được xác định trên cơ sở nước cấp

Bảng 2.1 Tiêu chuẩn cấp nước ở khu vực đô thị và nông thôn ở nước ta

(Trịnh Xuân Lai, 2009)

Bảng 2.2 Tiêu chuẩn nước thải sinh hoạt của các khu dân cư đô thị

Đối tượng Nước thải sinh hoạt (lít/người/ngày)

Nước thải sinh hoạt có thể được xử lý sơ bộ bằng bể tự hoại hoặc bãi lọc ngầm trước khi thải ra nguồn tiếp nhận:

Khu vực Tiêu chuẩn cấp nước (lít/người/ngày)

Nước thải Nước thải Sông chưa xử lý xử lý sơ bộ rạch

Nước thải Nước thải đã xử lý Sông

chưa xử lý rạch

Hình 2.1 Sơ đồ xử lý sơ bộ nước thải sinh hoạt trước khi thải ra nguồn tiếp nhận

(Lê Hoàng Việt, 2003)

2.1.2 Phân loại nước thải sinh hoạt

a Phân loại theo nguồn gốc hình thành

Nước thải sinh hoạt sinh ra từ các hộ gia đình có thể phân ra thành hai loại:

Nước thải không chứa phân, nước tiểu và các loại chế phẩm từ các thiết bị vệ sinh

như bồn tắm, chậu giặc, chậu rửa mặt Loại nước thải này chủ yếu chứa các chất rắn

lơ lửng, chất tẩy thường gọi là “nước xám” Nồng độ chất hữu cơ trong loại nước

thải này thấp và thường khó phân hủy sinh học Loại nước thải này chứa nhiều tạp

chất vô cơ

Nước thải chứa phân, nước tiểu từ các khu vệ sinh (toilet) còn gọi là “nước đen”

trong nước thải tồn tại các loại vi khuẩn gây bệnh và dễ gây mùi hôi thối Nồng độ

các chất hữu cơ và dinh dưỡng như nitơ, phốt pho trong nước cao Loại nước thải

này gây nguy hại đến sức khỏe và dễ làm nhiễm bẩn nguồn nước mặt Tuy nhiên

chúng thích hợp làm phân bón hoặc tạo khí sinh học (Trần Đức Hạ, 2002)

b Phân loại theo đối tượng thoát nước

Dựa theo đối tượng thoát nước, người ta phân chia nước thải sinh hoạt thành hai

nhóm:

Nước thải sinh ra từ các hộ gia đình, khu dân cư

Nước thải sinh ra từ các công trình, dịch vụ, công cộng như: bệnh viện, khách sạn,

c Phân loại theo đặc điểm hệ thống thoát nước

Theo đặc điểm của hệ thống thoát nước sẽ hình thành nên hai loại nước thải:

Nước thải hệ thống thoát nước riêng: nước thải từ các thiết bị vệ sinh được thu gom

và vận chuyển về trạm xử lý theo tuyến cống riêng

Nước thải hệ thống thoát nước chung: các loại nước thải sinh hoạt (nước xám và nước đen) cùng với nước mưa được thu gom và vận chuyển theo đường cống chung

về trạm xử lý Trong một số trường hợp, nước đen được xử lý sơ bộ tại chỗ qua các công trình như bể tách dầu, mỡ, bể tự hoại, sau đó cùng nước xám xả vào tuyến thoát nước chung

Việc phân loại nước thải theo hệ thống thoát nước phu thuộc vào đối tượng thoát nước, đặc điểm hệ thống thoát nước và các điều kiện tự nhiên, điều kiện kinh tế xã hội (Trần Đức Hạ, 2002)

2.1.3 Đặc tính của nước thải sinh hoạt

Các chỉ tiêu cơ bản đặc trưng cho thành phần các chất bẩn trong nước thải sinh hoạt

là hàm lượng cặn lơ lững (SS), nhu cầu oxy sinh hóa (BOD), nồng độ nitơ amoni,

số coliform,… lượng chất bẩn tính theo chỉ tiêu lơ lửng, BOD5,… do một người trong một ngày xả vào hệ thống thoát nước sinh hoạt của một số nước được nêu trong TCVN 7957 – 2008

Bảng 2.3 Lượng chất bẩn của một người trong một ngày xả vào hệ thống thoát nước

Chỉ tiêu Giá trị, g/người.ngày

Bảng 2.4 Đặc tính của nước thải sinh hoạt (mg/L) Chỉ tiêu

Nồng độ Cao Trung bình Thấp

(Lê Hoàng Việt, 2000)

Theo Trần Đức Hạ (2002) các chất bẩn trong nước thải sinh hoạt có nguồn gốc từ hoat động của con người Các thành phần ô nhiễm cần quan tâm trong nước thải sinh hoạt là:

Các chất rắn (chủ yếu là chất rắn lơ lửng)

Các chất hữu cơ (chủ yếu là các chất phân hủy sinh học)

Các chất dinh dưỡng (các hợp chất của nitơ và phốt pho)

Bảng 2.6 Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt chưa được xử lý

Các chỉ tiêu

Nồng độ Nhẹ Trung bình Nặng

Chất hữu cơ bay hơi, µg/L <100 100 ÷ 400 >400

(Lâm Minh Triết et al., 2006)

Như vậy nước thải sinh hoạt của đô thị, các khu dân cư và cơ sở dịch vụ, công trình công cộng có khối lượng lớn, hàm lượng chất bẩn cao, nhiều vi khuẩn gây bệnh là một trong những nguồn gây ô nhiễm chính đối với môi trường nước

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Dựa vào bản chất của phương pháp xử lý nước thải, người ta có thể chia chúng thành phương pháp lý học, hóa học và sinh học Một hệ thống xử lý hoàn chỉnh thường hợp đủ ba thành phần kể trên Tuy nhiên, tùy theo tính chất của nước thải, mức độ tài chính và yêu cầu xử lý mà người ta chọn phương pháp xử lý thích hợp (Lê Hoàng Việt, 2000)

Trong đó, phương pháp sinh học là phương pháp xử lý thứ cấp được tiến hành sau giai đoạn xử lý lý học, phương pháp này chủ yếu dựa vào hoạt động phân hủy các chất hữu cơ của vi sinh vật trong điều kiện hiếu khí hay yếm khí Các quá trình sinh học có thể diễn ra trong các khu vực tự nhiên hoặc các bể được thiết kế và xây dựng

để phục vụ cho việc xử lý nước thải (Mitsch and Gosselink, 2000; Trần Đức Hạ,

2002)

2.3 XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO

2.3.1 Định nghĩa đất ngập nước nhân tạo

Đất ngập nước nhân tạo là một hệ thống được thiết kế và xây dựng dựa trên mô phỏng các quá trình tự nhiên liên quan đến thảm thực vật ngập nước, đất và sinh vật trong cùng một hệ thống để hỗ trợ cho việc xử lý nước thải Chúng được thiết kế để tận dụng lợi thế của nhiều quá trình xảy ra trong vùng đất ngập nước tự nhiên với một môi trường có kiểm soát (Vymazal, 2008)

Đất ngập nước nhân tạo được định nghĩa là một hệ thống công trình xử lý nước thải được thiết kế và tạo dựng mô phỏng có điều chỉnh theo tính chất của đất ngập nước

tự nhiên với cây trồng chọn lọc (Lê Anh Tuấn et al., 2009) Đất ngập nước nhân

tạo được xây dựng cho mục đích chính là xử lý nước thải

2.3.2 Phân loại đất ngập nước nhân tạo

Các mô hình đất ngập nước nhân tạo ứng dụng trong xử lý nước thải được thiết kế theo hệ thống dòng chảy của nước được phân loại như sau:

Hình 2.2 Phân loại các kiểu đất ngập nước nhân tạo

(Lê Anh Tuấn et al., 2009)

Có hai kiểu hệ thống xử lý nước thải bằng đất ngập nước nhân tạo cơ bản là: hệ thống đất ngập nước nhân tạo chảy mặt tự do (Constructed Free surface Flow Wetlands – CFFW) và hệ thống đất ngập nước nhân tạo chảy ngầm (Constructed Subsurface Flow Wetlands – CSFW) Hai kiểu phân biệt cơ bản này lại được phân chia theo nhiều kiểu khác nhau theo chức năng xử lý của loại thực vật được trồng và đặc điểm dòng chảy

Trong một số trường hơp, một số hệ thống xử lý kiểu lai (hybdrid treatment system), bằng cách kế hợp pha cả hai hệ thống đất ngập nước cơ bản trên (Lê Anh

Tuấn et al., 2009)

Đất ngập nước nhân tạo chảy ngầm

Đất ngập nước nhân tạo chảy ngầm theo phương ngang

Đất ngập nước nhân tạo chảy ngầm theo phương đứng

ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO

Đất ngập nước nhân tạo xử lý kiểu lai

Kết hợp giữa đất ngập nước nhân tạo

chảy mặt và chảy ngầm

Kết hợp đất ngập nước nhân tạo chảy ngầm theo phương ngang và đứng

Đất ngập nước nhân tạo chảy mặt

Đất ngập nước nhân tạo chảy mặt với cây

thân lớn mọc vượt trên nước

Đất ngập nước nhân tạo chảy mặt với cây

thân lớn nổi tự do trên mặt nước

Đất ngập nước nhân tạo chảy mặt với

cây thân lớn, lá nổi, rễ đáy

Đất ngập nước nhân tạo chảy mặt với

cây thân lớn mọc tự do kiểu kết thảm

Đất ngập nước nhân tạo chảy mặt với

cây thân lớn mọc chìm trong nước

a Đất ngập nước nhân tạo chảy mặt

Những hệ thống này thường là lưu vực chứa nước hoặc các kênh dẫn nước, với lớp lót bênh dưới để ngăn sự rò rỉ nước, đất hoặc các lớp lọc thích hợp khác hỗ trợ cho

thực vật nổi

Đất ngập nước nhân tạo chảy mặt thường thích hợp với các loại cây phát triển với

độ ngập nước dưới 0,4 m (Kadlec et al., 2000) Chiều sâu lớp đất nền trong đất

ngập nước nhân tạo chảy mặt thường vào khoảng 0,6 – 1 m, đáy nền được thiết kế

có độ dốc để tối thiểu hóa dòng chảy tràn trên bề mặt Người ta phân biệt các dạng đất ngập nước nhân tạo chảy mặt chủ yếu qua loại thực vật thủy sinh trồng trên đó

(Lê Anh Tuấn et al., 2009)

Hình 2.3 Đất ngập nước nhân tạo dòng chảy mặt (Gauss Martin, 2008)

b Đất ngập nước nhân tạo chảy ngầm

Đất ngập nước nhân tạo chảy ngầm được thiết kế như một thủy vực hoặc một kênh dẫn với đáy không thấm hoặc lót đất sét với độ thấm nhỏ để ngăn cản hiện tượng thấm ngang và có một chiều sâu các lớp dẫn thấm thích hợp để cây trồng thủy sinh

phát triển được (Lê Anh Tuấn et al., 2009)

Có hai kiểu đất ngập nước nhân tạo chảy ngầm phân loại theo tính chất dòng chảy:

Hệ thống đất ngập nước nhân tạo chảy ngầm theo phương thẳng đứng:

Hệ thống này có dòng chảy từ trên xuống bao gồm lớp vật liệu lọc sỏi, đá ở tầng đáy và ngay trên là lớp cát có trồng thực vật bậc cao Vật liệu đá, sỏi có kích thước lớn được thiết kế nằm ở tầng đáy (20 – 60 mm), lớp vật liệu cát có kích thước nhỏ hơn được thiết kế ở trên (6 mm) Nước thải được đưa vào hệ thống qua hệ thống ống dẫn trên bề mặt Nước sẽ chảy xuống dưới thấm qua các lớp vật liệu lọc theo chiều thẳng đứng Ở gần dưới đáy có ống thu nước đã xử lý để đưa ra ngoài Ở hệ thống này oxy trong không khí khuếch tán từ trên xuống tầng đáy và lượng oxy này đóng vai trò quan trọng trong quá trình nitrat hóa Theo Vymazal (2003) lượng oxy khuếch tán cung cấp oxy cho quá trình nitrat hóa nhiều hơn đáng kể so với lượng oxy thực vật vận chuyển Các hệ thống này thường xuyên được sử dụng để xử lý lần hai cho nước thải đã qua xử lý lần một Thực nghiệm đã chỉ ra là nó phụ thuộc vào

xử lý sơ bộ như bể lắng, bể tự hoại Hệ thống đất ngập nước cũng có thể được áp dụng như một giai đoạn của xử lý sinh học

Hình 2.4 Hệ thống đất ngập nước nhân tạo chảy ngầm theo phương thẳng đứng

(Gauss Martin, 2008)

Hệ thống đất ngập nước nhân tạo chảy ngầm theo phương ngang:

Kiểu hệ thống này sớm được phát hiện ở Đức năm 1974 vùng Othfrensen Hệ thống này còn được gọi là kểu hệ thống xử lý vùng rễ (root zone method)

Hệ thống này được gọi là dòng chảy ngang vì nước thải được đưa vào và chảy chậm qua tầng lọc xốp dưới bề mặt của nền trên một đường ngang cho tới khi nó tới được nơi dòng chảy ra Trong suốt thời gian này, nước thải sẽ tiếp xúc với một mạng lưới

hoạt động của các đới hiếu khí, hiếm khí và kị khí Các đới hiếu khí ở xung quanh

rễ và bầu rễ, nơi lọc oxy vào trong bề mặt Khi nước thải chảy qua đới rễ, nó được làm sạch bởi sự phân hủy sinh học của vi sinh vật bởi các quá trình hóa sinh Loại thực vật sử dụng phổ biến trong các hệ thống này là cây Sậy và một số loài khác như Thủy trúc, Cỏ đuôi mèo,…

Đặc điểm nổi bật của hệ thống này là chất hữu cơ trong nước thải bị phân hủy mạnh

mẽ trong điều kiện hiếu khí hay yếm khí bởi hệ vi sinh vật sống ở vùng rễ Oxy cần thiết cho quá trình phân hủy hiếu khí được cung cấp thông qua quá trình khuếch tán oxy từ khí quyển hay quá trình vận chuyển oxy của hệ thống rễ Tuy nhiên, lượng oxy cung cấp này không đủ cho quá trình phân hủy hiếu khí Do vậy, trong hệ thống dòng chảy ngầm theo phương ngang còn diễn ra quá trình phân hủy yếm khí, và đây

là quá trình phân hủy quan trọng của hệ thống (Vymazal, 2003) Bên cạnh đó, chất rắn lơ lững chưa được loại bỏ ở giai đoạn tiền xử lý cũng được xử lý triệt để trong

hệ thống Nitơ bị loại trừ trong hệ thống do quá trình nitrat hóa, phản nitrat, quá trình hấp thu của thực vật, hấp phụ và quá trình bay hơi (không đóng vai trò quan trọng) Vymazal (2003) cho rằng quá trình nitrat hóa không diễn ra nếu nồng độ oxy hòa tan thấp hơn 0,5 mg/L Quá trình khử nitrat bị tác động mạnh bởi sự bốc thoát hơi nước Sự bốc thoát hơi nước diễn ra mạnh mẽ làm tầng rễ kém bão hòa nước vì vậy quá trình hiếu khí chiếm ưu thế ở tầng rễ Quá trình khử nitrat phụ thuộc vào nguồn cacbon và thế oxy hóa khử trong hệ thống

Quá trình khử lân diễn ra do sự trao đổi các liên kết, nhóm OH- (hydroxyl được thay thế bởi nhóm PO43- diễn ra trên bề mặt của các hydroxyt của Al và Fe) Tuy nhiên, lớp vật liệu nền của hệ thống này thường chứa rất ít Al, Fe và Ca do vậy khả năng loại bỏ phốt pho của hệ thống rất thấp

Khả năng hấp thu của thực vật trong hệ thống bị hạn chế do ảnh hưởng của điều kiện khí hậu lạnh khu vực ôn đới và khu vực lạnh hơn Tuy nhiên, những vùng nhiệt đới cơ chế hấp thu chất dinh dưỡng trong nước thải của thực vật diễn ra mạnh mẽ và đặc biệt là vùng cận nhiệt

Hình 2.5 Hệ thống đất ngập nước nhân tạo chảy ngầm theo phương ngang

Thông

số

Tải lượng trung bình

Hiệu suất (%)

2.4 CÁC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ Ô NHIỄM TRONG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO

2.4.1 Cơ chế loại bỏ chất rắn lơ lững

a Ở hệ thống đất ngập nước nhân tạo kiểu chảy mặt

Chất rắn ở dạng hạt được giữ lại trong hệ thống qua sự lắng tự nhiên hay do sự giữ lại các vật chất phân hủy Bên cạnh đó, oxy sinh ra trong quá trình quang hợp của tảo hay sự hình thành khí methane trong điều kiện yếm khí cũng thúc đẩy sự kết bông và lắng xuống của chất rắn lơ lửng

Trầm tích và vật chất phân hủy ở kích thước hiển vi trong hệ thống dễ bị xáo trộn

do hoạt động di chuyển của hệ động vật trong hệ thống: cá, động vật hữu nhũ, chim,… và kết quả của quá trình này làm tăng nồng độ TSS trong hệ thống (IWA specialist group, 2000)

b Ở hệ thống đất ngập nước nhân tạo kiểu chảy ngầm

Chất rắn lơ lững trong hệ thống chảy ngầm được giữ lại trong các tế khổng của đất khi dòng nước chảy qua hay quá trình làm giảm vận tốc dòng chảy khi dòng chảy gặp chướng ngại là thân, rễ thực vật trong hệ thống Ở hệ thống chảy ngầm cũng xuất hiện quá trình làm tăng nồng độ TSS trong điều kiện phân hủy của xác bã động thực vật, sự vỡ vụng của rễ cây, sự phát triển và chất đi của tảo và nấm (IWA specialist group, 2000)

c Cơ chế loại bỏ các chất rắn (SS)

Ở các hệ thống xử lý nước thải bằng thủy sinh thực vật, thời gian lưu tồn của nước thải khá cao, do đó có khả năng loại cặn bã, chất rắn lơ lửng và cả chất rắn nổi Các hạt keo hay chất rắn không lắng được sẽ bị loại bỏ một phần bởi quá trình hoạt động của các vi sinh vật, bởi sự va chạm và kết dính với các chất rắn khác

Các chất rắn nổi bám vào bề mặt các thực vật và bị phân hủy bởi hoạt động của vi sinh vật hiếu khí Các chất rắn lắng được sẽ lắng xuống đáy ao và bị phân hủy bởi

vi sinh vật yếm khí Nồng độ SS đầu ra phụ thuộc vào vận tốc nước, loại thực vật và thời điểm trong năm, thường rất thấp dưới 20 mg/L hay 10 mg/L

2.4.2 Cơ chế loại bỏ các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học

Trong các hệ thống đất ngập nước nhân tạo, sự phân hủy sinh học đóng vai trò lớn nhất trong việc loại bỏ chất hữu cơ dạng hòa tan hay dạng keo có khả năng phân hủy sinh học (BOD) trong nước thải 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 rễ và những phần vật liệu lọc xung quanh, nhờ quá trình khuếch tán Vai trò của thực vật trong hệ thống là:

Cung cấp môi trường thích hợp cho vi sinh vật thực hiện quá trình phân hủy sinh học cư trú

Vận chuyển oxy và vùng rễ để cung cấp cho quá trình phân hủy sinh học trong bộ

(herterotrophs) sử dụng cacbon sinh ra trong quá trình phân hủy vật chất hữu cơ và

vi sinh vật tự dưỡng (autotrophs) sử dụng CO2 Trong hệ thống đất ngập nước xử lý

ô nhiễm nhóm vi sinh vật dị dưỡng đóng vai trò quan trọng vì đầu vào của hệ thống rất giàu chất hữu cơ

Sự phân hủy hiếu khí:

Sự phân hủy hiếu khí diễn ra hầu hết các loại nước thải tuy nhiên tốc độ diễn ra chậm do sự giới hạn vi sinh vật trong nước Quá trình phân hủy chủ yếu diễn ra trên màng sinh học trên bề mặt chất rắn, bao gồm trầm tích, đất, vật chất phân hủy và các bộ phận của thực vật chìm trong nước (IWA specialist group, 2000)

Sự phân hủy yếm khí:

Sự phân hủy yếm khí diễn ra nhiều giai đoạn với sự tham gia của nhóm vi sinh vật

tùy nghi (facultative micro-organism) hay nhóm vi sinh vật dị dưỡng bắt buộc Sản

phẩm sinh ra ở giai đoạn đầu là axit acetic, axit butyric, axit latic, rượu và các khí khác

Axit acetic được sinh ra chủ yếu trong điều kiện đất hay trầm tích ngập nước Nhóm

vi sinh vật khử sunphate sử dụng axit acetic khi H2SO4 thành H2S Quá trình hình thành H2S phụ thuộc vào cấu trúc phức tạp của quần xã vi sinh vật tùy nghi đối với chất nền, nó sống thông qua quá trình biến dưỡng của chúng

Nhóm vi sinh vật sinh khí CH4 hoạt động sau đó và chúng chỉ hoạt động trong khoảng pH = 6,5 ÷ 7,5 Vì vậy nhóm vi sinh vật sinh axit hoạt động mạnh mẽ sẽ làm hệ thống có mùi hôi (IWA specialist group, 2000)

2.4.3 Cơ chế loại bỏ Nitơ

Nồng độ nitơ là chỉ tiêu quan trọng trong nước thải Nitơ chủ yếu hiện diện trong vùng đất ngập nước bao gồm nitơ hữu cơ, amoni, amonium, nitrit, nitrat và khí nitơ Các dạng vô cơ cũng là yếu tố cần thiết cho sự tăng trưởng của cây trồng trong hệ sinh thái nước ngập, thiếu lượng nitơ thì sẽ hạn chế hoặc kiểm soát sự phát triển của sinh khối Việc loại bỏ nitơ khỏi nước rất quan trọng bởi vì chất độc amoni cao có thể làm chết cá Nếu liều lượng nitrat vượt quá mức cho phép có thể gây ra chứng rối loạn máu của trẻ con, làm giảm khả năng vận chuyển oxy trong máu (Lê Anh

Tuấn et al., 2009)

Trong hệ thống đất ngập nước, sự chuyển hóa của N2 xảy ra trong các tầng oxy hóa khử của đất, bề mặt tiếp xúc giữa rễ và đất, phần ngập nước của thực vật có thân nhô lên mặt đất N2 được loại bỏ trong hệ thống nhờ ba cơ chế sau:

Sự bay hơi của NH3

Sự hấp thụ của thực vật

Nitrat hóa/ khử nitrat

Amoni bị oxy hóa bởi vi sinh vật nitrit vùng tiếp xúc với không khí Nitơ hữu cơ bị khoáng hóa trong quá trình thủy phân bởi nhóm vi sinh vật phân hủy Nitrat được chuyển sang khí N2 tự do hay N2O bởi nhóm vi sinh vật khử nitrit vùng thiếu oxy Oxy cung cấp cho quá trình nitrit hóa khuếch tán từ không khí xuống vùng rễ qua

hệ thống rễ thực vật Thực vật cũng hấp thu nitơ và lượng nitơ trả lại cho đất khi chúng chết và bị phân hủy Bên cạnh đó, quá trình bay hơi của nitơ cũng góp phần vào quá trình loại bỏ nitơ của hệ thống

Quá trình amon hóa (khoáng hóa):

Quá trình khoáng hóa là quá trình chuyển nitơ hữu cơ sang dạng N – NH4+ Quá trình khoáng hóa diễn ra nhanh trong điều kiện hiếu khí và chậm dần khi môi trường chuyển sang dạng yếm khí Quá trình amon hóa phụ thuộc vào nhiệt độ, tỉ lệ C:N, lượng chất dinh dưỡng có sẵn trong hệ thống, các điều kiện vê đất: cấu trúc và

sa cấu đất Giá trị pH thích hợp cho quá trình amon hóa diễn ra là 6,5 ÷ 8,5 (IWA Specialist group, 2000)

Quá trình nitrit và nitrat hóa:

Quá trình này được định nghĩa là quá trình oxy hóa sinh học chuyển dạng NH4+sang dạng NO3- thông qua dạng nitrit NO2- Vi khuẩn nitrit hóa sử dụng năng lượng sinh ra trong quá trình oxy hóa NH4+ thành NO3- và sử dụng CO2 là nguồn cung cấp cacbon cho tế bào

Quá trình nitrit và nitrat hóa diễn ra hai giai đoạn:

Bảng 2.8 Các điều kiện tối ƣu cho quá trình nitrat hóa Điều kiện Thông số thiết kế

Kim loại nặng ức chế quá trình nitrat hóa (Cu,

do đƣợc giải phóng và tích lũy trong ATP

Có khoảng 17 giống vi khuẩn tham gia vào quá trình phản nitrit hóa: Bacillus,

Micrococcus, Pseudomonas, Aeromonas, Vibrio, Achromobacter, Aerobacter,

Alcaligenses, Azospirilum, Brevibacterium, Flavobacterium, Spirillum, Thiobacillus,…

Trong đó 3 giống vi khuẩn đầu tiên hiện diện nhiều trong đất

Quá trình khử nitrat diễn ra trong điều kiện thiếu khí (anoxic), cần phải cung cấp

thêm nguồn carbon cho các vi sinh vật tổng hợp tế bào bào của nó và pH phải duy trì ở mức trung tính

Tốc độ của quá trình khử nitrat phụ thuộc vào:

Các điều kiện môi trường cần thiết cho các hoạt động của vi khuẩn như nguồn cacbon, pH, nhiệt độ

Diện tích bề mặt của lớp trầm tích dưới đáy ao

Khả năng phóng thích N2 tạo ra bởi quá trình khử nitrat vào khí quyển (không bị giữ lại ở bên dưới lớp thực vật)

Hình 2.6 Cơ chế loại bỏ Nitơ trong hệ thống đất ngập nước

(Lê Anh Tuấn et al., 2009, trích Metcalf and Eddy, 1991)

2.4.4 Cơ chế loại bỏ phốt pho

Quá trình thiết kế hệ thống có dòng chảy ngầm ảnh hưởng lớn đến sự loại bỏ phốt pho Ở hệ thống có dòng chảy mặt, phốt pho chủ yếu được giữ lại trên bề mặt đất Quá trình loại bỏ phốt pho liên quan đến quá trình tạo ra trầm tích trong hệ thống:

sự hấp thu của của vi sinh vật, vi khuẩn, tảo, bèo tấm,… Sự lặp lại các chu trình phát triển, chết đi, phân hủy tạo nên phốt pho ở dạng dễ hấp thụ của vi sinh vật Các chu trình cũng diễn ra tương tự thực vật bậc cao nhưng thời gian diễn ra chậm hơn

là kín Sự loại bỏ và tích lũy phốt pho từ nước thải xảy ra hoàn toàn trong bản chất đất ngập nước nhân tạo

Các quá trình hấp thụ, kết tủa và lắng chỉ đưa được phốt pho vào đất hay vật liệu lọc Khi lượng phốt pho trong lớp vật liệu vượt quá khả năng chứa thành phần vật liệu hay lớp trầm tích đó phải được nạo vét và xả bỏ

Cơ chế loại bỏ phốt pho trong hệ thống đất ngập nước gồm có:

Sự hấp thu của thực vật

Các quá trình đồng hóa của vi khuẩn

Sự hấp thu lên đất, vật liệu lọc và các chất hữu cơ

Kết tủa lắng cùng các ion Ca2+, Mg2+, Fe3+, Mn2+

Cuối cùng phốt pho sẽ loại bỏ khỏi nước thải qua việc:

Thu hoạch các thủy sinh thực vật

Vét bùn lắng ở đáy

Làm cho phốt pho trong bùn được tách ra sau đó hòa tan nó và thải vào nguồn nước (nếu nó không gây tác hại cho nguồn nước nhận) (Lê Hoàng Việt, 2003)

2.4.5 Cơ chế loại bỏ kim loại nặng

Kim loại nặng trong nước thải có nồng độ 5 g/cm3 là các chất độc cao (Lê Anh

Tuấn et al., 2009, trích Skidmore and Firth, 1983) Các kim loại nặng trong nước

thải thường là chì, đồng, kẽm, crom, thủy ngân, cadmium và asenic Có ba tiến trình chính trong đất ngập nước để loại bỏ kim loại nặng là sự kết chặt trong đất tạo ra chất trầm tích; kết tủa giữa các muối không hòa tan và được hấp thu bởi vi khuẩn,

tảo và cây trồng (Kadlec and Knight, 1996)

Đất ngập nước có thể phân thành hai vùng khác biệt: Vùng hiếu khí với sự tham gia của vi khuẩn oxy hóa kim loại và vùng yếm khí với sự hiện diện của vi khuẩn khử sulphate (IWA Specialist group, 2000)

Chẳng hạn, sự loại bỏ kim loại bởi vi khuẩn Thiobacillus feroxidans làm kết tủa ion

sắt hydroxyt được xem là cơ chế loại bỏ kim loại quan trọng nhất trong nước giàu kim loại

Fe2+ + O2 + H2O  Fe(OH)3 + H+

Các loài thực vật khác nhau có khả năng hấp thu kim loại nặng rất khác nhau Trong

hệ thống đất ngập nước nhân tạo, thì một phần kim loại cũng được hấp phụ vào rễ, thân và lá của thực vật

2.4.6 Cơ chế loại bỏ các mầm bệnh

Các mầm bệnh trong nước thải được hiểu là các vật thể sống có thể gây bệnh có thể

kể ra như các loại vi khuẩn, virus, nấm, động vật nguyên sinh, giun, sán,… (Lê Anh

Tuấn et al., 2009) Đất ngập nước có khả năng hữu hiệu trong việc loại bỏ một lượng lớn các mầm bệnh khi chi các dòng nước thải chảy qua các lớp lọc (Reed et

al., 1995) Tiến trình loại bỏ các mầm bệnh trong đất ngập nước bao gồm sự chết

loại tự nhiên, lắng động, lọc, bị ion hóa do tia cực tím của ánh sáng mặt trời, không thích ứng với các loại hóa chất trong nước, ảnh hưởng nhiệt, các mầm sống khác

tiêu diệt và do nồng độ pH (Kadlec and Knight, 1996) Kadlec and Knight (1996)

còn chỉ ra rằng đất ngập nước có cây trồng tạo nên sự loại bỏ mầm bệnh hữu hiệu hơn do cây trồng cho phép các loại vi sinh phát triển tạo nên các vật ăn các mầm bệnh

2.5 ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM KHI SỬ DỤNG HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

2.5.1 Ưu điểm khi sử dụng hệ thống đất ngập nước nhân tạo trong xử lý nước thải

Không cần nhiều chi phí xây dựng so với hệ thống xử lý nước thải thông thường Chi phí vận hành và bảo trì thấp

Quá trình vận hành và bảo trì mang tính định kỳ, không liên tục so với hệ thống thông thường

Hệ thống chịu được sự giao động lớn của dòng chảy

Hệ thống thúc đẩy sự tái sử dụng và tuần hoàn nước

Thêm vào đó:

Hệ thống là nơi ở của nhiều loài động vật

Hệ thống mang lại nhiều lợi ích khác bên cạnh làm sạch nguồn nước

Tạo cảnh quan và không gian thoáng mát

2.5.2 Nhược điểm khi sử dụng hệ thống đất ngập nước nhân tạo trong xử lý nước thải

Cần không gian và diện tích đất lớn

Hệ thống chỉ mang giá trị kinh tế khi có sẵn diện tích đất và dễ áp dụng

Quá trình vận hành lệ thuộc vào điều kiện môi trường (mưa và hạn hán) Trong mùa đông lạnh, khí hậu nhiệt độ thấp làm giảm tỷ lệ loại bỏ đối với BOD và tăng phản ứng sinh học nitrat hóa Hiệu quả xử lý không ổn định khi đòi hỏi nghiêm ngặt chất

Thành phần sinh học trong hệ thống nhạy cảm với chất độc chẳng hạn khí ammoniac, thuốc trừ sâu (Davis, 1995)

2.5.3 So sánh ưu điểm và nhược điểm của hai kiểu hình đất ngập nước nhân tạo

Ưu điểm và nhược điểm của hai kiểu hình đất ngập nước nhân tạo kiểu chảy ngầm

và chảy mặt được trình bày như sau:

Bảng 2.9 So sánh ưu và nhược điểm của hai kiểu hình đất ngập nước nhân tạo Đất ngập

nước nhân tạo

Chảy mặt Chi phí xây dựng, vận hành và quản

lý thấp Tối thiểu hóa thiết bị cơ khí, năng lượng và kỹ năng quản lý

Ổn định nhiệt độ và độ ẩm cho khu vực

Cần diện tích lớn Hiệu quả loại bỏ nitrogen, phosphorous và vi khuẩn kém Gây mùi hôi cho sự phân hủy các chất hữu cơ

Khó kiểm soát muỗi, côn trùng

và các mầm bệnh khác

Rủi roc ho trẻ em và gia súc

Chảy ngầm Loại bỏ hiệu quả nhu cầu oxy sinh

hóa (BOD), nhu cầu oxy hóa học (COD), tổng các chất rắn lơ lững (TSS), kim loại nặng

Cần diện tích nhỏ hơn Giảm thiểu mùi hôi, vi khuẩn Tối thiểu hóa thiết bị cơ khí, năng lượng và kỹ năng quản lý

Vận hành quanh năm trong điều kiện nhiệt đới

Tốn thêm chi phí cho vật liệu

đá, sỏi

Tốc độ xử lý có thể chậm Nước thải chứa TSS cao có thể gây tình trạng úng ngập

(Lê Anh Tuấn et al., 2009)

Đất ngập nước nhân tạo có thể thiết kế theo chảy ngầm hoặc chảy mặt Đất ngập nước chảy ngầm có giá thành xây dựng cao hơn kiểu chảy mặt nhưng hiệu quả xử lý chất ô nhiễm tốt hơn, giảm thiểu được các tác động xấu khác như sự phát tán mùi hôi vào không khí và hạn chế sự sinh sản của muỗi, côn trùng có thể gây hại cho sức khỏe con người (Davis, 1995)

2.6 ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO CÓ DÒNG CHẢY NGẦM

2.6.1 Các yếu tố đặc trưng thiết kế của khu đất ngập nước nhân tạo có dòng chảy ngầm

a Đánh giá và lựa chọn địa điểm

Cần phải chú ý đến các đặc điểm của khu vực như địa hình, đặc tính của đất, kiểu

sử dụng đất hiện tại, nguy cơ lũ lụt và các điều kiện về khí hậu

Đất có địa hình bằng phẳng hay hơi dốc và đồng dạng thích hợp cho các khu đất ngập nước nhân tạo vì đất ngập nước kiểu chảy ngầm cần độ dốc khoảng 1% hay hơn một chút

Đất có độ thấm dẫn nước thấp Chiều sâu thấp nhất từ lớp đất mặt tới nước ngầm là 0,3 – 0,6 m

Không nên chọn những vùng có nguy cơ bị lũ lụt và nhiệt độ là yếu tố khí hậu cần quan tâm khi lựa chọn vùng đất thích hợp (Lê Hoàng Việt, 2003)

b Loại cây trồng

Trong khu đất ngập nước nhân tạo có dòng chảy bên dưới, nước thải được xử lý phần lớn bằng sự trao đổi chất của vi khuẩn và sự lắng lọc cơ học Tuy nhiên các cây trồng trong hệ thống cũng đóng góp vai trò quan trọng vào quá trình xử lý nước thải Với hệ thống rễ dày đặc và rộng lớn chúng sẽ giúp cho các quá trình lọc cũng như quá trình hấp thụ các thành phần nước thải tốt hơn Đồng thời hệ thống rễ cũng cung cấp diện tích bề mặt để các vi sinh vật bám vào tạo thành các màng biofilm và oxy từ khí quyển được đưa vào cây thông qua rễ cây (Lê Hoàng Việt, 2008)

Các loại cây thường trồng trong hệ thống CSFW: cây Bồ hương với chiều sâu rễ là 0,3 m, cỏ Nến với chiều sâu rễ là 0,76 m, Sậy với chiều sâu rễ là 0,6 m,…

c Sự phân phối nước thải đầu vào

Mỗi hệ thống phân phối nước thải đầu vào của CSFW phải được điều khiển để có được sự phân phối tốt hơn Thông thường nước thải đầu vào được phân phối bằng cách xây dựng những ống đục lỗ hoặc những máng chảy tràn và được điều khiển bằng một van đặt tại đầu khu đất Nước thải đầu vào được phân bố nhiều điểm dọc theo chiều ngang CSFW và phải tạo sự ổn định để tạo sự ổn định của hệ thống

d Thu nước đầu ra

Nước đầu ra thường được thu nhận bằng những ống với những van có thể điều chỉnh được mực nước trong hệ thống Thông thường sự điều khiển chiều cao của

e Các vật liệu lọc

Các đặc tính độ thấm dẫn, độ rỗng, … của các vật liệu lọc có quan hệ rất lớn với thời gian lưu tồn nước thải trong hệ thống CSFW Chúng ảnh hưởng đến hiệu quả các quá trình lọc cũng như sự phát triển của các loại cây trồng bên trong CSFW

Bảng 2.10 Đặc điểm của một số loại nguyên liệu dùng trong xây dựng các SFS

Loại nguyên liệu 10% kích thước hạt

(Lê Hoàng Việt, 2003)

Bảng 2.11 Các thông số tiêu biểu để thiết kế đất ngập nước chảy ngầm (SFS)

(Lê Anh Tuấn et al., 2009)

2.6.2 Các điều kiện vận hành khu đất ngập nước nhân tạo có dòng chảy ngầm

a Tải lượng nạp nước

Lưu lượng nạp nước có liên quan mật thiết với thời gian tồn lưu nước (cũng như vận tốc di chuyển của nước) và tải lượng nạp BOD5 trong hệ thống đất ngập nước nhân tạo chảy ngầm Nếu lưu lượng nạp nước lớn thì thời gian lưu tồn nước trong

hệ thống sẽ ngắn và ngược lại Do đó, lưu lượng nạp nước quá lớn thì sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý của hệ thống Đây là một thông số quan trọng và tiện lợi để so sánh hiệu quả xử lý trong cùng hệ thống và so sánh giữa các hệ thống khác nhau Lưu lượng nạp nước thường sử dụng cho đất ngập nước nhân tạo chảy ngầm trong khoảng 150 ÷ 500 m3/ha.d (Lê Hoàng Việt, 2003)

b Tải lượng nạp BOD 5

Sự điều chỉnh tải lượng nạp BOD5 vào đất ngập nước nhân tạo chảy ngầm nhằm hai mục đích: chuẩn bị chất hữu cơ cho vi khuẩn tiêu thụ và điều chỉnh lượng chất hữu

cơ nạp vào nhằm ngừa sự thiếu oxy, do các cây trồng không kịp đưa oxy từ khí quyển vào vùng rễ cây của hệ thống

Nếu lượng chất hữu cơ nạp quá nhiều, đặc biệt là không có sự phân phối sẽ làm cây chết và có mùi, đồng thời ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý của hệ thống Đối với đất ngập nước nhân tạo chảy ngầm thì tải lượng nạp BOD5 là 133 kg/ha.d (Reed et al.,

1995) Tuy nhiên, người ta khuyên dung chỉ nên điều chỉnh tải lượng nạp BOD5 tối

đa là 110 kg/ha.d và trung bình là 65 kg/ha.d (Lê Hoàng Việt, 2003)

c Thời gian lưu tồn

Thời gian lưu tồn nước có quan hệ mật thiết với các yếu tố như: độ dốc, chiều sâu mực nước, hình dạng, loại cây trồng, loại vật liệu của hệ thống Điều khiên lưu lượng nạp nước là điều khiển yếu tố ảnh hưởng đến thời gian lưu tồn nước trong hệ thống

Thời gian lưu tồn nước của đất ngập nước nhân tạo chảy ngầm thường nằm trong khoảng 4 ÷ 15 ngày nếu thời gian lưu tồn nước quá thấp nước đi qua hệ thống nhanh dẫn đến hiệu quả xử lý giảm Còn thời gian lưu tồn nước quá lâu sẽ dẫn đến tình trạng ứ đọng tạo điều kiện cho quá trình kị khí hoạt động (Lê Hoàng Việt, 2003)

Thời gian lưu tồn theo lý thuyết tính theo độ rỗng của các nguyên liệu lọc tạo nên vùng đất ngập nước:

Q

d W

L

t   

(2.1)

Trong đó:

t: thời gian tồn lưu nước trong hệ thống

L: chiều dài khu đất ngập nước

W: chiều rộng khu đất ngập nước

α: độ rỗng của các vật liệu lọc

d: chiều sau thiết kế của khu đất ngập nước

Q: lưu lượng nước thải chảy qua hệ thống trong ngày (Lê Hoàng Việt, 2003)

d Quản lý kỹ thuật

Khi bắt đầu đưa đất ngập nước nhân tạo vào hoạt động cần thiết phải kiểm tra các thông số về mực nước ngầm, độ thấm nước của đất Trong giai đoạn này lưu lượng nạp nước thường nhỏ, khoảng 30% ÷ 40% lưu lượng nạp nước yêu cầu, sau đó sẽ tăng cho tới khi cây trồng phát triển

Khi đất ngập nươc nhân tạo chảy ngầm ổn định thì ta phải thường xuyên theo dõi lưu lượng nạp nước, tải lượng nạp BOD5, hiệu quả xử lý của hệ thống,… Ngoài ra phải kiểm tra, bảo vệ hệ thống phân phối nước đầu vào, hệ thống thu gom đầu ra và

có biện pháp giải quyết kịp thời cho trường hợp ngập cục bộ trong hệ thống đất ngập nước nhân tạo chảy ngầm (Trần Đức Hạ, 2002)

2.7 CÁC ỨNG DỤNG THỰC TẾ CỦA ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO

TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

2.7.1 Các ứng dụng của đất ngập nước nhân tạo trong xử lý nước thải ở nước ngoài

Việc sử dụng các hệ thống xử lý tự nhiên bằng đất đai đã hình thành từ năm 1980

Ở châu Âu cánh đồng thải (được sử dụng sớm hơn) đã trở nên phổ biến như một bước tiến để kiểm soát ô nhiễm nước

Năm 1991, bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm sử lý nước thải sinh hoạt đầu tiên đã được xây dựng ở Na Uy Ngày nay, tại những vùng nông thôn ở Na Uy, phương pháp này đã trở nên rất phổ biến để xử lý nước thải sinh hoạt nhờ các bãi lọc vận hành với hiệu suất cao thậm chí cả vào mùa đông và yêu cầu bảo dưỡng thấp Có thể xây dựng bãi lọc trong bất kì điều kiện nào về vị trí Mô hình quy mô nhỏ được

áp dụng phổ biến ở Na Uy là hệ thống bao gồm bể tự hoại, tiếp đó là bể lọc sinh học hiếu khí dòng chảy thẳng đứng là một bãi lọc ngầm với dòng chảy ngang Bể lọc sinh học hiếu khí trước bãi lọc ngầm để loại bỏ BOD và thực hiện quá trình nitrat hóa trong điều kiện khí hậu lạnh, nơi thực vật “ngủ” vào mùa đông

Tại Đan Mạch, hướng dẫn chính thức về xử lý tại chỗ nước thải sinh hoạt đã được

Bộ Môi trường Đan Mạch công bố, áp dụng bắt buộc đối với các nhà riêng ở nông thôn Trong hướng dẫn này, người ta đã đưa vào hệ thống bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy thẳng đứng, cho phép đạt hiệu suất loại bỏ BOD tới 95% và nitrat hóa đạt 90% Hệ thống này bao gồm cả quá trình kết tủa hóa học để tách phốt pho trong

bể phản ứng – lắng, cho phép loại bỏ 90% phốt pho

Đầu năm 2005, sau thảm họa sóng thần, Đại sứ quán Đan Mạch cấp kinh phí để xây dựng lại và cãi thiện hệ thống quản lý nước thải của đảo Phi Phi Don – nằm ngoài khơi bờ biển phía Tây của bán đảo Thái Lan, Mã Lai Hệ thống xử lý nước thải với

400 m3/ngày.đêm, phục vụ cho 3000 – 4000 cư dân ở đây và 1.200.000 khách du