Nghiên cứu ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAMHỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ……..….***………… VŨ THỊ NGUYỆT NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THỰC VẬT THỦY SINH TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN LUẬN ÁN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC

VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

…… ….***…………

VŨ THỊ NGUYỆT

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THỰC VẬT THỦY SINH TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI LỢN

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS, NCVCC Trần Văn Tựa và GS,TS Đặng Đình Kim vì đã có những chỉ dẫn quý báu về phương pháp luận, định hướng cho tôi những hướng nghiên cứu khoa học quan trọng trong quá trình thực hiện luận án này

và tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành bản luận án này

Tôi xin chân thành cảm ơn Bộ Khoa học & Công nghệ, Văn phòng các Chương trình Khoa học Công nghệ trọng điểm cấp Nhà nước, Chương trình KC.08/11-15, chủ nhiệm đề tài KC08.05/11-15 đã hỗ trợ kinh phí thực hiện nghiên cứu này

Tôi xin cảm ơn Lãnh đạo Viện Công nghệ môi trường và các bạn đồng nghiệp phòng Thủy sinh học môi trường, Viện Công nghệ môi trường đã tạo điều kiện về mọi mặt và đóng góp các ý kiến quý báu về chuyên môn trong suốt quá trình tôi thực hiện

và bảo vệ Luận án

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Lãnh đạo và bộ phận Đào tạo của Học viện khoa học và Công nghệ đã giúp tôi hoàn thành các học phần của Luận án và mọi thủ tục cần thiết

Cuối cùng tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình, người thân đã luôn chia sẻ, động viên tinh thần và là nguồn cổ vũ, giúp đỡ tôi vượt qua mọi khó khăn trong suốt quá trình thực hiện Luận án

NGHIÊN CỨU SINH

Vũ Thị Nguyệt

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

1.1 Tổng quan về nước thải chăn nuôi lợn 4

1.1.1 Vài nét về tình hình chăn nuôi lợn trang trại 4

1.1.2 Ô nhiễm môi trường do chăn nuôi lợn gây ra tại Việt Nam 5

1.1.3 Hiện trạng công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn 9

1.2 Tổng quan về các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi lợn 11

1.3 Công nghệ sinh thái trong xử lý nước thải chăn nuôi 13

1.3.1 Khái niệm công nghệ sinh thái 13

1.3.2 Các nhóm thực vật thủy sinh trong công nghệ sinh thái 13

1.3.3 Vai trò của thực vật thuỷ sinh trong xử lý nước thải 14

1.3.4 Các loại hình công nghệ sử dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải 15

1.3.5 So sánh hệ thống công nghệ dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm 25

1.3.6 Sơ lược về một số loài thực vật thủy sinh nghiên cứu 27

1.4 Ứng dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải và nước thải chăn nuôi lợn 32

1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 32

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 36

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 45

2.1 Đối tượng nghiên cứu 45

2.2 Phương pháp nghiên cứu 46

2.2.1 Đánh giá khả năng chống chịu và xử lý các tác nhân ô nhiễm 46

2.2.2 Đánh giá khả năng xử lý nước thải chăn nuôi lợn của các loại hình công nghệ 48

2.2.3 Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn của mô hình sinh thái 53

2.2.4 Phương pháp phân tích 53

2.2.5 Phương pháp xử lý số liệu 54

2.2.6 Thiết bị sử dụng trong nghiên cứu 55

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 56

3.1 Khả năng chống chịu và xử lý ô nhiễm nước thải chăn nuôi lợn sau giai đọan xử lý vi sinh vật qui mô phòng thí nghiệm 56

3.1.1 Khả năng chống chịu một số yếu tố môi trường của thực vật thủy sinh 56

3.1.2 Hiệu quả xử lý ô nhiễm của các loài TVTS được lựa chọn 62

nghệ sử dụng thực vật thủy sinh với lưu lượng nước thải khác nhau 81

3.2.1 Công nghệ sử dụng thực vật lá nổi Bèo tây 81

3.2.2 Công nghệ dòng chảy trên bề mặt 85

3.2.3 Công nghệ dòng chảy ngầm 91

3.2.4 Hệ thống phối hợp các thực vật thủy sinh 100

3.2.5 So sánh hiệu quả xử lý TN, TP và COD của các loại hình công nghệ 108

3.3 Xây dựng, vận hành và đánh giá hiệu quả giảm thiểu COD, N và P trong mô hình sinh thái 110

3.3.1 Xây dựng mô hình sinh thái 110

3.3.2 Đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình sinh thái 113

3.3.2.1 Hiệu quả xử lý COD 113

3.3.2.2 Hiệu quả xử lý nitơ 116

3.3.2.3 Hiệu quả xử lý photpho 120

3.3.2.4 Sự biến đổi các yếu tố thủy lý của mô hình sinh thái 122

3.3.2.5 Bước đầu tính toán hiệu quả kinh tế 123

3.4 Đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình sinh thái tích hợp trong mô hình tổng thể xử lý nước thải chăn nuôi lợn tại Lương Sơn, Hòa Bình 126

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 130

KẾT LUẬN 130

KIẾN NGHỊ 131

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ 132

TÀI LIỆU THAM KHẢO 133

Ký hiệu Ý nghĩa

ĐNNNT Đất ngập nước nhân tạo

MHST Mô hình sinh thái

TLTK Tài liệu tham khảo

Bảng 1.1 Phân bố số lợn và trang trại chăn nuôi theo vùng sinh thái 4

Bảng 1.2 Số lượng lợn cả nước (tính đến tháng 10/2016) 5

Bảng 1.3 Số đầu lợn và lượng nước tiêu thu tại một số trang trại điển hình 6

Bảng 1.4 Thành phần và mức độ ô nhiễm nước thải chăn nuôi lợn trang trại 7

Bảng 1.5 So sánh ưu nhược điểm hệ thống dòng chảy ngang và dòng chảy thẳng đứng 22

Bảng 1.6 BOD bị loại bỏ trong một số hệ thống dòng ngầm 23

Bảng 1.7 So sánh ưu điểm và nhược điểm của hệ thống dòng mặt và hệ thống dòng ngầm26 Bảng 1.8 Hiệu quả loại bỏ BOD5 và TSS tại một số kiểu hệ thống đất ngập nước nhân tạo27 Bảng 1.9 Tình hình nghiên cứu sử dụng TVTS trong xử lý nước thải trên thế giới 32

Bảng 1.10 Tình hình nghiên cứu sử dụng TVTS trong xử lý nước thải ở Việt Nam 41

Bảng 2.1 Thành phần cơ bản nước thải sau xử lý vi sinh vật tại Trung tâm nghiên cứu lợn Thụy Phương (Viện Chăn nuôi) 45

Bảng 2.2 Thành phần môi trường thủy canh cho cây 46

Bảng 2.3 Các công thức thí nghiệm khả năng chống chịu 47

Bảng 3.1 Khả năng chống chịu một số yếu tố môi trường của các thực vật thủy sinh 62 Bảng 3.2 Hiệu quả xử lý của hệ thống sử dụng Bèo tây 81

Bảng 3.3 Hiệu quả xử lý của hệ thống Sậy theo công nghệ dòng mặt 85

Bảng 3.4 Hiệu quả xử lý của hệ Rau muống theo công nghệ dòng mặt 88

Bảng 3.5 Hiệu quả xử lý của hệ thống Sậy theo công nghệ dòng ngầm 92

Bảng 3.6 Hiệu quả xử lý của hệ thống cỏ Vetiver theo công nghệ dòng ngầm 96

Bảng 3.7 Hiệu quả xử lý của hệ thống phối hợp Bèo tây và Sậy 100

Bảng 3.8 So sánh hiệu quả xử lý TN, TP và COD của các loại hình công nghệ 109

Bảng 3.9 Các thông số thiết kế hệ thống 112

Bảng 3.10 Các thông số thủy lý của mô hình sinh thái 122

Bảng 3.11 Chi phí xây dựng mô hình sinh thái với TVTS 124

Bảng 3.12 Hiệu quả xử lý COD, TN và TP của mô hình xử lý nước thải 128

Hình 1.1 Sơ đồ các qui trình công nghệ xử lý nước thải đang áp dụng tại các trang trại

chăn nuôi lợn 10

Hình 1.2 Các loại hình công nghệ sinh thái sử dụng TVTS trong xử lý nước thải 16

Hình 1.3: Cơ chế loại bỏ nitrogen trong đất ngập nước 18

Hình 1.4: Sơ đồ đất ngập nước dòng chảy ngầm theo chiều ngang 21

Hình 1.5: Sơ đồ đất ngập nước dòng chảy ngầm theo chiều đứng 21

Hình 1.6 Bèo tây (Eichhornia crassipes) 27

Hình 1.7 Bèo cái (Pistia stratiotes) 28

Hình 1.8 Rau muống (Ipomoea aquatica ) 28

Hình 1.9 Cây Ngổ trâu (Enydra fluctuans) 29

Hình 1.10 Cây Cải xoong (Rorippa nasturtium aquaticum) 30

Hình 1.11 Cây sậy (Phragmites australis) 30

Hình 1.12 cỏ Vetiver (Vetiveria zizanioides) 31

Hình 1.13 Cây Thủy trúc (Cyperus alternifolius) 31

Hình 2.1 Sơ đồ thực nghiệm tại pilot với Bèo tây 48

Hình 2.2 Sơ đồ thực nghiệm hệ thống dòng mặt tại pilot 49

Hình 2.3 Sơ đồ thực nghiệm hệ thống dòng ngầm tại pilôt 50

Hình 2.4 Sơ đồ thực nghiệm hệ phối hợp Bèo tây và Sậy tại pilot 51

Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống phối hợp Sậy, Thủy trúc, Bèo tây và cỏ Vetiver tại pilot 52

Hình 3.1 Ảnh hưởng của nồng độ COD khác nhau lên sinh trưởng của TVTS 57

Hình 3.2 Ảnh hưởng của nồng độ NH4+ khác nhau lên sinh trưởng của TVTS 58

Hình 3.3 Ảnh hưởng của nồng độ NO3- khác nhau lên sinh trưởng của TVTS 60

Hình 3.4 Ảnh hưởng của pH khác nhau lên sinh trưởng của TVTS 61

Hình 3.5 Hiệu quả xử lý COD (%)-Thí nghiệm theo mẻ 63

Hình 3.6 Hiệu quả xử lý TSS (%)-Thí nghiệm theo mẻ 64

Hình 3.7 Hiệu quả xử lý NH4+ - thí nghiệm theo mẻ 65

Hình 3.8 Hiệu quả xử lý TN- thí nghiệm theo mẻ 67

Hình 3.10 Hiệu quả xử lý TP- thí nghiệm theo mẻ 70

Hình 3.11 Hiệu quả xử lý COD (%)- Thí nghiệm bán liên tục 71

Hình 3.12 Hiệu quả xử lý COD trung bình (%)- Thí nghiệm bán liên tục 72

Hình 3.13 Hiệu quả xử lý NH4+ (%)- Thí nghiệm bán liên tục 73

Hình 3.14 Hiệu quả xử lý NH4+ trung bình (%)- Thí nghiệm bán liên tục 74

Hình 3.15 Hiệu quả xử lý TN (%)- Thí nghiệm bán liên tục 75

Hình 3.16 Hiệu quả xử lý TN trung bình (%) - Thí nghiệm bán liên tục 75

Hình 3.17 Hiệu quả xử lý PO43- (%)- Thí nghiệm bán liên tục 76

Hình 3.18 Hiệu quả xử 3 lý PO4- trung bình (%)- Thí nghiệm bán liên tục 77

Hình 3.19 Hiệu quả xử lý TP (%) - Thí nghiệm bán liên tục 78

Hình 3.20 Hiệu quả xử lý TP trung bình (%) - Thí nghiệm bán liên tục 79

Hình 3.21 Hiệu quả xử lý COD, TN và TP của Bèo tây 83

Hình 3.22 Hiệu quả xử lý COD, TN và TP của cây Sậy theo công nghệ dòng mặt 86

Hình 3.23 Hiệu quả xử lý COD, TN và TP của Rau muống theo công nghệ dòng mặt90 Hình 3.24 Hiệu quả xử lý COD, TN và TP của hệ thống dòng ngầm trồng Sậy 93

Hình 3.25 Hiệu quả xử lý COD, TN và TP của hệ thống dòng ngầm trồng cỏ Vetiver98 Hình 3.26 Hiệu quả xử lý COD, TN và TP của hệ thống phối hợp Bèo tây – Sậy 101

Hình 3.27 Hiệu quả xử lý COD, TN và TP của hệ thống phối hợp Sậy – Bèo tây 103

Hình 3.28 Khả năng loại bỏ COD của hệ thống phối hợp 104

Hình 3.29 Hiệu quả xử lý TN của hệ thống phối hợp 105

Hình 3.30 Hiệu quả xử lý TP của HT phối hợp 107

Hình 3.31 Sơ đồ công nghệ sinh thái xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau xử lý bằng công nghệ vi sinh vật 111

Hình 3.32 Sơ đồ hệ thống mô hình sinh thái tại hiện trường 111

Hình 3.33 Hiệu quả loại bỏ COD của mô hình sinh thái tại Lương Sơn, Hòa Bình 114

Hình 3.34 Hiệu quả loại bỏ TN của mô hình sinh thái tại Lương Sơn, Hòa Bình 118

Hình 3.35 Hiệu quả loại bỏ TP của mô hình sinh thái tại Lương Sơn, Hòa Bình 120

Hình 3.36 Sơ đồ trang trại Hòa Bình Xanh và vị trí xây dựng mô hình xử lý chất thải 127

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong thời gian qua, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của đất nước, bộ mặt nông thôn cũng có nhiều đổi mới Kinh tế phát triển, đời sống của người nông dân đang được nâng cao Hoạt động chăn nuôi đã và đang tạo nguồn thu nhập chính cho nhiều

hộ nông dân Tuy nhiên, cùng với sự gia tăng đàn vật nuôi thì tình trạng ô nhiễm môi trường do chất thải chăn nuôi cũng đang gia tăng Chất thải chăn nuôi bao gồm phân

và các chất độn chuồng, thức ăn thừa, xác gia súc, gia cầm chết, được phân thành 3 loại: Chất thải rắn (phân, thức ăn, xác gia súc, gia cầm chết); Chất thải lỏng (nước tiểu, nước rửa chuồng, nước dùng để tắm gia súc); Chất thải khí (CO2, NH3 )

Cho đến nay, chưa có một báo cáo nào đánh giá chi tiết và đầy đủ về ô nhiễm môi trường do ngành chăn nuôi gây ra Theo báo cáo môi trường quốc gia năm 2014 trong tổng số 23.500 trang trại chăn nuôi, mới chỉ có khoảng 1.700 cơ sở có hệ thống

xử lý chất thải Mặt khác, các trang trại chăn nuôi đa phần nằm xen kẽ trong các khu dân cư, có quỹ đất nhỏ, hẹp, không đủ diện tích để xây dựng các hệ thống xử lý chất thải đảm bảo xử lý đạt tiêu chuẩn cho phép Theo ước tính, có khoảng 40 - 50% lượng chất thải chăn nuôi được xử lý, số còn lại thải trực tiếp thẳng ra ao, hồ, kênh, rạch [1]

Để giải quyết vấn đề trên có rất nhiều công nghệ xử lý chất thải chăn nuôi như

xử lý bằng phương pháp vật lý để tách chất thải rắn – lỏng, xử lý bằng phương pháp sinh học kỵ khí, xử lý bằng phương pháp sinh học hiếu khí, các công nghệ này có thể dùng riêng biệt hoặc kết hợp với nhau để cải thiện hiệu quả xử lý cũng như hiệu quả kinh tế của quá trình xử lý Hiện nay, công nghệ biogas đã được sử dụng khá rộng rãi Theo kết quả điều tra của Bộ NN&PTNT năm 2013 tại 54 tỉnh thành trên cả nước, hiện có 3.950 trang trại trên tổng số 12.427 trang trại được điều tra có xây dựng hầm biogas, chiếm 31,79%, trong đó có 196 trang trại xây dựng công trình có thể tích trên

300 m3, còn đa phần các hầm biogas được xây dựng với quy mô nhỏ [1] Những hầm biogas này đã bước đầu phát huy được tác dụng trong việc bảo vệ môi trường, tạo khí đốt phục vụ đời sống Tuy nhiên, công nghệ biogas cũng đã bộc lộ những nhược điểm, nước thải sau khi xử lý không đạt tiêu chuẩn; Hầm biogas chủ yếu chỉ xử lý chất hữu

cơ, chưa xử lý được nitơ và photpho, là yếu tố gây hiện tượng phú dưỡng; Vi khuẩn gây bệnh chưa được khống chế hiệu quả gây nguy cơ cao về bệnh truyền nhiễm, đặc biệt là đối với chăn nuôi lợn Vì vậy, nước thải chăn nuôi lợn sau xử lý biogas cần phải được xử lý tiếp trước khi thải ra môi trường

Để xử lý bổ sung chất hữu cơ, nitơ và phôtpho trước khi thải vào nguồn tiếp nhận, công nghệ sinh thái (CNST) sử dụng thực vật thuỷ sinh (TVTS) được cho là có nhiều ưu điểm so với hệ thống xử lý nước thải thông thường CNST, thân thiện với môi trường, chi phí thấp, dễ vận hành, đồng thời cũng đạt hiệu quả xử lý cao và ổn

định Nhiều nước trên thế giới đã nghiên cứu sử dụng phương pháp này như tại Mỹ, Anh, Trung Quốc, Ấn Độ… Việt Nam được đánh giá là quốc gia rất thích hợp áp dụng CNST vì điều kiện khí hậu của nước ta rất thích hợp cho sự phát triển quanh năm của

các loài TVTS sử dụng trong CNST Vì vậy đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng thực vật

thủy sinh trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn” được thực hiện nhằm góp phần tìm

kiếm phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi hiệu quả, phù hợp với điều kiện của Việt Nam và giảm thiểu ô nhiễm môi trường xung quanh một cách hiệu quả Đây là con đường đi khả thi trong phát triển chăn nuôi bền vững gắn với bảo vệ môi trường và nâng cao chất lượng sống của người dân

2 Mục tiêu nghiên cứu

Xây dựng được CNST sử dụng TVTS để xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau công đoạn xử lý vi sinh, nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường Công nghệ có tính khả thi khi ứng dụng vào thực tiễn

3 Nội dung nghiên cứu

Để thực hiện được những mục tiêu đã đề ra, nội dung nghiên cứu của luận án bao gồm:

Nội dung 1: Tổng quan về hiện trạng ô nhiễm nước thải chăn nuôi lợn, công nghệ xử

lý nước thải chăn nuôi lợn và CNST sử dụng TVTS trong xử lý nước thải nói chung, bao gồm nước thải chăn nuôi lợn

Nội dung 2: Đánh giá khả năng chống chịu (COD, NH4+, NO3-, pH) và xử lý COD, nitơ, photpho trong nước thải chăn nuôi lợn sau giai đoạn xử lý vi sinh vật qui mô phòng thí nghiệm của một số TVTS tuyển chọn

Nội dung 3: Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau giai đoạn xử lý vi

sinh vật của các loại hình công nghệ sử dụng TVTS với tải lượng nước thải khác nhau

Nội dung 4: Xây dựng và đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình sinh thái (MHST) sử

dụng TVTS để giảm thiểu nitơ (N), photpho (P) và chất hữu cơ từ nước thải chăn nuôi lợn trang trại sau công đoạn xử lý vi sinh vật quy mô pilot

4 Ý nghĩa khoa học của đề tài:

Việc ứng dụng TVTS trong xử lý nước thải chăn nuôi lợn được nghiên cứu một cách cơ bản, khoa học, tổng thể từ qui mô phòng thí nghiệm đến qui mô pilot và xây dưng mô hình xử lý tại hiện trường trang trại Nghiên cứu này vừa tạo cơ sở khoa học tin cậy vừa chứng minh tính khả thi của công nghệ

+ Lần đầu tiên tại Việt Nam, các loài thực vật thủy sinh lựa chọn để ứng dụng trong công nghệ sinh thái xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau giai đoạn xử lý vi sinh vật

được đánh giá về khả năng chống chịu COD, amôni, nitrat và khả năng loại bỏ các nhân tố này

+ Công nghệ sinh thái ứng dụng TVTS do đề tài xây dựng là công đoạn cuối, không thể thay thế, xử lý hiệu quả N và P,trong quy trình công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn

+ Công trình là cơ sở khoa học quan trọng góp phần triển khai hiệu quả việc ứng dụng CNST xử lý nước thải chăn nuôi ở quy mô sản xuất

5 Điểm mới của luận án

+ Lựa chọn được các loài TVTS thích hợp cho xử lý nước thải chăn nuôi lợn

sau công nghệ vi sinh vật trên cơ sở loại bỏ COD, N, P hiệu quả cao

+ Lựa chọn được loại hình CNST sử dụng TVTS phù hợp ứng dụng trong xử lý

nước thải chăn nuôi lợn

+ Tích hợp CNST đã lựa chọn vào hệ thống xử lý quy mô 30 m 3 /ngày đêm, xử

lý bổ sung COD, N và P trong nước thải chăn nuôi lợn có hiệu quả với chí phí thấp, vận hành đơn giản, có khả năng nhân rộng và thích ứng trong điều kiện chăn nuôi trang trại tại Việt Nam

6 Kết cấu của luận án

Luận án được bố cục thành 3 chương và các phần mở đầu; kết luận, kiến nghị

và tài liệu tham khảo

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu;

Chương 2: Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu;

Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Luận án được trình bày trong 130 trang A4, 25 bảng biểu, 54 hình vẽ, danh mục

6 công trình khoa học của tác giả đã được công bố, 166 tài liệu tham khảo tiếng Việt

và tiếng Anh

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tổng quan về nước thải chăn nuôi lợn

1.1.1 Vài nét về tình hình chăn nuôi lợn trang trại

Chăn nuôi trang trại là định hướng phát triển của ngành chăn nuôi Nếu vào năm 2011, số đầu lợn tại các trang trại ước tính chiếm 15 - 16% tổng đàn và sản lượng thịt lợn xuất chuồng chiếm 28 - 30% tổng sản lượng thịt lợn hơi xuất chuồng trong cả nước thì đến 2014, đàn lợn trong các trang trại chăn nuôi chiếm khoảng 35% tổng đàn,

40 - 45% về tổng sản lượng thịt lợn xuất chuồng [2 - 4] Điều này cho thấy định hướng phát triển chăn nuôi trang trại đang diễn ra trong thực tiễn nước ta

Theo thống kê năm 2014, cả nước có 26,7 triệu con lợn Về số trang trại chăn nuôi nói chung cả nước có 10.044 trang trại Theo vùng sinh thái, vùng Đồng bằng sông Hồng có số trang trại nhiều nhất, chiếm tới 34,8% Trong vùng này, Hà Nội đứng đầu với 979 trang trại

Bảng 1.1 Phân bố số lợn và trang trại chăn nuôi theo vùng sinh thái

Số lợn Tỷ lệ %

Số trang trại nói chung

Theo thống kê năm 2016, cả nước có 29 triệu lợn, trong đó vùng đồng bằng sông Hồng có số lượng lợn lớn nhất là 7,4 triệu lợn (26%), tiếp đến là miền núi và trung du 7,2 triệu lợn (25%), thấp nhất là Tây Nguyên có 1,9 triệu lợn (7%) Trong 29 triệu con lợn, tăng 4,5%, trong đó lợn thịt có 24,7 triệu con, tăng 4,6% so với cùng kỳ

2015 [5] Như vậy, theo thời gian, mỗi năm đàn lợn lại tăng lên (bảng 1.2) Tuy nhiên, cùng với sự gia tăng đàn vật nuôi thì tình trạng ô nhiễm môi trường do chất thải chăn nuôi cũng đang gia tăng

Bảng 1.2 Số lượng lợn cả nước (tính đến tháng 10/2016)

Đ.vị

tính 1/10/2014 1/10/2015 1/04/2016 1/10/2016

Tăng, giảm 2016-2015

So sánh (%) 2016/

Nguồn: Thống kê chăn nuôi Việt Nam 01/10/2016, Chăn nuôi Việt Nam [5]

1.1.2 Ô nhiễm môi trường do chăn nuôi lợn gây ra tại Việt Nam

Theo khảo sát của nhóm nghiên cứu đề tài KC.08.04 của TS Trần Văn Tựa (2015), trong tổng số 20 trang trại chăn nuôi lợn đã được khảo sát tại 05 địa phương là

Hà Nội (HN), Vĩnh Phúc (VP), Hưng Yên (HY), Thái Bình (TB) và Hòa Bình (HB)

Các thông số khảo sát gồm:

- Diện tích trang trại, số chuồng, diện tích mỗi chuồng

- Số lượng vật nuôi

- Nguồn nước, lượng sử dụng (m3/ngày)

- Lượng thức ăn tiêu thụ (kg/ngày)

- Nước thải

- Biện pháp thu gom, xử lý chất thải

Về lượng nước tiêu thụ, kết quả khảo sát tại một số trang trại chăn nuôi lợn với

số lượng từ 1000 con trở lên (bao gồm lợn thịt, nái và hậu bị) cho thấy lượng nước tiêu thụ có sự biến động lớn, dao động từ 15 đến 60 lít/đầu lợn/ngày đêm (bảng 1.3)

Lượng phân thải ra trong một ngày đêm tùy thuộc vào giống, loài, tuổi và khẩu phần

ăn Lượng phân lợn thải ra mỗi ngày có thể ước tính 6 - 8% khối lượng của vật nuôi

Bảng 1.3 Số đầu lợn và lượng nước tiêu thu tại một số trang trại điển hình

Ghi chú: VP: Vĩnh Phúc, TB: Thái Bình, HY: Hưng Yên, HN: Hà Nội và HB: Hòa Bình

Nguồn: Báo cáo tổng kết đề tài KC08.04/11-15 [6]

Khảo sát của tổ chức JICA và Viện CNMT trước đây tại 5 trang trại chăn nuôi lợn điển hình cho thấy lượng nước tiêu thụ từ 10 - 40 lít/đầu lợn/ng.đêm, trong khi đó, tại Nhật Bản con số này là 20 - 30 lit Với 4293 trang trại chiếm 35% số đầu lợn trong

cả nước (9,345 triệu lợn), nếu trung bình lượng nước thải là 25 - 30 lít/con, lượng nước thải ra một năm là con số đáng kể [7]

Về thành phần và mức độ ô nhiễm của nước thải chăn nuôi lợn trang trại, kết quả khảo sát được tổng hợp ở bảng 1.4 Trước biogas, lượng COD, TN, TP trong nước thải rất cao với các số liệu tương ứng là 3587 mg/L, 343 mg/L và 92 mg/L Sau khi được xử lý kỵ khí bằng hầm biogas các thông số trên giảm còn tương ứng 800 mg/L; 307mg/L và 62mg/L Lượng ôxy hòa tan trong nước thải trước biogas hầu như không còn sau xử lý biogas cũng không đáng kể

Một trong các yếu tố gây ô nhiễm nghiêm trọng nước thải chăn nuôi lợn là lượng coliform Kết quả khảo sát của đề tài cho thấy rằng lượng coliform trong nước thải vượt tiêu chuẩn cho phép nhiều lần Điều này không chỉ đối với nước thải từ chuồng trại mà cả nước sau biogas Trong nước thải trước khi vào hầm biogas, lượng

coliform là 372.104MPN/100 ml, còn nước sau xử lý bằng biogas chứa 226.104

bình Min-Max

Trung bình Min-Max Cột A Cột B

Nguồn: Báo cáo tổng kết đề tài KC08.04/11-15 [6]

Qua bảng 1.4 có thể nhận thấy rằng nước thải sau quá trình xử lý bằng hầm biogas chứa hàm lượng cao các chất gây ô nhiễm môi trường Hàm lượng COD, tổng

N, tổng P, coliform, vượt rất nhiều lần quy định theo loại B (QCVN40: BTNMT) Vì vậy, nếu thải ra môi trường sẽ gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và đời sống của sinh vật thủy sinh

Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải phụ thuộc vào thành phần của phân, nước tiểu gia súc, lượng thức ăn rơi vãi, mức độ và phương thức thu gom phân như số lần thu gom, phương pháp vệ sinh chuồng trại (có hót phân hay không hót phân, trước khi rửa chuồng trại), lượng nước dùng tắm gia súc và vệ sinh chuồng trại [8, 9]

Phùng Đức Tiến và cs (2009) [10], Trịnh Quang Tuyên và cs (2010) [11] đánh giá thực trạng ô nhiễm môi trường trong chăn nuôi nói chung cũng chỉ ra: Tình hình

xử lý chất thải còn chưa được quan tâm đúng mức Tỷ lệ cơ sở chăn nuôi có khu xử lý chất thải rất thấp Phương thức xử lý còn rất thô sơ chủ yếu là ủ phân tươi và phân nhỏ

xử lý bằng biogas Còn lại một tỷ lệ lớn chất thải đổ trực tiếp ra môi trường Môi trường chăn nuôi bị ô nhiễm nặng Nước thải chăn nuôi không được xử lý gây ô nhiễm nặng nề môi trường xung quanh, đặc biệt là các chỉ tiêu vi sinh vật Đây là một nguồn

lây lan dịch bệnh Hàm lượng Coliform cao hơn mức cho phép là 78,1 - 630,4 lần Mức độ ô nhiễm có xu hướng tăng theo quy mô chăn nuôi Chăn nuôi trang trại với mức tập trung cao, không có biện pháp xử lý chất thải có mức độ ô nhiễm cao hơn Trong ba đối tượng vật nuôi (lợn, bò và gia cầm), chăn nuôi lợn có mức độ ô nhiễm cao nhất

Trịnh Quang Tuyên (2010) [11] tiến hành khảo sát hiện trạng ô nhiễm nước thải trong chăn nuôi lợn tập trung cho thấy COD trong nước thải trước biogas so với chỉ tiêu nước thải cho phép loại B (QCVN 40:2011) đều vượt quá giới hạn 11,7 đến 15,6 lần Nước thải sau biogas vẫn vượt 2,5 lần đến 3,3 lần, nước thải ra ngoài môi trường còn vượt tiêu chuẩn 1,6 đến 2,0 lần Chỉ tiêu BOD5 của nước thải trước biogas so với chỉ tiêu nước thải cho phép loại B đều vượt quá giới hạn cho phép với vượt từ 6,9 đến 12,4 lần, sau biogas và sau ao chứa nước thải vượt 2,8 lần đến 3,5 lần, nước thải ra ngoài đều vượt chuẩn cho phép từ 1,3 đến 2,2 lần Các chỉ tiêu NO3-, tổng P, coliform của nước thải tại các tỉnh điều tra đều vượt mức cho phép nhiều lần

Vũ Thị Khánh Vân và cs (2013) [12], điều tra về thực trạng ô nhiễm nước thải chăn nuôi được tiến hành trên 102 trang trại chăn nuôi lợn công nghiệp có quy mô từ

100 lợn thịt trở lên hoặc trên 20 lợn nái quy đổi tại 3 tỉnh/ thành phố trên cả nước bao gồm Thái Bình (41 trang trại), Đà Nẵng (30 trang trại) và Đồng Nai (31 trang trại) Kết quả nghiên cứu cho thấy, khoảng 30% số trang trại áp dụng hình thức thu gom chất thải rắn và lỏng tách riêng và khoảng 60% số trang trại thu gom chất thải theo hướng hỗn hợp Trong đó, tỷ lệ trang trại xử lý chất thải bằng biogas là 53% ở miền Nam, 60% ở miền Bắc và 42% ở miền Trung Tuy nhiên, trong các trang trại có xử lý biogas, có đến 57%, 71% và 87% trang trại lần lượt ở 3 miền Bắc, Trung, Nam xả thải biogas thừa trực tiếp ra môi trường Hàm lượng Coliform tổng số của nước thải sau biogas, nước rửa chuồng và nước ở hố tắm cho lợn đều vượt quá tiêu chuẩn cho phép (theo QCVN 40:2011-BTNMT) 4 - 2.200 lần Hàm lượng BOD5 và COD trong nước thải sau biogas của các trang trại chăn nuôi ở miền Bắc vượt cao hơn 10 và 20 lần so với ngưỡng cho phép

Kết quả điều tra hiện trạng một số cơ sở chăn nuôi thuộc các tỉnh Hưng Yên, Thái Bình, Vĩnh Phúc, Hòa Bình và Hà Nội trong khuôn khổ đề tài KC08.04/11-15 do nhóm nghiên cứu thực hiện cũng cho thấy: Tại hầu hết các trang trại khảo sát, lượng COD, TN và TP của nước thải sau khi xử lý bằng hầm biogas đều còn rất cao, dao động từ 714 đến 4590 mg/L với COD, từ 531 - 1131 mg/L với TN và 127 - 146 mg/L với TP Mặc dù một số trang trại đã có hệ thống xử lý cấp 2 (xử lý hiếu khí hoặc ao sinh học) nhưng lượng COD, TN và TP sau khi thải ra môi trường vẫn vượt tiêu chuẩn thải loại B (QCVN40: 2011- BTNMT) nhiều lần (COD 117 - 1030 mg/L; TN: 2,5 -

270 mg/L) Đáng chú ý là lượng NH4+ sau xử lý bằng biogas còn tương đối lớn, trung bình dao động trong khoảng 500 - 1000 mg/L Đây là một trong những nhân tố chính gây phú dưỡng cho môi trường tiếp nhận nếu không được xử lý tốt [6]

Như vậy, chăn nuôi lợn trang trại đang phát triển mạnh và cũng là định hướng cho lĩnh vực này trong tương lai Cùng với hiệu quả kinh tế mang lại, vấn đề ô nhiễm môi trường nói chung và ô nhiễm nước thải từ chăn nuôi lợn trang trại là một thực tế gây bức xúc trong xã hội

1.1.3 Hiện trạng công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi lợn

Theo kết quả khảo sát thì hiện có 4 loại hình công nghệ điển hình được các trang trại áp dụng để xử lý nước thải chăn nuôi:

1 - Nước thải chăn nuôi (có thể lẫn phân hoặc đã được tách phân) được xử lý bằng hồ kị khí có phủ bạt sau đó qua ao sinh thái rồi thải ra môi trường, có khoảng 8,3% trang trại sử dụng biện pháp này

2 - Nước thải chăn nuôi được xử lý qua hầm biogas, sau đó được thải ra kênh mương, chiếm 50% số trang trại khảo sát

3 - Nước thải chăn nuôi (có thể lẫn phân hoặc đã được tách phân) được xử lý bằng hầm biogas, sau đó được xử lý tiếp bằng ao/ hồ sinh học, chiếm 25% số trang trại khảo sát

4 - Nước thải chăn nuôi được xử lý bằng ổn định kỵ khí, sau đó bằng phương pháp lọc sinh học kị khí hoặc aeroten, cuối cùng qua hồ thực vật thủy sinh rồi thải ra ngoài, chiếm 8,3% số trang trại khảo sát

Còn lại 8,4% trang trại không xử lý gì mà thải trực tiếp ra kênh mương hoạc ao

cá làm ô nhiễm môi trường xung quanh một cách nghiêm trọng

Qua khảo sát điều tra cùng với kết quả khảo sát của tổ chức JICA kết hợp với Viện Công nghệ môi trường trong khuôn khổ Dự án tăng cường năng lực Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam trong lĩnh vực bảo vệ môi trường nước - Giai đoạn II giữa Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam và tổ chức JICA, Nhật Bản, về công nghệ xử

lý nước thải chăn nuôi [13], có thể đưa ra các qui trình công nghệ xử lý nước thải đang

áp dụng phổ biến tại các trang trại chăn nuôi lợn của ta như hình 1.1

Đối với nước thải chăn nuôi lợn, đặc tính nước thải thay đổi rất lớn do phương pháp chăn nuôi, quản lý chuồng trại (như việc có tách lỏng rắn hay không), điều kiện của từng địa phương Những điều này ảnh hưởng lớn đến quy mô xử lý, duy trì hệ thống xử lý khó khăn và tốn kém về kinh tế

Mặc dù hầu hết các trang trại mà chúng tôi khảo sát đều đã có áp dụng một hoặc một vài phương pháp kết hợp để xử lý nước thải nhưng chất lượng nước thải đầu

ra chưa đạt tiêu chuẩn xả thải, kể cả một vài trang trại áp dụng cả biện pháp hiếu khí vào trong quy trình Mặt khác, nguồn năng lượng là khí sinh học thu được từ hầm biogas hầu như chưa được sử dụng triệt để, có trang trại thải thẳng khí ra môi trường,

có trang trại sử dụng vào mục đích đun nấu và thắp sáng, còn lại hầu như chưa sử dụng

để chạy máy phát điện

Hình 1.1 Sơ đồ các qui trình công nghệ xử lý nước thải đang áp dụng tại các trang

trại chăn nuôi lợn [6]

Hiện nay có thể nói ở nước ta chưa có quy trình hoàn thiện nào được công bố

và ứng dụng thực tế để xử lý nước thải chăn nuôi đạt tiêu chuẩn thải Báo cáo năm

2006 của nhóm tác giả Ngô Kế Sương và cs về “Mô hình xử lý nước thải chăn nuôi

heo tại xí nghiệp chăn nuôi Gò Sao” được coi là đầy đủ và đại diện cho các nghiên cứu

xử lý nước thải chăn nuôi ở Việt Nam Tuy nhiên đây chỉ là mô hình thử nghiệm có công suất xử lý 30 m3/ngày trong số nước thải 935 m3/ngày của Xí nghiệp 12.000 đầu lợn các loại với diện tích ao thực vật thủy sinh 720 m2 Nếu tính cho cả xí nghiệp sẽ cần gần 2,5 ha, điều này sẽ khó khả thi nếu không tính tới phương án sử dụng mặt nước hiệu quả hơn và sinh khối bèo dư [14]

Xử lý nước thải chăn nuôi lợn trang trại chủ yếu mới là xử lý bằng hầm biogas

và hồ sinh học Hầm biogas chỉ xử lý được chất hữu cơ còn hồ sinh học có thể xử lý N

và P nhưng thời gian lưu lâu Các phương pháp xử lý khác như phương pháp kỵ khí UASB, kỵ khí tiếp xúc, lọc sinh học, xử lý hiếu khí Aeroten, đã được một số tác giả quan tâm nghiên cứu và tỏ ra có hiệu quả nhưng hầu hết mới chỉ dừng lại ở thực nghiệm, đề xuất về lý thuyết hoặc ứng dụng nếu có chỉ ở quy mô nhỏ lẻ Đặc biệt, việc

xử lý chất ô nhiễm N và P hầu như chưa được quan tâm, trong khi đây là yếu tố gây phú dưỡng môi trường nước các thuỷ vực tiếp nhận dẫn đến “nở hoa nước” do vi tảo

bao gồm vi khuẩn lam (VKL) độc phát triển mạnh, làm mất cân bằng sinh thái và suy giảm chất lượng nước, ảnh hưởng xấu đến môi trường sống và sức khỏe cộng đồng [15] Chất thải rắn, bùn thải trong chăn nuôi chưa được xử lý triệt để, chưa tạo ra được sản phẩm hữu ích cho thị trường

Trong những năm gần đây, việc phát triển hệ thống nông nghiệp bền vững đang được chú trọng trong đó chăn nuôi là một bộ phận cấu thành quan trọng của hệ thống Tuy nhiên, sự phát triển của ngành chăn nuôi đang phải đương đầu với những khó khăn cả về kỹ thuật và những yếu tố kinh tế và xã hội Việc chăn nuôi phát triển theo quy mô trang trại tập trung nảy sinh vấn đề ô nhiễm môi trường, nhất là ô nhiễm nước thải gây bức xúc cho cộng đồng dân cư và thu hút sự quan tâm sâu sắc của xã hội

1.2 Tổng quan về các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi lợn

Việc xử lý nước thải chăn nuôi lợn nhằm giảm nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải đến một nồng độ cho phép có thể xả vào nguồn tiếp nhận Đối với nước thải chăn nuôi, có thể áp dụng các phương pháp xử lý sau:

ra, có thể dùng phương pháp ly tâm hoặc lọc, hàm lượng cặn lơ lửng trong nước thải chăn nuôi khá lớn khoảng vài ngàn mg/L và dễ lắng nên có thể lắng sơ bộ trước rồi sau đó đưa sang các công trình phía sau Sau khi tách nước thải được đưa ra các công trình phía sau còn phần chất rắn được đem đi ủ làm phân bón

* Phương pháp hóa lý: Nước thải chăn nuôi còn chứa nhiều chất hữu cơ, chất vô cơ

dạng hạt có kích thước nhỏ, khó lắng, khó có thể tách ra bằng phương pháp cơ học thông thường vì tốn nhiều thời gian và hiệu quả không cao Ta có thể áp dụng phương pháp keo tụ để loại bỏ chúng Các chất keo tụ thường sử dụng là phèn nhôm, phèn sắt, phèn bùn kết hợp với polyme trợ keo tụ để tăng quá trình keo tụ Theo nghiên cứu của Trương Thanh Cảnh (2006) [8] tại trại chăn nuôi heo 2/9, phương pháp keo tụ có thể tách được 80 - 90% hàm lượng chất lơ lửng có trong nước thải chăn nuôi heo Phương pháp này loại bỏ được hầu hết các chất bẩn có trong nước thải chăn nuôi, tuy nhiên chi phí xử lý cao Áp dụng phương pháp này để xử lý nước thải chăn nuôi là không hiệu quả về mặt kinh tế Ngoài ra tuyển nổi cũng là một phương pháp để tách các hạt có khả năng lắng kém nhưng có thể kết dính vào các bọt khí nổi lên, tuy nhiên

chi phí đầu tư, vận hành cho phương pháp này cao cũng không hiệu quả về mặt kinh

tế

* Phương pháp xử lý sinh học: Phương pháp này dựa trên sự hoạt động của các vi sinh

vật có khả năng phân hủy các chất hữu cơ Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và các chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng Tùy theo từng nhóm vi khuẩn sử dụng là hiếu khí hay kỵ khí mà người ta thiết kế các công trình khác nhau và phụ thuộc vào khả năng tài chính, diện tích đất mà người ta có thể sử dụng hồ sinh học hay các bể nhân tạo để xử lý Các hệ thống xử lý nhân tạo bằng phương pháp sinh học:

- Xử lý theo phương pháp hiếu khí:

+ Bể aeroten thông thường

+ Bể aeroten xáo trộn hoàn toàn

+ Bể aeroten mở rộng

+ Mương oxy hóa

+ Bể hoạt động gián đoạn (SBR)

+ Vùng đất ngập nước (bãi lọc trồng cây)

Theo Hoàng Kim Giao “Có 3 nhóm biện pháp cơ bản hạn chế ô nhiễm do chăn

nuôi Thứ nhất cần quy hoạch lại, đưa chăn nuôi ra xa đô thị, khu dân cư, khu công nghiệp và nhất thiết phải thực hiện quy định chăn nuôi an toàn gắn với bảo vệ môi trường Thứ hai sử dụng kỹ thuật cho vào thức ăn và chất thải chăn nuôi các enzym, các chế phẩm sinh học nhằm hạn chế khí độc hại và vi sinh vật có hại Thứ 3 ứng dụng tiến bộ kỹ thuật thân thiện với môi trường Tùy điều kiện cụ thể từng nơi để lựa chọn một trong 3 quy trình xử lý chất thải như: Bể lắng - hầm biogas - ao sinh học, hầm biogas - ao sinh học và hầm biogas - thùng sục khí - ao sinh học, trong đó trọng tâm

là chăn nuôi theo mô hình VAC và sử dụng hầm biogas” [16]

* Ngoài ra còn một số các giải pháp khác như: Ủ chất thải rắn bằng phương

pháp sinh học che phủ kín Gần đây việc chăn nuôi trên đệm lót sinh thái được khuyến khích

1.3 Công nghệ sinh thái trong xử lý nước thải chăn nuôi

1.3.1 Khái niệm công nghệ sinh thái

Kỹ nghệ sinh thái nổi lên như là ý tưởng mới vào đầu những năm 1960 nhưng định nghĩa của nó cần vài thập kỉ để hoàn chỉnh, việc thực hiện còn đang được điều chỉnh và việc công nhận nó như một mô hình còn tương đối mới Kỹ nghệ sinh thái được H Odum và cs, 1963, giới thiệu khi sử dụng các nguồn năng lượng tự nhiên như

là đầu vào chủ yếu để kiểm soát các hệ sinh thái [17] Mitsch và Jorgensen 1989 [18], lần đầu tiên định nghĩa: “Kỹ nghệ sinh thái (Ecological engineering) là sự kết hợp giữa sinh thái học và kỹ nghệ liên quan với thiết kế, kiểm tra và xây dựng hệ sinh thái Việc thiết kế hệ sinh thái bền vững nhằm kết hợp xã hội con người với môi trường tự nhiên

vì lợi ích của cả hai”

Barrett (1999) đưa ra định nghĩa sát nghĩa hơn về thuật ngữ: thiết kế, xây dựng, hoạt động và quản lý (đó là kỹ nghệ) các công trình về nước/cảnh quan và liên kết quần xã động vật và thực vật (đó là hệ sinh thái) để làm lợi cho nhân loại và tự nhiên Các thuật ngữ khác với nghĩa tương tự hay tương đương bao gồm công nghệ sinh thái (ecotechnology) và hai thuật ngữ thường hay dùng nhất trong kiểm soát sự xói mòn:

kỹ nghệ sinh học đất (soil bioengineering) và kỹ thuật sinh học Tuy nhiên, kỹ nghệ sinh thái không nên nhầm lẫn với công nghệ sinh học (biotechnology) khi mô tả kỹ thuật gen (genetic engineering) ở mức độ tế bào hoặc kỹ nghệ sinh học (bioengineering) với nghĩa xây dựng các phần của cơ thể nhân tạo [19]

CNST trong đề tài này là CNST sử dụng TVTS trong xử lý ô nhiễm nước và cũng được hiểu là công nghệ đất ngập nước nhân tạo (Constructed wetlands), bãi lọc trồng cây,… Trong xử lý nước thải giầu nitơ và photpho CNST sử dụng TVTS có nhiều ưu điểm, rất thân thiện môi trường, được quan tâm ở nhiều nước trên thế giới

1.3.2 Các nhóm thực vật thủy sinh trong công nghệ sinh thái

TVTS trong công nghệ này có thể được phân ra các nhóm chính sau [20]:

- TVTS nửa ngập nước: Đây là thực vật chủ yếu trong vùng đất ngập nước có thân và lá nhô lên khỏi mặt nước và hệ rễ phát triển rộng Thực vật thích nghi về hình thái với việc mọc ở nơi ngập nước do có các khoang khí lớn bên trong thân để vận

chuyển oxy đến rễ TVTS này bao gồm các loài như Sậy (Phragmites spp.), Cỏ nến hay Đuôi mèo (Typha spp.), Cói (Cyperus spp.), Bấc (Juncus spp.), Cỏ năn (Scirpus spp.), Lác (Carex spp.), Lưỡi đồng (Iris spp.)

- TVTS có lá nổi: Các thực vật này không đứng cao trên mặt nước Chúng bao

gồm cả các loài có rễ bám đáy như cây Súng (Nymphaea spp.) và các loài sống nổi trên mặt nước như Bèo tây (Eichhornia crassipes), Bèo cái (Pistia stratiotes) và Bèo tấm (Lemna spp và Spirodella spp.)

- TVTS sống chìm dưới mặt nước: Các TVTS này có các mô quang hợp hoàn toàn ngập trong nước nhưng hoa lại thường phơi ra trên mặt nước Thuộc nhóm thực

vật này có Rong đuôi chó (Myriophyllum spp), Rong đuôi chồn (Ceratophyllum spp)

(là cỏ mọc lơ lửng trong nước, không có rễ bám đáy đất)

1.3.3 Vai trò của thực vật thuỷ sinh trong xử lý nước thải

Hiệu quả xử lý ô nhiễm của một số loài TVTS và tảo đã được kiểm chứng trong các điều kiện thí nghiệm và cho thấy rằng chúng có tiềm năng trong xử lý nước thải

[21] Người ta đã biết đến khả năng của TVTS trong việc vận chuyển oxy từ không khí

vào trong nước nhờ bộ rễ, cho phép hình thành nhóm sinh vật hiếu khí quanh bộ rễ thực vật Các vi sinh vật hiếu khí thích hợp cho việc phân giải sinh học các hợp chất hữu cơ phức tạp thành các chất đơn giản Sản phẩm của quá trình phân giải này sẽ được thực vật sử dụng cho quá trình sinh trưởng, phát triển Khả năng loại bỏ các chất

ô nhiễm vô cơ và hữu cơ trong nước đã được chứng minh là có sự cộng sinh giữa TVTS và các vi sinh vật sống trong và xung quanh rễ của chúng Thực vật và các vi sinh vật có thể đạt được hiệu quả xử lý cao khi chúng phối hợp với nhau trong một hệ sinh thái cân bằng Thân và lá của thực vật nửa ngập nước và rễ của thực vật nổi làm giảm tốc độ dòng chảy, gây ra sự thay đổi của quá trình lọc và lắng của các hạt (cặn, vụn hữu cơ) và là nơi sống bám của nhiều loài tảo và vi sinh vật Oxy chuyển từ phần thân và lá khí sinh xuống bộ rễ và giải phóng ra vùng rễ, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nitrat và phản nitrat hoá Bởi vậy, TVTS đóng vai trò chủ yếu trong việc giảm nồng độ NH4+, NO2- , NO3-, PO4 3- cũng như TSS và COD [21]

Các vi sinh vật phân huỷ các chất hữu cơ và sản phẩm cuối cùng của quá trình này là CO2, H2O, axít hữu cơ, Các hợp chất này cung cấp cho các TVTS, trước hết là tảo Các loài TVTS như tảo, rong Đuôi chó, rong Xương cá, lau Lác, các loại bèo,…

có rễ, thân tạo điều kiện cho vi sinh vật bám vào mà không bị chìm xuống đáy Chúng cung cấp oxy cho vi khuẩn hiếu khí, ngoài ra còn cung cấp cho vi sinh vật những hoạt chất sinh học cần thiết Ngược lại, vi khuẩn cung cấp ngay tại chỗ cho thực vật những sản phẩm trao đổi chất của mình, đồng thời thực vật giúp cho vi sinh vật khỏi bị chết dưới ánh nắng mặt trời Tảo là nguồn thức ăn cho cá và các loài thuỷ sản khác, khi chết sẽ là chất dinh dưỡng cho vi sinh vật Vai trò chính của tảo và TVTS là khử nguồn amôn hoặc nitrat và nguồn phốt pho có ở trong nước

Vai trò chủ yếu của TVTS có thể kể đến như sau [23]:

- Làm giá thể cho vi sinh vật sinh sống

- Tạo điều kiện cho quá trình nitrat hoá và phản nitrat hoá

1.3.4 Các loại hình công nghệ sử dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải

Công nghệ sử dụng thực vật trong xử lý ô nhiễm nước thải thực chất là hệ thống đất ngập nước nhân tạo trồng cây thuỷ sinh Hệ thống còn được gọi là bãi lọc trồng cây Hệ thống đất ngập nước nhân tạo (ĐNNNT) được sử dụng cho xử lý nhiều loại nước thải (công nghiệp, sinh hoạt, nước thải thành phố, khai mỏ ) từ hàng thập kỷ nay Đây là loại hình công nghệ tương đối mới và được ứng dụng ngày càng phổ biến

ở nhiều nước trên thế giới Hệ thống gồm một hoặc một số đơn vị xử lý (ao hay mương nông) trong đó trồng các thực vật phát triển mạnh ở vùng đất ngập nước hay đất ẩm ướt Căn cứ vào chức năng xử lý, đặc điểm dòng nước chảy trong hệ thống mà chia ra các loại hình khác nhau Thông thường có ba loại hình chính (hình 1.2)

Tại các nước phát triển như Đức, Mỹ, Pháp, Nhật Bản, Hàn Quốc… các công nghệ xử lý nước thải sử dụng TVTS đã được phát triển rất thành công Bắt đầu từ những năm 1980, rất nhiều cơ sở xử lí nước thải tại các bang nước Mỹ đã phát triển và ứng dụng công nghệ xử lý ô nhiễm với việc sử dụng các loài thực vật nổi và hệ thống

hồ ổn định Phương pháp xử lý ô nhiễm hữu cơ và vô cơ tại vùng rễ của một số TVTS

- còn gọi là “Phương pháp vùng rễ”, đã được các nhà khoa học Đức nghiên cứu và triển khai có hiệu quả tại nhiều nơi [23]

Để xác định loài thực vật cho xử lý nước thải cần phải xem xét đến đặc điểm sinh trưởng, khả năng chống chịu của thực vật, các nhân tố môi trường Ngoài ra cũng cần xem xét đến đặc điểm của nước thải, yêu cầu về chất lượng dòng thải, loại hệ thuỷ sinh, cơ chế loại bỏ ô nhiễm, lựa chọn quy trình, thiết kế quy trình, độ tin cậy của quá trình [20, 25 - 27]

Hình 1.2 Các loại hình công nghệ sinh thái sử dụng TVTS trong xử lý nước thải 1.3.4.1 Hệ thống dòng chảy trên bề mặt

Hệ thống dòng chảy trên bề mặt hay hệ thống bề mặt nước thoáng là các bể đất nông trồng cây nửa nổi Hệ thống này được xây dựng ở Mỹ để cải thiện chất lượng nước từ đầu những năm 1970 Trong hệ thống, dòng nước chảy trên bề mặt đất từ điểm vào đến điểm ra Thiết kế hệ thống bắt chước chế độ thuỷ học (hydrologic) trong đất ngập nước tự nhiên Hoạt động của hệ thống xử lý nước thải này cần nhiều diện tích đất [23]

Nước dòng vào hệ thống chứa các thể vẩn và chất ô nhiễm hoà tan chảy chậm

và trải ra trên vùng nước nông rộng và trồng cây nửa ngập nước Các thể hạt rắn (điển hình như TSS) bị giữ và lắng xuống do vận tốc dòng chảy thấp Các thể rắn chứa chất hữu cơ có thể phân huỷ sinh học (được xác định như BOD), tổng nitơ và tổng phốt pho, rất ít kim loại và các chất hữu cơ khó phân huỷ khác Các chất ô nhiễm không tan này đi vào chu trình sinh địa hoá trong cột nước và đất trên mặt của vùng đất ngập

nước Hệ thống dòng chảy trên bề mặt có một số đặc điểm chung với đầm phá tuỳ tiện

nhưng cũng có sự khác biệt quan trọng về cấu trúc và chức năng Các quá trình xảy ra trong cột nước ở vùng nước mở (không có cây và độ sâu lớn hơn) gần giống như các vùng ở trong ao Trên bề mặt là vùng tự dưỡng chủ yêu là tảo sợi và tảo trôi nổi hoặc TVTS nổi hoặc nửa nổi hạn chế ánh sáng xuống vùng sâu Sự thiếu ánh sáng dẫn đến

ở vùng sâu các quá trình vi sinh kỵ khí xảy ra chủ yếu [23]

Hệ thống dòng chảy trên bề mặt thường thích hợp với các loại cây sinh trưởng ở

độ sâu dưới 0,4 m [36] Hệ thống dòng chảy trên bề mặt sử dụng vỉa đất hoặc sỏi như một chất nền cho các loại cây trồng mọc rễ và sinh trưởng Chiều sâu lớp đất nền trong đất ngập dòng chảy mặt thường vào khoảng 0,6 đến 1,0 m, đáy nền được thiết kế có độ dốc để tối thiểu hóa dòng chảy tràn trên mặt Khi thiết kế một khu đất ngập nước dòng chảy mặt cần phải xem xét cách mô phỏng chế độ thủy văn trong một lưu vực cạn, có quy mô nhỏ được xây dựng với loại đất và cây trồng thủy sinh với sự cân bằng nước

của hệ thống [23]

- Cơ chế loại bỏ các chất ô nhiễm

Theo Seabloom and Hanson (2003), có các cơ chế loại bỏ các chất ô nhiễm sau:

a- Loại bỏ BOD và TSS:

+ Lắng:

Kích thước các hạt, trọng lượng riêng, hình thể và độ nhớt của dịch ảnh hưởng đến sự lắng Các hạt riêng biệt lắng xuống một cách độc lập, không có sự thay đổi về hình dạng và kích thước còn sự lắng kết bông do sự vận động và va chạm các hạt với nhau dẫn đến sự tăng lên và thay đổi hình dạng hạt Các hạt được loại bỏ khi vận tốc lắng đủ lớn để lắng tới đáy trước khi chảy ra Khả năng loại bỏ TSS và BOD của hệ thống đất ngập nước là rõ ràng nhưng rất khó giải thích quá trình này chỉ bằng lý thuyết lắng riêng rẽ [23]

+ Lọc:

Bề mặt thân, lá và rễ cây trong nước tạo thành lớp màng do các loại tảo bám Các chất dạng hạt bị chặn, dính bám và bị loại bỏ

b- Cơ chế loại bỏ nitơ

Nitơ trong nước thải tồn tại dưới nhiều trạng thái hóa trị, các trạng thái này lại

có thể biến đổi do hoạt động của vi sinh vật Trong nước thải, nitơ trước hết có mặt ở dạng hữu cơ là protein và urê Sau quá trình phân huỷ kị khí, chúng chuyển sang dạng amoni (NH4+)qua quá trình amoni hoá Amoni trải qua nhiều biến đổi Nếu có mặt oxy hoà tan, amoni có thể biến đổi thành nitrit (NO-

2) sau đó thành nitrat (NO

-3), quá trình nitrat hoá xảy ra 2 bước Bước thứ nhất, NH4+ biến thành nitrit do vi khuẩn thuộc chi

Nitrosomonas như sau [15]:

sống chìm dưới nước Khí N sau đó có thể được cố định, biến đổi thành nitơ hữu cơ do

vi sinh vật trong cột nước, trong trầm tích, trong vùng rễ cây và trên bề mặt thân cây sống chìm

Hình 1.3: Cơ chế loại bỏ nitơ trong đất ngập nước [28]

c Cơ chế loại bỏ photpho

P là một trong các yếu tố quan trọng nhất trong hệ sinh thái tự nhiên và có mặt trong nước thải chủ yếu ở dạng phosphat, điển hình là orthophôtphat Phosphat là yếu

tố giới hạn sự phì dưỡng của hệ sinh thái nước ngọt Về cơ bản, việc loại bỏ phosphat trong ĐNNNT là sự tích tụ dần trong trầm tích đáy [23]

- Cơ chế hoá lý

Khi phốt pho không tồn tại ở dạng khí trong chu trình địa hoá sinh, sự lắng đọng trầm tích là cơ chế chủ yếu cho sự loại bỏ P từ nước thải trong vùng đất ngập nước (ĐNN) Sự hấp thu phosphat hoà tan của cây là một phần trong quá trình loại bỏ

nó Ở giai đoạn khởi đầu, có thể có sự hút thấm bề mặt của lớp đất lót đáy với các hạt phosphat tích điện âm Cơ chế loại bỏ này có thể cao không bình thường trong thời gian đầu nhưng sẽ giảm theo thời gian [15]

- Sự biến đổi sinh học phôtphat

Cả phôphat hữu cơ hoà tan và không hoà tan đều không dễ hấp thu đối với cây trừ khi được chuyển thành dạng tan Các vi sinh vật sống lơ lửng trong nước của dòng chảy mặt có thể biến các dạng phôphat này thành dạng vô cơ hoà tan và được cây hấp thu trong mùa sinh trưởng Nhưng cây già đi vào mùa thu và sau đó vào mùa đông rồi chết và bị phân huỷ Vì thế sự loại bỏ phốt pho của ĐNN dòng chảy mặt sẽ không hiệu quả Thu sinh khối thực vật sẽ góp phần giải quyết vấn đề này [23]

Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng photpho có thể bị loại bỏ từ 30 – 60%

trong đất ngập nước có trồng các loài cây Scirpus sp., Phragmites sp và Typha sp

[12] Một số ít photpho (dưới 20%) được các loài vi khuẩn, nấm và tảo hấp thụ (Moss, 1988) Phần phốt pho còn lại được giữ trong nền đất ngập nước và hệ thống rễ cây

theo hai cơ chế: Hấp thụ hóa học và kết tụ vật lý giữa các ion photpho và các ion nhôm, sắt hoặc canxi Sự kết hợp này hình thành các hợp chất dạng photphat-sắt (Fe-P), photphat - nhôm (Al-P) hoặc photphat-canxi (Ca-P) [23]

d Cơ chế loại bỏ S

Lưu huỳnh (S) là cấu thành quan trọng của cơ thể sống S có ở dạng hữu cơ,

H2S, S nguyên tố và sulphat (SO4) Trong chu trình chuyển hóa, S được cây và các vi sinh vật hấp thu Sự khử sulphat chỉ thị cho điều kiện kị khí và oxy hoá sulfua là chỉ thị cho điều kiện hiếu khí Khi không có oxy, vi sinh vật kị khí biến đổi sulphat thành sulfua và H2S theo phương trình sau:

e- Loại bỏ nguồn gây bệnh

Nước thải sinh hoạt, nhất là nước thải từ bể tự hoại đưa vào ĐNNNT có thể có các nguồn gây bệnh qua đường nước Các nguồn bệnh đường ruột khi vào ĐNNNT gặp môi trường không thuận lợi nên hầu hết không sống sót được lâu Một số có thể gắn với TSS và bị loại sau khi lắng Các tia cực tím cũng làm giảm đáng kể số lượng coliform ở vùng nước bề mặt Nước sau khi qua hệ thống ĐNNNT có số lượng coliform giảm đáng kể Tuy nhiên, không thể đạt tiêu chuẩn thải vì vậy cần xử lý tiếp bằng hệ thống dòng chảy ngầm hoặc khử trùng trước khi thải ra môi trường Kadlec

và Knight (1996) còn chỉ ra rằng đất ngập nước có cây trồng tạo nên sự loại bỏ mầm bệnh hữu hiệu hơn do cây trồng cho phép các loại vi sinh phát triển tạo nên các vật ăn các mầm bệnh [23]

f- Loại bỏ kim loại

Kim loại cần thiết cho thực vật và động vật sinh trưởng và phát triển nhưng chỉ với lượng rất nhỏ Các kim loại này gồm: Ba, Cr, Co, Cu, I, Mn, Mg, Mo, Ni, Se, Zn

và S Các kim loại độc ở nồng độ vết là As, Cd, Pb, Hg và Ag Có 3 tiến trình chính trong đất ngập nước để loại bỏ kim loại nặng là sự kết chặt trong đất tạo ra chất trầm tích; Kết tủa giữa các muối không hòa tan và được hấp thu bởi vi khuẩn, tảo và cây trồng (Kadlec và Knight, 1996) Tiến trình này rất hữu hiệu trong đất ngập nước, có

thể loại bỏ 99% kim loại nặng (Reed et al., 1995) ĐNN có thể chuyển một phần độc

chất từ kim loại nặng, cùng với các phức hợp vi khuẩn, chất vô cơ, chất hữu cơ thành các chất nuôi sinh học ĐNN được xem là vùng đệm làm giảm nồng độ cho các độc chất ô nhiễm môi trường [23]

1.3.4.2 Hệ thống dòng chảy ngầm

Hệ thống dòng chảy ngầm hay “Phương pháp vùng rễ” là công nghệ xử lý nước thải chảy qua vùng rễ của TVTS Ở đây, TVTS thường là Lau, Sậy, cỏ Lác đâm rễ chìm trong nền cát - sỏi với độ sâu khoảng 0,5 - 1 m Nước thải chảy qua hệ thống lỗ trong nền cát - sỏi và được khử độc nhờ hệ thống rễ cây và hệ vi sinh vật bám quanh

rễ Khi chảy qua lớp vật liệu lọc, nước thải được lọc sạch nhờ tiếp xúc với bề mặt của các hạt vật liệu lọc và vùng rễ của thực vật trồng trong đó Vùng ngập nước thường thiếu oxy, nhưng thực vật trong đó có thể vận chuyển một lượng oxy đáng kể tới hệ thống rễ tạo nên tiểu vùng hiếu khí cạnh rễ và vùng rễ, cũng có một vùng hiếu khí trong lớp lọc sát bề mặt tiếp giáp giữa đất và không khí Phương pháp này có 2 dạng công nghệ là dòng chảy ngang và dòng thẳng đứng Vật liệu trồng cây là đá cuội hoặc cát [23, 29]

Hệ dòng ngầm có một số ưu việt hơn đất ngập nước dòng mặt là cần ít diện tích, tránh được mùi và muỗi Tuy nhiên, hệ thống lại có giá thành cao hơn do vật liệu trồng là đá cuội và khả năng bị tắc Xử lý sơ cấp là tiền xử lý đặc thù của hệ thống này

Hệ thống dòng chảy ngầm ngang: 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 vi sinh vật bởi các quá trình hóa sinh Loại thực vật sử dụng phổ biến trong các hệ thống này là cây Sậy [29]

Bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy ngang được xem là giải pháp xử lý rẻ tiền, thích hợp với quy mô nhỏ, đặc biệt có hiệu quả trong vùng có khí hậu nóng ẩm Hệ thống này thường được sử dụng để xử lý nhiều loại nước thải ở dạng độc lập hoặc kết hợp với các kiểu bãi lọc khác nhằm đạt được các mục tiêu xử lý Các loại nước thải thường được xử lý là nước thải sinh hoạt, nước sau bể phốt, nước thải chuồng trại, nước rác, nước khai thác mỏ, nước thải thuộc da, chế biến sữa [30]

Hình 1.4: Sơ đồ đất ngập nước dòng chảy ngầm theo chiều ngang

(vẽ lại theo Vymazal, 1997)[32]

Hệ thống dòng chảy ngầm thẳng đứng: Nước thải được đưa vào hệ thống qua

ống dẫn trên bề mặt Nước sẽ 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 này 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 đất ngập nước cũng có thể được áp dụng như một giai đoạn của xử lý sinh học [29]

Hình 1.5: Sơ đồ đất ngập nước dòng chảy ngầm theo chiều đứng

(vẽ lại theo Cooper, 1996) [33]

Bảng 1.5 So sánh ưu nhược điểm hệ thống dòng chảy ngang và dòng chảy thẳng đứng

[34, 35]

Hệ dòng chảy

thẳng đứng

- Yêu cầu diện tích nhỏ

- Cung cấp oxy tốt, quá trình nitrat hóa tốt

- Thủy lực đơn giản

- Hiệu suất lọc cao ngay từ đầu

- Khoảng cách dòng chảy ngắn

- Hiệu quả khử nitrat không cao

-Yêu cầu kỹ thuật cao -Loại bỏ phốt pho kém

Hệ dòng chảy

ngang

- Khoảng cách dòng chảy dài giúp gradients dinh dưỡng có thể được thiết lập

- Quá trình nitrat và phản nitrat diễn ra đồng thời

- Hiệu quả loại bỏ kim loại nặng cao

- Hình thành axit humic trong quá trình loại bỏ nitơ và phốt pho

- Tính toán cẩn thận chế độ thủy lực cần thiết cho việc cung cấp oxy tối ưu - Cân bằng nước thải đầu vào là phức tạp

- Cơ chế loại bỏ các chất ô nhiễm [23]

Cơ chế loại bỏ chính là biến đổi sinh học, lọc vật lý, lắng, tủa hoá học và hút bám như mô tả ở phần ĐNN dòng mặt Sự loại bỏ N, P, kim loại và chất hữu cơ vết kém hơn BOD và TSS và phụ thuộc thời gian lưu, đặc điểm môi trường vật liệu, tải lượng và thực hành quản lý

Loại bỏ BOD bằng cơ chế sinh học và vật lý Sự loại bỏ này xảy ra trước hết dưới điều kiện kỵ khí, tuy nhiên một phần được biến đổi nhờ các thể sống tuỳ nghi Tốc độ loại bỏ liên quan đến thời gian lưu, và nhiệt độ Cơ chế loại TSS cũng tương tự như trong ĐNN dòng mặt Do không có vùng mặt nước thoáng, ĐNN dòng ngầm tránh được luồng gió và vẩn đục nên có khả năng cho dòng ra có hàm lượng TSS thấp Phần lớn chất rắn lơ lửng sẽ lắng hoặc bị giữ lại ở khoảng cách từ 10 đến 20% tính từ đầu vào Sự tắc nghẽn là do tải lượng hữu cơ và thể rắn cao xảy ra ở vùng chảy vào Hầu hết sự tắc nghẽn nghiêm trọng xảy ra khi khoảng hẹp kéo dài, lại nhận nước thải

có nhiều tảo từ các ao tuỳ ý Tảo bị giữ ở gần chỗ chảy vào và sự phân huỷ tảo làm tăng tải lượng hữu cơ

Loại bỏ N được thực hiện bởi quá trình nitrat hoá và khử nitrat Chế độ dòng ngầm gần với điều kiên kỵ khí ngoại trừ lớp mỏng trên đỉnh và các điểm nhỏ gần rễ cây Nitrat hoá đòi hỏi cung cấp ôxy hoặc từ rễ cây, sự thông khí trở lại ở bề mặt, sự quay vòng nước đầu ra hoặc nạp theo mẻ để tạo ra dòng oxy vào trong môi trường

giữa các lần nạp Sự thông khí phụ dùng ống ngầm có thể sử dụng để cấp oxy ở một điểm trong dòng chảy

Cơ chế loại P về cơ bản là giống với ĐNN dòng mặt Môi trường đặc biệt đòi hỏi để loại P do hút bám thực sự hiệu quả

Loại bỏ kim loại thông qua cơ chế hút bám, lắng, tủa hoá học và cây hấp thu

Cơ chế loại bỏ chất hữu cơ nồng độ vết giống với cơ chế trong ĐNN dòng mặt ngoại trừ sự bay hơi và phân huỷ quang hoá thường ở mức hạn chế

Loại bỏ vi sinh vật và virus do hút bám, lọc, lắng hoặc do sinh vật khác tiêu hóa

Hiệu suất quá trình xử lý

Hiệu suất của hệ thống ĐNN dòng ngầm phụ thuộc vào các chỉ tiêu thiết kế, đặc tính nước thải và hoạt động của hệ thống

Loại BOD: Hiệu suất loại bỏ BOD của hệ thống ĐNN dòng ngầm được trình bày

trong bảng 1.6

Bảng 1.6 BOD bị loại bỏ trong một số hệ thống dòng ngầm [23]

(%)

Thời gian lưu (ngày) Đầu vào Đầu ra

Loại BOD: Loại BOD của ĐNN dòng ngầm nhanh hơn và có phần đáng tin cây hơn

dòng trên mặt phần vì sự thối rữa của cây không xảy ra trong nước, do đó sinh ít chất hữu cơ trong dòng nước qua xử lý thải ra môi trường [23]

Loại TSS: ĐNN dòng ngầm có hiệu quả trong loại bỏ phần tử lơ lửng trong nước đến

mức dưới 10 mg/L trong dòng ra [23]

Loại bỏ N: Có hệ thống ĐNN dòng ngầm loại đến 86% N trong nước thải, các hệ

thống khác loại 20 đến 70% Khi thời gian lưu vượt 6 - 7 ngày, với nồng độ N trong nước thải dòng vào là 20 - 25 mg/L, có thể đạt nồng độ N ở dòng ra khoảng 10 mg/L Nếu nước thải đã được nitrat hoá (dùng thông khí mở rộng, chảy tràn hoặc lọc cát quay vòng), loại bỏ nitrat thông qua quá trình khử nitrat có thể đạt được với thời gian lưu 2-

4 ngày [23]

Loại P: Loại bỏ P trong ĐNN dòng ngầm không hiệu quả vì sự tiếp xúc hạn chế giữa

các vị trí hút bám và nước thải Phụ thuộc vào tải lượng, thời gian lưu, đặc điểm môi trường, loại bỏ P có thể đạt 10 - 40% lượng P dòng vào (từ 7 - 10 mg/L) [23]

Loại bỏ kim loại: Dẫn liệu sẵn có về loại bỏ kim loại trong nước thải đô thị còn hạn

chế Trong hệ thống thoát nước khai mỏ có tính axit, sự loại bỏ Fe và Mn là hiệu quả Tổng lượng Fe giảm từ 14,3 đến 0,8 mg/L và Mn từ 4,8 xuống 1,1 mg/L Có hệ thống, lượng Cu, Zn và Cd giảm tới 99%, 97% và 99% tương ứng khi thời gian lưu là 5,5

ngày [23]

Loại bỏ mầm bệnh: ĐNN dòng ngầm loại bỏ rất hiệu quả coliform, có hệ thống đạt tới

99% khi thời gian lưu là 6 ngày [23]

1.3.4.3 Hệ thống thực vật thuỷ sinh nổi

Đất ngập nước với thực vật nổi tự do bao gồm một hoặc nhiều ao nông có thực vật trôi nổi trên bề mặt Độ sâu của hệ thống nông hơn và có sự hiện diện của thực vật thủy sinh cỡ lớn mà không phải tảo là điểm khác biệt lớn nhất giữa vùng đất ngập nước nhân tạo với hệ thống thực vật thủy sinh trôi nổi tự do hoặc ao ổn định [36]

TVTS điển hình tham gia quy trình xử lý ô nhiễm là Bèo tây, Bèo cái, Bèo tấm,… Ngoài việc tham gia loại bỏ các chất hữu cơ, chất thải rắn, nitơ, photpho, kim loại nặng, các tác nhân gây bệnh… các loài TVTS này tham gia trực tiếp việc hạn chế phát sinh hiện tượng nước nở hoa trong ao hồ do cạnh tranh ánh sáng với thực vật phù

du [23]

TVTS trôi nổi thu nhận các chất dinh dưỡng và các nguyên tố cần thiết qua bộ

rễ phát triển trong nước Sinh khối của một số loại bèo như Bèo tây, Bèo cái, Bèo tấm, Bèo hoa dâu, và các loại thực vật trôi nổi khác phát triển rất mạnh trong môi trường nước thải Bộ rễ của bèo còn là nơi cư trú của vi khuẩn hấp thụ và phân hủy chất hữu

cơ Trong các ao hồ nuôi thực vật thủy sinh trôi nổi bậc cao, hiệu quả khử BOD có thể lên đến 95%, khử nitơ amoni và photpho lên đến 97% Hiệu quả thu hồi chất dinh dưỡng nitơ có thể đạt từ 200 – 1500 kg/ha.ngày TVTS trôi nổi còn cung cấp oxy cho

vi khuẩn để phân hủy các chất hữu cơ Tuy nhiên TVTS trôi nổi phát triển sinh khổi khá nhanh Trong điều kiện phát triển bình thường (sau khi nuôi cấy 1 tuẩn lễ), sinh khối của chúng có thể đạt 250 kg chất khô/ha.ngày Vì vậy cần có định kỳ thu hồi TVTS trôi nổi ra khỏi hồ để chống hiện tượng tái ô nhiễm nước hồ [37]

Cơ chế loại bỏ các chất ô nhiễm

- Xử lý BOD và TSS:

Một phần BOD bị lắng cùng với TSS khi nước thải chảy vào trong hệ thống Phần khác sẽ bị loại do lọc qua hệ rễ bèo cùng với TSS BOD dạng hoà tan sẽ được rễ bèo hấp thu Lưu ý quan trọng để thiết kế đối với việc loại bỏ BOD hoà tan trong hệ

thống sử dụng bèo là chuyển nước thải đến vùng rễ bèo BOD hoà tan cũng được loại

bỏ do vi khuẩn trong cột nước Cuối cùng, một phần BOD liên kết với các mảng vụn hữu cơ trong TSS tích luỹ trong vùng rễ được hấp thu và biến đổi bởi các cơ thể sống bám ở rễ, các cơ thể này sử dụng oxy do cây vận chuyển đến rễ Rễ bèo già và rụng xuống đáy ao hay mương mang theo SS và vi khuẩn Các chất tích tụ ở đáy sẽ trải qua

sự phân huỷ kị khí lâu dài Vì lọc sinh học là cơ chế quan trọng nên việc vận chuyển nước thải tới vùng rễ bèo đòi hỏi phải có sự tính toán thiết kế chuẩn cho hệ thống sử dụng bèo

- Xử lý nitơ

Nitrat hoá và khử nitrat sinh học là 2 cơ chế chính của việc loại bỏ nitơ Một phần nitơ hữu cơ bị loại qua lắng Nitơ cũng bị bèo hấp thu và bị loại khi thu hoạch bèo nhưng không hiệu quả Một phần nitơ cũng mất mát do bay hơi khi được cấp khí oxy Nitrat hoá và khử nitrat sinh học cơ bản xảy ra ở vùng rễ Việc nước thải chảy qua vùng rễ là rất quan trọng

- Xử lý phốt pho

Phốt pho được loại ra khỏi nước thải chủ yếu qua việc hút bám của các chất rắn trong nước thải, chất hữu cơ trong lớp bùn và hấp thu của bèo Thu bèo chỉ loại được phần hạn chế photpho Ngay photpho hút bám vào các chất hữu cơ trong lớp bùn cũng vẫn còn trong hệ thống Vì vậy, phốt pho nên được loại bỏ trước hoặc sau khi xử lý bằng hệ thống này

- Loại kim loại nặng

Kim loại bị loại bỏ chủ yếu do hút bám vào các chất rắn trong nước thải hay các vật chất do bèo sinh ra Cây hấp thu kim loại nặng cũng loại bỏ phần nào khi thu bèo Phần kim loại hấp phụ trong chất hữu cơ lắng đọng xuống bùn đáy có thể giải phóng trở lại

- Loại các mầm bệnh

Các mầm bệnh bị loại bởi lắng và lọc như mô tả trên và sự phân rã tự nhiên trong nước, trong đó phân huỷ sinh học tự nhiên là quá trình cho hiệu quả cao nhất

1.3.5 So sánh hệ thống công nghệ dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm

Bảng 1.7 liệt kê các ưu điểm và nhược điểm của hai kiểu hệ thống dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm Với bảng so sánh này, có thể nói hệ dòng chảy ngầm có nhiều

ưu thế hơn hệ dòng chảy mặt Do nước thải trong hệ dòng ngầm chảy qua các lớp nền xốp như cát sỏi có thể tránh được sự bốc mùi hôi, sự phơi bày màu đen của nước, sự phát triển của vi tảo và ảnh hưởng của các mầm bệnh do nước tù Diện tích đất cần cho

hệ dòng ngầm nhỏ hơn cho hệ dòng chảy mặt nếu so sánh với cùng một điều kiện lượng tải nạp nước thải Nhiều nơi trên thế giới dùng đất ngập nước nhân tạo kiểu chảy

ngầm với chất nền là cát sỏi như một biện pháp tiền xử lý các nguồn đa tạp của nước thải đô thị Tuy vậy, cũng có nơi chọn phương án bố trí ĐNNNT ở cuối hệ thống xử lý nước thải như biện pháp lọc qua đất cuối cùng trước khi thải ra môi trường [38]

Bảng 1.7 So sánh ưu điểm và nhược điểm của hệ thống dòng mặt và hệ thống dòng ngầm

▪ Cần diện tích nhỏ hơn

▪ Giảm thiểu mùi hôi, vi khuẩn

▪ Tối thiểu hóa thiết bị cơ khí, năng lượng

(Davis, 1995)

Hầu hết các hệ thống ở Mỹ thường chọn kiểu đất ngập nước nhân tạo chảy ngầm theo phương ngang trong khi ở châu Âu lại chuộng kiểu đất ngập nước nhân tạo chảy ngầm theo phương đứng [65] Lý giải sự lựa chọn này là do đất ở châu Âu có độ dốc lớn, trong khi ở Mỹ, thế đất bằng phẳng chiếm ưu thế nhiều hơn Ở Đồng bằng sông Cửu Long, hệ thống đất ngập nước nhân tạo chảy ngầm theo phương ngang có vẻ phù hợp hơn kiều chảy theo phương đứng do cao trình mực nước ngầm tầng trên khá cao, chỉ cách mặt đất tự nhiên chừng vài chục cm

Trong một báo cáo của một số nhà khoa học, hiệu quả xử lý chất ô nhiễm tại nhiều hệ thống đất ngập nước nhân tạo khác nhau ở Mỹ đã được tổng kết như ở bảng 1.8 [39]

Bảng 1.8 Hiệu quả loại bỏ BOD 5 và TSS tại một số kiểu hệ thống đất ngập nước nhân tạo

Địa điểm

Kiểu hệ thống đất ngập nước nhân

tạo

Hiệu quả loại bỏ BOD 5

(%)

Hiệu quả loại bỏ TSS (%)

(Hammer et al., 1989)

1.3.6 Sơ lược về một số loài thực vật thủy sinh nghiên cứu

Cây trồng được sử dụng trong hệ thống xử lý là những cây dễ tìm kiếm, có khả năng sinh trưởng tốt trong nước, thích nghi tốt với điều kiện môi trường và tạo được vẻ đẹp cảnh quan

a Cây Bèo tây

Cây Bèo tây (Eichhornia crassipes) là cây sống trôi nổi trên mặt nước, rễ bèo

như lông vũ, màu đen ngập trong nước, lá hình tròn, màu xanh lục và nhẵn mặt, cuống

lá nở ra như bông xốp giúp cây bèo nổi trên mặt nước

Bèo tây được thu tại ao tự nhiên ở Hải Bối (Sóc Sơn) và Cổ Nhuế (Bắc Từ Liêm) Chọn cây khỏe, có kích thước trung bình, đều nhau, có hệ rễ phát triển tốt Các cây thu được đem về trại thực nghiệm lưu giống phục vụ cho các thí nghiệm sau này

Hình 1.6 Bèo tây (Eichhornia crassipes)

b Cây Bèo cái

Bèo cái (Pistia stratiotes) là một chi TVTS trong họ Ráy (Araceae), chỉ có một

loài duy nhất Bèo cái là cây thân thảo, trôi nổi trên mặt nước trong khi rễ của nó chìm dưới nước, lá dầy, mềm, có khả năng chịu được khí hậu lạnh rất tốt

Bèo cái được thu tại ao tự nhiên ở Hải Bối (Sóc Sơn) và Cổ Nhuế (Bắc Từ Liêm) Chọn cây khỏe, có hệ rễ phát triển, các cây có kích thước đều nhau Bèo cái thu

về được lưu giống tại trại thực nghiệm để chuẩn bị cho các thí nghiệm sau này

Hình 1.7 Bèo cái (Pistia stratiotes)

c Cây Rau muống

Rau muống (Ipomoea aquatica) là một loài thực vật nhiệt đới bán thủy sinh thuộc họ Bìm bìm (Convolvulaceae) Cây mọc bò, ở mặt nước hoặc trên cạn

Hình 1.8 Rau muống (Ipomoea aquatica )

Cây Rau muống được thu tại ruộng ở Cổ Nhuế (Bắc từ Liêm) và Đại Mỗ (Nam

Từ Liêm) Chọn cây tươi non, sức sống khoẻ, có hệ rễ phát triển, không bị sâu bệnh Các cây được thu mang về trồng tại trại thực nghiệm để nhân giống chuẩn bị cho các thí nghiệm sau này

d Ngổ trâu

Cây Ngổ trâu (Enydra fluctuans Lour) thuộc chi Enydra Ngổ trâu là cây cỏ,

thân dài, mọc ở dưới nước, sống nổi trên mặt nước do thân xốp Lá và thân non mầu tím, ngọn non có thể ăn được

Hình 1.9 Cây Ngổ trâu (Enydra fluctuans)

Ngổ trâu phổ biến ở Bắc bộ và Trung bộ nước ta, có thể phát triển mạnh trong nước bẩn, chịu được khí hậu đa dạng Ngổ trâu được lấy từ các ao tự nhiên khu vực Cổ Nhuế (Bắc Từ Liêm) mang về trồng trong ruộng nước tại trại thực nghiệm để nhân giống chuẩn bị cho các thí nghiệm sau này

e Cải Xoong

Cải xoong có tên khoa học là Rorippa nasturtium aquaticum thuộc họ cải (Brassicaceae), là cây thuỷ sinh nhiều năm có lá kép lông chim sống ở rãnh nước, ao,

hồ, ruộng các tỉnh phía Bắc Việt Nam

Cây Cải xoong được thu từ ruộng ở Cổ Nhuế (Bắc Từ Liêm) Cây thu mang về trồng tại trại thực nghiệm để nhân giống chuẩn bị cho các thí nghiệm sau này

Hình 1.10 Cây Cải xoong (Rorippa nasturtium aquaticum)

g Cây Sậy

Cây Sậy (Phragmites australis), là một loài cây lớn thuộc họ Hòa thảo (Poaceae)

phân bố ở những vùng đất lầy ở cả khu vực nhiệt đới và ôn đới Khi các điều kiện sinh trưởng thích hợp, Sậy có thể tăng chiều cao tới 2 - 3 m hoặc hơn, có căn hành bò, thân

to 1 - 1,5 cm, lá có phiến rộng 1,5 - 2,5 cm, dài từ 20 - 30 cm Sậy được thu từ ven sông Hồng về trồng trong trại thực nghiệm Cây khi sử dụng trong thí nghiệm đều chọn loại bánh tẻ, sức sống tốt, không bị sâu bệnh

Hình 1.11 Cây sậy ( Phragmites australis)

h Cỏ Vetiver

Hình 1.12 Cỏ Vetiver (Vetiveria zizanioides )

Cỏ Vetiver (Vetiveria zizanioides) thuộc họ Graminae, là loài phân bố rộng ở các vùng nhiệt đới Cỏ Vetiver có thân đặc chắc và hóa gỗ Thân mọc thẳng đứng cao

từ 1,5 - 2m Lá hẹp dài, cánh lá thường gập đôi ở gân chính giữa, rễ chùm

Cỏ Vetiver thích nghi rộng rãi trong điều kiện môi trường khác nhau Ở Việt Nam, Vetiver gọi là cỏ Hương Bài hoặc cỏ Hương Lau Ngoài tác dụng chống xói lở

bở đất, Vetiver cũng dần được sử dụng trong xử lý ô nhiễm môi trường

i Thủy trúc

Cây Thủy trúc còn có tên là Lác dù, tên khoa học Cyperus alternifolius, thuộc

họ Cyperaceae (Cói) Cây có nguồn gốc xuất xứ từ Madagasca Là cây thân thảo, mọc

thành cụm Lá tiêu giảm thành bẹ ở các gốc, thay vào đó các lá bắc ở đỉnh lại lớn, xếp thành vòng tròn, xoè rộng ra xung quanh Cây ưa sống ở ven bờ nước, nơi đất ẩm

Được nghiên cứu và sử dụng để làm sạch nước bị ô nhiễm

Hình 1.13 Cây Thủy trúc (Cyperus alternifolius)