Nghiên cứu xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc dòng chảy ngang kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình

thêm nhiều kiến thức và kinh nghiệm sống quý báu cho hành trang tương lai sắp tớicủa mình.. Với sự trân trọng và lòng biết ơn, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:Trước tiên con xi

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI HỘ GIA ĐÌNH BẰNG CÔNG NGHỆ BÃI LỌC DÒNG CHẢY NGANG KẾT HỢP CANH TÁC RAU SẠCH QUY MÔ HỘ GIA ĐÌNH

Chuyên ngành: KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

hình nghiên cứu Tôi xin cam kết về tính trung thực của những vấn đề được nêutrong đồ án này.

TP.HCM , ngày 30 tháng 07 năm 2018

(SV ký và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Vy Khanh

thêm nhiều kiến thức và kinh nghiệm sống quý báu cho hành trang tương lai sắp tớicủa mình Với sự trân trọng và lòng biết ơn, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến:Trước tiên con xin gửi lời đến Cha Mẹ đã nuôi con ăn học và làm chỗ dựavững chắc cho con đến ngày hôm nay trong suốt bước đường học tập.

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến ban chủ nhiệm Viện Khoa học Ứng dụng, quý thầy

cô ngành Môi trường Trường Đại học Công nghệ TP Hồ Chí Minh đã tận tình dạy

dỗ, truyền đạt cho tôi nhiều kiến thức quý báu trong suốt thời gian qua

Tôi xin đặc biệt gửi lời cảm ơn đến thầy Lâm Vĩnh Sơn đã tận tình trực tiếphướng dẫn, giảng dạy, chỉ bảo và quan tâm trong suốt quá trình thưc hiện luận văntốt nghiệp

Cảm ơn tập thể 14DMT và các bạn cùng làm đồ án tốt nghiệp, những ngườibạn đã cùng tôi chia sẻ và giúp đỡ mình rất nhiều trong quá trình học tập và thựchiện luận văn tốt nghiệp

Tuy nhiên do thời gian tìm hiểu, nghiên cứu có hạn, vốn kiến thức còn hạn chếcũng như những kinh nghiệm thực tế chưa nhiều nên luận văn tốt nghiệp của tôikhông tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự đóng góp của thầy cô

để báo cáo của tôi được hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

TP Hồ Chí Minh, ngày 30 tháng 07 năm 2018

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Vy Khanh

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

2 MỤC TIÊU – NỘI DUNG – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

2.1 M ỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 2

2.2 N ỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2

2.3 P HƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3

2.3.1 Phương pháp luận 3

2.3.2 Phương pháp cụ thê 5

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 5

3.1 Đ Ô ́ I TƯƠ ̣ NG 5

3.2 P HA ̣ M VI NGHIÊN CƯ ́ U 5

4 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI 6

4.1 Ý NGHI ̃ A KHOA HO ̣ C 6

4.2 Ý NGHI ̃ A THƯ ̣ C TIÊ ̃ N 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 7

1.1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT 7

1.2 THÀNH PHẦN VÀ ĐẶC TÍNH NƯỚC THẢI SINH HOẠT 7

1.3 CÁC THÔNG SỐ Ô NHIỄM ĐĂC TRƯNG CỦA NƯỚC THẢI 8

1.3.1 T HÔNG SỐ VẬT LÝ 8

1.3.2 T HÔNG SỐ HÓA HỌC 9

1.3.3 T HÔNG SỐ VI SINH VẬT HỌC 12

1.4 TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP BÃI LỌC 14

1.4.1 K HA ́ I NIÊ ̣ M 14

1.4.2 P HÂN LOA ̣ I BA ̃ I LO ̣ C TRÔ ̀ NG CÂY 15

1.4.3 T I ̀ NH HI ̀ NH NGHIÊN CƯ ́ U VÊ ̀ PHƯƠNG PHA ́ P BA ̃ I LO ̣ C Ơ ̉ TRONG VA ̀ NGOA ̀ I NƯƠ ́ C 20

1.4.4 C Ơ CHẾ LOA ̣ I BO ̉ CHÂ ́ T Ô NHIÊ ̃ M BẰNG PHƯƠNG PHÁP BÃI LỌC TRỒNG CÂY .21

1.4.5 V AI TRO ̀ CU ̉ A THƯ ̣ C VÂ ̣ T TRONG BA ̃ I LO ̣ C 24

1.4.6 S Ơ LƯỢC VỀ MỘT SỐ LOẠI CÂY TRONG BÃI LỌC 25

1.5 T Ô ̉ NG QUAN TA ̀ I LIÊ ̣ U VÊ ̀ HÊ ̣ THÔ ́ NG THU ̉ Y CANH 30

1.5.1 K HA ́ I NIÊ ̣ M VÊ ̀ RAU SA ̣ CH 30

1.5.2 V AI TRO ̀ VA ̀ GIA ́ TRI ̣ CU ̉ A RAU 30

1.5.3 K HA ́ I NIÊ ̣ M VÊ ̀ THU ̉ Y CANH 35

1.5.4 C Ơ SƠ ̉ KHOA HO ̣ C CU ̉ A KY ̃ THUÂ ̣ T THU ̉ Y CANH 36

1.5.5 S Ơ LƯƠ ̣ C VÊ ̀ LI ̣ CH SƯ ̉ PHA ́ T TRIÊ ̉ N CU ̉ A KI ̃ THUÂ ̣ T THU ̉ Y CANH 37

1.5.6 P HÂN LOA ̣ I HÊ ̣ THÔ ́ NG THU ̉ Y CANH 37

1.5.7 Ư U NHƯƠ ̣ C ĐIÊ ̉ M CU ̉ A HÊ ̣ THÔ ́ NG THU ̉ Y CANH 38

1.5.8 T I ̀ NH HI ̀ NH NGHIÊN CƯ ́ U VA ̀ Ư ́ NG DU ̣ NG CÔNG NGHÊ ̣ THU ̉ Y CANH 39

1.5.9 C HÂ ́ T DINH DƯƠ ̃ NG CÂ ̀ N THIÊ ́ T CHO HÊ ̣ THÔ ́ NG THU ̉ Y CANH 41

1.5.10 M ÔI TRƯƠ ̀ NG NUÔI TRÔ ̀ NG THU ̉ Y CANH 42

1.5.11 C A ́ C YÊ ́ U TÔ ́ MÔI TRƯƠ ̀ NG A ̉ NH HƯƠ ̉ NG TƠ ́ I SƯ ̣ SINH TRƯƠ ̀ NG VA ̀ PHA ́ T TRIÊ ̉ N 45

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 46

2.1 MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU 46

2.1.1 M Ô HI ̀ NH NGHIÊN CƯ ́ U 46

2.1.2 B Ô ́ TRI ́ MÔ HI ̀ NH NGHIÊN CƯ ́ U 49

2.1.3 P HÂN TI ́ CH MÂ ̃ U NƯƠ ́ C NGHIÊN CƯ ́ U 51

2.2 SƠ ĐỒ THỰC HIỆN NGHIÊN CỨU 53

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 54

3.1 XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI HỘ GIA ĐÌNH CỦA MÔ HÌNH BÃI LỌC TRỒNG CÂY DÒNG CHẢY NGANG CÓ TRỒNG CÂY THUỶ TRÚC, TRỒNG CÂY LƯỠI MÁC VÀ BÃI LỌC KHÔNG TRỒNG CÂY 54 3.1.1 Hiệu quả xử lý nước thải của mô hình bãi lọc không trồng cây (NTĐC) 55

3.1.2 Hiệu quả xử lý nước thải của mô hình bãi lọc trồng cây Lưỡi Mác (NT1) 64 3.1.3 Hiệu quả xử lý nước thải của mô hình bãi lọc trồng cây Thuỷ Trúc (NT2) 73 3.1.4 So sánh hiệu quả xử lý giữa 3 mô hình 81 3.1.5 Xác định bãi lọc tối ưu cấp nước cho mô hình thuỷ canh 89

3.2 XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG SỬ DỤNG NƯỚC THẢI HỘ GIA ĐÌNH SAU

XỬ LÝ Ở BÃI LỌC CHO MỤC ĐÍCH TRỒNG CÂY THUỶ CANH 90 KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO 99

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BOD: (Biochemical oxygen Demand) – nhu cầu oxy sinh hóa

BOD 5 : lượng oxy cần thiết để oxy hết các chất hữu cơ và sinh hóa do vi

khuẩn với thời gian xử lí là 5 ngày

CF: Conductivity factor

COD: (Chemical oxygen Demand) nhu cầu oxy hóa học

EC: Electro – conductivity

FAO: (Food and Agriculture Organization of the United Nations) – tổ chức

Lương thực và nông nghiệp Liên Hiệp Quốc

NT1: Mô hình bãi lọc trồng cây Lưỡi Mác

NT1’: Mô hình thuỷ canh sử dụng nước cấp là nước sau bãi lọc trồng cây

Lưỡi Mác

NT2: Mô hình bãi lọc trồng cây Thuỷ Trúc

NTĐC: Mô hình bãi lọc không trồng cây

NTĐC’: Mô hình thuỷ canh sử dụng nước cấp là nước sạch

QCVN 14-MT:2012/BTNMT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh

hoạt

QCVN 8-2:2011/BYT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia đối với giới hạn ô nhiễm

kim loại nặng trong thực phẩm

QCVN 8-3:2012/BYT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia đối với ô nhiễm vi sinh

vật trong thực phẩm

SS: (Suspended solids) – chất rắn lơ lửng

TDS: (Total dissolved solids) – tổng lượng chất rắn hòa tan

TDS: Total dissolved salts

Viện KHCNVN: Viện khoa học công nghệ Việt Nam VSV: Vi sinh vật

DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Tóm tắt các vai trò cơ bản của thực vật trong bãi lọc trồng cây Bảng 1.2 Thị trường xuất khẩu rau quả tháng 4 và 4 tháng trong năm 2005 Bảng 1.3 So sánh chi phí sản xuất và tổng thu nhập từ rau và lúa ở Đài Loan Bảng 3.1 Kết quả đo pH của NTĐC

Bảng 3.2 Kết quả xử lý SS của NTĐC

Bảng 3.3 Kết quả xử lý COD của NTĐC

Bảng 3.4 Kết quả xử lý BOD5 của NTĐC

Bảng 3.5 Kết quả đo Tổng-P của NTĐC

Bảng 3.6 Kết quả đo Tổng-N của NTĐC

Bảng 3.7 Kết quả đo pH của NT1

Bảng 3.8 Kết quả xử lý SS của NT1

Bảng 3.9 Kết quả xử lý COD của NT1

Bảng 3.10 Kết quả xử lý BOD5 của NT1

Bảng 3.11 Kết quả đo Tổng-P của NT1

Bảng 3.12 Kết quả đo Tổng-N của NT1

Bảng 3.13 Kết quả đo pH của NT2

Bảng 3.14 Kết quả xử lý SS của NT2

Bảng 3.15 Kết quả xử lý COD của NT2

Bảng 3.16 Kết quả xử lý BOD5 của NT2

Bảng 3.17 Kết quả đo Tổng-P của NT2

Bảng 3.18 Kết quả đo Tổng-N của NTĐC

Bảng 3.19 So sánh khả năng xử lý hàm lượng SS của 3 nghiệm thức

Bảng 3.20 So sánh khả năng xử lý hàm lượng COD của 3 nghiệm thức

Bảng 3.21 So sánh khả năng xử lý hàm lượng BOD5 của 3 nghiệm thức

Bảng 3.22 So sánh hàm lượng Tổng-P của 3 nghiệm thức

Bảng 3.23 So sánh khả năng xử lý hàm lượng Tổng-N của 3 nghiệm thức

Bảng 3.24 Bảng thống kê chiều cao rau muống và rau cải mầm qua từng ngày ở

DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Mô hình bãi lọc có dòng chảy bề mặt (SFW) (Vymazal, 2007)

Hình 1.2 Mô hình bãi lọc với dòng chảy ngang dưới mặt đất (HSF) (Vymazal,

2007)

Hình 1.3 Mô hình bãi lọc với dòng chảy thẳng đứng (VSF) (Cooper, 1996)

Hình 1.4 Tình hình nghiên cứu công nghệ Thủy canh trên thế giới (từ năm 1966

đến nay)

Hình 2.1 Mặt cắt ngang bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang

Hình 2.2 Bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang

Hình 2.3 Cây thuỷ trúc

Hình 2.4 Cây Lưỡi Mác

Hình 2.5 Hệ thống thuỷ canh

Hình 2.6 Máy Bơm AP3500

Hình 2.7 Rọ nhựa trồng rau thuỷ canh

Hình 2.8 Khu vực bố trí mô hình nghiên cứu

Hình 2.9 Sơ đồ nghiên cứu mô hình bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang

Hình 2.10 Sơ đồ nghiên cứu mô hình thuỷ canh động kín

Hình 2.11 Sơ đồ các bước làm việc

Hình 3.1 Đồ thị biểu diễn biến thiên của pH đầu vào và đầu ra của NTĐC

Hình 3.2 Đồ thị so sánh hàm lượng SS nước thải đầu vào và đầu ra của NTĐC Hình 3.3 Đồ thị so sánh hàm lượng COD đầu vào và đầu ra của NTĐC

Hình 3.4 Đồ thị so sánh hàm lượng BOD5 đầu vào và đầu ra của NTĐC

Hình 3.5 Đồ thị so sánh hàm lượng Tổng-P đầu vào và đầu ra của NTĐC

Hình 3.6 Đồ thị so sánh hàm lượng Tổng-N đầu vào và đầu ra của NTĐC

Hình 3.7 Đồ thị biểu diễn biến thiên của pH đầu vào và đầu ra của NT1

Hình 3.8 Đồ thị so sánh hàm lượng SS nước thải đầu vào và đầu ra của NT1

Hình 3.9 Đồ thị so sánh hàm lượng COD đầu vào và đầu ra của NT1

Hình 3.10 Đồ thị so sánh hàm lượng BOD5 đầu vào và đầu ra của NT1

Hình 3.11 Đồ thị so sánh hàm lượng Tổng-P đầu vào và đầu ra của NT1

Hình 3.12 Đồ thị so sánh hàm lượng Tổng-N đầu vào và đầu ra của NT1

Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn biến thiên của pH đầu vào và đầu ra của NT2

Hình 3.14 Đồ thị so sánh hàm lượng SS nước thải đầu vào và đầu ra của NT2 Hình 3.15 Đồ thị so sánh hàm lượng COD đầu vào và đầu ra của NT2

Hình 3.16 Đồ thị so sánh hàm lượng BOD5 đầu vào và đầu ra của NT2

Hình 3.17 Đồ thị so sánh hàm lượng Tổng-P đầu vào và đầu ra của NT2

Hình 3.18 Đồ thị so sánh hàm lượng Tổng-N đầu vào và đầu ra của NT2

Hình 3.19 Đồ thị diễn biến biến thiên nồng độ pH sau 3 nghiệm thức

Hình 3.20 Đồ thị so sánh hàm lượng SS nước thải đầu ra và đầu vào của 3 nghiệm

thức

Hình 3.21 Đồ thị so sánh hiệu quả xử lý SS của 3 nghiệm thức

Hình 3.22 Đồ thị so sánh hàm lượng COD nước thải đầu ra và đầu vào của 3

nghiệm thức

Hình 3.23 Đồ thị so sánh hiệu quả xử lý COD của 3 nghiệm thức

Hình 3.24 Đồ thị so sánh hàm lượng BOD5 nước thải đầu ra và đầu vào của 3

nghiệm thức

Hình 3.25 Đồ thị so sánh hiệu quả xử lý BOD5 của 3 nghiệm thức

Hình 3.26 Đồ thị so sánh hàm lượng Tổng-P nước thải đầu ra và đầu vào của 3

nghiệm thức

Hình 3.27 Đồ thị so sánh hàm lượng Tổng-N nước thải đầu ra và đầu vào của 3

nghiệm thức

Hình 3.28 Đồ thị so sánh hiệu quả xử lý Tổng-N của 3 nghiệm thức

Hình 3.29 Đồ thị biểu diễn thay đổi độ cao rau muống theo từng ngày ở NTĐC’ Hình 3.30 Đồ thị biểu diễn thay đổi độ cao rau cải mầm theo từng ngày ở NTĐC’ Hình 3.31 Đồ thị diễn biến thay đổi độ cao rau muống theo từng ngày ở NT1’ Hình 3.32 Đồ thị diễn biến thay đổi độ cao rau cải mầm theo từng ngày ở NT1’ Hình 3.33 Đồ thị so sánh tốc độ tăng trưởng của cây rau muống giữa 2 nghiệm

thức

Hình 3.34 Đồ thị so sánh tốc độ tăng trưởng của cây rau cải mầm giữa 2 nghiệm

thức

LỜI MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Ô nhiễm môi trường nước là một vấn đề lớn mà Việt Nam đang phải đối mặt.Hầu hết nước thải sinh hoạt cũng như nước thải công nghiệp không được xử lý màđược thải trực tiếp vào môi trường, gây ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước mặt,nước ngầm, tác động xấu đến điều kiện vệ sinh và ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏecộng đồng

Xử lý nước thải bằng bãi lọc ngầm đã và đang được áp dụng tại nhiều nơi trênthế giới với ưu điểm là rẻ tiền, dễ vận hành đồng thời mức độ xử lý ô nhiễm cao.Đây là công nghệ xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên, thân thiện với môitrường, cho phép đạt hiệu suất cao, chi phí thấp và ổn định, đồng thời làm tăng giátrị đa dạng sinh học, cải tạo cảnh quan môi trường, hệ sinh thái của địa phương Mặtkhác, Việt Nam là nước nhiệt đới, khí hậu nóng ẩm, rất thích hợp cho sự phát triểncủa các loại thực vật thủy sinh

Ngoài ra, trong quá trình chuyển đổi cơ cấu kinh tế, người nông dân chỉ chútrọng đến năng suất, thâm canh tăng vụ chạy theo lợi nhuận Nên đã trồng rau theocách bón cho rau một cách bừa bãi những loại thuốc kích thích tăng trưởng thực vậtkhông đảm vệ sinh an toàn thực phẩm Phun thuốc trừ sâu một cách không có giớihạn, thậm chí là các loại thuốc kích thích sinh trưởng không được phép sử dụng…Từ đó dẫn đến mỗi năm có hàng nghìn ca ngộ độc thực phẩm, do sử dụng các sảnphẩm rau tươi có chứa dư lượng thuốc trừ sâu, thuốc bảo vệ thực vật vượt xa mứcđộ cho phép

Thực tế hiện nay, việc hàng ngày ăn phải những loại rau không đảm bảotiêu chuẩn là mầm mống gây nên nhiều căn bệnh nguy hiểm như ung thư, ngộ độcthần kinh, rối loạn chức năng thận… Nếu ăn phải rau nhiễm kim loại nặng như kẽmsẽ dẫn đến tích tụ kẽm trong gan có thể gây ngộ độc hệ thần kinh, ung thư đột biếnvà một loạt các chứng bệnh nguy hiểm khác

Rau mầm được coi là kim chỉ nam của vấn đề sản xuất rau tươi an toàn cungcấp cho con người, đáp ứng được vệ sinh an toàn thực phẩm, đảm bảo được các yếutố Không sử dụng thuốc bảo vệ thực vật, không sử dụng chất kích thích sinhtrưởng, không tưới nước bẩn, không sử dụng phân bón hóa học… nên đảm bảo sứckhỏe cho người sử dụng Rau mầm là loại thực phẩm có giá trị dinh dưỡng cao gấp

5 lần so với những loại rau thường, hơn nữa rau mầm không chứa mầm bệnh và visinh vật gây hại cho sức khỏe của con người

Trồng rau mầm tại nhà là một cách giải quyết nhu cầu rau xanh tại chỗ, rấttiện lợi đối với dân cư ở đô thị Có thể sử dụng hiên nhà, sân thượng hay hành langđể trồng rau mầm Chỉ cần tranh thủ thời gian ngoài giờ chăm sóc chúng hàng ngàylà đủ và có rau an toàn tại chỗ để đảm bảo sức khỏe gia đình khi sử dụng, vừa tươilại vừa ngon

Từ hai lý do trên việc nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu xử lý nước thải hộ giađình bằng công nghệ bãi lọc dòng chảy ngang kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộgia đình” là hết sức cấp thiết

2 MỤC TIÊU – NỘI DUNG – PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Mục tiêu của đề tài

 Nghiên cứu xây dựng hệ thống bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy ngang xửlý nước thải hộ gia đình có thể tái sử dụng nguồn nước vào trồng cây thuỷ canh

 Xây dựng được quy trình sản xuất rau cải mầm và rau muống bằng hệ thốngthủy canh sử dụng nguồn nước cấp từ bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy ngang, cóthể áp dụng vào thực tế nhằm thúc đẩy sản xuất rau sạch ngay tại nhà

2.2 Nội dung nghiên cứu

 Lựa chọn công thức vật liệu lọc để sử dụng trong mô hình bãi lọc ngầm trồngcây dòng chảy ngang từ đó đánh giá khả năng xử lý nước thải của mô hình

 Xây dựng, vận hành của mô hình bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy ngang

 Theo dõi sự phát triển của rau ở từng thời điểm.

 Nghiên cứu chế tạo mô hình sản xuất thủy canh từ những vật liệu có sẵn

 Hoàn thiện quy trình sản xuất rau thủy canh tại nhà

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Phương pháp luận

Đề tài dựa trên phương pháp thu thập thông tin khoa học từ các tài liệu, đề tàinghiên cứu, các báo cáo và bài báo trong và ngoài nước thông qua các phương tiệnthông tin Trên cơ sở đó, đề tài lập ra khung nghiên cứu cho phương pháp luận nhưsau:

Mẫu nước thải

Thành phần, tính chất nước thải

pH, BOD5, COD, TSS, tổng, P-tổng

N-Phân tích số liệu, lựa

chọn phương pháp

xử ly

Xử ly bằng bãi lọc ngầm dòng chảy ngầm

Thu gom nguyên

liệu

Vật liêu lọc: cát, sỏi, đất trồng cây,

xơ dừa …

Thu thập dữ liệu

Các chỉ tiêu của nướcCác biện pháp xử lyTình hình ứng dụng bãi lọc, thủy canh

Phương pháp quang

Phương pháp chuẩn độ FAS

Đánh giá tính khả thi khi

xử ly nước thải hộ gia

đình bằng bãi lọc

Xét nghiệm các chỉ tiêu

Sự tăng trưởng của 2 loại rauKiểm tra về an toàn thực phẩm

Mẫu tối ưu

Trồng rau muống, cải mầm

Mẫu nước sau

xử ly

Xác định khả năng sử dụng nước thải sau xử ly ở bãi lọc cho mục đích thuỷ

canh

Xử ly nguyên liệu

Vận hành

mô hình bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang

NT1: BLN trồng Lưỡi Mác

NT2: BLN trồng Thuỷ Trúc

NTĐC: BLN không trồng cây

Xác định khả năng xử ly nước thải của từng bãi lọc

NT1’: Nước sau bãi lọc

NTĐC’: Nước sạch

Phương pháp máy đo TOC

2.3.2 Phương pháp cụ thê

 Phương pháp kế thừa: biên hội, tổng hợp các tài liệu liên quan làm cơ sở luậncho đề tài, các nghiên cứu cơ bản trong và ngoài nước trong lĩnh vực bãi lọc trồngcây, khoa học cây trồng và kỹ thuật thủy canh

 Phương pháp lấy mẫu: số lượng mẫu, vị trí lấy mẫu, phương pháp lấy mẫu

 Phương pháp phân tích mẫu: áp dụng các kỹ thuật phân tích thực vật để đánhgiá các chỉ tiêu chất lượng rau khi sử dụng các loại giá thể và tỉ lệ dinh dưỡng khácnhau và các mẫu nước thải với nước sạch

 Phương pháp phân tích tại phòng thí nghiệm: phân tích các chỉ tiêu COD,BOD5, pH, SS, Tổng N, Tổng P

 Phương pháp thực nghiệm: bố trí các mô hình thí nghiệm nhằm khảo sát hiệuquả xử lý nước thải cho năng suất và chất lượng rau tốt nhất

 Phương pháp thống kê: thống kê tốc độ tăng trưởng về kích thước của cây ởtừng giai đoạn

 Phương pháp đánh giá: đánh giá hiệu quả của quá trình lọc qua mô hình bãilọc trồng cây và đánh giá khả năng sinh trưởng, phát triển của cây qua mô hình thủycanh

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng

Khả năng xử lý nước thải của mô hình bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang đốivới nước thải hộ gia đình

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu khả năng xử lý nước thải hộ gia đình của mô hìnhbãi lọc trồng cây dòng chảy ngang, giải pháp tái sử dụng nước thải vào tưới cây chohệ thống thủy canh với quy mô hộ gia đình

4 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI

4.1 Ý nghĩa khoa học

Bổ sung phương pháp xử lý nước thải hộ gia đình làm cung cấp nước cho hệthống thủy canh

→ Tính mới của đề tài

4.2 Ý nghĩa thực tiễn

 Kết quả của nghiên cứu sẽ là cơ sở cho những nghiên cứu sâu hơn về lĩnhvực sản xuất rau thủy canh

 Giúp sinh viên nghiên cứu hiểu sâu sắc hơn về công nghệ xử lý nước thải vớichi phí thấp, thân thiện với môi trường

 Bổ sung kiến thức và kĩ năng thực hành trong phòng thí nghiệm

 Chế tạo được hệ thống xử lý nước bằng công nghệ bãi lọc, trồng rau bằng

mô hình thuỷ canh hoàn chỉnh, an toàn, phù hợp với quy mô hộ gia đình Từ đó giảiquyết được vấn đề rau sạch (có thể tự trồng các loại rau sạch bệnh tại nhà, vừa antoàn lại vừa tiết kiệm chi phí) và phần nào vấn đề nước thải

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt là nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đíchsinh hoạt của cộng đồng: tắm, giặt giũ, tẩy rửa, vệ sinh cá nhân,… Chúng thườngđược thải ra từ các căn hộ, cơ quan, trường học, bệnh viện, chợ và các công trìnhcông cộng khác Lượng nước thải sinh hoạt của một khu dân cư phụ thuộc vào dânsố, vào tiêu chuẩn cấp nước và đặc điểm của hệ thống thoát nước Tiêu chuẩn cấpnước sinh hoạt cho một khu dân cư phụ thuộc vào khả năng cung cấp nước của cácnhà máy nước hay các trạm cấp nước hiện có Các trung tâm đô thị thường có tiêuchuẩn cấp nước cao hơn so với các vùng ngoại thành và nông thôn, do đó lượngnước thải sinh hoạt tính trên một đầu người cũng có sự khác biệt giữa thành thị vànông thôn Nước thải sinh hoạt ở các trung tâm đô thị thường thoát bằng hệ thốngthoát nước dẫn ra các sông rạch, còn các vùng ngoại thành và nông thôn do khôngcó hệ thống thoát nước nên nước thải thường được tiêu thoát tự nhiên vào các ao hồhoặc thoát bằng biện pháp tự thấm

1.2 Thành phần và đặc tính nước thải sinh hoạt

Thành phần của nước thải sinh hoạt gồm 2 loại:

 Nước thải nhiễm bẩn do chất bài tiết của con người từ các phòng vệsinh

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

Đặc tính và thành phần tính chất của nước thải sinh hoạt từ các khu phát sinhnước thải này đều giống nhau, chủ yếu là các chất hữu cơ, trong đó phần lớn cácloại carbonhydrate, protein, lipid là các chất dễ bị vi sinh vật phân hủy Khi phânhủy thì vi sinh vật cần lấy oxi hòa tan trong nước để chuyển hóa các chất hữu cơtrên thành CO2, N2, H2O, CH4… Chỉ thị cho lượng chất hữu cơ có trong nước thảicó khả năng bị phân hủy hiếu khí bởi vi sinh vật chính là chỉ số BOD5

Chỉ số này biểu diễn lượng oxi cần thiết mà vi sinh vật phải tiêu thụ để phânhủy lượng chất hữu cơ có trong nước thải Như vậy chỉ số BOD5 càng cao cho thấychất hữu cơ có trong nước thải càng lớn, oxi hòa tan trong nước thải ban đầu bị tiêuthụ nhiều hơn, mức độ ô nhiễm của nước thải cao hơn.

1.3 Các thông số ô nhiễm đăc trưng của nước thải

1.3.1 Thông số vật lý

 Các chất hữu cơ không tan;

 Các vi sinh vật (vi khuẩn, tảo, vi nấm, động vật nguyên sinh…)

Sự có mặt của các chất rắn lơ lửng cản trở hay tiêu tốn thêm nhiều hóa chấttrong quá trình xử lý

Mùi:

Hợp chất gây mùi đặc trưng nhất là H2S mùi trứng thối Các hợp chất khác,chẳng hạn như indol, skatol, cadaverin và cercaptan được tạo thành dưới điều kiệnyếm khí có thể gây ra những mùi khó chịu hơn cả H2S

Độ màu:

Màu của nước thải là do các chất thải sinh hoạt, công nghiệp, thuốc nhuộmhoặc do các sản phẩm được tao ra từ các quá trình phân hủy các chất hữu cơ Đơn vị

đo độ màu thông dụng là mgPt/L (thang đo Pt _Co)

Độ màu là một thông số thường mang tính chất cảm quan, có thể được sửdụng để đánh giá trạng thái chung của nước thải

1.3.2 Thông số hóa học

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

Theo định nghĩa, nhu cầu oxy hóa học là lượng oxy cần thiết để oxy hóa cácchất hữu cơ trong nước bằng phương pháp hóa học (sử dụng tác nhân oxy hóamạnh), về bản chất, đây là thông số được sử dụng để xác định tổng hàm lượng cácchất hữu cơ có trong nước, bao gồm cả nguồn gốc sinh vật và phi sinh vật

Trong môi trường nước tự nhiên, ở điều kiện thuận lợi nhất cũng cần đến 20ngày để quá trình oxy hóa chất hữu cơ được hoàn tất Tuy nhiên, nếu tiến hành oxyhóa chất hữu cơ bằng chất oxy hóa mạnh (mạnh hơn hẳn oxy) đồng thời lại thựchiện phản ứng oxy hóa ở nhiệt độ cao thì quá trình oxy hóa có thể hoàn tất trongthời gian rút ngắn hơn nhiều Đây là ưu điểm nổi bật của thông số này nhằm cóđược số liệu tương đối về mức độ ô nhiễm hữu cơ trong thời gian rất ngắn

COD là một thông số quan trọng để đánh giá mức độ ô nhiễm chất hữu cơ nóichung và cùng với thông số BOD, giúp đánh giá phần ô nhiễm không phân hủy sinhhọc của nước từ đó có thể lựa chọn phương pháp xử lý phù hợp

Nhu cầu oxy sinh học (Biochemical Oxygen Demand – BOD):

Về định nghĩa, thông số BOD của nước là lượng oxy cần thiết để vi khuẩnphân hủy chất hữu cơ trong điều kiện chuẩn: 20°, ủ mẫu 5 ngày đêm, trong bóng tối,giàu oxy và vi khuẩn hiếu khí Nói cách khác, BOD biểu thị lượng giảm oxy hòa tansau 5 ngày Thông số BOD5 sẽ càng lớn nếu mẫu nước càng chứa nhiều chất hữu cơ

có thể dùng làm thức ăn cho vi khuẩn, hay là các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinhhọc (Carbonhydrat, protein, lipid )

BOD là một thông số quan trọng:

 Là chỉ tiêu duy nhất để xác định lượng chất hữu cơ có khả năng phânhuỷ sinh học trong nước và nước thải;

 Là tiêu chuẩn kiểm soát chất lượng các dòng thải chảy vào các thuỷvực thiên nhiên;

 Là thông số bắt buộc để tính toán mức độ tự làm sạch của nguồn nướcphục vụ công tác quản lý môi trường

Oxy hòa tan (Dissolved Oxygen – DO):

Tất cả các sinh vật sông đều phụ thuộc vào oxy dưới dạng này hay dạng khácđể duy trì các tiến trình trao đổi chất nhằm sinh ra năng lượng phục vụ cho quá trìnhphát triển và sinh sản của mình Oxy là yếu tố quan trọng đối với con người cũngnhư các thủy sinh vật khác

Oxy là chất khí hoạt động hóa học mạnh, tham gia mạnh mẽ vào các quá trìnhhóa sinh học trong nước:

 Oxy hóa các chất khử vô cơ: Fe2+, Mn2+, S2-, NH3

 Oxy hóa các chất hữu cơ trong nước, và kết quả của quá trình này lànước nhiễm bẩn trở nên sạch hơn Quá trình này được gọi là quá trình tựlàm sạch của nước tự nhiên, được thực hiện nhờ vai trò quan trọng của mộtsố vi sinh vật hiếu khí trong nước

Oxy là chất oxy hóa quan trọng giúp các sinh vật nước tồn tại và phát triển.Các quá trình trên đều tiêu thụ oxy hòa tan Như đã đề cập, khả năng hòa tancủa Oxy vào nước tương đối thấp, do vậy cần phải hiểu rằng khả năng tự làm sạchcủa các nguồn nước tự nhiên là rất có giới hạn Cũng vì lý do trên, hàm lượng oxyhòa tan là thông số đặc trưng cho mức độ nhiễm bẩn chất hữu cơ của nước mặt

Nitơ và các hợp chất chứa nitơ:

Nitơ là nguyên tố quan trọng trong sự hình thành sự sống trên bề mặt Trái Đất.Nitơ là thành phần cấu thành nên protein có trong tế bào chất cũng như các acidamin trong nhân tế bào Xác sinh vật và các bã thải trong quá trình sống của chúnglà những tàn tích hữu cơ chứa các protein liên tục được thải vào môi trường vớilượng rất lớn Các protein này dần dần bị vi sinh vật dị dưỡng phân hủy, khoáng hóatrở thành các hợp chất Nitơ vô cơ như NH4 , NO2, NO3 và có thể cuối cùng trả lại

N2 cho không khí

Như vậy, trong môi trường đất và nước, luôn tồn tại các thành phần chứa Nitơ:từ các protein có cấu trúc phức tạp đến các acid amin đơn giản, cũng như các ionNitơ vô cơ là sản phẩm quá trình khoáng hóa các chất kể trên

Các hợp chất hữu cơ thô đang phân hủy thường tồn tại ở dạng lơ lửng trongnước, có thể hiện diện với nồng độ đáng kể trong các loại nước thải và nước tựnhiên giàu protein

Các hợp chất chứa Nitơ ở dạng hòa tan bao gồm cả Nitơ hữu cơ và Nitơ vô cơ(NH4+, NO3–, NO2–)

Thuật ngữ “Nitơ tổng” là tổng Nitơ tồn tại ở tất cả các dạng trên Nitơ là mộtchất dinh dưỡng đa lượng cần thiết đối với sự phát triển của sinh vật

Phospho và các hợp chất chứa phospho:

Nguồn gốc các hợp chất chứa Phospho có liên quan đến sự chuyển hóa cácchất thải của người và động vật và sau này là lượng khổng lồ phân lân sử dụngtrong nông nghiệp và các chất tẩy rửa tổng hợp có chứa phosphate sử dụng trongsinh hoạt và một số ngành công nghiệp trôi theo dòng nước

Trong các loại nước thải, Phospho hiện diện chủ yếu dưới các dạng phosphate.Các hợp chất Phosphat được chia thành Phosphat vô cơ và phosphat hữu cơ

Phospho là một chất dinh dưỡng đa lượng cần thiết đối với sự phát triển củasinh vật Việc xác định P-tổng là một thông số đóng vai trò quan trọng để đảm bảo

quá trình phát triển bình thường của các vi sinh vật trong các hệ thống xử lý chấtthải bằng phương pháp sinh học (tỉ lệ BOD:N:P = 100:5:1).

Phospho và các hợp chất chứa Phospho có liên quan chặt chẽ đến hiện tượngphú dưỡng hóa nguồn nước, do sự có mặt quá nhiều các chất này kích thích sự pháttriển mạnh của tảo và vi khuẩn lam

Chất hoạt động bề mặt:

Các chất hoạt động bề mặt là những chất hữu cơ gồm 2 phần: kị nước và ưanước tạo nên sự phân tán của các chất đó trong dầu và trong nước Nguồn tạo ra cácchất hoạt động bề mặt là do việc sử dụng các chất tẩy rửa trong sinh hoạt và trongmột số ngành công nghiệp

1.3.3 Thông số vi sinh vật học

Nhiều vi sinh vật gây bệnh có mặt trong nước thải có thể truyền hoặc gây bệnhcho người Chúng vốn không bắt nguồn từ nước mà cần có vật chủ để sống ký sinh,phát triển và sinh sản Một số các sinh vật gây bệnh có thể sống một thời gian khádài trong nước và là nguy cơ truyền bệnh tiềm tàng, bao gồm vi khuẩn, vi rút, giunsán

Vi khuẩn:

Các loại vi khuẩn gây bệnh có trong nước thường gây các bệnh về đường ruột,như dịch tả (cholera) do vi khuẩn Vibrio comma, bệnh thương hàn (typhoid) do vikhuẩn Salmonella typhosa…

Vi rút:

Vi rút có trong nước thải có thể gây các bệnh có liên quan đến sự rối loạn hệthần kinh trung ương, viêm tủy xám, viêm gan… Thông thường sự khử trùng bằngcác quá trình khác nhau trong các giai đoạn xử lý có thể diệt được vi rút

Giun sán (helminths):

Giun sán là loại sinh vật ký sinh có vòng đời gắn liền với hai hay nhiều độngvật chủ, con người có thể là một trong số các vật chủ này Chất thải của người vàđộng vật là nguồn đưa giun sán vào nước Tuy nhiên, các phương pháp xử lý nướchiện nay tiêu diệt giun sán rất hiệu quả

Nguồn gốc của vi trùng gây bệnh trong nước là do nhiễm bẩn rác, phân người

và động vật Trong người và động vật thường có vi khuẩn E.Coli sinh sống và phát

triển Đây là loại vi khuẩn vô hại thường được bài tiết qua phân ra môi trường Sự

có mặt của E.Coli chứng tỏ nguồn nước bị nhiễm bẩn bởi phân rác và khả năng lớn

tồn tại các loại vi khuẩn gây bệnh khác, số lượng nhiều hay ít tuỳ thuộc vào mức độ

nhiễm bẩn Khả năng tồn tại của vi khuẩn E.Coli cao hơn các vi khuẩn gây bệnh khác Do đó nếu sau xử lý trong nước không còn phát hiện thấy vi khuẩn E.Coli

chứng tỏ các loại vi trùng gây bệnh khác đã bị tiêu diệt hết Mặt khác, việc xác định

mức độ nhiễm bẩn vi trùng gây bệnh của nước qua việc xác định số lượng E.Coli

đơn giản và nhanh chóng Do đó vi khuẩn này được chọn làm vi khuẩn đặc trưngtrong việc xác định mức độ nhiễm bẩn vi trùng gây bệnh của nguồn nước

Tác hại đến môi trường

Tác hại đến môi trường của nước thải do các thành phần ô nhiễm tồn tại trongnước thải gây ra

 COD, BOD: sự khoáng hoá, ổn định chất hữu cơ tiêu thụ một lượnglớn và gây thiếu hụt oxy của nguồn tiếp nhận dẫn đến ảnh hưởng đến hệsinh thái môi trường nước Nếu ô nhiễm quá mức, điều kiện yếm khí có thểhình thành Trong quá trình phân huỷ yếm khí sinh ra các sản phẩm như

H2S, NH3, CH4,…làm cho nước có mùi hôi thối và làm giảm pH của môitrường

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

 Nhiệt độ: nhiệt độ của nước thải sinh hoạt thường không ảnh hưởngđến đời sống của thuỷ sinh vật nước.

 Vi trùng gây bệnh: gây ra các bệnh lan truyền bằng đường nước nhưtiêu chảy, ngộ độc thức ăn, vàng dạ,…

 Amonia, P: đây là những nguyên tố dinh dưỡng đa lượng Nếu nồngđộ trong nước quá cao dẫn đến hiện tượng phú dưỡng hoá (sự phát triểnbùng phát của các loại tảo, làm cho nồng độ oxy trong nước rất thấp vàoban đêm gây ngạt thở và diệt vong các sinh vật, trong khi đó vào ban ngàynồng độ oxy rất cao do quá trình hô hấp của tảo thải ra)

 Màu: mất mỹ quan

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

1.4 Tổng quan về phương pháp bãi lọc

1.4.1 Khái niệm

Bãi lọc trồng cây chính là mô hình đất ngập nước nhân tạo và nó được địnhnghĩa như sau: “Hệ thống được thiết kế và xây dựng như một vùng đất ngập nướcnhưng việc xử lý nước thải hiệu quả hơn, giảm diện tích và đặc biệt có thể quản lýđược quá trình vận hành ở mức đơn giản”

Đất ngập nước nhân tạo hay đất ngập nước kiến tạo hay bãi lọc trồng cây làcông trình mang đầy đủ các đặc điểm chức năng, vai trò và ý nghĩa của đất ngậpnước tự nhiên thông thường Việc thiết kế và xây dựng một mô hình đất ngập nướcnhân tạo nhằm phục vụ công tác quản lý và sử dụng hiệu quả hơn Trong xử lý môitrường, việc sử dụng mô hình đất ngập nước nhân tạo là chủ yếu và đem lại hiệuquả cao hơn, cả về mặt môi trường và kinh tế

Đất ngập nước nhân tạo hay bãi lọc trồng cây chính là công nghệ xử lý sinhthái mới, được xây dựng nhằm khắc phục những nhược điểm của bãi đất ngập nướctự nhiên mà vẫn có được những ưu điểm của đất ngập nước tự nhiên Các nghiêncứu cho thấy, bãi lọc nhân tạo trồng cây hoạt động tốt hơn so với đất ngập nước tự

nhiên cùng diện tích, nhờ đáy của bãi lọc nhân tạo có độ dốc hợp lý và chế độ thủylực được kiểm soát Độ tin cậy trong hoạt động của bãi lọc nhân tạo cũng được nângcao do thực vật và các thành phần khác trong bãi lọc nhân tạo có thể quản lý đượcnhư mong muốn.

Bãi lọc trồng cây gần đây đã được biết đến trên thế giới như một giải phápcông nghệ mới, xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên với hiệu suất cao, chi phíthấp và ổn định, ngày càng được áp dụng rộng rãi Ở Việt Nam, công nghệ trên thựcchất còn rất mới

Bãi lọc trồng cây dùng để xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên Với cácthông số làm việc khác nhau, bãi lọc trồng cây được sử dụng rộng rãi trong xử lýnhiều loại nước thải Khác với bãi đất ngập nước tự nhiên, thường là nơi tiếp nhậnnước thải sau khi xử lý, với chất lượng đã đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn và chúng chỉlàm nhiệm vụ xử lý bậc cao hơn, bãi lọc trồng cây là một thành phần trong hệ thốngcác công trình xử lý nước thải sau bể tự hoại hay sau xử lý bậc hai

1.4.2 Phân loại bãi lọc trồng cây

Bãi lọc trồng cây có thể được phân loại theo hình thức nuôi trồng điển hìnhcủa các loại thực vật như: hệ thống thực vật nổi, hệ thống rễ chùm nổi và hệ thốngthực vật chìm [Brix và Schierup, 1989] Hầu hết các hệ thống đều sử dụng các loạicây rễ chùm, tuy nhiên có thể phân loại theo dạng vật liệu sử dụng và chế độ dòngchảy trong hệ thống

Có 2 kiểu phân loại đất ngập nước kiến tạo cơ bản theo hình thức chảy: Loạidòng chảy tự do trên mặt đất (Free surface flow) và loại chảy ngầm trong đất(Subsurface flow)

 Bãi lọc trồng cây có dòng chảy bề mặt (Surface flow wetland - SFW):

Hệ thống này mô phỏng một đầm lầy hay đất ngập nước trong điều kiện tựnhiên Dưới đáy bãi lọc là một lớp đất sét tự nhiên hay nhân tạo, hoặc rải một lớpvải nhựa chống thấm Trên lớp chống thấm là đất hoặc vật liệu phù hợp cho sự phát

triển của thực vật có thân nhô lên khỏi mặt nước Dòng nước thải chảy ngang trênbề mặt lớp vật liệu lọc Hình dạng bãi lọc này thường là kênh dài hẹp, vận tốc dòngchảy chậm, thân cây trồng nhô lên trong bãi lọc là những điều kiện cần thiết để tạonên chế độ thuỷ kiểu dòng chảy đẩy (plug-flow).

Hệ thống dòng chảy bề mặt là hệ thống được thiết kế có lớp nước bề mặt tiếpxúc với không khí Trong hệ thống dòng chảy ngầm, mực nước được cố định thấphơn so với bề mặt vật liệu Đối với hệ thống dòng chảy ngầm ngang, lớp vật liệuluôn được giữ trong trạng thái bão hoà nước; đối với hệ thống dòng chảy đứng, lớpvật liệu không ở trạng thái bão hoà vì nước được cấp không liên tục mà theo cáckhoảng thời gian nhất định và được thấm qua lớp vật liệu (tương tự như trong hệthống lọc cát gián đoạn)

Tất cả các dạng bãi lọc ngập nước đều được cấy trồng ít nhất là một loại thựcvật có rễ trong một loại vật liệu nào đó (thường là đất, sỏi hoặc cát) Các chất ônhiễm được khử nhờ sự phối hợp của các quá trình hóa học, lý học, sinh học, lắng,kết tủa và hấp thụ vào đất, quá trình đồng hóa bởi thực vật và các sự chuyển hóa bởicác vi khuẩn [Brix, 1993; Vymazal và các cộng sự, 1998]

Bãi lọc ngầm trồng cây có dòng chảy bề mặt thường có diện tích từ vài trămđến vài chục nghìn mét vuông Thông thường, tải lượng thủy lực trong các bãi lọctự nhiên thường nhỏ hơn so với các bãi lọc nhân tạo do không được thiết kế chomục đích xử lý nước thải [Kadlec and Knight, 1996] Các hệ thống được thiết kếcho mục đích xử lý nước thải có nồng độ nitơ và phôtpho thấp (hoặc lưu giữ hoàntoàn) thường có tải lượng bề mặt rất thấp, ngược lại đối với các hệ thống được thiếtkế để xử lý các chất hữu cơ (BOD) và chất lơ lửng thường có tải lượng bề mặt caohơn Chiều sâu mực nước trong hệ thống khoảng 5 đến 90 cm, thông thường là 30đến 40 cm Hệ thống dòng chảy bề mặt thường được sử dụng để xử lý bổ sung vàđược bố trí sau các loại hồ sinh học tuỳ tiện hoặc hồ hiếu khí trong dây chuyền xửlý nước thải

Hình 1.1 Mô hình bãi lọc có dòng chảy bề mặt (SFW)

Ở châu Âu, các hệ thống dòng chảy ngầm thường được sử dụng để xử lý bậchai đối với nước thải sinh hoạt từ các khu vực nông thôn có dân số khoảng 4400dân Ở Bắc Mỹ, hệ thống này được sử dụng để xử lý bậc ba đối với nước thải sinhhoạt từ các khu vực có dân số lớn hơn

Hệ thống này chỉ mới xuất hiện gần đây và được biết đến với các tên gọi khácnhau như lọc ngầm trồng cây (Vegetated submerged bed - VBS), hệ thống xử lý vớivùng rễ (Root zone system), bể lọc với vật liệu sỏi trồng sậy (Rock reed filter) haybể lọc vi sinh và vật liệu (Microbial rock filter) Cấu tạo của bãi lọc ngầm trồng cây

về cơ bản cũng gồm các thành phần tương tự như bãi lọc trồng cây ngập nướcnhưng nước thải chảy ngầm trong phần lọc của bãi lọc Lớp lọc, nơi thực vật pháttriển trên đó, thường gồm có đất, cát, sỏi, đá dăm và được xếp theo thứ tự từ trênxuống dưới, giữ độ xốp của lớp lọc Dòng chảy có thể có dạng chảy từ dưới lên, từtrên xuống dưới hoặc chảy theo phương nằm ngang Dòng chảy phổ biến nhất ở bãilọc ngầm là dòng chảy ngang Hầu hết các hệ thống được thiết kế với độ dốc 1%hoặc hơn.

Khi chảy qua lớp vật liệu lọc, nước thải được lọc sạch nhờ tiếp xúc với bề mặtcủa các hạt vật liệu lọc và vùng rễ của thực vật trồng trong bãi lọc Vùng ngập nướcthường thiếu oxy, nhưng thực vật của bãi lọc có thể vận chuyển một lượng oxy đángkể tới hệ thống rễ tạo nên tiểu vùng hiếu khí cạnh rễ và vùng rễ, cũng có một vùnghiếu khí trong lớp lọc sát bề mặt tiếp giáp giữa đất và không khí

Bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy ngang có khả năng xử lý chất hữu cơ và rắn

lơ lửng tốt, nhưng khả năng xử lý các chất dinh dưỡng lại thấp, do điều kiện thiếuoxy, kị khí trong các bãi lọc không cho phép nitrat hoá amoni nên khả năng xử lýnitơ bị hạn chế Xử lý photpho cũng bị hạn chế do các vật liệu lọc được sử dụng(sỏi, đá dăm) có khả năng hấp phụ kém

Loại này bao gồm cả các loại bãi lọc có dòng chảy nằm ngang hay dòng chảythẳng đứng từ dưới lên, từ trên xuống

 Hệ thống với dòng chảy ngang dưới mặt đất (Horizontal subsurface flow - HSF):

Hệ thống này được gọi là dòng chảy ngang vì nước thải được đưa vào và chảychậm qua tầng lọc xốp dưới bề mặt của nền trên một đường ngang cho tới khi nó tớiđược nơi dòng chảy ra Trong suốt thời gian này, nước thải sẽ tiếp xúc với mộtmạng lưới hoạt động của các đới hiếu khí, hiếm khí và kị khí Các đới hiếu khí ởxung quanh rễ và bầu rễ, nơi lọc O2 vào trong bề mặt Khi nước thải chảy qua đớirễ, nó được làm sạch bởi sự phân hủy sinh học của vi sinh vật bởi các quá trình hóasinh Loại thực vật sử dụng phổ biến trong các hệ thống HSF là cây sậy

Hình 1.2 Mô hình bãi lọc với dòng chảy ngang dưới mặt đất (HSF)

(Vymazal, 2007)

 Hệ thống với dòng chảy thẳng đứng (Vertical subsurface flow - VSF):

Nước thải được đưa vào hệ thống qua ống dẫn trên bề mặt Nước sẽ chảyxuống dưới theo chiều thẳng đứng Ở gần dưới đáy có ống thu nước đã xử lý để đưa

ra ngoài Các hệ thống VSF thường xuyên được sử dụng để xử lý lần 2 cho nướcthải đã qua xử lý lần 1 Thực nghiệm đã chỉ ra là nó phụ thuộc vào xử lý sơ bộ nhưbể lắng, bể tự hoại Hệ thống đất ngập nước cũng có thể được áp dụng như một giaiđoạn của xử lý sinh học

Hình 1.3 Mô hình bãi lọc với dòng chảy thẳng đứng (VSF)

(Cooper, 1996)

1.4.3 Tình hình nghiên cứu về phương pháp bãi lọc ở trong và ngoài nước

 Ngoài nước:

Trên thế giới bãi lọc trồng cây được sử dụng như một giải pháp hữu hiệu để xửlý nước thải phân tán như sinh hoạt, chăn nuôi, công sở, bệnh viện trong tự nhiênthân thiện với môi trường, đạt hiệu suất cao, chi phí thấp và ổn định đồng thời làmtăng giá trị đa dạng sinh học, cải tạo cảnh quan môi trường Các nghiên cứu khác tạiĐức, Thái Lan, Thụy Sỹ, Bồ Đào Nha còn cho thấy bãi lọc trồng cây có thể loại bỏ

vi sinh vật gây bệnh trong nước thải sinh hoạt và nước thải đô thị; xử lý phân bùnbể phốt và xử lý nước thải công nghiệp, nước rò rỉ bãi rác Không những thế, thựcvật nước từ bãi lọc trồng cây còn có thể được chế biến, sử dụng để thức ăn cho giasúc, phân bón cho đất, làm bột giấy, làm nguyên liệu cho sản xuất đồ thủ công mỹnghệ và là nguồn năng lượng thân thiện với môi trường

 Trong nước:

Tại Việt Nam, phương pháp xử lý nước thải bằng các bãi lọc ngầm trồng câycòn khá mới mẻ, bước đầu đang được một số trung tâm công nghệ môi trường vàtrường đại học áp dụng thử nghiệm Các đề tài nghiên cứu mới đây nhất về áp dụngphương pháp này tại Việt Nam như "Xử lý nước thải sinh hoạt bằng bãi lọc ngầmtrồng cây dòng chảy thẳng đứng trong điều kiện Việt Nam" của Trung tâm Kỹ thuậtMôi trường đô thị và khu công nghiệp (Trường Đại học Xây dựng Hà Nội); "Xâydựng mô hình hệ thống đất ngập nước nhân tạo để xử lý nước thải sinh hoạt tại cácxã Minh Nông, Bến Gót, Việt Trì" của Trường Đại học Quốc gia Hà Nội đã chothấy hoàn toàn có thể áp dụng phương pháp này trong điều kiện của Việt Nam TheoGS.TSKH Nguyễn Nghĩa Thìn (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốcgia Hà Nội) thì Việt Nam có đến 34 loại cây có thể sử dụng để làm sạch môi trườngnước Các loài cây này hoàn toàn dễ kiếm tìm ngoài tự nhiên và chúng cũng có sứcsống khá mạnh mẽ

PGS TS Nguyễn Việt Anh, Chủ nhiệm Đề tài hợp tác nghiên cứu giữa TrườngĐại học Tổng hợp Linkoeping (Thụy Điển) và Trung tâm Kỹ thuật Môi trường đôthị và khu công nghiệp về "Xử lý nước thải sinh hoạt bằng bãi lọc trồng cây" chobiết: "Chúng tôi đang tiến hành thử nghiệm Bãi lọc ngầm trồng cây có dòng chảythẳng đứng sử dụng các vật liệu sỏi, gạch để xử lý nước thải sau bể tự hoại, trồngcác loại thực vật dễ kiếm, phổ biến ở nước ta như Cỏ nến, Thủy trúc, Sậy, Phát lộc,Mai nước Kết quả rất khả quan, nước thải ra đạt tiêu chuẩn xả ra môi trường haytái sử dụng lại Công nghệ này rất phù hợp với điều kiện của Việt Nam, nhất là choquy mô hộ, nhóm hộ gia đình, các điểm du lịch, dịch vụ, các trang trại, làngnghề ".

Tại trường Đại học Công nghệ Tp.HCM, tháng 6 năm 2010 sinh viên TrầnQuốc Việt dưới sự hướng dẫn của Thạc sĩ Lâm Vĩnh Sơn đã thực hiện đề tài

“Nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải tinh bột mì bằng bãi lọc ngầm trồng cây dòngchảy đứng” và kết luận được rằng “Các kết quả nghiên cứu cho thấy, hiệu suất xử lýnước thải trong bãi lọc trồng cây dòng chảy đứng là rất tốt Hệ thống làm việc rất ổnđịnh, dao động chất lượng nước đầu ra không lớn… Mô hình trồng Sậy cho phépđạt hiệu suất xử lý cao hơn nhiều so với mô hình không trồng Sậy.”

1.4.4 Cơ chế loại bỏ chất ô nhiễm bằng phương pháp bãi lọc trồng cây

Các chất ô nhiễm được loại bỏ khỏi nước thải trực tiếp hoặc gián tiếp thôngqua các quá trình vật lý, hóa học và sinh học

a Quá trình vật lý: nhờ cơ chế lắng do trọng lực, các hạt được lọc cơ

học khi nước chảy qua lớp lọc, qua tầng rễ, lực hấp dẫn giữa các phần tử, sự bayhơi

b Quá trình hóa học: tạo thành các hợp chất, hấp phụ trên bề mặt lớp

lọc và bề mặt thực vật, phân hủy hoặc biến đổi của các lớp chất kém bền bởi các tácnhân như tia tử ngoại, oxy hóa

c Quá trình sinh học: trong hệ thống, vi sinh vật phân ra làm 3 dạng,

tùy thuộc vào vị trí của tầng đất nó sinh sống Ở lớp đất bề mặt có độ rỗng cao, tươi

xốp, nhiều mùn, tiếp xúc không khí tốt sẽ tồn tại chủ yếu là vi khuẩn hiếu khí, ởtầng đất giữa với điều kiện hiếu khí không thường xuyên đặc biệt là lúc có nước thìtồn tại những loại vi khuẩn thiếu khí, tùy nghi và ở lớp đất cuối cùng không khíkhông lọt tới thì chủ yếu là vi khuẩn kị khí Cả 3 dạng này đều có những chức năngriêng biệt trong quá trình phân hủy các chất trong nước thải.

Nhờ các quá trình trên, hệ thống bãi lọc trồng cây có thể loại bỏ được nhiềuchất gây ô nhiễm trong nước thải bao gồm: các chất hữu cơ có khả năng phân hủysinh học, chất rắn lơ lửng, nitơ, photpho, kim loại nặng và các vi sinh vật gây bệnh

 Đối với chất rắn:

Các chất rắn được loại bỏ nhờ cơ chế lắng trọng lực vì hệ thống có thời gianlưu nước dài Chất rắn không lắng được, chất rắn ở dạng keo thì được loại bỏ qua

cơ chế lọc, phân hủy sinh học, dính bám, hấp phụ nhờ lực Vander Wals

 Đối với chất hữu cơ (CHC) có khả năng phân hủy sinh học:

Các chất hữu cơ này thường ở dạng hòa tan hay dạng keo Phân hủy sinh họcxảy ra khi các CHC hòa tan tiếp xúc trên lớp mạng vi sinh bám trên phần ngập nướccủa thực vật, hệ thống rễ và những phần vật liệu xung quanh nhờ quá trình khuếchtán

 Đối với Nitơ và các hợp chất của Nitơ:

Việc loại bỏ chúng là nhờ có 3 cơ chế chủ yếu là nitrat hóa hay khử nitrat, bayhơi amoniac và hấp thụ của thực vật Sự chuyển hóa nitơ xảy ra ở tầng oxy hóa –khử của đất và nước, bề mặt tiếp xúc giữa rễ và đất

Quá trình nitrat hóa diễn ra ở vùng rễ hiếu khí, được thực hiện bởi vi khuẩn

Nitrobacter, chúng có khả năng oxy hóa NO2- thành NO3- và tạo năng lượng Nănglượng này dùng để đồng hóa CO2, bicacbonate, cacbonate thành đường Phần NO3-

không được cây trồng hấp thụ sẽ khuếch tán vào vùng thiếu khí, bị khử thành N2 và

N2O do quá trình khử nitrat Lượng amoniac trong vùng rễ được bổ sung nhờ nguồn

NH4 từ vùng thiếu khí khuếch tán vào

NO2- + ½ O2 → NO3- + năng lượng

Các vi khuẩn thực hiện quá trình này là các loài tự dưỡng hiếu khí Nitrobacter

agilis, Nitrobacter uinugradski và các vi khuẩn khác nhau như Nitrospira, Nitrococus hoặc các vi khuẩn dị dưỡng hiếu khí Pseudomonas, Corynebacteium.

Quá trình phản nitrat: có 2 cơ chế song song quá trình khử nitrat đó là cơ chếđồng hóa và cơ chế dị hóa

 Quá trình đồng hóa: trong quá trình này, nitrat được VSV và thực vật hấp thu

chuyển chúng thành nitrit, sau đó là amoniac Amoniac sẽ được dùng để tổng

hợp Protein và acid nucleic Vi khuẩn đồng hóa là Pseudomonas aeruginosa.

Sự đồng hóa Nitơ là một quá trình sinh học chuyển từ dạng Nitơ vô cơ sanghợp chất Nitơ hữu cơ cần thiết cho xây dựng tế bào và mô (Kadlec và night,1996)

 Quá trình dị hóa: đây là hô hấp hiếm khí trong đó nitrat đóng vai trò chất nhận

điện tử cuối cùng, nitrat bị khử thành nitrousoxide (N2O) và N2, N2 là sảnphẩm cuối cùng của quá trình Các VSV tham gia trong quá trình này rất đa

dạng thuộc nhiều chi như Pseudomonas, Bacillus, Hyphomicrobium…

 Đối với virut và vi khuẩn:

Cơ chế giống như loại bỏ VSV trong hồ sinh học Chúng được loại bỏ nhờ quátrình vật lý như kết dính, lắng, lọc, hấp phụ, bị tiêu diệt trong điều kiện môi trườngkhông thuận lời trong thời gian dài Cụ thể: nhiệt độ, pH, bức xạ mặt trời (Zdragasvà cs, 2002), thiếu chất dinh dưỡng, do các vi sinh vật khác ăn

 Đối với photpho (P):

Sự hấp thụ của thực vật, quá trình đồng hóa của vi khuẩn, sự hấp thụ lên đất,vật liệu lọc và các chất hữu cơ, kết tủa và lắng cùng Ca2+, Mg2+, Fe3+ và Mn2+ lànguyên nhân loại trừ P trong nước thải Khi thời gian lưu nước dài, đất sử dụng cócấu trúc mịn thì cơ chế loại bỏ P là hấp phụ và kết tủa

 Đối với kim loại nặng:

Kết tủa và lắng dạng hydroxit không tan, hấp phụ lên các kết tủa hydroxit sắtvà mangan trong vùng hiếu khí hay kết tủa dạng sunfit kim loại trong vùng kị khícủa lớp vật liệu Đồng thời kim loại nặng cũng được hấp thụ vào rễ, thân và lá củathực vật trong hệ thống, các loài thực vật khác nhau hấp thụ kim loại nặng khácnhau Vật liệu lọc là nơi tích tụ chủ yếu kim loại nặng.

Trong cơ chế xử lý của hệ thống bãi lọc trồng cây vai trò của thực vật vô cùngquan trọng Vì vậy phải lựa chọn thực vật cho hệ thống phù hợp sẽ nâng cao hiệuquả xử lý

1.4.5 Vai trò của thực vật trong bãi lọc

Vai trò quan trọng nhất của thực vật trong chức năng xử lý nước thải của bãilọc là dựa trên các đặc tính vật lý của các mô thực vật như kiểm soát sói mòn, lọcnước, tạo nơi sống và hoạt động cho các VSV

Sự trao đổi chất của thực vật (sự hấp thu, thải khí oxy…) ảnh hưởng đến việcxử lý theo những cấp độ khác nhau tùy theo thiết kế Thực vật còn có vai trò đángquý khác như tạo cảnh quan, môi trường sống cho các loài thú hoang dã

Bảng 1.1 Tóm tắt các vai trò cơ bản của thực vật trong bãi lọc trồng cây Các bộ phận

Những mô nổi

trên mặt nước

 Giảm ánh sáng → giảm sự phát triển của các phiêu sinh vật

 Ảnh hưởng đến khí hậu tại khu vực → các nhiệt về mùa đông

 Giảm sức gió → giảm nguy cơ sáo trộn

 Tích tụ chất dinh dưỡng

Những mô chìm

dưới nước

 Có tác dụng lọc → lọc các vật thể trong dòng nước thải

 Giảm tốc độ dòng chảy → tăng tốc độ lắng đọng, giảm nguy

cơ sáo trộn

 Cung cấp bề mặt dính bám cho các màng sinh học

 Nhả khí oxy thông qua quá trình quang hợp → tăng cường quá trình phân hủy hiếu khí

 Tiêu thụ chất dinh dưỡng

Rễ và thân rễ

trong lớp bùn  Gia cố bề mặt lớp bùn lắng đọng → ít sòi mòn

 Chống tắc nghẽn trong hệ thống dòng chảy đứng