NGHIÊN cứu ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP đất NGẬP nước NHÂN tạo xử lý nước THẢI SINH HOẠT ở THÀNH PHỐ ĐÔNG hà, TỈNH QUẢNG TRỊ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN XUÂN CƯỜNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT Ở THÀNH PHỐ ĐÔNG HÀ, TỈNH QUẢN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN XUÂN CƯỜNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT Ở THÀNH PHỐ ĐÔNG HÀ, TỈNH QUẢNG TRỊ

Chuyên ngành: Môi trường đất và nước

Mã số: 62440303

DỰ THẢO TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ

KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

Hà Nội - 2017

Công trình được hoàn thành tại: Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Thị Loan

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc gia Việt Nam;

- Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Nước thải sinh hoạt (NTSH) thành phố Đông Hà, tỉnh Quảng Trị có lưu lượng 6.248 m3/ngày và đang xả trực tiếp ra môi trường

Là một đô thị nhỏ và có tiềm lực kinh tế hạn chế, Đông Hà cần lựa chọn công nghệ xử lý nước thải (XLNT) có chi phí đầu tư thấp Đất ngập nước nhân tạo (CW) là một trong những phương phương pháp XLNT linh động, chi phí thấp và thân thiện môi trường

CW đã được nghiên cứu và áp dụng khá khá nhiều, tuy nhiên việc ứng dụng cho một địa phương với điều kiện môi trường và quy chuẩn xả thải cụ thể đòi hỏi có nghiên cứu chi tiết Ngoài ra, sử dụng vật liệu lọc và cây trồng địa phương (chưa được nghiên cứu) cũng mở

ra cơ hội để cải thiện, nâng cao hiệu quả và khả năng ứng dụng CW cho một loại nước thải cụ thể

Từ đó, tác giả thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng phương pháp đất ngập nước nhân tạo xử lý nước thải sinh hoạt ở thành phố Đông Hà, tỉnh Quảng Trị”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Đánh giá được khả năng xử lý NTSH bằng phương pháp CW; Đưa ra được mô hình CW, xử lý NTSH thành phố Đông Hà đạt tiêu chuẩn (Cột B, QCVN 14: 2008/BTNMT)

3 Luận điểm khoa học

Còn nhiều “lỗ hổng” trong các nghiên cứu về CW:

Thứ nhất, cây trồng, vật liệu lọc và các thông số hoạt động chi phối và ảnh hưởng lớn đến CW Các nhân tố này luôn thay đổi, và các kết quả công bố có mức độ biến động lớn

Thứ hai, các quá trình loại bỏ chất ô nhiễm chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi yếu tố địa phương

Thứ ba, sự khác nhau về yêu cầu xử lý dẫn đến các đòi hỏi khác nhau về kiểu mô hình và yêu cầu thiết kế CW

Đề tài giải quyết các câu hỏi: 1) Ứng dụng mô hình CW nào có hiệu suất xử lý tốt hơn; 2) Cây trồng nào thích nghi và có hiệu quả cao; 3) Thông số thiết kế và vận hành nào phù hợp với NTSH

4 Nội dung nghiên cứu

Khảo sát hiện trạng NTSH thành phố Đông Hà;

Nghiên cứu khả năng loại bỏ ô nhiễm của các kiểu CW

Đề xuất mô hình CW xử lý nước thải tp Đông Hà

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học: Luận án đưa ra dữ liệu nghiên cứu về CW xử lý NTSH trong điều kiện khí hậu Việt Nam

Ý nghĩa thực tiễn: Luận án góp phần đưa ra phương án lựa chọn khả thi và có thể ứng dụng cho việc XLNT tp Đông Hà, tỉnh Quảng Trị

6 Những đóng góp mới của đề tài

Xác định được khả năng xử lý và thích nghi của cây môn nước, môn đốm và phát lộc trong môi trường CW Đây là các loại cây chưa được nghiên cứu và công bố nhiều trên thế giới và Việt Nam

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 1.1 Nước thải sinh hoạt và công nghệ xử lý

1.1.1 Đặc trưng nước thải sinh hoạt

NTSH Việt Nam rất khác nhau giữa các địa phương, hầu hết vượt quá tiêu chuẩn BOD5 và COD ở Đà Lạt và Buôn Ma Thuột (200 – 300 mg/L) cao hơn Hà Nội và tp Hồ Chí Minh từ 3 – 5 lần

1.1.2 Công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt

Trước đây (1980s): loại bỏ BOD5, TSS, và VSV với công nghệ

SH truyền thống như bùn hoạt tính Gần đây: loại bỏ dinh dưỡng, vi khuẩn, kim loại nặng… với công nghệ cao, hợp khối, UV, Nano…

Ở Việt Nam, các nhà máy xử lý NTSH tập trung của các đô thị chủ yếu áp dụng bùn hoạt tính hoặc bùn hoạt tính kết hợp (WB, 2003)

1.2 Đất ngập nước nhân tạo

Hình 1.1: Đất ngập nước nhân tạo dòng chảy tự do bề mặt

1.2.1.2 Mô hình dòng chảy ngang (HF)

Trong HF, nước cấp chảy chủ yếu theo chiều ngang, song song với mặt nước HF xử lý tốt đối với với BOD5 và SS (Hình 1.2)

Hình 1.2: Đất ngập nước nhân tạo dòng chảy ngang

1.2.1.3 Mô hình dòng chảy thẳng đứng (VF)

VF cấp nước theo chiều thắng đứng VF loại bỏ tốt chất hữu cơvà TSS nhưng hạn chế quá trình phản nitrat (Hình 1.3)

Hình 1.3: Đất ngập nước dòng chảy thẳng đứng

1.2.1.4 Mô hình tích hợp (ICW)

ICW là kết hợp HF, VF và FWS thành các kiểu bố trí khác nhau ICW tăng hiệu quả, cân bằng ưu điểm và nhược điểm các CW 1.2.2 Thành phần

1.2.2.1 Nước

CW thiếu nước ảnh hưởng đến thực vật, VSV và hiệu quả Nước

đi vào CW bằng nguồn cấp dòng vào (nước thải) và mưa

1.2.2.2 Chất nền

Chất nền gồm: cát, sỏi, đất, đá và vật liệu nhân tạo (bùn phèn nhôm, sét trương nở nhẹ…) Ngày nay, CW không dùng đất hoặc vật liệu có kích thước nhỏ làm vật liệu nền

1.2.2.3 Thực vật

Hiện nay, 150 loài đã dùng CW và phổ biến nhất là cây sậy

(Phragmites spp.), cỏ nến (Typha spp.), cói (Scirpus spp.) TV góp

phần giảm tốc độ dòng nước, tăng lắng, giảm tảo…

1.2.2.4 Vi sinh vật

Vi sinh vật (VSV) oxy hóa hợp chất hữu cơ, chuyển hóa N, P

và ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ của cây VSV trong trong CW bao gồm các loài hiếu khí, yếm khí và tùy nghi

1.2.3 Cơ chế xử lý

1.2.3.1 Giới thiệu

Quá trình loại bỏ chất ô nhiễm trong CW gồm: lắng; chuyển hóa hóa học; lọc; kết tủa hóa học; phá hủy, chuyển hóa bởi VSV và TV 1.2.3.2 Cơ chế loại bỏ chất rắn lơ lửng

Bằng quá trình lắng, hấp thụ vào màng sinh học và tái phân tán trong CW Quá trình phân tán có thể làm tăng SS trong nước đầu ra 1.2.3.3 Cơ chế chuyển hóa hợp chất hữu cơ

- Quá trình tách vật lý: Hạt cỡ lớn/keo được tách như TSS Bay hơi cũng góp phần vào làm giảm hợp chất hữu cơ

- Quá trình chuyển hóa sinh học: Đây là quá trình quan trọng nhất để giảm BOD và nhân tố thúc đẩy là VSV

1.2.3.4 Cơ chế chuyển hóa nitơ

Nitơ trong CW chủ yếu được xử lý bằng quá trình nitrat – phản

nitrat hóa Ngoài ra, còn có hấp thụ, hấp phụ và bay hơi

1.2.3.5 Cơ chế chuyển hóa phốt pho

Phốt phát hạt lắng xuống đáy hoặc kết dính vào thực vật hoặc màng SH và dạng hòa tan hấp thụ vào màng SH

- Mô hình bậc 1 với C * và PFR (dòng chảy đẩy):

Ci là nồng độ đầu vào (mg/L); Co là nồng độ đầu ra (mg/L);

HLR là thời gian lưu HLR = Q/A (ngày);

C* nồng độ nền; Ch là hằng số bán bão hòa giới hạn (mg/L)

1.2.4.2 Mô hình hồi quy tuyến tính

Mô hình hồi quy tuyến tính đa biến (MR/mutilple regression) được biểu diễn bằng phương trình sau:

y = α + β1 x1 + β2 x2 + … + βp xp

Co hoặc Lr = f (Ci, HLR, Li…)

Trong đó:

y là biến phụ thuộc (giải thích) (Co and Lr);

xi,p là biến độc lập (được giải thích) (Ci, Li and q);

βi,p là hệ số tuyến tính; α là “chặn” (intercept);

Ci là nồng độ đầu vào (mg/L); Co là nồng độ đầu ra (mg/L);

HLR là tải trọng thủy lực (m/ngày);

Li là tải lượng vào (g/m2.ngày Lr là tải lượng loại bỏ (g/m2.ngày) 1.3 Cải thiện hiệu suất của đất ngập nước nhân tạo

1.3.1 Cấp khí chủ động và bị động

Tăng cường O2 cho hệ thống CW bằng các kĩ thuật như: hệ thống “hút” khí chủ động tự nhiên, tháp “lai” và cấp khí nhân tạo

1.3.2 Tuần hoàn nước thải

Tuần hoàn làm tăng thời gian tiếp xúc giữa nước thải và CW

và tăng hiệu quả, cần thiết đối với nước thải ô nhiễm cao Ngoài ra, hồi lưu còn làm gia tăng nồng độ oxy tự do trong CW

1.3.3 Cấp nước gián đoạn

Cấp nước theo mẻ, chu kì tạo môi trường hiếu, thiếu và kị khí trong CW, thúc đẩy loại bỏ hợp chất hữu cơ và dinh dưỡng Cấp nước theo mẻ có thể cấp bảo hòa bề mặt hoặc làm đầy – khô

1.3.4 Thiết kế tối ưu

Các nghiên cứu xếp chồng các đơn nguyên hoặc tháp “lai” đã được thực hiện nhằm làm giảm diện tích bề mặt và tăng hiệu quả 1.4 Nghiên cứu và ứng dụng đất ngập nước nhân tạo

1.4.1 Trên thế giới

CW bắt đầu nghiên cứu ứng dụng vào những năm 1980 và phát triển mạnh vào đầu những năm 1990 Giai đoạn này chủ yếu là FWS (Bắc Mỹ) và HF (Châu Âu) sử dụng chủ yếu cho sử lý nước thải đô thi Từ 1990s, CW mở rộng Châu Á, Úc và Phi Giai đoạn này sử dụng nhiều VF và ICW, và mở rộng với nhiều loại nước thải

1.4.2 Ở Việt Nam

Nghiên cứu và ứng dụng CW chưa nhiều Các nghiên cứu các tác giả như Nguyễn Thị Loan (2005), Nguyễn Việt Anh và nnk (2010), Ngô Thụy Diễm Trang và nnk (2010, 2012) sử dụng CW xử lý NTSH, nuôi trồng thủy sản và làng nghề

Một số cơ sở sản xuất đã dùng CW vào XLNT: nhà máy chế biến thủy sản – Cty cổ phần xuất khẩu thủy sản 2, tỉnh Quảng Ninh); Công trình CW, kị khí và hồ SH, xử lý NTSH tại phường Bách Quang, thị xã Sông Công (tỉnh Thái Nguyên); công trình CW hoàn thiện của nhà máy Dệt may Hòa Thọ, Đà Nẵng

CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là NTSH ở tp Đông Hà, tỉnh Quảng Trị

và mô hình CW NTSH được hiểu là nước thu gom từ các hộ gia đình, văn phòng và hoạt động thương mại, không bao gồm nước thải sản xuất Phạm vi của nghiên cứu này là tp Đông Hà, tỉnh Quảng Trị Cụ thể là nước thải tại cống thải phường 1 (16°49'30.4" Vĩ độ Bắc 107°05'38.5" Kinh độ Đông) và phường Đông Lễ (thuộc đường Lê Lợi, 16°48'27.3" Vĩ độ Bắc và 107°06'40.4" Kinh độ Đông)

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp lấy, xử lý và phân tích mẫu

Trong nghiên cứu thí nghiệm: Mẫu 3 ngày 1 lần, 12 tuần Thông số: pH, BOD5, TSS, NH4-N, NO3-N, PO4-P, Tcol

Mô hình ở thực địa: Mẫu 1 lần/tuần, 06 tháng Thông số: pH, BOD5, TSS, NH4-N, TN, NO3-N, COD, PO4-P, Tcol

bể đối chứng gồm: III (bể không trồng cây) và IV (bể không trồng cây

và không có lớp vật liệu lọc) (Hình 2.1) Chi tiết cấu tạo các bể được thể hiện ở Hình 2.2

Hình 2.1: Sơ đồ bố trí nghiên cứu quy mô phòng thí nghiệm

Hình 2.2: Chi tiết các bể thí nghiệm

b Kích thước và vật liệu:

Kích thước (Dài x Rộng x Cao) (cm): VF (70 x 50 x 40); HF (70 x 50 x 60) FWS thể tích 80L, D 48,5 cm, cao 54,5 cm (Hình 2.2)

Vật liệu lọc gồm đá, sỏi được sắp xếp thành 3 lớp:

+ Lớp dưới: cỡ hạt 3 – 8 cm Chiều cao trong HF là 20; VF là 30 cm + Lớp giữa: cỡ hạt 1 – 3 cm Chiều cao trong HF là 15, VF là 20 cm + Lớp trên: cỡ hạt 0,1 – 0,9 cm Chiều cao HF là 15, VF là 20 cm

c Cây trồng:

+ Cây chuối hoa (Canna indica) trong VF;

+ Cây môn nước (Colocasia esculenta) trong bể HF1;

+ Cây môn đốm (Caladium bicolor) trong bể HF2;

+ Cây phát lộc (Dracaena sanderiana) trong HF3;

+ Cây hoa súng (Nymphaea pubescens) được trồng FWS

d Thông số vận hành:

Thông số vận hành gồm tải trọng thủy lực (HLR), thời gian lưu (HRT) và lưu lượng (Q), được thể hiện trong Bảng 2.1

Bảng 2.1: Tổng hợp thông số vận hành mô hình thí nghiệm

Thông số vận hành Giai đoạn vận hành

Nghiên cứu quy mô thực địa là hệ thống 2 giai đoạn, gồm: bể

VF và HF (Hình 2.3) Mô hình đặt tại cống thải chính, giao cắt tại đường Lê Lợi, phường Đông Lễ, thành phố Đông Hà, tỉnh Quảng Trị

Hình 2.3: Sơ đồ bố trí thí nghiệm thực địa

Chuối hoa trồng trong bể VF và cây môn nước ở bể HF

d Thông số vận hành của mô hình:

2.2.3 Phương pháp phân tích và xử lý số liệu

Phân tích thống kê mô tả, phương sai và vẽ biểu đồ dùng phần mềm R (version 3.2.2) Sử dụng t test và phân tích ANOVA (Tukey HSD) để kiểm định thống kê, độ tin cậy 95% Phương pháp LMG (Lindeman, Merenda and Gold) sử dụng để xác định mức độ quan trọng của các biến và phương pháp Bayes (BMA) được sử dụng để đánh giá và lựa chọn mô hình MR tối ưu Phương trình tối ưu là phương trình có R2 (hệ số xác định) cao, BIC (tiêu chuẩn thông tin Bayes) thấp và PP (xác suất hậu định) cao)

CHƯƠNG 3 – KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Hiện trạng và tính chất nước thải thành phố Đông Hà

3.1.1 Thành phần và tính chất

Kết quả phân tích mẫu NT qua các đợt khảo sát có khoảng giá trị: BOD5 103 - 289; TSS 131 - 460; NH4-N 4,83 - 35,1 (mg/L) Thông số TSS, BOD5, NH4-N và Tcol cao hơn QCVN 14/2008/BTNMT và đạt mức trên trung bình so với nước thải đầu vào các nhà máy XLNT tập trung ở các thành phố Việt Nam

3.1.2 Hiện trạng thu gom và xử lý

NTSH tp Đông Hà vẫn chưa được xử lý và thoát bằng cống hỗn hợp Hệ thống thoát nước chia làm 14 lưu vực và khá tách biệt Nước thải của thành phố chủ yếu là các hộ gia đình, công sở hoặc cơ sở kinh doanh, dịch vụ NT công nghiệp và y tế được xử lý riêng

3.2 Kết quả nghiên cứu quy mô phòng thí nghiệm

3.2.1 Đặc trưng nước thải đầu vào

Nồng độ nước thải đầu vào khá cao: BOD5 = 209, TSS = 192, NH4-N = 35,1 (mg/L) và Tcol = 103.000 MPN/100mL

3.2.2 Hiệu quả loại bỏ ô nhiễm

3.2.2.1 Chất rắn lơ lửng

Loại bỏ TSS của I là 70,9 ± 13% và II là 71,2 ± 11,1% Hệ thống đối chứng thấp hơn, với III 65 ± 8% và IV là 7 ± 8,5% (Hình 3.1) Vai trò của lớp lọc được ghi nhận trong loại bỏ TSS giữa hệ thống IV (không có lớp lọc) và I, II (hệ thống đầy đủ)

Khi tăng HLR, loại bỏ TSS giảm Sự khác biệt nồng độ TSS đầu

ra giữa các HLR có ý nghĩa thống kê (P <0,05)

Hình 3.1: Hiệu quả loại bỏ và nồng độ TSS đầu ra

3.2.2.2 Hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học

Loại bỏ BOD5 của I và II khá cao (I là 82 ± 7%, II là 84 ± 5,2%) Hệ thống III thấp hơn, đạt 63 ± 12%, trong khi đó hệ thống

IV chỉ đạt đạt 10,6 ± 16,4% (Hình 3.2) Điều này là do thời gian lưu ngắn và thiếu giá thể để VSV bám dính trong rễ cây và lớp lọc, nên quá trình phân hủy sinh học diễn ra chậm Loại bỏ BOD5 ở VF và

HF 40% - 60%, FWS là 22 - 26%

Hình 3.2: Đầu ra và hiệu quả loại bỏ BOD 5 của các mô hình

Tải lượng loại bỏ BOD5 (Lrb) của I là 11,6 và II là 11,9 g/m2.ngày Loại bỏ BOD5 giữa các bể HF không có sự khác biệt mang

ý nghĩa thống kê (P >0,05) Hiệu quả loại bỏ trung bình (%) của HF1

cao hơn các bể còn lại

Khi tăng HLR, loại bỏ BOD5 giảm Không có sự khác biệt đáng

kể BOD5 ra giữa các HLR (P >0,05), ngoại trừ hệ thống III

3.2.2.3 Chất dinh dưỡng

Nồng độ NH4-N trong nước thải đầu vào có giá trị trung bình là

34 mg/L, cao hơn nhiều so với QCVN 14:2004/BTNMT (10 mg/L)

NH4-N giảm nhanh trong bể VF so với bể HF và FWS

Hình 3.3: Giá trị và loại bỏ NH 4 -N và PO 4 -P trong các hệ thống

Loại bỏ NH4-N khá cao, hệ thống I là 87 ± 6%, II là 91 ± 5,6%, III là 84,5 ± 6% và IV là 87,7 ± 3,6% (Hình 3.3) Như vậy, sự khác nhau giữa các hệ thống không ảnh hưởng nhiều đến NH4-N Bể đối chứng không trồng cây và lớp lọc có hiệu quả loại bỏ NH4-N khá cao

là do dòng chảy tự do, tái xâm nhập oxy từ không khí thuận lợi bởi khuếch tán và quang hợp của tảo Đầu ra NH4-N thấp, 2 – 7 mg/L

Hiệu quả PO4-P không ổn định và thấp: I là 13,7 ± 21%, II 28,2 ± 19,4%, III 4 ± 28% và IV 2,2 ± 0,2% Tải trọng NH4-N: I 2,2,

II 2,5, III 2,19 và IV 2,16 (g/m2.ng) Khi tăng HLR: loại bỏ NH4-N của I không biến đổi (87%), II, III và IV giảm

3.2.2.4 Coliform

Nồng độ Tcol đầu vào khá cao, trung bình 146.000 MPN/100mL (5,11 đơn vị log) Đầu ra Tcol luôn đạt yêu cầu xả thải Loại bỏ Tcol đạt cao, trên 90%, cụ thể I đạt 98,7 ± 1,4%, II 99 ± 0,8%, III 98,4 ± 1,8% và IV 95,4 ± 6,6% Khả năng loại bỏ Tcol của 2 hệ thống chính (I, II) đạt xấp xỉ 2,0 (đơn vị log) Các kết quả trước đây

3.3 Kết quả nghiên cứu quy mô thực địa

3.3.1 Đặc trưng nước thải đầu vào

Nồng độ nước thải đầu vào thấp so với nước thải vận hành mô hình quy mô thí nghiệm (ví dụ Tcol chỉ bằng 1/18 lần, BOD5 bằng 2/3 lần) So với QCVN 14:2008/BTNMT, NO3-N và PO4-P thấp hơn, TSS

và Tcol vượt không đáng kể, khoảng 1,2 – 1,7 lần Nồng độ BOD5 và

NH4-N có giá trị cao hơn, vượt từ 2,3 – 2,6 lần (Bảng 3.1)

Bảng 3.1: Thông số nước thải đầu vào nghiên cứu thực địa (n = 23 mẫu)

Thông

số

14:2008/ BTNMT Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giai đoạn 3 Trung bình