Nghiên cứu và ứng dụng quá trình xử lý nước thải trong điều kiên tự nhiên bằng phương pháp hồ sinh học

Nhóm học viên đã thực hiện nghiên cứu chuyênđề:“Nghiên cứu và ứng dụng quá trình xử lý nước thải trong điều kiên tự nhiên bằng phương pháp hồ sinh học” Việc tìm hiểu, nghiên cứu chuyên đ

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 2

CHƯƠNG I 4

KHÁI NIỆM VÀ CẤU TẠO HỒ SINH HỌC 4

1 Khái niệm hồ 4

2 Cấu tạo hồ sinh học 4

CHƯƠNG II 5

CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ NGUYÊN TẮC XỬ LÝ NƯỚC THẢI CỦA HỒ SINH HỌC 5

1 Cơ sở khoa học của phương pháp xử lý nước thải bằng hồ sinh học 5

1.1 Hệ động thực vật trong hồ sinh học 5

1.2 Cơ sở khoa học của phương pháp 7

2 Nguyên tắc xử lý nước thải của hồ sinh học 8

CHƯƠNG III 12

PHÂN LOẠI VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC LOẠI HỒ SINH HỌC 12

1 Hồ tự nhiên 12

2 Hồ nhân tạo 12

3 Hồ kỵ khí 13

4 Hồ tùy tiện 14

5 Hồ hiếu khí 14

6 Hồ sinh học với sự tham gia của thực vật nước 15

CHƯƠNG IV 19

ĐỀ XUẤT VÀ ỨNG DỤNG THỰC TẾ 19

1 Đề xuất dây chuyền công nghệ 19

2 Ứng dụng thực tế của hồ sinh học trong xử lý nước thải 22

CHƯƠNG V 27

KẾT LUẬN VÀ TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

1 Kết luận 27

2 Tài liệu tham khảo 27

1

M Đ U Ở ĐẦU ẦU

Việt Nam đang trong thời kỳ đẩy mạnh công nghiệp hoá - hiện đại hoá, pháttriển công nghiệp là mũi nhọn được ưu tiên, kèm theo đó là quá trình đô thị hóa diễn ravới tốc độ cao Ở một vài địa phương vấn đề ô nhiễm môi trường đôi khi bị xem nhẹ.Nghiêm trọng nhất phải kể đến là sự ô nhiễm các thủy vực do việc đổ trực tiếp nướcthải chưa qua xử lý Nguyên nhân một phần là do không đủ kinh phí để xây dựng cáccông trình xử lý nước thải với công nghệ cao và quy mô lớn Do đó, các công trình xử

lý với mức đầu tư thấp sẽ rất khả thi trong việc ứng dụng Thực tế xảy ra ở các vùngnông thôn Khi mà nhận thức của người dân chưa cao và kinh phí cho việc cải thiệnmôi trường hầu như không có Một giải pháp cho vấn đề này là tận dụng chính nhữnglợi thế có sẵn ở địa phương để xử lý

Xử lý nước thải bằng các quá trình tự nhiên có lẽ được xem là phương phápthích hợp trong điều kiện hiện nay của nước ta để đảm bảo vệ sinh môi trường, hệthống làm việc đạt hiệu quả, khắc phục được các khó khăn do yếu tố tự nhiên, xã hội,giảm tối đa chi phí đầu tư xây dựng

Một trong những lợi thế có sẵn ở các địa phương đó là hồ nước Hồ là mộtnguồn tài nguyên có ở nhiều nơi trên thế giới và Việt Nam Ngoài khả năng điều hòanước, là di tích lịch sử, tạo cảnh quan-du lịch và nuôi trồng thủy sản hồ còn có 1 tácdụng quan trọng là tiếp nhận và xử lý nước thải

Những nghiên cứu về quá trình xử lý nước thải bằng hồ sinh học đã được tiếnhành và thu được những kết quả khả quan

Với mục tiêu tìm hiểu, nghiên cứu một cách hệ thống phương án áp dụng dâychuyền công nghệ xử lý nước thải có đặc điểm công nghệ, chi phí, điều kiện vận hành, phù hợp với đa số các đô thị Việt Nam Tận dụng được nguồn lợi từ hồ Đồng thời,

nhóm học viên được thu nhận những kiến thức từ môn học “Hồ Điều Hòa và HT TNĐT” do PGS.TS Mai Thị Liên Hương hướng dẫn trong chương trình Cao học

chuyên ngành Cấp thoát nước tại trường Đại học Kiến Trúc Hà Nội Trên cơ sở đó, kếthợp một số kiến thức thực tế trong quá trình làm việc công tác trong lĩnh vực tư vấn

thiết kế cấp thoát nước và môi trường Nhóm học viên đã thực hiện nghiên cứu chuyênđề:

“Nghiên cứu và ứng dụng quá trình xử lý nước thải trong điều kiên tự nhiên bằng phương pháp hồ sinh học”

Việc tìm hiểu, nghiên cứu chuyên đề này giúp nhóm nghiên cứu hiểu sâu hơn

về công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp sử dụng hồ sinh học Hỗ trợ tích cực

và hết sức thiết thực cho quá trình làm việc, tư vấn thiết kế của các học viên tại đơn vịcông tác Được sự hướng dẫn mang tính gợi mở và sâu sắc của PGS.TS Mai Thị LiênHương trong quá trình nghiên cứu, nhóm học viên xin được trình bày một số nội dung

đã được tìm hiểu, nghiên cứu như sau:

3

CHƯƠNG I KHÁI NIỆM VÀ CẤU TẠO HỒ SINH HỌC

Hồ sinh học được ứng dụng rộng rãi hơn cánh đồng lọc và cánh đông tưới Ưuđiểm lớn nhất của hồ sinh học là chiếm diện tích nhỏ hơn cánh đồng lọc sinh học

2 Cấu tạo hồ sinh học

Cấu tạo: Hồ sinh vật là các ao hồ có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo, còn

gọi là hồ oxy hóa, hồ ổn định nước thải,… Trong hồ sinh vật diễn ra quá trình oxyhóa sinh hóa các chất hữu cơ nhờ các loài vi khuẩn, tảo và các loại thủy sinh vậtkhác

Nguyên tắc hoạt động: Vi sinh vật sử dụng oxy sinh ra từ rêu tảo trong quá

trình quang hợp cũng như oxy hóa từ không khí để oxy hóa các chất hữu cơ, rong tảolại tiêu thụ CO2, photphat và nitrat amon sinh ra từ sự phân hủy, oxy hóa các chấthữu cơ bởi vi sinh vật Để hồ hoạt động bình thường cần phải giữ giá trị pH và nhiệt

độ tối ưu Nhiệt độ không được thấp hơn 600C Theo quá trình sinh hóa, người ta chia

hồ sinh vật ra các loại:hồ hiếu khí, hồ kỵ khí và hồ tùy nghi

Hồ sinh học dùng xử lý nước thải bằng sinh học chủ yếu dựa vào quá trình làm sạch của hồ

Ngoài ra hồ sinh học còn có những tác dụng hữu ích sau:

 Nuôi trồng thuỷ sản;

 Cung cấp nước cho trồng trọt;

 Điều hoà dòng chảy mùa mưa và hệ thống thoát nước đô thị;

 Không đòi chi phí cao;

 Bảo trì, điều hành đơn giản

CHƯƠNG II

CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ NGUYÊN TẮC XỬ LÝ NƯỚC THẢI

CỦA HỒ SINH HỌC

1 Cơ sở khoa học của phương pháp xử lý nước thải bằng hồ sinh học

Các hoạt động diễn ra trong hồ sinh học là kết quả của sự cộng sinh phức tạpgiữa nấm và tảo, giúp ổn định dòng nước và làm giảm các vi sinh vật gây bệnh

Hồ sinh học có thể dùng để xử lý nhiều loại nước thải khác nhau: nước thảicông nghiệp hay sinh hoạt phức tạp, trong những điều kiện thời tiết khác nhau

Các quá trình diễn ra trong ao, hồ sinh học cũng tương tự như quá trình tự làmsạch ở các sông hồ tự nhiên Vi sinh vật đóng vai trò chủ yếu trong quá trình xử lý chấtthải hữu cơ

Thực vật thuỷ sinh dùng để xử lý nước thải chia làm ba nhóm lớn:

 Nhóm thực vật thuỷ sinh ngập nước:

Đặc điểm quan trọng của nhóm thực vật thuỷ sinh ngập nước là chúng tiến hànhquá trình quang hợp hay trao đổi chất diễn ra hoàn toàn trong lòng nước Chính vì vậynhóm thực vật thuỷ sinh này chỉ có thể phát triển tốt ở một khoảng độ sâu nhất địnhcủa nước và chiều sâu này thường từ 50cm (tính từ bề mặt nước) trở lại vì ở chiều saunày thì ánh sáng mặt trời có tác dụng tốt nhất Nhóm thực vật ngập nước này cũng gây

5

nên những tác hại như làm tăng độ đục của nước, ngăn cản khả năng khuếch tán củaánh sáng vào nước Do đó các loại thủy sinh này không hiệu quả trong việc làm sạchcác chất thải.

Nhóm này bao gồm các lạo như rong Hydrilla Verticillata, Caratophyllum…hấpthụ các chất dinh dưỡng và các nguyên tố cần thiết khác qua thân, lớp vỏ, đây là quátrình lọc và hấp thụ các chất hòa tan Hiệu quả thu hồi các chất dinh dưỡng nitơ củaloại thực vật này từ 200-1560 kg/ha

Thực vật ngập nước bậc cao đóng vai trò lớn trong việc cung cấp oxy cho vikhuẩn tham gia phân hủy các chất hữu cơ Tuy nhiên cũng cần thiết thường xuyên thuhồi các loại thực vật nổi và thực vật ngập nước ra khỏi hồ để tránh hiện tượng nhiễmbẩn nước

 Nhóm thực vật trôi nổi:

Các loài thực vật này phát triển trên bề mặt nước gồm hai phần: phần lá và phầnthân mềm nổi trên mặt nước, đây là phần nhận ánh sáng trực tiếp từ mặt trời, phầndưới là rễ, rễ của các loài thực vật này là rễ chùm Chúng phát triển trong lòng môitrường nước, nhận các chất dinh dưỡng trong nước và chuyển lên lá thực hiện quátrình quang hợp

Loài thực vật này trôi nổi trên nước theo gió và dòng nước Khi chúng dichuyển kéo theo rễ quét trong lòng nước, các chất dinh dưỡng thường xuyên tiếp xúc

và hấp thụ qua rễ Rễ của loài thực vật này là giá thể cho các loại vi khuẩn bám vào đểphân hủy các chất thải So với loài thực vật ngập nước, loài thực vật trôi nổi này cókhả năng xử lý các chất ô nhiễm rất cao

Nhóm này bao gồm các loại bèo như: Eichhorinia crassipes (bèo Nhật Bản, Lụcbình); spirodella; lema; Postia statiotes… Sinh khối của bèo tăng rất nhanh trong điềukiện môi trường thuận lợi sau sáu ngày nuôi cấy chúng có thể tăng sinh khối đến 250

kg chất khô/ha.ngày đêm (Theo O’ Bien 1981) Trong quá trình nghiên cứu bèo trong

hồ sinh học, các nhà khoa học nhận thấy rằng bộ rễ của bèo là nơi cư trú của nhiều loài

vi khuẩn đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển hóa các chất hữu cơ ở tầng bề mặtnước Hiệu quả xử lý BOD đạt 95%; khả năng khử N-NH3, P đến 97% Ngoài bèotrong hồ sinh học còn có các loại thực vật nổi khác như rau muống, họ sen súng Đâyđều là loại thực vật có khả năng chuyển hóa vật chất rất cao

Dưới đây là bảng thống kê một số loại thực vật thủy sinh tiêu biểu:

Nhóm Tên thong thường Tên khoa học

Thực vật nửa ngập nước

Cỏ lõi bấc (bulrush) Scirpus spp

1.2 Cơ sở khoa học của phương pháp

Các điều kiện của nước thải để áp dụng phương pháp hồ sinh học

Các loại nước thải: Nước thải sinh hoạt, nước thải một số ngành công nghiệp(thực phẩm, chế biến thủy sản-nông sản, các lò mổ, khu chăn nuôi, có thể cả côngnghiệp giấy) có những đặc điểm: giàu chất hữu cơ hòa tan như hydratcacbon, protein

và các sản phẩm phân hủy, các hợp chất hữu cơ chứa ni tơ, photpho, các dạng chấtbéo một số thành phần vô cơ như H S2 , sulfit, amoniac có thể đưa vào xử lý sinhhọc

Dựa vào khả năng tự làm sạch của nước, chủ yếu là vi sinh vật và các thủysinh khác, các chất nhiễm bẩn bị phân hủy thành các chất khí và nước Như vậy, quátrình làm sạch không phải thuần nhất là quá trình hiếu khí mà còn có cả quá trình tùytiện và kị khí Các loại ao hồ sinh học có thể áp dụng thích hợp ở nước ta nếu diện tíchmặt bằng và các điều kiện khác cho phép Các ao hồ có thể làm một bậc hoặcnhiều bậc xử lý Chiều sâu của hồ bậc sau thường sâu hơn bậc trước Thiết bị đưa nướcvào hồ phải có cấu trúc thích hợp để phân phối đều hỗn hợp bùn nước trên toàn bộdiện tích hồ

Quá trình xử lý nước thải của hồ sinh học phụ thuộc vào các yếu tố tự nhiên.Hiện nay chưa có chỉ tiêu thiết kế chung cho hồ sinh học Hầu hết các hồ sinh họcđược thiết kế, xây dựng trên cơ sở kinh nghiệm hoặc nghiên cứu thực nghiệm đối vớicác loại nước thải cụ thể trong các điều kiện cụ thể

7

Chuỗi hồ sinh học

2 Nguyên tắc xử lý nước thải của hồ sinh học

Khi nước thải vào hồ do vận tốc nước chảy nhỏ, các loại cặn lắng có tỷ trọnglớn được lắng xuống đáy; các chất bẩn hữu cơ còn lại lơ lửng trong nước sẽ được vikhuẩn hấp phụ và oxy hoá Ở gần sát mặt nước tồn tại nhiều vi sinh vật hiếu khí; tạiđây oxy được cung cấp từ quá trình hoà tan từ không khí do chuyển động của sóng,gió Lượng oxy này không nhiều nhưng khá ổn định; lượng oxy có trong tầng nướcnhờ sự quang hợp của tảo Nhờ có oxy quá trình chuyển hoá hiếu khí của vi sinh vậtxảy ra mạnh, chất hữu cơ nhanh chóng bị phân huỷ thành các sản phẩm là sinh khối,2

CO , các muối nitrat, nitrit,

Khí CO2 và hợp chất N, P lại được trong tảo sử dụng trong quá trình quang hợp.Trong quá trình này sẽ giải phóng oxy, cung cấp cho quá trình oxy hoá các chất hữu cơcủa vi khuẩn Sự hoạt động của rong tảo tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi

chất của vi khuẩn Như vậy vi khuẩn hiếu khí và tảo tạo ra một vòng khép kín của sựchuyển hoá vật chất Tuy nhiên trong trường hợp nước thải đậm đặc chất hữu cơ, tảo cóthể chuyển từ hình thức tự dưỡng sang dị dưỡng và tham gia vào quá trình oxy hoá chấthữu cơ Nấm, xạ khuẩn có trong nước thải cũng thực hiện vai trò tương tự.

Dưới đây là Sơ đồ thể hiện Thuyết hỗ sinh về vi khuẩn và tảo:

Ở phần đáy hồ, các chất hữu cơ có tỷ trọng lớn lắng xuống thường đây là cácchất khó phân huỷ; trong môi trường đáy hồ rất thiếu oxy nên phát triển vi sinh vật yếmkhí Các vi sinh vật này tham gia chuyển hoá chất hữu cơ thành các acid hữu cơ, rượu đểcác vi sinh vật khác tiếp tục chuyển hoá thành khí CH4, CO2, H S2 , NH3… Trong đó3

NH và CO2 có ý nghĩ giúp rong tảo phát triển mạnh; ngược lại trong quá trình pháttriển của rong tảo tạo ra oxy là yếu tố không thuận lợi cho sự phát triển của vi sinh vậtyếm khí Tuy nhiên rong tảo chỉ phát triển mạnh ở phần gần ánh sáng mặt trời nên mộtphần oxy tạo ra bay vào không khí, một phần được vi sinh vật hiếu khí sử dụng nên sựảnh hưởng đến vi sinh vật yếm khí không đáng kể; phần đáy hồ khi rong tảo chết thì xáccủa nó là chất dinh dưỡng cho các vi sinh vật đáy hồ phát triển Như vậy, rong tảokhông chỉ có tác dụng tích cực đến sự chuyển hoá vật chất (quá trình quang hợp) mà còntác động tích cực đối với vi sinh vật hiếu khí và vi sinh vật yếm khí

Như vậy vi sinh vật, tảo, các loại thực vật trong hồ có mối quan hệ thong quaoxy và các chất dinh dưỡng Oxy giúp sự phát triển của sinh vật hiếu khí nhưng đồngthời cũng là yếu tố tiêu diệt các vi sinh vật gây bệnh trong hồ Lượng oxy cung cấpcho hồ có sự chênh lệch giữa ngày và đêm; ban đêm lượng oxy không nhiều chỉ tậptrung vùng bề mặt, vào ban đêm thì lượng oxy cao hơn Điều này chứng tỏ rằng lượngoxy có trong hồ phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên là do quá trình quang hợp của tảo vàthực vật

9

Yếu tố chính đảm bảo quá trình chuyển hoá chất hữu cơ trong hồ sinh học làoxy và nhiệt độ Ở tầng nước mặt do có oxy khuếch tán từ không khí và oxy quanghợp, quá trình oxy hoá chất hữu cơ diễn ra mạnh, thế năng oxy hoá khử trong hồ giảmdần theo chiều sâu hồ Ở tầng nước sau, hàm lượng oxy hoà tan giảm tạo điều kiệnyếm khí, vi khuẩn phải sử dụng oxy liên kết từ NO2 

, NO3 , 2 4

SO 

để oxy hoá chất hữu

cơ Trong lớp cặn đáy, các chất hữu cơ thường phân huỷ bằng cách lên men, sản phẩmtạo ra là CH4,H S2 …

Theo chiều chuyển động của nước thải, hồ sinh học chia làm ba vùng khácnhau:

 Vùng Polyxaprobe (P): Tại đây diễn ra quá trình phân huỷ chất hữu cơ

dễ bị oxy hoá sinh hoá, lên men cặn lắng nhờ vi khuẩn

 Vùng -mezoxaprobe (-m): Tại đây phân huỷ mạnh các chất hữu cơ,các hợp chất nitơ tồn tại dưới dạng amoni Hàm lượng oxy hoà tan thấp, vikhuẩn tuỳ tiện phát triển mạnh

 Vùng -mezoxaprobe (-m): Đây là vùng ổn định với BOD không cao.Hàm lượng NO3 

và 3

4

PO  lớn, là nguyên nhân gây nên hiện tượng phú dưỡng.Trong vùng này xuất hiện nhiều loại tảo lục đơn bào, động vật nguyên sinh.Bên cạnh xử lý nước thải, hồ sinh học còn sử dụng với nhiều mục đích khác:

 Nuôi bèo hoặc thực vật nước:

Khi xem xét khả năng ứng dụng các loại hồ sinh học ở Việt Nam, có ý kiến chorằng nên kết hợp việc xử lý nước thải trong hồ với việc nuôi bèo ở trong hồ vì bèo làloài thực vực có khả năng ‘làm sạch” nước, đồng thời khi bèo phát triển có thể làmthức ăn chăn nuôi cũng như làm nguyên liệu chế biến thành phân hữu cơ Tuy nhiênkhi nuôi bèo phải chú ý không để bèo phủ kín mặt nước làm cản trở nguồn ánh sáng,vùng nước phía dưới thiếu ánh sáng làm giảm khả năng phát triển của các sinh vật cótrong nước

 Nuôi trồng tảo:

Nước thải chứa nhiều chất dinh dưỡng thuận lợi cho sự phát triển của tảo và cácsinh vật khác Tảo phát triển mạnh trong hồ sẽ cung cấp oxy hoà tan cho các sinh vậtkhác phát triển theo làm tăng nhanh quá trình phân huỷ các chất ô nhiễm, chuyển hoáthành sinh khối Sinh khối tảo lại là nguồn thức ăn rất tốt cho chăn nuôi và nuôi trồngthuỷ sản

Dưới đây là đặc điểm một số dạng của tảo:

CHƯƠNG III PHÂN LOẠI VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA CÁC

- Hồ được hình thành do quá trình kiến tạo bề mặt trái đất;

- Hồ tự nhiên trước đây, khi chưa chịu tác động đáng kể của con người thường

là những hồ sinh thái có độ đa dạng sinh học cao, là nơi cư trú của nhiều loài độngthực vật

- Đến nay dưới tác động của bàn tay con người, một số hồ đã bị xoá sổ, một sốđược khai thác cạn kiệt các tài nguyên trong hồ hay phải gánh chịu những vấn đề ônhiễm môi trường do con người tạo ra

2 Hồ nhân tạo

- Hồ nhân tạo được hình thành do những tác động của con người nhằm nhữngmục đích này hay mục đích khác, như đắp chắn dòng sông ngăn lũ, lưu trữ nước chonhà máy phát điện, cung ứng cho tưới tiêu chống hạn tạo những hồ sinh thái ở khu vựcthượng nguồn

- Hồ còn do quá trình đào đắp đất hoặc khai thác đất đá, khoáng sản tạo thàngcác hố sâu rộng, theo thời gian nước được lấp đầy do mưa tạo thành những lòng hồ,làm môi trường sống cho các loại động vật thuỷ sinh…

Một dạng hồ sinh học nhân tạo

- Có khả năng xử lý nước thải chứa hàm lượng hữu cơ cao

- Hồ kỵ khí làm giảm lượng N, P, K và các vi sinh vật gây bệnh bằng cách tạo

ra bùn và giải phóng NH3 vào không khí

Hồ kỵ khí

13