Nghiên cứu sử dụng xỉ than nhà máy nhiệt điện mông dương làm chất nền trong hệ thống đất ngập nước nhân tạo để xử lý nước thải sinh hoạt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ LAN HƯƠNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XỈ THAN NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MÔNG DƯƠNG LÀM CHẤT NỀN TRONG HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN THỊ LAN HƯƠNG

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XỈ THAN NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MÔNG DƯƠNG LÀM CHẤT NỀN TRONG HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN THỊ LAN HƯƠNG

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XỈ THAN NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MÔNG DƯƠNG LÀM CHẤT NỀN TRONG HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT

Chuyên ngành : Kỹ thuật môi trường

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thị Loan

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng kết quả nghiên cứu trong luận văn là do tôi tự làm Tôi xin cam đoan rằng mọi số liệu và thông tin trong luận văn đều được ghi rõ nguồn gốc

Hà nội, ngày 08 tháng 01 năm 2016

Người thực hiện luận văn

Nguyễn Thị Lan Hương

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành Luận văn này, tôi đã nhận được sự quan tâm giúp đỡ tận tình của nhiều tập thể và cá nhân Nhân dịp này tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến:

Các thầy giáo, cô giáo Khoa Môi trường, Phòng quản lý đào tạo Sau Đại học, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành Luận văn

Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Nguyễn Thị Loan - người đã tận tình

hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận văn

Tôi xin cảm ơn các tập thể, cơ quan, ban, ngành đã tạo điều kiện và giúp

đỡ tôi trong quá trình thu thập tài liệu và nghiên cứu Đặc biệt, tôi xin cảm ơn tập thể lớp Cao học Công nghệ Kỹ thuật Môi trường K21 đã cùng chia sẻ với tôi, đã giúp đỡ động viên tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu để hoàn thành Luận văn

Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn tất cả sự giúp đỡ quý báu của các tập thể và cá nhân đã dành cho tôi

Hà Nội, ngày 08 tháng 01 năm 2016

Người thực hiện luận văn

Nguyễn Thị Lan Hương

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Nội dung nghiên cứu 3

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU 4

1.1 Tổng quan về nước thải sinh hoạt 4

1.1.1 Thành phần và tính chất của nước thải sinh hoạt 4

1.1.2 Ảnh hưởng của nước thải sinh hoạt đến môi trường 10

1.2 Nguyên lý công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt 11

1.2.1 Khảo sát và đánh giá mức độ ô nhiễm 11

1.2.2 Một số phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt 12

1.2.3 Công nghệ xử lý nước thải bằng hệ thống đất ngập nước nhân tạo 17

1.3 Tính chất hóa lý của xỉ than Nhà máy Nhiệt điện 26

1.4 Các nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam về đất ngập nước nhân tạo 32

1.4.1 Nghiên cứu trên thế giới 32

1.4.2 Nghiên cứu tại Việt Nam 35

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 38

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 38

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 38

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 41

2.2 Địa điểm và thời gian nghiên cứu 41

2.3 Phương pháp nghiên cứu 41

2.3.1 Phương pháp thu thập tài liệu, số liệu thứ cấp 41

2.3.2 Phương pháp thu thập số liệu sơ cấp 41

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 50

3.1 Điều kiện thời tiết khí hậu vùng nghiên cứu 50

3.2 Kết quả phân tích tính chất lý hóa của xỉ than Mông Dương 51

3.3 Kết quả nghiên cứu về khả năng xử lý nước thải sinh hoạt của các công thức vật liệu lọc 53

3.3.1 Hiệu suất xử lý COD 53

3.3.2 Hiệu suất xử lý BOD 5 54

3.3.3 Khả năng xử lý NH 4 + 55

3.3.4 Kết quả xác định một số chỉ tiêu vật lý sau xử lý của các công thức 56

3.4 Kết quả thử nghiệm trồng các loại thực vật thủy sinh khác nhau trên môi trường nền của xỉ than 57

3.4.1 Xác định lượng nước và nồng độ COD đầu vào của thí nghiệm 58

3.4.2 Biểu hiện kiểu hình của các loại cây trồng tham gia thí nghiệm 58

3.4.3 Tỷ lệ sống của các loại cây tham gia thí nghiệm 59

3.4.4 Khả năng sinh trưởng của các loại cây ở các công thức thí nghiệm 60

3.5 Khả năng xử lý nước thải của các công thức cây trồng 66

3.5.1 Khả năng xử lý Amoni, Nitrit của các thức cây trồng 66

3.5.2 Hiệu quả xử lý BOD 5 của các công thức cây trồng 69

3.5.3 Khả năng xử lý tổng chất rắn lơ lửng ở các công thức cây trồng 71

3.5.4 Hiệu quả xử lý COD ở các công thức cây trồng 72

3.5.5 Khả năng xử lý Phốtphát của các công thức cây trồng 73

3.5.6 Kết quả đánh giá định tính (cảm quan) các chỉ tiêu vật lý 74

3.6 So sánh hiệu suất xử lý giữa các công thức với các chỉ tiêu theo dõi 75

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

PHỤ LỤC 81

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn thải nước khu vực dân cư 5

Bảng 1.2 Tiêu chuẩn thải nước từ các khu dịch vụ thương mại 6

Bảng 1.3 Tiêu chuẩn thải nước từ các công sở 6

Bảng 1.4 Tiêu chuẩn thải nước từ các khu giải trí 7

Bảng 1.5 Tải trọng chất thải trung bình một ngày tính theo đầu người 8

Bảng 1.6 Thành phần nước thải sinh hoạt phân tích theo các phương pháp của APHA 9

Bảng 1.7 Một số loại thực vật thủy sinh tiêu biểu 24

Bảng 1.8 Lượng than, tro xỉ thải ra hằng năm, diện tích bãi chứa tro xỉ 27

Bảng 1.9 Tro xỉ từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2010 – 2030 27

Bảng 1.10 Một số tính chất vật lý của xỉ than 28

Bảng 1.11 Khác biệt về thành phần hóa học của tro xỉ khi đốt than 29

Bảng 1.12 Thành phần hóa học của tro xỉ 29

Bảng 1.13 Đặc tính của than dùng trong các NMNĐ ở Việt Nam 29

Bảng 2.1 Các vật liệu lọc được sử dụng 42

Bảng 2.2 Bảng công thức vật liệu lọc không trồng cây 43

Bảng 2.3 Các loại cây được sử dụng trong thí nghiệm 43

Bảng 2.4 Các công thức cây trồng trong thí nghiệm 45

Bảng 3.1 Bảng số liệu điều kiện thời tiết khí hậu Hà Nội 50

Bảng 3.2 Độ ẩm của xỉ than NMNĐ Mông Dương 1 52

Bảng 3.3 pH của xỉ than NMNĐ Mông Dương 1 52

Bảng 3.4 Tỉ trọng của xỉ than NMNĐ Mông Dương 1 52

Bảng 3.5 Thành phần khoáng của xỉ than NMNĐ Mông Dương 1 52

Bảng 3.6 Hàm lượng kim loại nặng của xỉ than NMNĐ Mông Dương 1 53

Bảng 3.7 Hiệu suất xử lý COD của các công thức vật liệu lọc 53

Bảng 3.8 Hiệu suất xử lý BOD5 của các công thức vật liệu lọc 54

Bảng 3.9 Hiệu suất xử lý NH4+ của các công thức vật liệu lọc 55

Bảng 3.10 Kết quả xác định màu, mùi và pH sau xử lý của các công thức 56

Bảng 3.11 Lượng nước cần pha tương ứng với các nồng độ cần 58

Bảng 3.12 Sự biểu hiện hình thái màu sắc lá của các loại cây thí nghiệm 59

Bảng 3.13 Tỷ lệ sống và chết của các loại cây trồng 59

Bảng 3.14 Chiều cao của các loại cây qua thời gian thí nghiệm 60

Bảng 3.15 Tốc độ tăng trưởng chiều cao của các loại cây qua các lần đo 62

Bảng 3.16 Số lá qua thời gian theo dõi thí nghiệm 64

Bảng 3.17 Số rễ và chiều dài của rễ qua thời gian theo dõi thí nghiệm 65

Bảng 3.18 Kết quả phân tích một số chỉ tiêu vật lý, hoá học của nước thải đầu vào thí nghiệm 66

Bảng 3.19 Hàm lượng amoni, hiệu suất xử lý amoni sau 5, 10 ngày trồng cây trên vật liệu 4 67

Bảng 3.20 Hiệu suất xử lý nitrit sau 5, 10 ngày trồng cây trên vật liệu 4 68

Bảng 3.21 Hiệu suất xử lý BOD5 sau 5, 10 ngày trồng cây trên vật liệu 4 69

Bảng 3.22 Hiệu quả xử lý TSS sau 5, 10 ngày trồng cây trên vật liệu 4 71

Bảng 3.23 Hiệu suất xử lý COD sau 5, 10 ngày trồng cây trên vật liệu 4 72

Bảng 3.24 Hàm lượng Phốtphát sau 5, 10 ngày trồng cây trên vật liệu 4 73

Bảng 3.25 Kết quả màu sắc và mùi nước thải trước và sau xử lý 74

Bảng 3.26 Hiệu suất xử lý các chỉ tiêu theo dõi sau 10 ngày trồng cây trên vật liệu 4 79

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Bãi xỉ than của nhà máy Ninh Bình 30

Hình 1.2 Bãi thải 1 của nhà máy nhiệt điện Mông Dương 1 31

Hình 2.1 Cây Dong Riềng, cây Mon Nước, cây Phát Lộc 40

Hình 2.2 Cây Thủy Trúc, Muống Nhật 40

Hình 3.1 Hiệu suất xử lý NH4 + , NO2 -, BOD5, COD, TSS, PO4 sau 10 ngày trồng cây trên vật liệu 4 75

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Đất nước ta đang trên đà phát triển về mọi mặt nhất là trong lĩnh vực công nghiệp hóa, hiện đại hóa nền kinh tế, nhằm đạt mục tiêu chiến lược là trở thành một nước công nghiệp tiên tiến vào năm 2020 Song song với các hoạt động để đạt mục tiêu đó, một trong những nhiệm vụ không thể thiếu phần quan trọng là bảo vệ môi trường và phát triển bền vững nền kinh tế Trong nhịp điệu phát triển chung của cả nước, các đô thị Việt Nam không ngừng mở rộng và phát triển theo hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa Tốc độ đô thị hóa ngày càng cao, đời sống của người dân được cải thiện đã làm nảy sinh những vấn đề nghiêm trọng về môi trường Công tác bảo vệ môi trường chưa được đầu tư đúng cách, các hoạt động thương mại, dịch vụ, sinh hoạt là nguồn phát sinh ô nhiễm nghiêm trọng cũng chưa được quan tâm Trong đó ô nhiễm môi trường nước đang là vấn đề đáng báo động

Đặc biệt, tình trạng nước thải sinh hoạt ở các khu dân cư đô thị, ven đô và nông thôn đều chưa được xử lý triệt để Nước thải từ các khu vệ sinh (nước đen) mới chỉ được xử lý sơ bộ tại các bể tự hoại, chất lượng chưa đạt yêu cầu

xả ra môi trường, là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường Đó là chưa kể dòng nước thải sinh hoạt từ nhà bếp, tắm, giặt (nước xám) thường không được xử lý qua bể tự hoại đã thải trực tiếp vào nguồn tiếp nhận, gây ô nhiễm nghiêm trọng các nguồn nước mặt, nước ngầm, đồng thời tác động xấu đến cảnh quan đô thị và ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng

Trong điều kiện hiện nay ở Việt Nam, phần lớn các dự án thoát nước, xử

lý nước thải còn chưa đến được mọi nơi, và nếu có cũng mới hướng tới giải quyết vấn đề thoát nước mưa, khắc phục tình trạng ngập úng, và còn rất khó

có kinh phí để duy trì vận hành, bảo dưỡng hệ thống vì vậy việc nghiên cứu làm sạch nước thải tại chỗ cho các cụm dân cư bằng công nghệ vừa đơn giản,

có chi phí xây dựng và vận hành thấp, vừa đảm bảo vệ sinh môi trường, là một hướng giải quyết hợp lý và khả thi

Mô hình đất ngập nước nhân tạo những năm gần đây đã được biết đến trên thế giới như một giải pháp công nghệ xử lý nước thải với ưu điểm là chi phí thấp, dễ vận hành đồng thời mức độ xử lý ô nhiễm cao Đây là công nghệ xử

lý nước thải trong điều kiện tự nhiên, thân thiện với môi trường, cho phép đạt hiệu suất cao, chi phí thấp và ổn định, đồng thời góp phần làm tăng giá trị đa dạng sinh học, cải tạo cảnh quan môi trường, hệ sinh thái của địa phương Bên cạnh đó, Việt Nam là nước nhiệt đới, khí hậu nóng ẩm, rất thích hợp cho

sự phát triển của các loài thực vật thủy sinh Do đó, việc sử dụng mô hình đất ngập nước nhân tạo để xử lý nước thải sinh hoạt có thể thay thế và bổ sung những công nghệ hóa lý tuy mang tính công nghệ cao nhưng lại tốn kém Mặt khác, mỗi năm, các nhà máy nhiệt điện Việt Nam tiêu thụ gần 14 triệu tấn than và thải ra khoảng 4,5 triệu tấn tro xỉ Đến năm 2020, lượng tro xỉ thải lên đến 16 triệu tấn/năm Ngoài việc gây tốn hàng nghìn ha đất để chứa và chôn lấp thì tro xỉ nhiệt điện còn là nguồn gây ô nhiễm môi trường đặc biệt nghiêm trọng cho đất, nước và không khí Tìm kiếm giải pháp tận thu tro xỉ nhiệt điện, biến loại phế thải này thành nguồn nguyên liệu có giá trị đang được đặt ra cấp bách

Xuất phát từ thực tiễn trên, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu sử dụng xỉ than Nhà máy Nhiệt điện Mông Dương làm chất nền trong hệ thống đất ngập nước nhân tạo để xử lý nước thải sinh hoạt ”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nâng cao hiệu quả xử lý nước thải nói chung và nước thải sinh hoạt nói riêng bằng việc sử dụng hệ thống đất ngập nước nhân tạo với chất nền từ vật liệu xỉ than, có chi phí xây dựng cũng như vận hành bảo dưỡng thấp, phù hợp với điều kiện Việt Nam, tận dụng chất thải, đảm bảo giảm thiểu ô nhiễm môi trường

3 Nội dung nghiên cứu

 Tính chất lý hóa của xỉ than NMNĐ Mông Dương

 Khả năng xử lý nước thải sinh hoạt của xỉ than và các vật liệu lọc khác

 Thử nghiệm trồng các loại cây thủy sinh khác nhau trên môi trường nền của xỉ than để tìm ra loài cây có thể phát triển tốt

 Nghiên cứu khả năng xử lý của hệ thống đất ngập nước với chất nền là

xỉ than và loài thực vật được lựa chọn để xử lý nước thải sinh hoạt

 Xác định tải lượng dòng thải đầu vào mô hình ĐNN nhân tạo (nồng độ các chỉ tiêu pH, TSS, COD, NH4

+

, NO2 -

, NO3 -

, PO4 3-

của NTSH trước xử lý)

 Xác định tải lượng dòng thải đầu ra như pH, TSS, COD, NH4+

, NO2 -

và hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

4.1 Ý nghĩa khoa học

Kết quả nghiên cứu sẽ xác định được khả năng xử lý của hệ thống đất ngập nước nhân tạo trồng thực vật thủy sinh với chất nền là xỉ than đối với môi trường nước thải sinh hoạt, các thông số này rất cần thiết để tính toán ra một

hệ thống đất ngập nước nhân tạo hoàn thiện để xử lý nước thải sinh hoạt

để xử lý nước thải sinh hoạt

Đây là một giải pháp công nghệ xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên, thân thiện với môi trường, đạt hiệu suất cao, chi phí thấp và ổn định, góp phần làm tăng giá trị đa dạng sinh học, cải tạo cảnh quan môi trường địa phương

CHƯƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về nước thải sinh hoạt

1.1.1 Thành phần và tính chất của nước thải sinh hoạt

1.1.1.1 Nguồn phát thải nước thải sinh hoạt

Nước thải là nước đã qua sử dụng vào các mục đích như sinh hoạt, dịch

vụ, tưới tiêu thủy lợi, chế biến công nghiệp, chăn nuôi Thông thường nước thải được phân loại theo nguồn gốc phát sinh ra chúng

Nước thải sinh hoạt là nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích sinh hoạt của cộng đồng: tắm, giặt, tẩy rửa được thải ra từ các căn hộ,

cơ quan, trường học, bệnh viện, chợ và công trình công cộng khác.[15]

Nước thải sinh hoạt (NTSH) gồm có các nguồn thải sau:

 Khu dân cư: Nước thải khu vực này có thể tính bằng con số theo đầu người sử dụng, số lượng nước khoảng 80 – 300 lít một ngày Trong thực tế mức độ ô nhiễm của nước thải tùy thuộc vào điều kiện sống của từng khu vực, chất lượng bữa ăn, chất lượng sống (các loại nước vệ sinh có qua các bể phốt hay xả thẳng ra cống rãnh) cũng như hệ thống thải nước của từng khu vực

 Khu thương mại: gồm có chợ (chợ tập trung, chợ cóc ), các cửa hàng, bến xe, trụ sở kinh doanh, trung tâm mua bán của khu vực Lượng nước thải của khu vực này được tính bằng số m3/ngày dựa trên số lượng nước cấp đầu vào, trung bình là 7,5 – 14 m3/ha/ngày

 Khu vui chơi giải trí: gồm các quán cà phê, câu lạc bộ, bể bơi, Ở đây lượng nước thải thay đổi rõ rệt theo mùa trong năm

 Khu vực cơ quan: gồm cơ quan, công sở, trường học, bệnh viện Lượng NTSH phụ thuộc vào dân số, tiêu chuẩn cấp nước và đặc điểm của

hệ thống thoát nước Tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt phụ thuộc vào khả năng

cung cấp nước của nhà máy nước hay trạm cấp nước hiện có Các trung tâm

đô thị thường có tiêu chuẩn cấp nước cao hơn so với vùng ngoại thành và nông thôn, do đó lượng nước thải tính trên đầu người cũng có sự khác biệt giữa thành thị và nông thôn NTSH ở trung tâm đô thị thường được thoát bằng

hệ thống thoát nước dẫn ra các sông rạch, còn ở các vùng ngoại thành và nông thôn do không có hệ thống thoát nước nên nước thải thường được tiêu thoát tự nhiên vào các ao hồ hoặc thoát nước bằng biện pháp tự thấm

Tiêu chuẩn NTSH trung tâm đô thị thường từ 100 – 250 l/người/ngày (đối với các nước đang phát triển) và từ 150 – 500 l/người/ngày (với các nước phát triển) Tiêu chuẩn NTSH ở đô thị nước ta hiện nay dao động trong khoảng

120 – 180 l/người/ngày Đối với khu vực nông thôn, tiêu chuẩn NTSH từ 50 – 120l/người/ngày Ngoài ra, lượng NTSH còn phụ thuộc vào điều kiện trang thiết bị vệ sinh nhà ở, đặc điểm khí hậu thời tiết, tập quán sinh hoạt; phụ thuộc vào loại công trình, chức năng, số người tham gia, phục vụ trong đó Trong một số trường hợp phải dựa vào tiêu chuẩn thoát nước để tính toán sơ

bộ lưu lượng nước thải như bảng 1.1.[15]

Bảng 1.1 Tiêu chuẩn thải nước khu vực dân cư

STT Mức độ thiết bị vệ sinh trong công trình Tiêu chuẩn thải

xử lý nước thải riêng, tiêu chuẩn thải nước có thể tham khảo bảng 1.2, bảng 1.3, bảng 1.4 Tuy nhiên, có sự thay đổi trong thực tế điều kiện nước ta.[15]

Bảng 1.2 Tiêu chuẩn thải nước từ các khu dịch vụ thương mại Nguồn nước thải Đơn vị tính Lưu lượng (l/đơn vị tính – ngày)

Khoảng dao động Trị số tiêu biểu

Bảng 1.3 Tiêu chuẩn thải nước từ các công sở

Nguồn nước thải Đơn vị tính Lưu lượng (l/đơn vị tính – ngày)

Khoảng dao động Trị số tiêu biểu

Bảng 1.4 Tiêu chuẩn thải nước từ các khu giải trí Nguồn nước thải Đơn vị tính Lưu lượng (l/đơn vị tính – ngày)

Khoảng dao động Trị số tiêu biểu

1.1.1.2 Thành phần và tính chất của nước thải sinh hoạt

Thành phần của nước thải sinh hoạt gồm 2 loại:

 Nước thải nhiễm bẩn do chất bài tiết của con người từ các phòng vệ sinh (nước đen)

 Nước thải nhiễm bẩn do các chất thải sinh hoạt: cặn bã từ nhà bếp, các chất rửa trôi, kể cả làm vệ sinh sàn nhà (nước xám)

NTSH chứa chất hữu cơ (CHC) dễ phân hủy sinh học, CHC khó phân hủy, CHC có tính độc, ngoài ra còn có các thành phần vô cơ, kim loại nặng (KLN), các chất rắn, chất màu, mùi, vi sinh vật (VSV), vi trùng gây bệnh Ở những khu dân cư đông đúc, điều kiện vệ sinh thấp kém, NTSH không được xử lý triệt để là một trong những nguồn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.[15]

 Chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học: gồm các hợp chất hydrat cacbon,

protein, chất béo, lignin, có từ tế bào và các tổ chức của động vật, thực vật CHC trong NTSH gồm các hợp chất như protein (40 – 50%); hydrat cacbon (40 – 50%) gồm tinh bột, đường và xenlulo; các chất béo (5 – 10%).[15]

 Các chất vô cơ: trong NTSH chiếm 40 – 42% chủ yếu gồm cát, đất

sét, các axit bazơ, bazơ vô cơ, dầu khoáng

 Các kim loại nặng: trong nước thải gây ô nhiễm nguồn nước có chứa

các ion kim loại nặng như chì, thủy ngân, asen

 Các chất màu: màu nâu đen do các chất tanin, lignin cùng các CHC bị

phân giải; màu vàng do sắt, mangan dạng keo hoặc dạng hòa tan tạo thành

 Các chất rắn: bao gồm các hợp chất hữu cơ và vô cơ, cùng các sinh

vật (xác động vật, thực vật) Chất rắn có thể ở dạng keo hoặc dạng huyền phù

 Mùi: do CHC bị phân hủy, hóa chất, dầu mỡ trong nước thải gây ra

 Sinh vật: gồm vi khuẩn, virus, nấm, rong, tảo Trong các dạng VSV

có cả vi trùng gây bệnh như lỵ, thương hàn có khả năng gây dịch bệnh

Lượng NTSH dao động trong phạm vi rất lớn, thường chiếm từ 65 – 80% lượng nước cấp 65% áp dụng cho nơi khô nóng, nước cấp dùng cả cho việc tưới cây Giữa lượng nước thải và tải trọng chất thải của NTSH biểu thị bằng các chất lắng hoặc BOD5 có một mối tương quan nhất định Tải trọng chất thải trung bình tính theo đầu người ở điều kiện ở Đức với nhu cầu cấp nước

150 lít/ngày được trình bày trong bảng 1.5.[15]

Bảng 1.5 Tải trọng chất thải trung bình một ngày tính theo đầu người

thải cũng chứa các vi khuẩn không có hại có tác dụng phân hủy các chất thải Bảng 1.6 phân loại mức độ ô nhiễm theo thành phần hóa học điển hình của NTSH.[15]

Bảng 1.6 Thành phần nước thải sinh hoạt phân tích theo các

phương pháp của APHA Thông số (mg/L) Mức độ ô nhiễm

Như vậy, NTSH có hàm lượng các chất dinh dưỡng khá cao, đôi khi vượt

cả yêu cầu cho quá trình xử lý sinh học Thông thường, các quá trình xử lý sinh học cần các chất dinh dưỡng theo tỷ lệ BOD:N:P= 100:5:1 Một tính chất đặc trưng nữa của NTSH là không phải tất cả các CHC đều có thể phân hủy bởi các VSV và khoảng 20 – 40% BOD thoát ra khỏi các quá trình xử lý sinh học cùng với bùn.[15]

1.1.2 Ảnh hưởng của nước thải sinh hoạt đến môi trường

Ảnh hưởng của NTSH đến môi trường do các thành phần ô nhiễm tồn tại trong nước thải gây ra

 COD, BOD: sự khoáng hóa, ổn định CHC tiêu thụ một lượng lớn và

gây thiếu hụt oxy của nguồn tiếp nhận dẫn đến ảnh hưởng đến hệ sinh thái môi trường nước Nếu ô nhiễm quá mức, điều kiện yếm khí có thể hình thành Trong quá trình phân hủy yếm khí sinh ra các sản phẩm như H2S, NH3,

CH4, làm cho nước có mùi hôi và làm giảm pH của môi trường

 TSS: lắng đọng ở nguồn tiếp nhận, gây điều kiện yếm khí

 Nhiệt độ: thường không ảnh hưởng đến đời sống thủy sinh vật nước

 Vi trùng gây bệnh: gây ra các bệnh lan truyền

 Các hợp chất của Nitơ, Phốtpho: đây là những nguyên tố dinh dưỡng

đa lượng Nồng độ N, P trong nước quá cao dẫn đến hiện tượng phú dưỡng

 Màu, mùi: gây mất mỹ quan

 Dầu mỡ: gây mùi, ngăn cản khuếch tán oxy trên bề mặt

Ảnh hưởng của NTSH đến nguồn nước mặt do nước thải chưa được xử lý triệt để chảy vào thủy vực làm cho các thủy vực bị nhiễm bẩn, gây hậu quả xấu đối với nguồn nước:

 Làm thay đổi tính chất hóa lý, độ trong, màu, mùi, hàm lượng các CHC, vô cơ, pH, các kim loại nặng có độc tính, chất nổi, chất lắng cặn

 Làm thay đổi hệ sinh vật trong nước, kể cả VSV, xuất hiện các VSV gây bệnh, làm chết các VSV nước

 Làm giảm oxy hòa tan do tiêu hao trong quá trình oxy hóa CHC

Ô nhiễm nguồn nước mặt chủ yếu là do tất cả các dạng nước thải chưa xử

lý xả vào nguồn nước làm thay đổi các tính chất vật lý, hóa học và sinh học của nguồn nước Sự có mặt các chất độc hại trong nước thải xả vào nguồn

của nguồn nước Khả năng tự làm sạch của nguồn nước phụ thuộc vào điều kiện xáo trộn và pha loãng của nước thải với nguồn Sự có mặt của các VSV, trong đó có các vi khuẩn gây bệnh, đe dọa tính an toàn vệ sinh nguồn nước

1.2 Nguyên lý công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt

1.2.1 Khảo sát và đánh giá mức độ ô nhiễm

Để tiến hành xử lý nguồn nước thải cần phải biết thành phần các chất ô nhiễm và nguồn phát sinh; cần phân tích chính xác chỉ tiêu, không chỉ tiến hành phân tích một mẫu mà phân tích nhiều mẫu với mục đích tìm sự biến đổi giữa các chỉ tiêu đó trong môi trường Hiện nay có nhiều cơ sở xử lý nước thải (XLNT), nhưng không ít trong số đó không đáp ứng được yêu cầu xử lý

Để đáp ứng được yêu cầu, mục đích sử dụng, trong công nghệ XLNT sử dụng nhiều quá trình khác nhau, có thể phân thành các công đoạn xử lý [3][11]:

 Xử lý cấp I (xử lý sơ bộ): gồm các quá trình xử lý sơ bộ và lắng để

loại các chất rắn lớn như rác, cát xỉ và bùn cặn, khử trùng diệt vi khuẩn gây bệnh, khử các chất độc hại và đảm bảo điều kiện bình thường của các công trình xử lý sinh học

 Xử lý cấp II (xử lý thứ cấp): gồm các quá trình sinh học (đôi khi có cả

hóa học) có tác dụng tách các tạp chất hữu cơ hòa tan có thể phân hủy bằng con đường sinh học (nghĩa là giảm BOD) để khi xả ra nguồn nước thải không gây thiếu hụt ôxy và gây mùi cho nơi tiếp nhận Các công đoạn này bao gồm các quá trình: hoạt hóa bùn, lọc sinh học hay oxy hóa sinh học trong các hồ (hồ sinh học) và phân hủy yếm khí Các quá trình này đều sử dụng khả năng của VSV chuyển hóa chất thải hữu cơ về dạng ổn định và năng lượng thấp

 Xử lý cấp III (xử lý tăng cường): thông thường công đoạn này chỉ cần

khử khuẩn để đảm bảo nước trước khi đổ vào các thủy vực không còn VSV gây bệnh, khử màu, mùi và đảm bảo oxi cho nguồn tiếp nhận Các phương pháp khử khuẩn thường dùng: clo hóa nguồn nước, ôzôn hóa hoặc chiếu tia

cực tím Ở Việt Nam hiện nay phương pháp khử khuẩn bằng clo dạng khí, dạng lỏng, các hipoclorit hay được dùng hơn cả

Nhìn chung, các phương pháp và các quá trình XLNT đều dựa trên cơ sở các quá trình vật lý, hóa học và sinh học Các hệ thống XLNT thường bao gồm các quá trình trên, được kết hợp để tạo ra dây chuyền công nghệ thích hợp, tùy thuộc vào đặc tính nước thải, tiêu chuẩn dòng ra và mức độ cần thiết làm sạch nước thải, lưu lượng nước thải cần xử lý, tình hình địa chất và thủy văn, điều kiện điện, nước, kinh phí

1.2.2 Một số phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt

1.2.2.1 Xử lí nước thải bằng phương pháp cơ học

Thực chất phương pháp xử lí cơ học là loại các tạp chất không hòa tan ra khỏi nước thải bằng cách gạn, lọc và lắng Phương pháp này thường ứng dụng các công trình sau [9]:

 Song và lưới chắn rác: để loại bỏ các loại rác và các tạp chất có kích

thước lớn hơn 5mm thường dùng song chắn rác, các tạp chất nhỏ hơn 5mm thường dùng lưới chắn rác

 Bể lắng cát: được ứng dụng để loại các tạp chất vô cơ và chủ yếu là cát

trong nước thải

 Bể vớt mỡ, dầu: thường được ứng dụng xử lý nước thải công nghiệp,

nhằm loại bỏ các tạp chất nhẹ hơn nước: mỡ, dầu…và các dạng chất nổi khác Đối với NTSH, khi hàm lượng dầu, mỡ không cao thường việc vớt dầu, mỡ thực hiện ngay ở bể lắng nhờ các thanh gạt bố trí trong bể lắng

 Bể lắng: được ứng dụng để loại các chất lơ lửng có tỷ trọng lớn hơn

hoặc nhỏ hơn tỷ trọng của nước

 Bể lọc: được ứng dụng để loại các tạp chất lơ lửng kích thước nhỏ bằng

cách lọc chúng qua lưới lọc đặc biệt hoặc qua lớp vật liệu lọc

Trường hợp khi mức độ làm sạch không cao lắm và các điều kiện vệ sinh cho phép thì phương pháp xử lý cơ học giữ vai trò chính trong trạm xử lý Trong các trường hợp khác, phương pháp xử lý cơ học chỉ là giai đoạn làm sạch sơ bộ trước khi xử lý sinh hóa

1.2.2.2 Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa học và hóa lý

 Phương pháp hóa học: thực chất của phương pháp hóa học là đưa vào

nước thải chất phản ứng nào đó Chất này tác dụng với các tạp chất bẩn trong nước thải và có khả năng loại chúng ra khỏi nước thải dưới dạng bay hơi, kết tủa hay hòa tan không độc hại hoặc ít độc hại hơn.[9]

 Phương pháp hóa lý: là phương pháp xử lý chủ yếu dựa trên các quá

trình vật lý gồm các quá trình cơ bản như trung hòa, tuyển nổi, keo tụ, tạo bông, ly tâm, lọc, chuyển khí, hấp phụ, trích ly, cô bay hơi… Tùy thuộc vào tính chất của tạp chất và mức độ cần thiết phải làm sạch mà sử dụng một hoặc một số phương pháp trên.[9]

 Trao đổi ion: thực chất của phương pháp trao đổi ion là một quá trình

trong đó các ion bề mặt của chất rắn trao đổi với các ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau Các chất này gọi là các chất trao đổi ion, chúng hoàn toàn không tan vào nước Các chất trao đổi ion có thể là các chất vô cơ hoặc hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên hay tổng hợp.[9]

 Keo tụ: trong quá trình lắng cơ học chỉ tách được các hạt rắn huyền

phù nhỏ có kích thước ≥ 10-2mm, còn các hạt nhỏ hơn ở dạng keo không thể lắng được Ta có thể tăng kích thước các hạt nhờ tác dụng tương hỗ giữa các hạt phân tán liên kết vào thành tập hợp các hạt để có thể lắng được Muốn vậy trước hết cần trung hoà điện tích của chúng, tiếp đến là liên kết chúng lại với nhau Quá trình tạo thành các bông lớn từ các hạt nhỏ gọi là quá trình keo tụ

 Trung hòa: nước thải thường có những giá trị pH khác nhau, muốn

nước thải được xử lý tốt bằng phương pháp sinh học phải tiến hành trung hoà

và điều chỉnh pH về vùng 6,6 – 7,6 Trung hoà bằng cách dùng các dung dịch axit hoặc muối axit, các dung dịch kiềm hoặc oxit kiềm.[9]

 Hấp phụ: được dùng để loại các tạp chất bẩn hoà tan vào nước mà

phương pháp xử lý sinh học cùng các phương pháp khác không loại bỏ được với hàm lượng rất nhỏ Thông thường, đây là các hợp chất hoà tan có độc tính cao hoặc chất có màu, mùi rất khó chịu

Chất hấp phụ thường dùng là than hoạt tính, đất sét hoạt tính, silicagen, keo nhôm, một số chất tổng hợp hoặc chất thải trong quá trình sản xuất như xỉ tro, mạt sắt, trong đó than hoạt tính được dùng nhiều nhất.[9]

 Tuyển nổi: phương pháp dựa trên nguyên tắc các phân tử trong nước

có khả năng tự lắng kém, nhưng lại có khả năng kết dính vào các bọt khí nổi lên trên bề mặt nước, sau đó tách các bọt khí Trong một số trường hợp, quá trình này cũng dùng để tách một số chất hoà tan như chất hoạt động bề mặt Quá trình này được thực hiện nhờ thổi không khí thành các hạt bọt nhỏ vào trong nước thải Các bọt khí dính các hạt lơ lửng lắng kém và nổi lên trên bề mặt nước Khi nổi lên các bọt khí hợp thành bông hạt đủ lớn rồi tạo thành một lớp bọt chứa nhiều hạt chất bẩn.[9]

 Khử khuẩn: Dùng các hoá chất có tính độc đối với VSV, tảo, động vật

nguyên sinh, giun sán…để làm sạch nước, đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh để đổ vào nguồn nước hoặc tái sử dụng Khử khuẩn có thể dùng hoá chất hoặc các tác nhân như ozon, tia tử ngoại Hoá chất khử khuẩn phải đảm bảo có tính độc với VSV trong thời gian nhất định, sau đó phải được phân huỷ hoặc bay hơi, không còn dư lượng gây độc cho người sử dụng hoặc vào mục đích khác Phụ thuộc vào điều kiện địa phương và mức độ cần thiết xử lý mà phương pháp hoá học hay phương pháp hoá lý là giai đoạn cuối cùng (nếu mức độ xử

lý đạt yêu cầu, có thể xả nước ra nguồn) hoặc chỉ là giai đoạn sơ bộ.[9]

1.2.2.3 Xử lý nước thải bằng các phương pháp sinh học

XLNT bằng phương pháp sinh học dựa trên hoạt động sống của sinh vật như vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh hay thực vật sống trong nước thải để phân hủy các CHC hay hấp thụ các chất ô nhiễm có trong nước thải Chúng sử dụng nguồn CHC và các chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng Trong quá trình dinh dưỡng, chúng nhận được các chất làm vật liệu để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên sinh khối được tăng lên Đối với nước thải có tạp chất vô cơ thì phương pháp này dùng để khử các sunfit, muối amoni, nitrat (các chất chưa bị oxy hoá hoàn toàn).[12][17]

Phương pháp sinh học ngày càng được sử dụng rộng rãi vì phương pháp này có nhiều ưu điểm hơn các phương pháp khác[7]:

 Phân huỷ nhanh, triệt để mà không gây ô nhiễm môi trường

 Tạo ra một số sản phẩm có ích sử dụng trong công nghiệp và sinh hoạt (biogas, etanol…), trong nông nghiệp (phân bón)

 Thiết bị đơn giản, phương pháp dễ làm, chi phí ít tốn kém hơn

Nguyên tắc cơ bản của phương pháp sinh học để XLNT là dùng hệ sinh vật phân huỷ, hấp thụ, hấp phụ các chất có trong nước thải tạo nên các sản phẩm không gây hại cho môi trường Các sản phẩm của quá trình có thể được

sử dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống sản xuất như tạo ra biogas, tạo protein trong sinh khối của sinh vật làm thức ăn gia súc… Hệ VSV tham gia trong XLNT có nhiều loại như nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn Tuỳ theo hệ VSV sử dụng mà có phương pháp xử lý thích hợp theo hướng xử lý yếm khí,

xử lý hiếu khí hay xử lý tùy tiện.[13][8]

 Phương pháp hiếu khí

XLNT bằng phương pháp hiếu khí dựa trên nhu cầu oxy cần cung cấp cho VSV hiếu khí hoạt động và phát triển Quá trình này gọi là hoạt động sống, gồm hai quá trình: dinh dưỡng sử dụng HCHC, nguồn nitơ, photpho và ion

kim loại với mức độ vi lượng để xây dựng tế bào, phát triển sinh khối, phục

vụ cho sinh sản, phân huỷ các CHC còn lại thành CO2 và H2O Quá trình sau

là quá trình phân huỷ dạng oxy hoá HCHC, giống quá trình hô hấp ở động vật bậc cao Cả hai quá trình dinh dưỡng và oxy hoá của VSV có trong nước thải đều cần oxy Để đáp ứng được nhu cầu oxy này cần phải khuấy đảo khối nước thải để oxy trong không khí được khuếch tán, hoà tan vào trong nước Song biện pháp này chưa thể đáp ứng được đầy đủ nhu cầu về oxy Do vậy có thể

sử dụng các biện pháp hiếu khí tích cực như thổi khí, thổi bằng khí nén hoặc quạt gió, với áp lực cao kết hợp khuấy đảo

 Phương pháp yếm khí

Quá trình phân huỷ CHC trong điều kiện yếm khí do một quần thể VSV (chủ yếu là vi khuẩn) hoạt động không cần sự có mặt của oxy không khí, sản phẩm cuối cùng là hỗn hợp khí CH4, CO2, N2, H2S, NH3…trong đó có tới 65% khí CH4 Vì vậy quá trình này còn gọi là quá trình lên men Metan và quần thể sinh vật được gọi là vi sinh vật Metan

Quá trình làm sạch nước thải tiến hành trong bể kín đảm bảo điều kiện yếm khí VSV yếm khí phân huỷ CHC trong nước thải theo 2 giai đoạn:

 Giai đoạn lên men axit: Những hidratcacbon dễ bị phân huỷ sinh hoá thành các axit béo với khối lượng phân tử thấp Khi đó pH môi trường giảm xuống đến 5 hoặc thấp hơn, kèm theo mùi hôi

 Giai đoạn Metan hoá: giai đoạn này các VSV kị khí chuyển hoá các sản phẩm của pha axit thành CH4 và CO2 Các phản ứng này chuyển pH của môi trường sang kiềm

Hệ vi sinh vật lên men yếm khí thường có sẵn trong nước thải Để tăng tốc

độ phân giải, nâng cao năng suất hoạt động của các bể Metan, có thể phân lập, nuôi cấy các vi sinh vật thích hợp để cung cấp thêm cho bể

 Xử lý bằng thuỷ sinh thực vật

Trong XLNT, thực vật thủy sinh (TVTS) có vai trò rất quan trọng TVTS tham gia loại bỏ các chất bẩn hữu cơ, chất rắn lơ lửng, nitơ, phốtpho, kim loại nặng và VSV gây bệnh Trong quá trình XLNT, sự phối hợp chặt chẽ giữa TVTS và các sinh vật khác như động vật phù du, động vật nguyên sinh, tảo,

vi khuẩn, vi nấm, nhuyễn thể, ấu trùng, côn trùng… có ý nghĩa quan trọng Vi sinh vật tham gia trực tiếp vào quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ và tạo nguyên liệu dinh dưỡng (N,P và các khoáng chất khác) cho thực vật sử dụng Đây là cơ chế quan trọng để TVTS loại bỏ các hợp chất vô cơ N, P[2]

1.2.3 Công nghệ xử lý nước thải bằng hệ thống đất ngập nước nhân tạo

1.2.3.1 Khái niệm

Đất ngập nước (ĐNN) là vùng đất trong đó có mức nước cao hơn hoặc ngang bằng so với mặt đất trong thời gian dài, đủ để duy trì tình trạng bão hòa của đất, sự phát triển của các VSV và thực vật sống trong môi trường đó[5] ĐNN nhân tạo chính là công nghệ xử lý sinh thái mới, được xây dựng nhằm khắc phục những nhược điểm của bãi ĐNN tự nhiên mà vẫn có được những ưu điểm của ĐNN tự nhiên Các nghiên cứu cho thấy, ĐNN nhân tạo hoạt động tốt hơn so với ĐNN tự nhiên cùng diện tích, nhờ đáy của ĐNN nhân tạo có độ dốc hợp lý và chế độ thủy lực được kiểm soát Độ tin cậy trong hoạt động của ĐNN nhân tạo cũng được nâng cao do thực vật và các thành phần khác trong ĐNN nhân tạo có thể quản lý được như mong muốn.[1]

Hệ thống ĐNN nhân tạo gần đây đã được biết đến trên thế giới như một giải pháp công nghệ phù hợp, XLNT trong điều kiện tự nhiên với hiệu suất cao, chi phí thấp và ổn định, ngày càng được áp dụng rộng rãi

Với các thông số làm việc khác nhau, hệ thống ĐNN nhân tạo được sử dụng rộng rãi trong xử lý nhiều loại nước thải Khác với bãi ĐNN tự nhiên, thường là nơi tiếp nhận nước thải sau khi xử lý, chất lượng đã đạt yêu cầu

theo tiêu chuẩn và chúng chỉ làm nhiệm vụ xử lý bậc cao hơn, hệ thống ĐNN nhân tạo là một thành phần trong hệ thống các công trình XLNT sau bể tự hoại hay sau xử lý bậc hai

1.2.3.2 Các loại hệ thống đất ngập nước nhân tạo và cấu tạo của chúng

1 Đất ngập nước dòng chảy bề mặt (surface flow wetland)

Hệ thống mô phỏng một đầm lầy hay ĐNN tự nhiên Dưới đáy hệ thống là một lớp đất sét tự nhiên hay nhân tạo, hoặc rải một lớp vải nhựa chống thấm Trên lớp chống thấm là đất hoặc vật liệu phù hợp cho sự phát triển của thực vật có thân nhô lên khỏi mặt nước Dòng nước thải chảy ngang trên bề mặt lớp vật liệu lọc Hình dạng hệ thống này thường là kênh dài hẹp, vận tốc dòng chảy chậm, thân cây trồng nhô lên trong hệ thống là những điều kiện cần thiết

để tạo nên chế độ thuỷ kiểu dòng chảy đẩy (plug-flow) [10]

2 Đất ngập nước dòng chảy dưới bề mặt (subsurface flow wetland)

Hệ thống này mới xuất hiện gần đây và được biết đến với các tên gọi khác nhau như lọc ngầm trồng cây (Vegetated submerged bed – VBS), hệ thống xử

lý với vùng rễ (Root zone system), bể lọc với vật liệu sỏi trồng sậy (Rock reed filter) hay bể lọc vi sinh và vật liệu (Microbial rock filter) Cấu tạo của bãi lọc ngầm trồng cây về cơ bản cũng gồm các thành phần tương tự như bãi lọc trồng cây ngập nước nhưng nước thải chảy ngầm trong phần lọc của bãi lọc Lớp lọc, nơi thực vật phát triển, thường gồm có đất, cát, sỏi, đá dăm và được xếp theo thứ tự từ trên xuống dưới, giữ độ xốp của lớp lọc Dòng chảy có thể

có dạng chảy từ dưới lên, từ trên xuống dưới hoặc chảy theo phương nằm ngang Dòng chảy phổ biến nhất ở bãi lọc ngầm là dòng chảy ngang Hầu hết các hệ thống được thiết kế với độ dốc 1% hoặc hơn.[10]

Hệ thống ĐNN nhân tạo dòng chảy ngang có khả năng xử lý CHC và chất rắn lơ lửng tốt, nhưng khả năng xử lý các chất dinh dưỡng lại thấp, do điều kiện thiếu oxy, kị khí trong các hệ thống không cho phép nitrat hoá amoni nên

khả năng xử lý nitơ bị hạn chế Xử lý phốtpho cũng bị hạn chế do các vật liệu lọc được sử dụng (sỏi, đá dăm) có khả năng hấp phụ kém.[10]

 Hệ thống ĐNN nhân tạo với dòng chảy ngang dưới mặt đất (Horizontal subsurface flow - HSF): 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 O2 vào trong bề mặt Khi nước thải chảy qua đới rễ, nó được làm sạch bởi sự phân hủy sinh học của VSV bởi các quá trình hóa sinh Loại thực vật sử dụng phổ biến trong các hệ thống HSF là cây sậy.[4]

 Hệ thống ĐNN nhân tạo với dòng chảy thẳng đứng (Vertical subsurface flow – VSF): Nước thải được đưa vào hệ thống qua ống dẫn trên

bề mặt Nước chảy xuống dưới theo chiều thẳng đứng Ở gần dưới đáy có ống thu nước đã xử lý để đưa ra ngoài Các hệ thống VSF thường xuyên được sử dụng để xử lý lần 2 cho nước thải đã qua xử lý lần 1 Thực nghiệm đã chỉ ra là

nó phụ thuộc vào xử lý sơ bộ như bể lắng, bể tự hoại Hệ thống ĐNN nhân tạo

cũng có thể được áp dụng như một giai đoạn của xử lý sinh học.[10]

Tuy nhiên, trên thực tế mô hình ĐNN nhân tạo được xây dựng theo hai hệ thống: Bãi lọc trồng cây ngập nước (SFW); Bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm hay Bãi lọc ngầm trồng cây, với dòng chảy ngang hay dòng chảy thẳng đứng (SSF) Cách thức phân chia các hệ thống khác nhau nhưng chúng hoạt động theo cùng một cơ chế

1.2.3.3 Cơ chế trong xử lý nước thải bằng hệ thống ĐNN nhân tạo

Để thiết kế, xây dựng, vận hành hệ thống ĐNN nhân tạo chính xác, đạt hiệu quả cao, việc nắm rõ cơ chế XLNT của hệ thống hết sức cần thiết Cơ

chế gồm lắng, kết tủa, hấp phụ, trao đổi chất của VSV, hấp thụ của thực vật Các chất ô nhiễm được loại bỏ nhờ nhiều cơ chế đồng thời trong hệ thống

1 Loại bỏ các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học

Trong hệ thống, phân huỷ sinh học đóng vai trò lớn nhất trong việc loại bỏ CHC dạng hoà tan hay dạng keo có khả năng phân huỷ sinh học (BOD) trong nước thải BOD còn lại cùng các chất rắn lắng bị loại bỏ nhờ quá trình lắng

Cả bãi lọc ngầm trồng cây và bãi lọc trồng cây ngập nước về cơ bản hoạt động như bể lọc sinh học Tuy nhiên, đối với hệ thống ĐNN nhân tạo, vai trò của VSV lơ lửng dọc theo chiều sâu cột nước của hệ thống đối với việc loại

bỏ BOD cũng rất quan trọng Cơ chế loại bỏ BOD trong các màng VSV bao quanh lớp vật liệu lọc tương tự như trong bể lọc sinh học nhỏ giọt Phân hủy sinh học xảy ra khi các CHC hoà tan được mang vào lớp màng VS bám trên phần thân ngập nước của thực vật, hệ thống rễ và những vùng 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 VSV thực hiện quá trình phân hủy sinh học (hiếu khí) cư trú

 Vận chuyển oxy vào vùng rễ để cung cấp cho quá trình phân hủy sinh học hiếu khí trong lớp vật liệu lọc và bộ rễ

hệ thống, chất rắn lơ lửng được loại bỏ trước tiên nhờ quá trình lắng và phân hủy sinh học, tương tự như quá trình xảy ra trong bể sinh học nhỏ giọt [21]

Các cơ chế xử lý trong hệ thống này phụ thuộc rất nhiều vào kích thước và tính chất của các chất rắn có trong nước thải và các dạng vật liệu lọc được sử dụng Trong mỗi trường hợp, thực vật trong hệ thống không đóng vai trò đáng

kể trong việc loại bỏ các chất rắn

Trong hệ thống, sự chuyển hoá của nitơ xảy ra trong các tầng oxy hoá và khử của bề mặt tiếp xúc giữa rễ và đất, phần ngập nước của thực vật có thân nhô lên khỏi mặt nước Nitơ hữu cơ bị oxy hoá thành NH4+ trong cả hai lớp đất oxy hoá và khử Lớp oxy hoá và phần ngập của thực vật là những nơi chủ yếu xảy ra quá trình nitrat hóa, tại đây NH4+

chuyển hoá thành NO2

bởi vi

khuẩn Nitrosomonas và cuối cùng thành NO3- bởi vi khuẩn Nitrobacter Ở

môi trường nhiệt độ cao hơn, một số NH4+ chuyển sang dạng NH3 và bay hơi vào không khí Nitrat trong tầng khử sẽ bị hụt đi nhờ quá trình khử nitrat, lọc hay do thực vật hấp thụ Tuy nhiên, nitrat được cấp vào từ vùng oxy hoá nhờ hiện tượng khuếch tán

Đối với bề mặt chung giữa đất và rễ, oxy từ khí quyển khuếch tán vào vùng lá, thân, rễ của các cây trồng trong hệ thống và tạo nên một lớp giàu oxy tương tự như lớp bề mặt chung giữa đất và nước Nhờ quá trình nitrat hoá diễn ra ở vùng hiếu khí, tại đây NH4+

bị oxy hoá thành NO3

- Phần NO3

-không bị cây trồng hấp thụ sẽ bị khuếch tán vào vùng thiếu khí, bị khử thành

N2 và N2O do quá trình khử nitrat Lượng NH4+ trong vùng rễ được bổ sung nhờ nguồn NH4+

từ vùng thiếu khí khuếch tán vào

4 Loại bỏ Phốtpho

Cơ chế loại bỏ phốtpho trong hệ thống ĐNN nhân tạo gồm có sự hấp thụ của thực vật, quá trình đồng hoá của vi khuẩn, sự hấp phụ lên đất, vật liệu lọc (chủ yếu đất sét) Khi thời gian lưu nước dài và đất sử dụng có cấu trúc mịn thì quá trình loại bỏ phốtpho chủ yếu là sự hấp phụ và kết tủa, do điều kiện này tạo cơ hội tốt cho quá trình hấp phụ phốtpho và các phản ứng xảy ra Tương tự như quá trình loại bỏ nitơ, vai trò của thực vật trong vấn đề loại

bỏ phốtpho vẫn còn là vấn đề tranh cãi Dù sao, đây cũng là cơ chế duy nhất đưa hẳn phốtpho ra khỏi hệ thống Các quá trình hấp phụ, kết tủa và lắng chỉ đưa được phốtpho vào vật liệu lọc Khi lượng phốtpho trong lớp vật liệu vượt quá khả năng chứa thì phần vật liệu đó phải được nạo vét và xả bỏ

5 Loại bỏ kim loại nặng

Khi các kim loại nặng hoà tan trong nước thải chảy vào hệ thống ĐNN nhân tạo, các cơ chế loại bỏ chúng gồm có:

 Kết tủa và lắng ở dạng hyđrôxit không tan trong vùng hiếu khí, ở dạng sunfit kim loại trong vùng kị khí của lớp vật liệu

 Hấp phụ lên các kết tủa oxyhyđrôxit sắt, mangan trong vùng hiếu khí

 Kết hợp, lẫn với thực vật chết và đất

 Hấp thụ vào rễ, thân và lá của thực vật trong hệ thống ĐNN

Các nghiên cứu chưa chỉ ra được cơ chế nào trong các cơ chế trên có vai trò lớn nhất, nhưng nhìn chung lượng KLN được thực vật hấp thụ chỉ chiếm một phần nhất định Các loại thực vật khác nhau có khả năng hấp thụ KLN khác nhau Bên cạnh đó, thực vật đầm lầy cũng ảnh hưởng gián tiếp đến sự loại bỏ và tích trữ KLN khi chúng ảnh hưởng tới chế độ thủy lực, cơ chế hoá học lớp trầm tích và hoạt động của VSV Vật liệu lọc là nơi tích tụ chủ yếu KLN Khi khả năng chứa KLN đạt tới giới hạn cần nạo vét, xả bỏ để loại KLN ra khỏi hệ thống

6 Loại bỏ các hợp chất hữu cơ

Các HCHC được loại bỏ trong hệ thống chủ yếu nhờ cơ chế bay hơi, hấp phụ, phân hủy bởi VSV (chủ yếu là vi khuẩn và nấm), hấp thụ của thực vật Yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất loại bỏ HCHC nhờ quá trình bay hơi là hàm số phụ thuộc của trọng lượng phân tử chất ô nhiễm và áp suất riêng phần giữa hai pha khí – nước xác định bởi định luật Henry

Quá trình phân hủy các chất bẩn hữu cơ chính nhờ các vi khuẩn hiếu khí

và kị khí, nhưng quá trình hấp phụ các chất bẩn lên màng VSV phải xảy ra trước quá trình thích nghi và phân hủy sinh học Các chất bẩn hữu cơ chính còn có thể được loại bỏ nhờ quá trình hút bám vật lý lên bề mặt các chất rắn lắng được và sau đó là quá trình lắng Quá trình này thường xảy ra ở phần đầu của hệ thống Các HCHC cũng bị thực vật hấp thụ tuy nhiên cơ chế này còn chưa được hiểu rõ và phụ thuộc nhiều vào loài thực vật được trồng, cũng như đặc tính của các chất bẩn

7 Loại bỏ vi khuẩn và virut

Cơ chế loại bỏ vi khuẩn, virut trong hệ thống ĐNN nhân tạo về bản chất giống quá trình loại bỏ VSV trong hồ sinh học nhờ:

 Các quá trình vật lý như dính kết và lắng, lọc, hấp phụ

 Bị tiêu diệt do điều kiện môi trường không thuận lợi trong thời gian dài

1.2.3.4 Các nguyên lý cơ bản trong hệ thống ĐNN nhân tạo

 SSF với dòng chảy ngang thiếu oxy: Khuếch tán trong lớp lọc từ đó mà không khí thâm nhập

 SSF với dòng chảy thẳng đứng quá trình hiếu khí là chiếm ưu thế:

- Quá trình khuếch tán và xáo trộn diễn ra từ đó không khí thâm nhập

qua hệ thống phân phối

- Nước chứa oxy thấm từ trên xuống dưới

 Quá trình lọc phụ thuộc vào kích thước hạt, kích thước hạt càng nhỏ thì diện tích tiếp xúc bề mặt càng lớn và càng hấp phụ nhiều hơn

 Hấp phụ và lắng được tăng cường bởi hàm lượng Fe, Al, và/hoặc Ca cao trong vật liệu lọc

1.2.3.5 Sơ lược về một số loại cây trong hệ thống ĐNN nhân tạo

TVTS kích thước lớn sử dụng trong XLNT chia làm 3 nhóm (bảng 1.7):

 Nhóm nổi: Bèo Tấm (Lemna minor), Bèo Nhật Bản (Eichhornia crassipes) Loại này có thân, lá nổi trên mặt nước, phần rễ chìm trong nước

 Nhóm nửa chìm, nửa nổi: Sậy (Pharagmites communis), Lau (Cirpuslacustris) Loại này có bộ rễ cắm vào đất, phần thân chìm trong nước,

phần còn lại và lá ở phía trên Mực nước thích hợp của cây là >1,5m

 Nhóm chìm: Rong Xương Cá (Potamogeton crispus), Rong Đuôi Chó (Littorella umiflora), thực vật loại này chìm hẳn trong nước, rễ của chúng

bám chặt vào bùn đất, còn thân và lá ngập trong nước

Bảng 1.7 Một số loại thực vật thủy sinh tiêu biểu Loại Tên thông thường Tên khoa học

Thủy sinh thực vật

sống chìm

Hydrilla Hydrilla verticilata

Water milfoil Myriophyllum spicatum

Thuỷ sinh thực vật

sống trôi nổi

Lục bình Eichhornia crassipes

Bèo tấm Wolfia arrhiga

Bèo tai tượng Pistia stratiotes

kích thước hạt hạt cát theo đường kính trung bình nằm trong khoảng 0,0625 – 2mm (thang Wentworth sử dụng tại Hoa Kỳ) hay từ 0,05 – 1mm (thang Kachinskii sử dụng tại Nga và Việt Nam hiện nay) Một hạt vật liệu tự nhiên

có kích thước nằm trong các khoảng này được gọi là hạt cát

do sự phong hóa hóa học của các loại đá chứa silicat dưới tác động của axít cacbonic nhưng một số loại đất sét lại được hình thành do các hoạt động thủy nhiệt Đất sét được phân biệt với các loại hạt đất đá nhỏ khác có trong đất, chẳng hạn như bùn nhờ kích thước nhỏ của chúng, hình dạng tạo bông hay tạo lớp, khả năng hút nước cũng như chỉ số độ dẻo cao

d Xỉ than

Tro than được tạo ra từ quá trình đốt cháy than, đặc biệt là các NMNĐ, nơi tiêu thụ một số lượng lớn than đá Thông thường, người ta phân loại tro này thành 2 loại là tro bay và tro đáy

Tro đáy hay xỉ than là loại to và thô hơn tro bay, màu xám đen, dạng hạt, xốp, thành phần khoáng cao Tro đáy không thể bay theo khí thải và nằm ở dạng vật liệu thô ở đáy lò đốt Khi than được đốt cháy thì có khoảng 20% tro đáy nằm ở dưới đáy lò

Xỉ than là một chất hấp phụ tiềm năng để loại bỏ thuốc nhuộm độc hại, có thể sử dụng để xử lý nước thải Hỗn hợp xỉ than và bã đậu nành có thể loại bỏ

thuốc nhuộm azo trong nước thải dệt nhuộm Hỗn hợp này cũng có thể phát

hiện và loại bỏ thuốc nhuộm Tryphenylmethane và Brilliant Blue FCP - một chất tạo màu sử dụng trong công nghiệp thuộc da và dệt may [20] Các loại thuốc nhuộm khác như Vertigo Blue 49 (CI Blue 49), Orange DNA13 (CI Orange 13) và Xanh Malachite từ nước thải dệt nhuộm cũng được xử lý hiệu

quả bởi xỉ than

Loại bỏ COD trong than cốc và nước thải sản xuất giấy bằng xỉ than cũng

đã được nghiên cứu Các nghiên cứu chỉ ra rằng nếu sử dụng 10g xỉ than với

cỡ hạt <0,74 mm trong 100ml nước có thể làm giảm 40% giá trị COD

Xỉ than cũng có thể được sử dụng hiệu quả trong xử lý nước thải bằng hệ thống đất ngập nước Các thành phần như silic và nhôm trong xỉ than có khả năng hấp phụ tốt Silic và nhôm có trong tất cả các loại than, vì vậy mà xỉ than có thể được sử dụng như chất hấp phụ hiệu quả

1.3 Tính chất hóa lý của xỉ than Nhà máy Nhiệt điện

Ở Việt Nam, phần lớn các NMNĐ đốt than chủ yếu tập trung ở phía Bắc,

do gần nguồn than Tổng công suất các NMNĐ đang vận hành tính ở thời

Nguồn cung cấp than nhiên liệu trong nước cho các NMNĐ thường là loại than chất lượng thấp: nhiệt trị từ 4000 – 5000 kcal/kg, thậm chí dưới 4000 kcal/kg; có độ tro lớn hơn 31÷32%, thậm chí đến 43÷45% Vì vậy, lượng xỉ than thải ra hằng năm rất lớn, đòi hỏi diện tích rất lớn để làm bãi chứa (bảng 1.8) Suất tiêu hao than trung bình khoảng 500 g/kWh, tổng lượng than sử dụng cho nhiệt điện và lượng xỉ than tạo thành như trong bảng 1.9.[16]

Bảng 1.8 Lƣợng than, xỉ than thải ra hằng năm, diện tích bãi chứa

NMNĐ

Lƣợng than tiêu thụ hàng năm

Lƣợng xỉ than thải ra hàng năm

Diện tích đất (ha)

Tổng (ha)

NM chính (trong hàng rào NM)

Bãi chứa

xỉ than (triệu tấn/năm)

240,0

Bảng 1.9 Xỉ than từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2010 – 2030

STT Năm Công suất

(MW)

Tiêu thụ than (triệu tấn/năm)

Lƣợng xỉ than (triệu tấn/năm)

Chú thích: Số liệu trong bảng được tính gần đúng ở điều kiện: suất tiêu hao than 0,5

cám 5a, 5b vùng Hòn Gai, Cẩm Phả, Vàng Danh, Mạo Khê, Núi Hồng, Khánh Hoà và Nông Sơn)

Các NMNĐ phải thu gom triệt để toàn bộ lượng xỉ than và lưu giữ trong

các bãi chứa, tránh phát tán và gây ô nhiễm môi trường

Ở các NMNĐ đốt than, lượng xỉ than thải ra chiếm khoảng 15% còn lượng

tro bay chiếm khoảng 85% tổng lượng tro xỉ của than dùng Nhìn chung, lượng carbon chưa cháy còn trong xỉ thường <6%, ít hơn trong tro bay (lượng carbon còn lại trong tro bay có thể từ 10 – 15%) Ngoài carbon chưa cháy,

trong xỉ chủ yếu là các oxit kim loại

Xỉ than có dạng to và thô hơn tro bay, có màu xám đen, dạng hạt, xốp Xỉ than không thể bay theo khí thải và nằm ở dạng vật liệu thô ở đáy lò đốt Xỉ than có kích thước các hạt không đồng đều từ 0,1 – 50 mm (kích thước từ hạt sỏi cho đến cát mịn) và kết cấu bề mặt xốp Xỉ than có tỷ trọng thấp, dao động

từ 2,3 – 3 (bảng 1.10) Với tỷ trọng thấp, xỉ than có kết cấu hạt xốp, vì vậy có thể dễ dàng nghiền nhỏ Tỷ trọng của xỉ than phụ thuộc vào từng loại than, công nghệ đốt than của từng NMNĐ, các phương pháp xử lý, lưu trữ xỉ than

Bảng 1.10 Một số tính chất vật lý của xỉ than Kích thước Tỷ trọng Tỷ trọng khối Diện tích bề mặt riêng

0,1 – 50 2,3 – 3 1,15 – 1,76 0,1 – 1

Thành phần hóa học chính của xỉ than gồm SiO2, Al2O3, Fe2O3 và một số hợp chất khác Thành phần hoá học của xỉ than phụ thuộc chủ yếu vào chủng loại than đã sử dụng và công nghệ đốt than ở NMNĐ Hiện tại, các NMNĐ sử dụng than đá hoặc than nâu Sự khác nhau này ghi trong bảng 1.11, 1.12, và 1.13 Các tính chất này định hướng việc chế biến và sử dụng xỉ than.[16]

Bảng 1.11 Khác biệt về thành phần hóa học của xỉ than khi đốt than[16]

Tổng oxit (SiO2, Al2O3, Fe2O3), % 75 – 78 50 – 60

Bảng 1.12 Thành phần hóa học của xỉ than[16]

NMNĐ Thành phần hóa học của xỉ than, %

SiO 2 Fe 2 O 3 Al 2 O 3 CaO MgO TiO 2 Na 2 O K 2 O

Phả Lại 46,20 12,30 24,20 1,75 1,50 0,70 2,80 0,50 Hải Phòng 2 57,60 7,70 26,40 0,80 1,20 0,69 0,49 4,30 Quảng Ninh 62,83 5,41 24,76 0,44 1,11 0,68 0,48 3,64 Ninh Bình 2 57,60 7,70 26,40 0,80 1,20 0,69 0,49 4,30 Mạo Khê 56,16 14,84 23,90 1,34 1,39 0,72 - - Nghi Sơn 62,10 4,99 24,13 0,48 0,98 0,85 0,22 4,34

Mông Dương 1 59,38 7,92 24,27 0,83 1,42 0,84 0,60 4,12

Bảng 1.13 Đặc tính của than dùng trong các NMNĐ ở Việt Nam[16]

trị, Q Kcal/Kg

Phả Lại 61,74 2,05 1,06 1,0 0,05 25,24 8,78 5319 Hải Phòng 55,20 2,60 0,50 2,50 0,50 29,70 9,00 5050 Quảng Ninh 51,27 1,13 0,55 1,20 0,95 35,5 9,40 4655 Ninh Bình 2 57,80 1,86 0,65 2,83 0,88 27,18 8,80 5056 Mạo Khê 50,32 1,41 0,75 1,86 0,84 36,72 8,07 4416 Nghi Sơn 63,70 2,66 0,60 2,16 0,88 27,45 8,00 - Vũng Áng 58,06 2,40 0,43 2,29 0,84 27,37 8,63 5200 Cẩm Phả 47,05 2,13 0,59 1,79 0,71 30,84 16,92 3937 Mông Dương 1 51,48 2,04 0,55 3,10 1,00 33,33 8,50 4450

Hàng năm, các NMNĐ thải ra một lượng xỉ than khá lớn Xỉ than ở hầu hết các NMNĐ Việt Nam thuộc loại F, không phản ứng với nước Vì vậy mà giải pháp bơm xỉ than cùng với nước ra bãi thải được áp dụng triệt để, phớt lờ các tác động đến môi trường và gây lãng phí nguồn tài nguyên rất lớn (hình 1.1) Các NMNĐ không có chủ trương khai thác xỉ than, hoặc không có điều kiện khai thác, nhân dân quanh khu vực các bãi xỉ than đang khai thác một cách tự phát Lượng khai thác tự phát này rất nhỏ và không nên khuyến khích vì các

lý do an ninh và môi trường Tuy nhiên đây cũng là một gợi ý cho việc sử dụng xỉ than trong khi chờ đợi công nghệ xử lý xỉ than với công suất lớn Ví

dụ như việc sử dụng xỉ than làm nền đường, gạch, ngói, xử lý nước thải một cách có tổ chức đảm bảo an ninh, vệ sinh và có sự tham gia của chuyên gia Tuy nhiên, lượng xỉ than của các NMNĐ chưa được sử dụng nhiều, hầu hết xỉ than được thải ra bãi thải, được chôn lấp mà chưa được tái sử dụng

Hình 1.1 Bãi xỉ than của nhà máy Ninh Bình Hiện tại, NMNĐ Mông Dương 1 sử dụng nhiên liệu than, công nghệ nhiệt

điện ngưng hơi truyền thống, thông số hơi cận tới hạn, công nghệ lò hơi đốt than kiểu tầng sôi (CFB) hiện đại, phù hợp với các loại than Antracite có chất lượng thấp của Việt Nam, có ở các mỏ than lớn ở Quảng Ninh Nhu cầu tiêu thụ than cho NMNĐ Mông Dương 1 khoảng 3 triệu tấn than/năm, lượng xỉ