Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật để phát triển giải pháp thích ứng xử lý nước thải sinh hoạt đô thị

Hàng năm, trên thế giới số người chết do hậu quả của ô nhiễm nước lớn hơn tất cả các dạng xung đột bạo lực, kể cả chiến tranh gây ra, con số này chiếm khoảng 3,1% tất cả các ca tử vong –

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Em xin chân thành cảm ơn tới Thầy PGS.TS Nguyễn Văn Cách cùng toàn thể các thầy cô trong Viện Công nghệ Sinh học và Thực Phẩm đã tạo mọi điều kiện thuận lợi và hướng dẫn em rất nhiệt tình chu đáo để em hoàn thành khóa học này!

Em cũng xin chân thành cảm ơn tới tập thể cán bộ Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, ĐHBK Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em trong phân tích các chỉ tiêu nước trong quá trình nghiên cứu

Em xin chân thành cảm ơn Phòng Công nghệ sinh học Môi trường, Viện Công nghệ sinh học Việt Nam và Phòng Sinh thái học, Viện Vi sinh vật và Công nghệ sinh học, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp dỡ em trong quá trình em làm đề tài

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn tới gia đình và bạn bè em đã tạo điều kiện, giúp đỡ và động viên em rất nhiều để em hoàn thành khóa luận của mình!

Hà Nội, Ngày 20 tháng 09 năm 2011

Học viên

Nguyễn Thị Hạnh Nguyên

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1 

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 2 

DANH MỤC CÁC BẢNG 3 

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 4 

MỞ ĐẦU 5 

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 7 

1.1 Tình trạng ô nhiễm nước trên thế giới và Việt Nam 7 

1.1.1 Tình trạng ô nhiễm nước trên thế giới 7 

1.1.2 Tình trạng ô nhiễm nước ở Việt Nam 8 

1.1.3 Hiện trạng xử lý nước thải sinh hoạt tại Hà Nội 12 

1.2 Số lượng, thành phần và tính chất nước thải sinh hoạt 14 

1.2.1. Các loại nước thải 14 

1.2.2 Số lượng nước thải và chế độ thải nước 16 

1.2.3 Thành phần của nước thải 19 

1.3 Đặc điểm vật lý, hóa học, sinh vật và vi sinh của nước thải đô thị 20 

1.3.1 Đặc điểm vật lý 20 

1.3.2 Đặc điểm hóa học 21 

1.3.3 Đặc điểm sinh vật, vi sinh vật 21 

1.4 Các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt đô thị 22 

1.4.1 Các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt đô thị 22 

1.4.2 Phương pháp sinh học xử lý nước thải sinh hoạt đô thị 23 

1.4.2.1 Ao hồ sinh học 23 

1.4.2.2 Lọc sinh học 28 

1.4.2.3 Bùn hoạt tính – Aeroten 33 

1.5 Tình hình áp dụng công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt đô thị tại Việt Nam 40 

1.6 Tổng quan về các phương pháp xác định vi sinh vật trong nước thải 43 

1.6.1. Khái quát về các phương pháp phân loại vi sinh vật truyền thống 43 

1.6.2.Phương pháp phân loại dựa trên các kỹ thuật sinh học phân tử 45 

1.6.2.1 Các phương pháp dùng trong phân loại phân tử 45 

1.6.2.2 Sử dụng kỹ thuật DGGE trong nghiên cứu đa dạng tập đoàn VSV 45 

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 49 

2.1 Nguyên liệu 49 

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 49 

2.1.2 Hóa chất 49 

2.1.3 Máy móc thiết bị 49 

2.2 Phương pháp nghiên cứu 50 

2.2.1 Phương pháp tách chiết DNA tổng số từ bùn hoạt tính 50 

2.2.2 Phương pháp điện di DNA trên gel agarose 51 

2.2.3 Phương pháp khuếch đại một đoạn DNA bằng phản ứng PCR 52 

2.2.4 Phương pháp điện di trên gel gradient biến tính DGGE 53 

2.2.5 Một số phương pháp xác định các thông số môi trường nước 54 

2.2.5.2 Xác định nhu cầu oxy hóa học (COD)[15] 54 

2.2.5.3 Xác định nhu cầu oxy sinh hóa BOD 5 57 

2.2.5.4 Xác định tổng nitơ Kjeldahl [16] 59 

2.2.5.5 Xác định tổng Photpho[17] 63 

2.2.5.6 Xác định tổng cacbon hữu cơ (TOC) 66 

2.2.5.7 Xác định hàm lượng kim loại nặng 66 

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 67 

3.1 Khảo sát các chỉ tiêu nước thải đầu vào 67 

3.2 Tách chiết DNA tổng số trực tiếp từ mẫu bùn và mẫu nước thải 68 

3.3 Nhân đoạn gen 16S rDNA bằng PCR 69 

3.4 Kết quả phân tích DGGE 69 

3.5 Khảo sát hàm lượng bổ sung chế phẩm sinh học 71 

3.6 Xác định hiệu quả xử lý của chế phẩm sinh học quy mô pilot 73 

3.6.1 Sự biến động hàm lượng COD trong quá trình xử lý nước sông Kim Ngưu 75 

3.6.2 Sự biến động hàm lượng BOD5 trong quá trình xử lý sông Kim Ngưu 76 

3.6.3 Sự biến động hàm lượng T-N 78 

3.6.4 Sự biến động hàm lượng T-P 79 

3.6.5 Sự biến động hàm lượng TOC 80 

3.6.6 Khảo sát sự thay đổi pH trong quá trình xử lý 81 

3.6.7 Khảo sát hàm lượng kim loại nặng 81 

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83 

4.1 Kết luận 83 

4.2 Một số kiến nghị cần được tiếp tục nghiên cứu 83 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 

PHỤ LỤC 87 

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài: “ Nghiên cứu ứng dụng vi sinh vật để phát

triển giải pháp thích ứng xử lý nước thải sinh hoạt đô thị” do PGS.TS

Nguyễn Văn Cách hướng dẫn là tôi thực hiện, không sao chép của bất kỳ tác giả hay tổ chức nào trong và ngoài nước Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về nội dung đã trình bày trong luận văn!

Hà Nội, ngày 20 tháng 09 năm 2011

Học viên

Nguyễn Thị Hạnh Nguyên

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BOD5 : Biochemical oxygen Demand (5 days) (Nhu cầu oxy sinh

hóa) COD : Chemical Oxygen Demand (Nhu cầu oxy hóa học)

TSS : Total suspended solids (Tổng chất rắn lơ lửng)

T-P : Tổng Photpho

T-N : Tổng Nitơ

MLSS : Mixed Liquor Suspended Solids (Hàm lượng sinh khối)

DO : Disolved oxygen (Oxy hòa tan)

WHO : Tổ chức Y tế thế giới

TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam

MBR : Membrane bioreactor (Màng phản ứng sinh học)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 1 Tiêu chuẩn cấp nước cho sinh hoạt 16  

Bảng 1 2 Lưu lượng nước thải các bệnh viện 17  

Bảng 1 3 Lưu lượng nước thải tiêu biểu ở các khu dân cư 18  

Bảng 1 4 Thành phần nước thải sinh hoạt phân tích theo các phương pháp của APHA (GTZ, 1989) 20  

Bảng 1 5 Hiệu quả xử lý một số phương pháp 23  

Bảng 1 6 Phân biệt tải trọng trong các bể lọc sinh học nhỏ giọt 30  

Bảng 2 1 Lựa chọn thể tích mẫu để xác định BOD5 58

Bảng 2 2 Lựa chọn thể tích mẫu để xác định Nitơ Ken-đan 61  

Bảng 2 3 Lựa chọn thể tích mẫu và chiều dày cuvet để xác định T-P 65  

Bảng 3 1 Thành phần, tính chất nước thải sinh hoạt đô thị 67

Bảng 3 2 Giá trị các thông số ô nhiễm làm cơ sở tính toán giá trị tối đa cho phép trong nước thải sinh hoạt (QCVN 14:2008/BTNMT) 74  

Bảng 3 3 Hàm lượng kim loại nặng trong nước thải trước và sau khi xử lý 81  

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1 1 Ảnh chụp nước thải ô nhiễm tại sông Kim Ngưu, Yên Sở 13  

Hình 1 2 Nguồn gốc nước thải từ các hộ gia đình 15  

Hình 1 3 Thành phần chất bẩn trong nước thải sinh hoạt 19  

Hình 1 4 Ao hồ sinh học tự nhiên 25  

Hình 1 5 Nguyên lý hoạt động của lọc sinh học 28  

Hình 1 6 Bể lọc bằng đá 29  

Hình 1 7 Đĩa quay sinh học 33  

Hình 1 8 Bể Aeroten 33  

Hình 2 1 Địa điểm lấy mẫu bùn và nước tại sông Kim Ngưu 49  

Hình 3 1 DNA tổng số của tập đoàn vi khuẩn trong các mẫu môi trường 68  

Hình 3 2 Sản phẩm PCR-DGGE gen 16S rDNA của vi khuẩn trong các mẫu môi trường 69  

Hình 3 3 Điện di biến tính (DGGE của gen 16S rDNA của vi khuẩn trong các mẫu môi trường 70  

Hình 3 4 Sự biến động hàm lượng COD ở các mật độ tế bào (mg/l) 72  

Hình 3 5 Sự biến động hàm lượng BOD5 ở các mật độ tế bào 72  

Hình 3 6 Hệ thống xử lý nước thải quy mô Pilot 74  

Hình 3 7 Hiệu quả xử lý COD khi sử dụng chế phẩm sinh học 75  

Hình 3 8 Sự biến động hàm lượng COD khi ngừng bổ sung chế phẩm sinh học 76  

Hình 3 9 Hiệu quả xử lý BOD5 khi bổ sung chế phẩm sinh học 77  

Hình 3 10 Sự biến động hàm lượng BOD5 khi ngừng bổ sung chế phẩm sinh học 78  

Hình 3 11 Sự biến động hàm lượng T-N khi sử dụng chế phẩm sinh học 79  

Hình 3 12 Sự biến động hàm lượng T-P khi sử dụng chế phẩm sinh học 79  

Hình 3 13 Sự biến động hàm lượng TOC khi sử dụng chế phẩm sinh học 80  

Hình 3 14 Sự thay đổi pH trong quá trình xử lý 81  

mà là một vấn đề nóng bỏng của toàn nhân loại

Vấn đề ô nhiễm nước hiện nay là một trong những thực trạng đáng ngại nhất của sự hủy hoại môi trường tự nhiên do nền văn minh đương thời Khủng hoảng về nước đang hoành hành cả hành tinh, không riêng ai cả Mỗi ngày có hàng triệu tấn nước thải không được xử lý đúng quy định và chất thải công nghiệp, nông nghiệp

đổ vào các vùng biên trên thế giới Ô nhiễm nước làm suy yếu hoặc phá hủy hệ sinh thái tự nhiên, ảnh hưởng xấu tới sản xuất lượng thực, đa dạng sinh học và sức khỏe con người Hàng năm, trên thế giới số người chết do hậu quả của ô nhiễm nước lớn hơn tất cả các dạng xung đột bạo lực, kể cả chiến tranh gây ra, con số này chiếm khoảng 3,1% tất cả các ca tử vong – tương đương với hơn 1,7 triệu người chết hàng năm (theo WHO 2002)

Ở Việt Nam cũng vậy, hàng ngày có hàng triệu m3 nước thải được đổ vào môi trường do hoạt động sinh hoạt gia đình của con người, đó là chưa kể đến các hoạt động công nghiệp, nông nghiệp… mà phần lớn lượng nước thải trong sinh hoạt trong số này không được xử lý mà đổ trực tiếp ra môi trường đất hay nước Điều này không chỉ gây nguy hại cho môi trường xung quanh do sự phân hủy các chất dinh dưỡng mà còn nguy hiểm hơn khi các chất ô nhiễm này ngấm xuống tầng nước ngầm gây ô nhiễm nước ngầm vốn là nguồn nước sinh hoạt của nhiều người dân Chính vì vậy, vấn đề vệ sinh môi trường hiện nay là một trong những mối quan tâm hàng đầu của những nhà quản lý môi trường đô thị trên thế giới cũng như

ở Việt Nam Ngay cả ở các nước công nghiệp phát triển cũng gặp phải nhiều khó

khăn về độ ổn định và bền vững Bên cạnh đó, chi phí vận hành những hệ thống này thường cao, tiêu thụ nhiều năng lượng không phục hồi được Các chất dinh dưỡng

có giá trị như Nitơ, Phốt pho bị thải bỏ Những nghiên cứu khoa học gần đây cũng cho thấy lượng các chất hóa học và hoóc môn ngày càng được sử dụng nhiều trong sinh hoạt, sản xuất công nghiệp, nông nghiệp bị thải ra môi trường từ các trạm xử

lý tập trung, có thể gây nên những hậu quả lâu dài và khó lường trước đối với con người và môi trường xung quanh

Ô nhiễm môi trường không những gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe cộng đồng

mà còn là trở lực thực sự cho sự phát triển bền vững của nền kinh tế - xã hội Sự ô nhiễm này được đánh giá chiếm tới 5% GDP ở các nước công nghiệp Ở nước ta, việc phát triển kinh tế đang đặt ra nhiều vấn đề về bảo vệ môi trường và phát triển bền vững Trong khi đó, công nghệ cao trong lĩnh vực công nghiệp môi trường của chúng ta còn chưa thể đáp ứng được yêu cầu đặt ra Và việc nghiên cứu các giải pháp của Việt Nam là hết sức cần thiết, hiệu quả kinh tế và kịp thời

Chính vì những lý do trên mà em đã chọn đề tài: “ Nghiên cứu ứng dụng vi

sinh vật để phát triển giải pháp thích ứng xử lý nước thải sinh hoạt đô thị”

Mục đích của đề tài:

- Khảo sát đặc trưng ô nhiễm của nguồn thải

- Xác định đa dạng vi sinh vật trong bùn hồ Từ đó xác định chế phẩm vi sinh vật cần bổ sung

- Bổ sung chế phẩm vi sinh vật và đánh giá chất lượng nước sau khi xử lý thông qua các thông số môi trường

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tình trạng ô nhiễm nước trên thế giới và Việt Nam

1.1.1 Tình trạng ô nhiễm nước trên thế giới

Nhiều hoạt động của con người tác động đến chất lượng nước, bao gồm cả nông nghiệp, công nghiệp, tăng dân số, đô thị hóa và thay đổi khí hậu Nông nghiệp gây ô nhiễm nước do thuốc trừ sâu, phân bón hóa học, Ước tính mỗi năm ngành nông nghiệp thế giới sử dụng khoảng trên 2.000.000 tấn thuốc trừ sâu (năm 2009 – UNEP) Trên thế giới, mỗi năm các hoạt động công nghiệp tạo ra khoảng 300 – 400 tấn kim loại nặng, dung môi và các chất thải động hại khác gây ô nhiễm nguồn nước Khai thác mỏ và khoan cũng tạo ra một lượng lớn các chất thải rắn và các sản phẩm phụ và là một thách thức lớn để xử lý chất thải quy mô lớn

Việc thiếu xử lý thích hợp chất thải của con người dẫn đến ô nhiễm nước đã lan rộng khắp thế giới Trên toàn thế giới có khoảng 2,5 tỷ người sống mà không được cải thiện môi trường nước (UNICEF và WHO) và hơn 80 % nước thải không được xử lý trước khi ra các hệ thống thoát nước chung ( UN WWAP 2009) Ô nhiễm nước làm suy yếu hoặc phá hủy hệ sinh thái tự nhiên, ảnh hưởng xấu tới sản xuất lượng thực, đa dạng sinh học và sức khỏe con người

Hàng năm, trên thế giới số người chết do hậu quả của ô nhiễm nước lớn hơn tất cả các dạng xung đột bạo lực, kể cả chiến tranh gây ra, và chịu ảnh hưởng lớn nhất là trẻ em dưới 5 tuổi Theo báo cáo gần đây của tổ chức UNEP cho biết các bệnh liên quan tới nước bẩn gây nên 3,7% tổng số trường hợp tử vong trên thế giới, tương đương với hơn 1,7 triệu người chết hàng năm Hơn một nửa bệnh nhân trong các bệnh viện liên quan tới nước bẩn (theo WHO 2002) Mỗi năm, trên thế giới ước tính có đến 4 tỷ ca tiêu chảy dẫn đến cái chết của 2,2 triệu người, hầu hết là trẻ em dưới 5 tuổi, cộng thêm hàng triệu ca ốm đau bệnh tật liên quan đến thiếu nước dùng

an toàn Sức khỏe con người đang bị tác động nghiêm trọng bởi những bệnh dịch do nước gây ra cũng như các hóa chất ô nhiễm xả vào trong nguồn nước

Trong thập niên 60, ô nhiễm nước lục địa và đại dương gia tăng với nhịp độ đáng lo ngại Tiến độ ô nhiễm nước phản ánh trung thực tiến bộ phát triển kỹ nghệ

Ta có thể kể ra đây một vài ví dụ tiêu biểu:

Anh Quốc chẳng hạn: Đầu kỷ 19, sông Tamise rất sạch Nó trở thành ống cống lộ thiên vào giữa thế kỷ này Các sông khác cũng có tình trạng tương tự trước khi người ta đưa ra các biện pháp bảo vệ nghiêm ngặt

Nước Pháp rộng hơn, kỹ nghệ phân tán và nhiều sông lớn, nhưng vấn đề cũng không khác bao nhiêu Dân Paris còn uống nước sông Seine đến cuối thế kỷ

18 Từ đó vấn đề đổi khác: các sông lớn và nước ngầm nhiều nơi không còn dùng làm nước sinh hoạt được nữa, 5.000 km sông của Pháp bị ô nhiễm mãn tính Sông Rhin chảy qua vùng kỹ nghệ hóa mạnh, khu vực có hơn 40 triệu người, là nạn nhân của nhiều tai nạn (như nạn cháy nhà máy thuốc Sandoz ở Balea năm 1986 chẳng hạn) thêm vào các nguồn ô nhiễm thường xuyên

Ở Hoa Kỳ tình trạng thảm thương ở bờ phía đông cũng như nhiều vùng khác Vùng Đại hồ bị ô nhiễm nặng, trong đó hồ Erie, Ontario đặc biệt nghiêm trọng

1.1.2 Tình trạng ô nhiễm nước ở Việt Nam

Hiện nay ở Việt Nam, mặc dù các cấp, các ngành đã có nhiều cố gắng trong việc thực hiện chính sách và pháp luật về bảo vệ môi trường, nhưng tình trạng ô nhiễm nước là vấn đề rất đáng lo ngại

Tốc độ công nghiệp hoá và đô thị hoá khá nhanh và sự gia tăng dân số gây áp lực ngày càng nặng nề dối với tài nguyên nước trong vùng lãnh thổ Môi trường nước ở nhiều đô thị, khu công nghiệp và làng nghề ngày càng bị ô nhiễm bởi nước thải, khí thải và chất thải rắn ở các thành phố lớn, hàng trăm cơ sở sản xuất công nghiệp đang gây ô nhiễm môi trường nước do không có công trình và thiết bị xử lý chất thải Ô nhiễm nước do sản xuất công nghiệp là rất nặng Ví dụ: ở ngành công nghiệp dệt may, ngành công nghiệp giấy và bột giấy, nước thải thường có độ pH trung bình từ 9-11; chỉ số nhu cầu ôxy sinh hoá (BOD), nhu cầu ôxy hoá học (COD)

có thể lên đến 700mg/1 và 2.500mg/1; hàm lượng chất rắn lơ lửng cao gấp nhiều lần giới hạn cho phép

Hàm lượng nước thải của các ngành này có chứa xyanua (CN-) vượt 84 lần,

H2S vươt 4,2 lần, hàm lượng NH3 vượt 84 lần tiêu chuẩn cho phép nên đã gây ô nhiễm nặng nề các nguồn nước mặt trong vùng dân cư

Mức độ ô nhiễm nước ở các khu công nghiệp, khu chế xuất, cụm công nghiệp tập trung là rất lớn Tại cụm công nghiệp Tham Lương, thành phố Hồ Chí Minh, nguồn nước bị nhiễm bẩn bởi nước thải công nghiệp với tổng lượng nước thải ước tính 500.000 m3/ngày từ các nhà máy giấy, bột giặt, nhuộm, dệt ở thành phố Thái Nguyên, nước thải công nghiệp thải ra từ các cơ sở sản xuất giấy, luyện gang thép, luyện kim màu, khai thác than; về mùa cạn tổng lượng nước thải khu vực thành phố Thái Nguyên chiếm khoảng 15% lưu lượng sông Cầu; nước thải từ sản xuất giấy có pH từ 8,4-9 và hàm lượng NH4 là 4mg/1, hàm lượng chất hữu cơ cao, nước thải có màu nâu, mùi khó chịu…

Khảo sát một số làng nghề sắt thép, đúc đồng, nhôm, chì, giấy, dệt nhuộm ở Bắc Ninh cho thấy có lượng nước thải hàng ngàn m3/ngày không qua xử lý, gây ô nhiễm nguồn nước và môi trường trong khu vực

Tình trạng ô nhiễm nước ở các đô thị thấy rõ nhất là ở thành phố Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh Ở các thành phố này, nước thải sinh hoạt không có hệ thống xử lý tập trung mà trực tiếp xả ra nguồn tiếp nhận (sông, hồ, kênh, mương) Mặt khác, còn rất nhiều cơ sở sản xuất không xử lý nước thải, phần lớn các bệnh viện và cơ sở y tế lớn chưa có hệ thống xử lý nước thải; một lượng rác thải rắn lớn trong thành phố không thu gom hết được… là những nguồn quan trọng gây ra ô nhiễm nước Hiện nay, mức độ ô nhiễm trong các kênh, sông, hồ ở các thành phố lớn là rất nặng

Một ví dụ điển hình là thành phố Hà Nội Theo số liệu thống kê mới đây, trung bình một ngày Hà Nội thải 458.000 m3 nước thải, trong đó 41% là nước thải

nước thải được xử lý Phần lớn nước thải không được xử lý đổ vào các sông Tô Lịch và Kim Ngưu gây ô nhiễm nghiêm trọng hai con sông này và các khu vực dân

cư dọc theo sông Theo số liệu đo vào tháng 8/2002, BOD tại sông Kim Ngưu cao tới 92,4 mg/l, vượt quá tiêu chuẩn cho phép tới 9 lần Hồ cá và cá tại 2 quận Hoàng Mai và Thanh Trì đã bị ô nhiễm nặng do lấy nước trực tiếp từ 2 con sông nêu trên vào hồ nuôi Số liệu thống kê cho thấy toàn lưu vực đang có khoảng 26.300 giường bệnh (trong đó Hà Nội chiếm tới 47%) thuộc hơn 1.400 cơ sở y tế, với lượng nước thải y tế ước tính khoảng hơn 10.000 m3/ngày và nước thải bệnh viện không hề được xử lý mà đổ thẳng vào các dòng sông

Ở thành phố Hồ Chí Minh thì lượng rác thải lên tới gần 4.000 tấn/ngày; chỉ

có 24/142 cơ sở y tế lớn là có xử lý nước thải; khoảng 3.000 cơ sở sản xuất gây ô nhiễm thuộc diện phải di dời

Không chỉ ở Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh mà ở các đô thị khác như Hải Phòng, Huế, Đà Nẵng, Nam Định, Hải Dương… nước thải sinh hoạt cũng không được xử lý độ ô nhiễm nguồn nước nơi tiếp nhận nước thải đều vượt quá tiểu chuẩn cho phép, các thông số chất lơ lửng (SS), BOD; COD; Ôxy hòa tan (DO) đều vượt

từ 5 – 10 lần, thậm chí 20 lần tiêu chuẩn cho phép

Về tình trạng ô nhiễm nước ở nông thôn và khu vực sản xuất nông nghiệp, hiện nay Việt Nam có gần 76% dân số đang sinh sống ở nông thôn là nơi cơ sở hạ tầng còn lạc hậu, phần lớn các chất thải của con người và gia súc không được xử lý nên thấm xuống đất hoặc bị rửa trôi, làm cho tình trạng ô nhiễm nguồn nước về mặt hữu cơ và vi sinh vật ngày càng cao Theo báo cáo của Bộ Nông nghiệp và Phát

triển nông thôn, số vi khuẩn Feca coliform trung bình biến đổi từ

1.500-3.500MNP/100ml ở các vùng ven sông Tiền và sông Hậu, tăng lên tới 3800 – 12.500MNP/100ml ở các kênh tưới tiêu

Trong sản xuất nông nghiệp, do lạm dụng các loại thuốc bảo vệ thực vật, các nguồn nước ở sông, hồ, kênh, mương bị ô nhiễm, ảnh hưởng lớn đến môi trường nước và sức khỏe nhân dân

Theo thống kê của Bộ Thuỷ sản, tổng diện tích mặt nước sử dụng cho nuôi trồng thuỷ sản đến năm 2001 của cả nước là 751.999 ha Do nuôi trồng thuỷ sản ồ

ạt, thiếu quy hoạch, không tuân theo quy trình kỹ thuật nên đã gây nhiều tác động tiêu cực tới môi trường nước Cùng với việc sử dụng nhiều và không đúng cách các loại hoá chất trong nuôi trồng thuỷ sản, thì các thức ăn dư lắng xuống đáy ao, hồ, lòng sông làm cho môi trường nước bị ô nhiễm các chất hữu cơ, làm phát triển một

số loài sinh vật gây bệnh và xuất hiện một số tảo độc; thậm chí đã có dấu hiệu xuất hiện thuỷ triều đỏ ở một số vùng ven biển Việt Nam

Có nhiều nguyên nhân khách quan và chủ quan dẫn đến tình trạng ô nhiễm môi trường nước, như sự gia tăng dân số, mặt trái của quá trình công nghiệp hoá, hiện đại hoá, cơ sở hạ tầng yếu kém, lạc hậu; nhận thức của người dân về vấn đề môi trường còn chưa cao… Đáng chú ý là sự bất cập trong hoạt động quản lý, bảo

vệ môi trường Nhận thức của nhiều cấp chính quyền, cơ quan quản lý, tổ chức và

cá nhân có trách nhiệm về nhiệm vụ bảo vệ môi trường nước chưa sâu sắc và đầy đủ; chưa thấy rõ ô nhiễm môi trường nước là loại ô nhiễm gây nguy hiểm trực tiếp, hàng ngày và khó khắc phục đối với đời sống con người cũng như sự phát triển bền vững của đất nước Các quy định về quản lý và bảo vệ môi trường nước còn thiếu (chẳng hạn như chưa có các quy định và quy trình kỹ thuật phục vụ cho công tác quản lý và bảo vệ nguồn nước) Cơ chế phân công và phối hợp giữa các cơ quan, các ngành và địa phương chưa đồng bộ, còn chồng chéo, chưa quy định trách nhiệm

rõ ràng Nhà nước chưa có chiến lược, quy hoạch khai thác, sử dụng và bảo vệ tài nguyên nước theo lưu vực và các vùng lãnh thổ lớn; chưa có các quy định hợp lý trong việc đóng góp tài chính để quản lý và bảo vệ môi trường nước, gây nên tình trạng thiếu hụt tài chính, thu không đủ chi cho bảo vệ môi trường nước

Ngân sách đầu tư cho bảo vệ môi trường nước còn rất thấp (một số nước ASEAN đã đầu tư ngân sách cho bảo vệ môi trường là 1% GDP, còn ở Việt Nam mới chỉ đạt 0,1%) Các chương trình giáo dục cộng đồng về môi trường nói chung

và môi trường nước nói riêng còn quá ít Đội ngũ cán bộ quản lý môi trường nước

khoảng 3 cán bộ quản lý môi trường/1 triệu dân, trong khi đó ở một số nước ASEAN trung bình là 70 người/1 triệu dân)

1.1.3 Hiện trạng xử lý nước thải sinh hoạt tại Hà Nội

Tuy đã có cơ sở pháp lý (Luật và tiêu chuẩn môi trường đối với nước thải sinh hoạt), song hiện trạng nước thải sinh hoạt và xử lý nước thải đang là vấn đề cấp bách cần được đặt ra để từng bước cải thiện tình hình

Tại một số các thành phố lớn, thị xã và thị trấn chỉ một số khu dân cư có hệ thống cống rãnh thải nước thải sinh hoạt song hệ thống này thường dùng chung với

hệ thống thoát nước mưa thải trực tiếp ra môi trường tự nhiên hoặc ao hồ hoặc sông suối hoặc thải ra biển Hầu như không có hệ thống thu gom và trạm xử lý nước thải sinh hoạt riêng biệt

Theo báo cáo của Công ty thoát nước Hà Nội, ước tính tổng lượng nước thải của nội thành Hà Nội mỗi ngày khoảng 500.000m3, trong đó 100.000 m3 là nước thải từ các cơ sở công nghiệp, bệnh viện và các cơ sở dịch vụ khác, còn lại là nước thải sinh hoạt Hiện nay, do chưa thực hiện được việc kiểm soát chất lượng nước thải nên chỉ khoảng 5-7% khối lượng nước thải được xử lý, phần còn lại gần như không được xử lý, xả thẳng vào hệ thống thoát nước thành phố Nước thải chưa qua

xử lý có hàm lượng chất bẩn, chất hữu cơ, chất dinh dưỡng cao gây ô nhiễm nặng

nề cho các mương sông hồ của Hà Nội Các loại nước thải xả vào hệ thống nước mặt, nơi cũng dùng cho mục đích nuôi cá, tưới tiêu, giải trí…

Vào mùa khô, nước trong các sông, kênh, mương có màu nâu hoặc đen, hàm lượng ô xy hòa tan thấp, mùi hôi thối bốc lên khó chịu Các sông, kênh mương thoát nước mức độ nhiễm có xu hướng tăng lên theo thời gian, chất lượng nước đang bị xuống cấp nghiêm trọng Trong khi đó, mức độ trang thiết bị vệ sinh của cộng đồng còn ở mức thấp Ô nhiễm nước mặt trở nên trầm trọng hơn, tỷ lệ thuận với việc tăng mật độ dân số

Hình 1 1 Ảnh chụp nước thải ô nhiễm tại sông Kim Ngưu, Yên Sở

Thành phố Hà Nội hiện có tới 16.000 cơ sở sản xuất công nghiệp Do là nơi tập trung hầu hết các loại hình công nghiệp gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng (giấy, thựcphẩm, cơ khí, hóa chất…) do vậy thành phần các chất ô nhiễm trong nước thải đa dạng và phức tạp

Hơn nữa, Hà Nội là nơi tập trung nhiều bệnh viện và cơ sở y tế nhưng mới chỉ có khoảng 30% bệnh viện lớn đầu tư xây dựng hệ thống xử lý nước thải tập trung, còn lại là chỉ xử lý bằng hệ thống bể phốt kết hợp với khử trùng Clo… Mặc

dù tổng lượng nước thải từ hoạt động khám chữa bệnh của các bệnh viện so với nước thải sinh hoạt chỉ chiếm một phần nhỏ nhưng mức độ gây ô nhiễm môi trường lớn hơn rất nhiều so với nước thải sinh hoạt

Hiện nay, tổng lượng nước thải được xử lý tại các trạm và nhà máy xử lý nước thải tập trung ở Hà Nội mới khoảng trên 10.000m3/ngày đêm trong khi đó, nhu cầu xử lý nước thải ở Hà Nội là 500.000m3/ngày đêm

Việc thu gom và xử lý nước thải tập trung đang còn gặp rất nhiều bất cập và hạn chế Công tác xử lý nước thải chưa được đẩy mạnh, tại một số đô thị cũng có xây dựng một số trạm xử lý nước thải cục bộ cho các bệnh viện như Hà Nội, Hải

vận hành, bảo dưỡng, không có kinh phí…mà nhiều trạm xử lý sau một thời gian ngắn hoạt động đã xuống cấp và ngừng hoạt động

Ngoài ra, việc thu gom và xử lý nước thải tập trung còn có một số hạn chế sau:

- Chi phí đầu tư hệ thống thu gom và trạm xử lý nước thải cũng như chi phí vận hành và bảo trì rất cao (trong đó 70% chi phí cho lắp đặt đường ồng)

Ví dụ, ở Nhật chi phí này khoảng 12 – 16 triệu USD/người

- Tiêu tốn nhiều nước để rửa trôi và vận chuyển

- Dễ gây ô nhiễm nước ngầm do đường ống bị rò rỉ, khó kiểm tra

- Nước chưa được xử lý thu gom tại trạm xử lý dễ gây ô nhiễm môi trường

và nước mặt

- Thậm chí sau xử lý, trạm xử lý hiện đại vẫn có thể tồn động các chất hoạt động sinh học như hócmon và kháng sinh

- Khối lượng bùn lắng sau xử lý là rất lớn

1.2 Số lượng, thành phần và tính chất nước thải sinh hoạt

1.2.1 Các loại nước thải

Các loại nước thải sinh hoạt được hình thành trong quá trình sinh hoạt của con người Một số các hoạt động dịch vụ hoặc công cộng như bệnh viện, trường học, nhà ăn… cũng tạo ra các loại nước thải có thành phần và tính chất tương tự như nước thải sinh hoạt Để tiện cho việc lựa chọn phương pháp, dây chuyền công nghệ và tính toán các công trình xử lý nước thải, nước thải sinh hoạt được phân loại theo các dấu hiệu sau đây [6]:

a Theo nguồn gốc hình thành

Trong các hộ gia đình có thể có các loại nước thải sau đây:

Hình 1 2 Nguồn gốc nước thải từ các hộ gia đình

Các loại nước thải được hình thành theo sơ đồ trên có số lượng, thành phần

và tính chất khác nhau Tuy nhiên để thuận tiện cho xử lý và tái sử dụng, người ta chia chúng thành 3 loại:

- Nước thải không chứa phân, nước tiểu và các loại thực phẩm từ các thiết

bị vệ sinh như bồn tắm, chậu giặt, chậu rửa mặt Loại nước thải này chủ yếu chứa chất lơ lửng, các chất tẩy giặt và thường gọi là “nước xám” Nồng độ các chất hữu

cơ trong loại nước thải này thấp và thường khó phân hủy sinh học Trong nước thải chứa nhiều tạp chất vô cơ

- Nước thải chứa phân, nước tiểu từ các khu vệ sinh (toilet) còn được gọi là

“nước đen” Trong nước thải tồn tại các loại vi khuẩn gây bệnh và dễ gây mùi hôi thối Hàm lượng các chất hữu cơ (BOD) và các chất dinh dưỡng như nitơ, photpho cao Các loại nước thải này thường gây nguy hại đến sức khỏe và dễ làm nhiễm bẩn nguồn nước mặt Tuy nhiên chúng thích hợp với việc sử dụng làm phân bón hoặc tạo khí sinh học

- Nước thải nhà bếp chứa dầu mỡ và phế thải thực phẩm từ nhà bếp, máy rửa bát Loại nước thải này có hàm lượng lớn các chất hữu cơ (BOD, COD) và các nguyên tố dinh dưỡng khác (nitơ và photpho) Các chất bẩn trong nước thải này dễ tạo khí sinh học và dễ sử dụng làm phân bón

b Theo đối tượng thoát nước

Theo đối tượng thoát nước, người ta phân ra hai nhóm nước thải:

Nguồn nước thải từ các ngôi nhà

Nước thải

phân Nước tiểu Nước tắm, giặt, rửa Nước thải nhà bếp Các loại nước thải khác

- Nhóm nước thải các công trình công cộng, dịch vụ như nước thải bệnh viện, nước thải khách sạn, nước thải trường học, nước thải nhà ăn

Mỗi nhóm, mỗi loại nước thải có lưu lượng, chế độ xả nước và thành phần tính chất đặc trưng riêng

c Theo đặc điểm hệ thống thoát nước

Theo đặc điểm thoát nước sẽ hình thành nên 2 hệ thống 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 riêng

- Nước thải hệ thống thoát nước chung: Các loại nước thải sinh hoạt (nước xám và nước đen) cùng với nước mưa đợt đầu trong khu vực thoát nước 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 qua các công trình như bể tách dầu mỡ, bể tự hoại, sau

đó cùng nước xám xả vào tuyến cống thoát nước chung của thành phố

Việc phân loại nước thải theo hệ thống thoát nước phụ thuộc vào đối tượng thoát nước, đặc điểm hệ thống thoát nước của thành phố và các điều kiện tự nhiên, điều kiện kinh tế xã hội khác của đô thị

1.2.2 Số lượng nước thải và chế độ thải nước

Lưu lượng nước thải trong một khu vực đô thị, cụm dân cư hoặc công trình công cộng được xác định trên cơ sở tiêu chuẩn dùng nước Nước sử dụng cho sinh hoạt, sau đó trở thành nước thải xả vào hệ thống thoát nước được xác định theo quy

chuẩn xây dựng Việt Nam năm 1996 như sau:

Bảng 1 1 Tiêu chuẩn cấp nước cho sinh hoạt

Tiêu chuẩn cấp nước Đợt đầu (10 năm) Dài hạn (20 năm) Loại đô thị

Tỷ lệ cấp nước Tiêu chuẩn Tỷ lệ cấp nước Tiêu chuẩn

(%) (l/ng.ngày) (%) (l/ng.ngày)

I 75 – 90 130 – 150 85 – 95 160 – 180

II 75 – 85 110 – 130 80 – 90 140 – 150

II 70 – 80 80 – 100 80 – 90 120 – 130

Các nước phát triển có tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt đô thị rất cao, thường

dao động từ 200 đến 500 l/ng.ngày, phụ thuộc vào trang thiết bị vệ sinh và điều kiện

khí hậu khu vực Đối với nông thôn, tiêu chuẩn nước sạch cho sinh hoạt được chọn

từ 50 đến 100 l/ng.ngày [6]

Tiêu chuẩn thải nước bệnh viện thông thường được xác định theo “Tiêu

chuẩn thiết kế bệnh viện đa khoa” (TCVN 4470-87) là 300 đến 400 l/ng.ngày Tuy

nhiên theo kết quả nghiên cứu của đề tài B96-34-06 “Xử lý nước thải và phế thải

rắn bệnh viện”, do số lượng cán bộ công nhân viên và người nhà đến chăm nom

bệnh nhân lớn, tiêu chuẩn dùng nước thực tế tăng lên rất nhiều và nó cũng phụ

thuộc vào quy mô cũng như chức năng của bệnh viện

Lưu lượng nước thải các bệnh viện được mô tả như bảng sau:

Bảng 1 2 Lưu lượng nước thải các bệnh viện

STT Quy mô bệnh viện, giường bệnh Tiêu chuẩn dùng

6 Bệnh viện kết hợp với nghiên cứu 1000

Các bệnh viện nước ngoài cũng có tiêu chuẩn dùng nước tương tự, dao động

từ 500 đến 1000 l/giường.ngày

Lưu lượng nước thải chảy đến các công trình xử lý nước thải không đều trong một ngày đêm, cũng như trong từng mùa Ban đêm do ít thiết bị vệ sinh hoạt động, lượng nước thải rất nhỏ Trong thời gian cao điểm, lưu lượng nước thải có thể gấp 6-8 lần thời điểm trung bình

Bảng 1 3 Lưu lượng nước thải tiêu biểu ở các khu dân cư [28]

Lưu lượng, gal/đơn vị.ngày Nguồn thải Đơn vị tính

Khoảng biến thiên Thông dụng

Các hộ chung cư

• nhà lầu Một đầu người 35 - 75 50

• nhà trệt Một đầu người 50 - 80 65 Khách sạn Một người khách 30 - 55 45 Các hộ tư

• nhà thông thường Một đầu người 45 - 90 70

• nhà tiện nghi hơn Một đầu người 60 - 100 80

• các hộ giàu Một đầu người 75 - 150 95

• các ngôi nhà cũ Một đầu người 30 - 60 45

• các nhà để nghỉ hè Một đầu người 25 - 50 40

Các trạm xe lửa Một đầu người 30 - 50 40

Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991

1.2.3 Thành phần của nước thải

Nước thải là hệ đa phân tán thô bao gồm nước và các chất bẩn Các chất bẩn

trong nước thải sinh hoạt có nguồn gốc từ các hoạt động của con người Các chất

bẩn này với thành phần hữu cơ và vô cơ, tồn tại dưới dạng cặn lắng, các chất rắn

không lắng được và các chất hòa tan Thành phần chất bẩn trong nước thải sinh hoạt

được biểu diễn theo sơ đồ sau:

Hình 1 3 Thành phần chất bẩn trong nước thải sinh hoạt

Thành phần và mức độ ô nhiễm của nước thải được biểu diễn theo bảng sau:

99,9%

Bảng 1 4 Thành phần nước thải sinh hoạt phân tích theo các phương pháp

- Các chất không hoà tan ở dạng lơ lửng, kích thước lớn hơn 10-4 mm, có thể ở dạng huyền phù, nhũ tương hoặc dạng sợi, giấy, vải, cây cỏ

- Các chất bẩn dạng keo với kích thước hạt trong khoảng 10-4 đến 10-6 mm

- Các chất bẩn dạng tan có kích thước nhỏ hơn 10-6 mm có thể ở dạng phân

tử hoặc phân ly thành ion

Nước thải sinh hoạt thường có mùi hôi thối khó chịu do khi vận chuyển trong cống sau 2-6 giờ xuất hiện khí hydrosunfua Nồng độ các chất bẩn trong nước thải

có thể đậm đặc hoặc loãng, tùy thuộc tiêu chuẩn dùng nước sinh hoạt và lượng nước thải công nghiệp hòa lẫn vào

1.3.2 Đặc điểm hóa học

Nước thải chứa các hợp chất hóa học dạng vô cơ như sắt, magie, canxi, silic, nhiều chất hữu cơ sinh hoạt như phân, nước tiểu và các chất thải khác như cát, sét, dầu mỡ Nước thải vừa xả ra có tính kiềm, nhưng dần trở nên có tính axit do bị thối rữa Các chất hữu cơ có xuất xứ từ thực vật hoặc động vật Những chất hữu cơ trong nước thải có thể chia thành các chất chứa nitơ và các chất chứa cacbon Các hợp chất chứa nitơ chủ yếu như ure, protein, amin và axit amin Các hợp chất chứa cacbon như mỡ, xà phòng, hydratcacbon trong đó có cả xenlulo từ chất thải công nghiệp lẫn vào làm cho thành phần và tính chất nước thải càng thêm đa dạng

1.3.3 Đặc điểm sinh vật, vi sinh vật

Nước thải sinh hoạt chứa vô số sinh vật, chủ yếu là vi sinh với số lượng từ

105 đến 106 tế bào trong 1ml Nguồn chủ yếu đưa vi sinh vào nước thải là phân, nước tiểu và đất cát

Tế bào vi sinh hình thành từ chất hữu cơ, nên tập hợp vi sinh có thể coi là một phần của tổng hợp chất hữu cơ trong nước thải Phần này sống, hoạt động, tăng trưởng để phân hủy phần hữu cơ còn lại của nước thải

Vi sinh trong nước thải thường được phân biệt theo hình dạng Vi sinh xử lý nước thải có thể phân thành ba nhóm: vi khuẩn, nấm và nguyên sinh động vật (protozoa)

Vi khuẩn dạng sợi (Fungi bacteria) có kích thước lớn hơn vi khuẩn và không

có vai trò trong quá trình phân hủy ban đầu của chất hữu cơ trong quá trình xử lý nước thải

Vi khuẩn dạng sợi phát triển thường kết thành lưới nổi lên trên mặt nước gây cản trở dòng chảy và quá trình thủy động học

Nguyên sinh động vật đặc trưng bằng một vài giai đoạn hoạt động trong quá trình sống của nó Thức ăn chính của nguyên sinh động vật là vi khuẩn, cho nên chúng là chất chỉ thị quan trọng thể hiện hiệu quả xử lý của các công trình xử lý sinh học nước thải

1.4 Các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt đô thị

1.4.1 Các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt đô thị

Với thành phần ô nhiễm là các tạp chất nhiễm bẩn có tính chất khác nhau, từ các loại chất không tan đến các chất ít tan và cả những hợp chất tan trong nước, việc

xử lý nước thải sinh hoạt là loại bỏ các tạp chất đó, làm sạch nước và có thể đưa nước vào nguồn tiếp nhận hoặc đưa vào tái sử dụng Việc lựa chọn phương pháp xử

lý thích hợp thường được căn cứ trên đặc điểm của các loại tạp chất có trong nước thải Các phương pháp chính thường được sử dụng trong các công trình xử lý nước thải sinh hoạt là: phương pháp hóa học, phương pháp hóa lý, và phương pháp sinh học

Phương pháp hóa học: Các phương pháp hóa học dùng trong hệ thống xử lý

nước thải sinh hoạt gồm có: trung hòa, oxy hóa khử, tạo kết tủa hoặc phản ứng phân hủy các hợp chất độc hại Cơ sở của phương pháp này là các phản ứng hóa học diễn

ra giữa chất ô nhiễm và hóa chất thêm vào, do đó, ưu điểm của phương pháp là có hiệu quả xử lý cao, thường được sử dụng trong các hệ thống xử lý nước khép kín

Tuy nhiên, phương pháp hóa học có nhược điểm là chi phí vận hành cao, không thích hợp cho các hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt với quy mô lớn

Phương pháp hóa lý: Bản chất của phương pháp hoá lý trong quá trình xử lý

nước thải sinh hoạt là áp dụng các quá trình vật lý và hoá học để đưa vào nước thải chất phản ứng nào đó để gây tác động với các tạp chất bẩn, biến đổi hoá học, tạo thành các chất khác dưới dạng cặn hoặc chất hoà tan nhưng không độc hại hoặc gây

ô nhiễm môi trường Những phương pháp hoá lý thường được áp dụng để xử lý nước thải là: keo tụ, tuyển nổi, đông tụ, hấp phụ, trao đổi ion, thấm lọc ngược và siêu lọc… Giai đoạn xử lý hoá lý có thể là giai đoạn xử lý độc lập hoặc xử lý cùng với các phương pháp cơ học, hoá học, sinh học trong công nghệ xử lý nước thải hoàn chỉnh

Phương pháp sinh học: Bản chất của phương pháp sinh học trong quá trình

xử lý nước thải sinh hoạt là sử dụng khả năng sống và hoạt động của các vi sinh vật

có ích để phân huỷ các chất hữu cơ và các thành phần ô nhiễm trong nước thải Các quá trình xử lý sinh học chủ yếu có năm nhóm chính: quá trình hiếu khí, quá trình trung gian anoxic, quá trình kị khí, quá trình kết hợp hiếu khí – trung gian anoxic –

kị khí các quá trình hồ Đối với việc xử lý nước thải sinh hoạt có yêu cầu đầu ra không quá khắt khe đối với chỉ tiêu N và P, quá trình xử lý hiếu khí bằng bùn hoạt tính là quá trình xử lý sinh học thường được ứng dụng nhất

Hiệu quả xử lý của một số phương pháp được thể hiện ở bảng sau:

Bảng 1 5 Hiệu quả xử lý một số phương pháp [11]

Phương pháp xử lý Mức độ xử lý

theo C (mg/l)

Mức độ xử lý theo BOD (mg/l)

- Phương pháp xử lý sinh học triệt để (xử

lý thêm trên hồ sinh học, bể lọc cát…)

< 15 < 15

1.4.2 Phương pháp sinh học xử lý nước thải sinh hoạt đô thị

Phương pháp này dựa trên hoạt động sống của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm trong nước thải Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ

và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng Trong quá trình sinh dưỡng chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên sinh khối của chúng được tăng lên

Nước thải có được xử lý bằng phương pháp sinh học sẽ được đặc trưng bởi chỉ tiêu BOD hoặc COD Để có thể xử lý bằng phương pháp này nước thải cần không chứa các chất độc và tạp chất, các muối kim loại nặng hoặc nồng độ của chúng không được vượt quá nồng độ cực đại cho phép và có tỷ số BOD/COD ≥ 0,5

Các phương pháp sinh học chính xử lý nước thải sinh hoạt là:

Hình 1 4 Ao hồ sinh học tự nhiên

Ao hồ sinh học hay còn gọi là ao hồ ổn định nước thải (Waste Water Stabilization ponds and lagoons)

Xử lý nước thải trong các ao hồ ổn định là phương pháp xử lý đơn giản nhất

và đã được áp dụng từ thời xa xưa Phương pháp này không yêu cầu kỹ thuật cao, vốn đầu tư ít, chi phí hoạt động rẻ tiền, quản lý đơn giản và hiệu quả cũng khá cao

Quy trình xử lý theo phương pháp ao hồ sinh học khá đơn giản và được tóm tắt như sau:

Nước thải → loại bỏ rác, cát sỏi… → các ao hồ ổn định → nước đã xử lý

Cơ sở khoa học của phương pháp là dựa vào khả năng tự làm sạch của nước, chủ yếu là vi sinh vật và các thủy sinh khác, các chất nhiễm bẩn bị phân hủy thành các chất khí và nước Như vậy, quá trình làm sạch không phải thuần nhất là quá trình hiếu khí, mà còn có cả quá trình tùy tiện và kị khí

b Các loại hồ sinh học

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 kị khí

- Hồ kị khí dùng để lắng và phân huỷ cặn lắng bằng PP sinh học tự nhiên dựa trên sự phân giải của VSV kỵ khí

- Chuyên dùng xử lý nước thải CN nhiễm bẩn

- S > 0.5 ha: bổ sung thêm

- Cửa lấy nước thiết kế giống thu nước bề mặt

* Hồ kỵ hiếu khí: thường gặp

- Trong hồ xảy ra 2 quá trình song song

+ Oxy hoá hiếu khí

+ Phân hủy metan cặn lắng

- Có 3 lớp:

+ Hiếu khí

+ Trung gian

+ Kỵ khí

- Nguồn oxy cấp chủ yếu là do quá trình quang hợp rong tảo

- Quá trình kỵ khí ở đáy phụ thuộc vào to

- Chiều sâu của hồ kỵ hiếu khí: 0.9-1.5 m

* Hồ hiếu khí: Oxy hoá các chất HC nhờ VSV hiếu khí Có 2 loại:

- Hồ làm thoáng tự nhiên: cấp oxy chủ yếu do khuyếch tán không khí qua mặt nước và quang hợp của các thực vật

+ Chiều sâu của hồ: 30-50 cm

+ Tải trọng BOD: 250-300 kg/ha.ngày

+ Thời gian lưu nước: 3-12 ngày

+ Diện tích hồ lớn

- Hồ làm thoáng nhân tạo: cấp oxy bằng khí nén, máy khuấy, …

+ Chiều sâu: h = 2-4.5 m

+ Tải trọng BOD: 400 kg/ha.ngày

+ Thời gian lưu: 1-3 ngày

+ Tuy nhiên hoạt động như hồ kỵ hiếu khí

c Ưu nhược điểm của phương pháp

Phương pháp này có một số ưu điểm sau:

- Đây là phương pháp rẻ nhất, dễ thiết kế và xây dựng, dễ vận hành, không đòi hỏi cung cấp năng lượng (sử dụng năng lượng mặt trời)

- Có khả năng làm giảm các vi sinh vậy gây bệnh nhiễm trong nước thải xuống tới mức thấp nhất

- Có khả năng loại được các chất hữu cơ, vô cơ tan trong nước

- Hệ vi sinh vật hoạt động ở đây chịu đựng được nồng độ các kim loại nặng tương đối cao ( > 30mg/l)

Đồng thời phương pháp này cũng có những nhược điểm cơ bản sau:

- Thời gian xử lý khá dài ngày

- Ngoài ra các ao hồ sinh học, đặc biệt là ao hồ kị khí thường sinh ra các mùi hôi thối khó chịu làm ảnh hưởng đến môi trường xung quanh

1.4.2.2 Lọc sinh học

a Nguyên lý của phương pháp

Hình 1 5 Nguyên lý hoạt động của lọc sinh học

Nguyên lý của phương pháp lọc sinh học là dựa trên quá trình hoạt động sống của vi sinh vật ở màng sinh học, oxi hóa các chất bẩn hữu cơ có trong nước Các màng sinh học, là tập thể các vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) hiếu khí, kị khí

và kị khí tùy tiện Các vi khuẩn hiếu khí tập trung ở lớp ngoài màng sinh học Ở đây chúng phát triển và gắn với giá mang mang là các vật liệu lọc (được gọi là sinh trưởng dính bám) [11]

Trong quá trình làm việc, các vật liệu lọc tiếp xúc với nước chảy từ trên xuống, sau đó nước thải đã được làm sạch được thu gom xả vào lắng 2 Nước ở lắng

2 có thể kéo theo những mảnh vỡ của màng sinh học bị tróc ra khi làm việc Trong thực tế, một phần nước đã qua lắng được quay trở lại làm nước pha loãng cho các loại nước thải đậm đặc trước khi vào bể lọc và giữ nhiệt cho màng sinh học làm việc

Chất hữu cơ nhiễm bẩn trong nước thải bị oxi hóa bởi quần thể vi sinh vật ở màng sinh học Màng này thường dầy khoảng 0,1 – 0,4 mm các chất hữu cơ trước hết bị phân hủy bởi vi sinh vật hiếu khí Sauk hi thấm sâu vào màng, nước hết oxi hòa tan và sẽ chuyển sang phân hủy bởi vi sinh vật kị khí Khi các chất hữu cơ có trong nước thải cạn kiệt, vi sinh vật ở màng sinh học sẽ chuyển sang hô hấp nội bào

và khả năng kết dính cũng giảm, dần dần bị vỡ cuốn theo nước lọc Hiện tượng này gọi là “tróc màng” và lớp màng mới lại xuất hiện [12]

b Các loại lọc sinh học

* Lọc sinh học có lớp vật liệu không ngập trong nước

Hình 1 6 Bể lọc bằng đá

Cấu tạo: có vật liệu tiếp xúc không ngập nước

- Các lớp vật liệu có độ rỗng và diện tích lớn nhất (nếu có thể)

- Nước thải được phân phối đều

- Nước thải sau khi tiếp xúc vật liệu tạo thành các hạt nhỏ chảy thành màng nhỏ luồn qua khe hở vật liệu lọc

- Ở bề mặt vật liệu lọc và các khe hở giữa chúng các cặn bẩn được giữ lại tạo thành màng – Màng sinh học

- Lượng oxy cần thiết để cấp làm oxy hoá chất bẩn đi từ đáy lên

Vật liệu lọc:

- Có diện tích bề mặt lớn

- Than đá cục, đá cục, cuội sỏi lớn, đá ong (60-100 mm)

- Chiều cao lớp vật liệu thường 1.5 – 2.5 m

- Nhựa đúc sẵn PVC được sử dụng rộng rãi ngày nay Chiều cao lớp vật liệu có thể

6 – 9 m

Hệ thống phân phối nước:

- Dàn ống tự động qua (bể trộn, tháp lọc)

- Dàn ống cố định (lọc sinh học nhỏ giọt) cao tải

- Khoảng cách từ vòi phun đến bề mặt VL: 0.2-0.3 m

Sàn đỡ và thu nước: có 2 nhiệm vụ:

- Thu đều nước có các mảnh vở của màng sinh học bị tróc

- Phân phối đều gió vào bể lọc để duy trì MT hiếu khí trong các khe rỗng

- Sàn đỡ bằng bê tông và sàn nung

- Khoảng cách từ sàn phân phối đến đáy bể thường 0.6-0.8 m, i = 1-2 %

Phân loại bể lọc sinh học:

Bể lọc sinh học được phân loại theo bảng sau:

Bảng 1 6 Phân biệt tải trọng trong các bể lọc sinh học nhỏ giọt [12]

Thông số Đơn vị đo Tải trọng thấp Tải trọng cao Chiều cao lớp Vật liệu m 1 – 3 0.9 – 2.4 (đá)

6 – 8 (nhựa tấm) Loại vật liệu Đá cục, than cục,

đá ong, …

Đá cục, than, đá ong, nhựa đúc

Tải trọng theo chất hữu cơ Kg BOD5/1

Hiệu quả BOD % 80 – 90 65 – 85

Ưu nhược điểm

- Qua thực tế, bể lọc sinh học với vật liệu truyền thống như đá, sỏi, than cục có một

số ưu điểm so với bùn hoạt tính như sau:

+ Giảm việc trông coi

+ Tiết kiệm năng lượng, không khí được cấp trong hầu hết thời gian lọc làm việc bẳng cách lưu thông tự nhiên từ cửa thông gió đi vào qua lớp vật liệu

-Nhưng cũng có một số nhược điểm:

+ Hiệu suất làm sạch nhỏ hơn so với cùng một tải lượng khối

+ Dễ bị tắc nghẽn

+ Rất nhạy cảm với nhiệt độ

+ Không khống chế được quá trình thông khí, dễ bốc mùi

khí (anoxic) để khử NO3- và P Ở lọc này nước và không khí cùng chiều đi từ dưới lên và cho hiệu quả xử lý cao

Khi lọc bị giảm tốc độ thủy lực, có thể gây tắc nghẽn do tổn thất trong lớp lọc, cần rửa lọc 3 lần, mỗi lần khoảng 30 – 40 giây bằng nước sạch với lưu lượng 12 – 14 l/s.m2

Ưu nhược điểm

- Kỹ thuật này dựa trên hoạt động của quẩn thể vi sinh vật tập trung ở màng sinh học có hoạt tính mạnh hơn ở bùn hoạt tính Do vậy nó có thể có những ưu điểm sau: + Chiếm ít diện tích vì không cần bể lắng trong (bể lắng 2) Đơn giản, dễ dàng cho việc bao, che công trình, khử độc hạt (ít mùi và ít ồn), đảm bảo mĩ quan

+ Không cần phải rửa lọc, vì quẩn thể vi sinh vật cố định trên giá đỡ cho phép chống lại sự thay đổi tải lượng của nước thải

+ Dễ dàng phù hợp với nước thải pha loãng

+ Đầu vào hoạt động rất nhanh, ngay cả sau một thời gian dừng làm việc kéo dài hàng tháng

+ Có cấu trúc modun và dễ dàng tự động hóa

- Nhược điểm của phương pháp:

+ Làm tăng tổn thất tải lượng, giảm lượng nước thu hồi

+ Tổn thất khí cấp cho quá trình, vì phải tăng lưu lượng khí không chỉ đáp ứng cho nhu cầu của vi sinh vật mà còn nhu cầu cơ thủy lực

+ Phun khí mạnh tạo nên dòng chuyển động xoáy làm giảm khả năng giữ huyền phù

* Đĩa quay sinh học

Hình 1 7 Đĩa quay sinh học

Đĩa quay sinh học gồm hang loạt đĩa tròn, phẳng được làm bẳng PVC (poly vinyl clorit) hoặc PS (poly styrene), lắp trên một trục Các điã này được đặt ngập vào nước một phần (khoảng 30 – 40% theo đường kính, có khi ngập tới 70 – 90%)

và quay chậm khi làm việc Đây là thiết bị xử lý nước thải bẳng kỹ thuật màng sinh học dựa trên sự sinh trưởng gắn kết của vi sinh vật trên bề mặt của các vật liệu đĩa

Khi quay, màng sinh học tiếp xúc với chất hữu cơ trong nước thải và sau đó tiếp xúc với oxi khi ra khỏi nước thải Đĩa quay được nhờ môtơ hoặc sức gió Nhờ quay liên tục mà màng sinh học vừa tiếp xúc được với không khí vừa tiếp xúc được với chất hữu cơ trong nước thải, vì vậy chất hữu cơ được phân hủy nhanh

1.4.2.3 Bùn hoạt tính – Aeroten

a Nguyên lý hoạt động của bể Aeroten

Hình 1 8 Bể Aeroten

Nước thải sau khi xử lý sơ bộ còn chứa phần lớn các chất hữu cơ ở dạng hòa tan cùng các chất lơ lửng đi vào aeroten Các chất lơ lửng này là một số chất rắn và

có thể là các chất hữu cơ chưa phải dạng hòa tan Các chất lơ lửng làm nơi vi khuẩn bám vào để cư trú, sinh sản và phát triển, dần thành các hạt cặn bông Các hạt này dần dần to và lơ lửng trong nước Chính vì vậy, xử lý nước thải ở aeroten được gọi

là quá trình xử lý với sinh trưởng lơ lửng của quần thể vi sinh vật Các hạt bông cặn này cũng chính là bùn hoạt tính Bùn hoạt tính là các bông cặn có màu nâu sẫm, chứa các chất hữu cơ hấp phụ từ nước thải và là nơi cư trú cho các vi khuẩn cùng các sinh vật bậc thấp khác, như nguyên sinh động vật sống và phát triển Trong nước thải có những hợp chất hữu cơ – loại hợp chất dễ bị vi sinh vật phân hủy nhất Ngoài ra còn có loại hợp chất hữu cơ khó bị phân hủy hoặc loại hợp chất chưa hòa tan, khó hòa tan ở dạng keo – các dạng hợp chất này có cấu trúc phức tạp cần được

vi khuẩn tiết ra enzym ngoại bào, phân hủy thành những chất đơn giản hơn rồi sẽ thẩm thấu qua màng tế bào và bị oxy hóa tiếp thành sản phẩm cung cấp vật liệu cho

tế bào hoặc sản phẩm cuối cùng là CO2 và H2O Các hợp chất hữu cơ ở dạng keo hoặc ở dạng các chất lơ lửng khó hòa tan là các hợp chất bị oxy hóa bằng vi sinh vật khó khăn hoặc xảy ra chậm hơn

Quá trình oxy hóa các chất bẩn hữu cơ xảy ra trong aroten qua ba giai đoạn:

- Giai đoạn 1: Tốc độ oxy hóa bằng tốc độ tiêu thụ oxy Ở giai đoạn này bùn hoạt tính hình thành và phát triển Hàm lượng oxy cần cho vi sinh vật sinh trưởng, đặc biệt ở thời gian đầu tiên thức ăn dinh dưỡng trong nước thải rất phong phú, lượng sinh khối trong thời gian này rất ít Sau khi vi sinh vật thích nghi với môi trường, chúng sinh trưởng rất nhanh theo cấp số nhân, vì vậy lượng tiêu thụ oxy tăng cao dần

- Giai đoạn 2: Vi sinh vật phát triển ổn định và tốc độ tiêu thụ oxy cũng ở mức gần như ít thay đổi Chính ở giai đoạn này, các chất bản chất hữu cơ bị phân hủy nhiều nhất Hoạt lực enzym của bùn hoạt tính trong giai đoạn này cũng đạt mức cực đại và kéo dài trong một thời gian tiếp theo Điểm cực đại của enzym oxy hóa của

bùn hoạt tính thường đạt ở thời điểm sau khi lượng bùn hoạt tính (sinh khối vi sinh vật) tới mức ổn định Qua các thông số hoạt động của aeroten cho thấy ở giai đoạn thứ nhất tốc độ tiêu thụ oxy (hay tốc độ oxy hóa) rất cao, có khi gấp 3 lần ở giai đoạn 2

- Giai đoạn 3: Sau một thời gian khá dài tốc độ oxy hóa cầm chừng (hầu như ít thay đổi) và có chiều hướng giảm, lại thấy tốc độ tiêu thụ oxy tăng lên Đây là giai đoạn nitrat hóa các muối amon

Sau cùng nhu cầu oxy lại giảm và cần phải kết thúc quá trình làm việc của aeroten Trong bể Aeroten được cấp khí nhằm tăng hàm lượng oxy hòa tan và quá trình oxy hóa các chất hữu cơ trong nước thải Sau đó nước thải chảy vào bể lắng 2

để lắng cặn sinh học và bùn hoạt tính

b Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng làm sạch nước thải của aeroten

- Lượng oxy hòa tan trong nước

Điều kiện đầu tiên để đảm bảo cho aeroten có khả năng oxy hóa các chất bẩn hữu cơ với hiệu suất cao là phải đảm bảo cung cấp đủ lượng oxy, mà chủ yếu là oxy hòa tan trong môi trường nước, một cách liên tục, đáp ứng đầy đủ cho nhu cầu hiếu khí của vi sinh vật trong bùn Lượng oxy có thể được coi là đầy đủ khi nước thải ra khỏi bể lắng 2 có nồng độ oxy hòa tan là 2mg/l

Để đáp ứng được nhu cầu oxy hòa tan trong aeroten người ta thường chọn giải pháp:

+ Khuấy cơ học với các dạng khuấy ngang, khuấy đứng Song biện pháp này không hoàn toàn đáp ứng được nhu cầu oxy

+ Thổi và sục khí bằng hệ thống khí nén với các hệ thống phân tán khí thành các dòng hoặc tia lớn nhỏ khác nhau

+ Kết hợp nén khí với khuấy đảo

- Thành phần dinh dưỡng đối với vi sinh vật

Trong nước thải, thành phần dinh dưỡng chủ yếu là nguồn cacbon (được gọi là

cơ chất hoặc chất nền được thể hiện bằng BOD Chất bẩn hữu cơ dễ bị phân hủy (hoặc bị oxy hóa) bởi vi sinh vật Ngoài BOD còn cần lưu ý tới 2 thành phần khác: nguồn nitơ (thường ở dạng NH4+) và nguồn muối phospho (ở dạng muối phosphat) Những hợp chất này là những chất dinh dưỡng tốt nhất đối với vi sinh vật

Vi sinh vật phát triển còn cần tới một loạt các chất khoáng khác, như Mg, K,

Ca, Mn, Fe, Co… Thường các nguyên tố này ở dạng ion đều có mặt trong nước thải, không những chúng đủ đáp ứng cho nhu cầu sinh lý của vi sinh vật mà trong nhiều trường hợp còn quá dư thừa

Thiếu dinh dưỡng trong nước thải sẽ làm giảm mức độ sinh trưởng, phát triển tăng sinh khối của vi sinh vật, thể hiện bằng lượng bùn hoạt tính tạo thành giảm, kìm hãm và ức chế quá trình oxy hóa các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn

Nếu thiếu nitơ một cách kéo dài, ngoài việc cản trở các quá trình hóa sinh còn làm cho bùn hoạt tính khó lắng, các hạt bông bị phồng lên trôi nổi theo dòng nước

ra làm cho nước khó trong và chứa một lượng lớn vi sinh vật, làm giảm tốc độ sinh trưởng cũng như cường độ oxy hóa của chúng

Nếu thiếu phospho, vi sinh vật dạng sợi phát triển và cũng làm cho bùn hoạt tính lắng chậm và giảm hiệu quả xử lý

Nói chung, thiếu dinh dưỡng hai nguồn N và P lâu dài sẽ ảnh hưởng nhiều tới cấu tạo tế bào mới, giảm mức độ sinh trưởng, ảnh hưởng không tốt tới di truyền và các thế hệ sau của vi sinh vật Trong thực tế nếu dùng hồi lưu lại nhiều lần các quần thể vi sinh vật này trong bùn hoạt tính sẽ làm giảm hiệu suất làm sạch nước thải Để làm giảm điều này, người ta đề xuất một tỉ lệ các chất dinh dưỡng cho xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí như sau: BOD : N : P = 100 : 5 : 1 Tỉ số này thường chỉ đúng cho 3 ngày đầu Trong thời gian này vi sinh vật trong aeroten phát triển mạnh và bùn hoạt tính cũng được tạo thành nhiều nhất Còn quá trình xử lý kéo dài thì tỉ lệ này cần 200 : 5 : 1 (thời gian xử lý có thể tới 20 ngày) Để cân đối