Nghiên cứu ứng dụng hệ thống đất ngập nước nhân tạo xử lý nước thải đô thị ở thành phố đông hà, tỉnh quảng trị

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- NGUYỄN XUÂN CƯỜNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ Ở THÀNH PHỐ ĐÔNG HÀ, TỈNH QUẢNG

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

-

NGUYỄN XUÂN CƯỜNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ Ở THÀNH PHỐ ĐÔNG HÀ,

TỈNH QUẢNG TRỊ

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

Hà Nội - 2018

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

-

NGUYỄN XUÂN CƯỜNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO XLNT ĐÔ

THỊ Ở TP ĐÔNG HÀ, TỈNH QUẢNG TRỊ

Chuyên ngành: Môi trường đất và nước

Mã số: 62440303

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Thị Loan

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

-

NGUYỄN XUÂN CƯỜNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ Ở THÀNH PHỐ ĐÔNG HÀ,

TỈNH QUẢNG TRỊ

Chuyên ngành: Môi trường đất và nước

Mã số: 62440303

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS NGUYỄN THỊ LOAN

Hà Nội - 2018

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi dưới sự hướng dẫn trực tiếp của giáo viên hướng dẫn Các số liệu và kết quả thể hiện trong luận án được thực hiện trong quá trình nghiên cứu luận án

Các số liệu, thông tin, ý tưởng mang tính tham khảo, chứng minh và so sánh từ các nguồn khác tôi đã trích dẫn theo đúng quy định Việc sử dụng các nguồn tài nguyên và số liệu này chỉ phục vụ cho mục đích học thuật

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này và các kết quả nghiên cứu trong luận án của mình

Nguyễn Xuân Cường

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành được luận án này tôi xin chân thành cảm ơn đến quý thầy, cô trong Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội đã quan tâm giúp đỡ chỉ bảo tận tình và có nhiều nhận xét, góp ý quý báu trong quá trình thực hiện và hoàn thiện luận án

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS Nguyễn Thị Loan đã trực tiếp hướng dẫn, tư vấn chuyên môn, giúp đỡ tận tình và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình thực hiện luận án

Tôi xin gửi lời cảm ơn của mình tới lãnh đạo Phân hiệu Đại học Huế tại tỉnh Quảng Trị - Đại học Huế, đã tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành chương trình và thực hiện luận án Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các đồng nghiệp của tôi ở Khoa Công nghệ kĩ thuật môi trường, nơi tôi công tác đã luôn chia

sẻ, động viên và hỗ trợ cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến lãnh đạo các Ban, Ngành TP Đông Hà, tỉnh Quảng Trị đã tạo điều kiện để tôi thu thập đầy đủ số liệu và triển khai thí nghiệm ở thực địa

Và cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình đã tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành tốt mọi công việc trong quá trình thực hiện luận án

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2018

Nguyễn Xuân Cường

i

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC BẢNG iv

DANH MỤC HÌNH vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 5

1.1 Nước thải đô thị và công nghệ xử lý 5

1.1.1 Đặc trưng nước thải đô thị và hệ thống quản lý 5

1.1.2 Công nghệ xử lý nước thải đô thị 9

1.2 Đất ngập nước nhân tạo 13

1.2.1 Giới thiệu 13

1.2.2 Thành phần 16

1.2.3 Cơ chế xử lý 23

1.2.4 Động học và mô hình loại bỏ ô nhiễm 29

1.3 Cải thiện hiệu suất của đất ngập nước nhân tạo 34

1.3.1 Cấp khí chủ động và bị động 34

1.3.2 Tuần hoàn nước thải 35

1.3.3 Cấp nước gián đoạn 36

1.3.4 Thiết kế tối ưu 36

1.4 Nghiên cứu và ứng dụng đất ngập nước nhân tạo 38

1.4.1 Trên thế giới 38

1.4.2 Ở Việt Nam 45

CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 52

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 52

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 52

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 53

ii

2.2 Phương pháp nghiên cứu 55

2.2.1 Phương pháp thu thập tài liệu 55

2.2.2 Phương pháp thực nghiệm 55

2.2.3 Phương pháp lấy, xử lý và phân tích mẫu 71

2.2.4 Phương pháp phân tích và xử lý số liệu 74

CHƯƠNG 3 – KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 75

3.1 Hiện trạng và tính chất nước thải thành phố Đông Hà 75

3.1.1 Thành phần và tính chất 75

3.1.2 Hiện trạng thu gom và xử lý 77

3.2 Kết quả nghiên cứu quy mô phòng thí nghiệm 79

3.2.1 Tính chất nước thải đầu vào 79

3.2.2 Hiệu quả loại bỏ ô nhiễm 80

3.2.3 Nhận xét kết quả nghiên cứu 95

3.3 Kết quả nghiên cứu quy mô thực địa 96

3.3.1 Tính chất nước thải đầu vào 96

3.3.2 Hiệu quả loại bỏ ô nhiễm 98

3.3.3 Mô hình động học 117

3.3.4 Nhận xét kết quả nghiên cứu 119

3.4 Đề xuất mô hình xử lý nước thải cho thành phố Đông Hà 121

3.4.1 Cơ sở đề xuất 121

3.4.2 Tính toán đề xuất mô hình xử lý 123

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 132

KẾT LUẬN 132

KIẾN NGHỊ 133

TÀI LIỆU THAM KHẢO 135 PHỤ LỤC a

iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BOD5 Nhu cầu ôxy sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand) COD Nhu cầu ôxy hóa học (Chemical Oxygen Demand)

CSTR Dòng chảy rối liên tục (Continuous Stirred Tank Reactor)

CW Đất ngập nước nhân tạo (Constructed Wetland)

FWS Dòng chảy tự do bề mặt (Free Water Surface)

HCHC Hợp chất hữu cơ

HF Dòng chảy ngang (Horizontal Flow)

HLR Tải trọng thủy lực (Hydraulic Loading Rate)

HRT Thời gian lưu nước (Hydraulic Retention Time)

Lrb Tải trọng loại bỏ BOD5

Lrn Tải trọng loại bỏ NH4-N

NTĐT Nước thải đô thị

PE Dân số tương đương (Population Equivalent)

PFR Dòng chảy đẩy (Plug Flow Reactor)

iv

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Phân cấp mức độ ô nhiễm của nước thải đô thị 6

Bảng 1.2: Đặc tính nước thải đầu vào nhà máy XLNT ở Việt Nam 6

Bảng 1.3: Một số công nghệ/quá trình xử lý nước thải đô thị 11

Bảng 1.4: Công nghệ XLNT ở các nhà máy tập trung ở Việt Nam 12

Bảng 1.5: Đặc tính và nồng độ kim loại trong một số vật liệu lọc 17

Bảng 1.6: Các quá trình loại bỏ chất nhiễm bẩn cơ bản 24

Bảng 1.7: Thông số thiết kế đất ngập nước nhân tạo qua các giai đoạn 36

Bảng 1.8: Thông số thiết kế đất ngập nước nhân tạo điển hình 37

Bảng 1.9: Số liệu về ứng dụng đất ngập nước nhân tạo ở Anh Quốc 39

Bảng 1.10: Ứng dụng đất ngập nước nhân tạo tích hợp trên thế giới 45

Bảng 2.1: Tổng hợp các giá trị vận hành của mô hình thí nghiệm 65

Bảng 2.2: Lượng nước bổ sung cho thí nghiệm theo thời gian 69

Bảng 2.3: Tổng hợp các giá trị vận hành của nghiên cứu quy mô thực địa 71

Bảng 2.4: Các phương pháp phân tích nước thải 73

Bảng 3.1: Tính chất nước thải đô thị TP Đông Hà (6/2010) 75

Bảng 3.2: Tính chất nước thải đô thị TP Đông Hà (1- 3/2013) 76

Bảng 3.3: Tính chất nước thải đầu vào nghiên cứu quy mô thí nghiệm 80

Bảng 3.4: Giá trị P của TSS đầu ra giữa các hệ thống 82

Bảng 3.5: Hiệu quả loại bỏ TSS của các nghiên cứu khác 82

Bảng 3.6: Kết quả loại bỏ BOD5 của các nghiên cứu khác 85

Bảng 3.7: Giá trị P của BOD5 đầu ra giữa các hệ thống 85

Bảng 3.8: Kết quả tải lượng loại bỏ BOD5 của các nghiên cứu khác 86

Bảng 3.9: Hiệu quả xử lý BOD5 ở 3 bể HF của hệ thống I và II 87

Bảng 3.10: Hiệu quả loại bỏ NH4-N của các nghiên cứu khác 89

Bảng 3.11: Giá trị P của NH4-N đầu ra giữa các các hệ thống 89

Bảng 3.12: Loại bỏ Tcol của các nghiên cứu khác 95

Bảng 3.13: Tính chất nước thải đầu vào nghiên cứu thực địa (n = 23 mẫu) 97

v

Bảng 3.14: Nồng độ TSS vào và ra ứng với các HLR 99

Bảng 3.15: Loại bỏ hợp chất hữu cơ của VF-HF từ các nghiên cứu khác 104

Bảng 3.16: Giá trị BOD5 và hiệu quả xử lý ứng với các HLR 105

Bảng 3.17: Giá trị COD và hiệu quả xử lý ứng với các HLR 105

Bảng 3.18: Hiệu quả loại bỏ dinh dưỡng của VF – HF từ các nghiên cứu 110

Bảng 3.19: Nồng độ chất dinh dưỡng và hiệu quả loại bỏ ứng với HLR 112

Bảng 3.20: Giá trị Tcol tương ứng với các HLR 116

Bảng 3.21 Hằng số tốc độ phản ứng của hợp chất hữu cơ và nitơ 118

Bảng 3.22: Tổng hợp thông số các khu vực xử lý nước thải 130

Bảng 3.23: Thông số thiết kế CW cho từng khu vực 131

vi

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Trạng thái quản lý nước thải đô thị ở Việt Nam 8

Hình 1.2: Sơ đồ quản lý nhà nước về thoát nước và xử lý NTĐT ở Việt Nam 8 Hình 1.3: Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải đô thị phổ biến ở Việt Nam 12

Hình 1.4: Các kiểu đất ngập nước nhân tạo 13

Hình 1.5: Đất ngập nước nhân tạo dòng chảy tự do bề mặt 14

Hình 1.6: Đất ngập nước nhân tạo dòng chảy ngang 14

Hình 1.7: Đất ngập nước dòng chảy đứng 16

Hình 1.8: Cây chuối hoa trong bể thí nghiệm 19

Hình 1.9: Cây môn nước trong các bể thí nghiệm 20

Hình 1.10: Cây môn đốm 21

Hình 1.11: Cây phát lộc trong bể thí nghiệm 22

Hình 1.12: Cây hoa súng ngoài môi trường (a) và trong bể thí nghiệm (b) 22

Hình 1.13: Cơ chế chuyển hóa chất ô nhiễm trong CW 24

Hình 1.14: Quá trình lắng chất rắn trong FWS 25

Hình 1.15: Chuyển hóa chất hữu cơ trong CW 26

Hình 1.16: Hệ thống cấp khí chủ động tự nhiên bằng ống “hút” khí 34

Hình 1.17: Hệ thống cấp khí chủ động tự nhiên gián đoạn 34

Hình 1.18: Tháp đất ngập nước nhân tạo “lai” 37

Hình 1.19: Mô hình đất ngập nước nhân tạo xếp tầng 38

Hình 1.20: Công trình CW tại nhà máy dệt may Hòa Thọ, Đà Nẵng 48

Hình 2.1: Sơ đồ địa điểm lấy mẫu nước thải và đặt hệ thống CW thực địa 54

Hình 2.2: Sơ đồ nghiên cứu 54

Hình 2.3: Sơ đồ bố trí các hệ thống CW quy mô phòng thí nghiệm 57

Hình 2.4: Sơ đồ mô hình thí nghiệm của hệ thống I (HF-VF-FWS) 58

Hình 2.5: Sơ đồ mô hình thí nghiệm của hệ thống II (VF-HF-FWS) 58

Hình 2.6: Sơ đồ vị trí lẫy mẫu mô hình thí nghiệm ở 2 hệ thống chính (I, II) 58 Hình 2.7: Chi tiết các bể thí nghiệm 59

Hình 2.8: Các lớp vật liệu lọc trong bể thí nghiệm 60

Hình 2.9: Mô hình nghiên cứu quy mô thí nghiệm 61

vii

Hình 2.10: Sơ đồ bố trí nghiên cứu thực địa 66

Hình 2.11: Vị trí và mô hình nghiên cứu thực địa 67

Hình 3.1: Hiệu quả loại bỏ và nồng độ TSS đầu ra 81

Hình 3.2: Nồng độ TSS qua các bể hệ thống I và II 83

Hình 3.3: Đầu ra và hiệu quả loại bỏ BOD5 của các mô hình 84

Hình 3.4: Giá trị BOD5 qua các bể xử lý hệ thống I và II 87

Hình 3.5: Nồng độ và loại bỏ NH4-N trong các hệ thống thí nghiệm 88

Hình 3.6: Giá trị và loại bỏ NO3-N trong các hệ thống thí nghiệm 90

Hình 3.7: Nồng độ NH4-N qua các bể xử lý hệ thống I và II 93

Hình 3.8: Giá trị và loại bỏ Tcol của các hệ thống thí nghiệm 94

Hình 3.9: Biến động giá trị TSS vào – ra các bể thí nghiệm 98

Hình 3.10: Nồng độ và hiệu quả loại bỏ TSS qua các bể thí nghiệm 99

Hình 3.11: Tương quan TSS đầu vào, ra và HLR 100

Hình 3.12: Giá trị BOD5 vào – ra các bể thí nghiệm theo thời gian 101

Hình 3.13: Giá trị COD vào – ra các bể thí nghiệm theo thời gian 101

Hình 3.14: Phân phối giá trị BOD5 dòng vào – ra 102

Hình 3.15: Giá trị và hiệu quả xử lý BOD5 qua các bể thí nghiệm 102

Hình 3.16: Giá trị và hiệu quả loại bỏ COD qua các bể thí nghiệm 103

Hình 3.17: Tương quan BOD5 đầu ra, vào và HLR 106

Hình 3.18: Tương quan tuyến tính giữa COD vào, ra và HLR 106

Hình 3.19: Biến động giá trị NH4-N theo thời gian 107

Hình 3.20: Nồng độ và hiệu quả loại bỏ NH4-N, TN qua các bể thí nghiệm 108 Hình 3.21: Giá trị và hiệu quả chuyển hóa NO3-N tại các bể thí nghiệm 109

Hình 3.22: Biến động nồng độ PO4-P theo thời gian 111

Hình 3.23: Tương quan tuyến tính NH4-N vào, ra và HLR 113

Hình 3.24: Tương quan tuyến tính giữa TN vào, ra và HLR 113

Hình 3.25: Tương quan tuyến tính PO4-P đầu vào, ra và HLR 114

Hình 3.26: Biến động giá trị Tcol theo thời gian 115

Hình 3.27: Giá trị và hiệu quả xử lý Tcol qua các bể thí nghiệm 116

Hình 3.28: Đề xuất hệ thống xử lý nước thải cho thành phố Đông Hà 123

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Theo thống kê, chỉ khoảng 10% (700.000 m3/ngày) nước thải đô thị (NTĐT) ở Việt Nam được xử lý trong các nhà máy tập trung [1] Còn lại, khoảng 90% nước thải ở các đô thị được xả trực tiếp ra môi trường

NTĐT không được xử lý là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây ô nhiễm môi trường ở Việt Nam [3] Quản lý và xử lý NTĐT nói chung

và nước thải sinh hoạt nói riêng là một trong những nội dung trọng tâm trong công tác bảo vệ môi trường ở nước ta hiện nay

Nước thải ở TP Đông Hà, tỉnh Quảng Trị có lưu lượng khoảng 6.248

m3/ngày và đang xả trực tiếp ra môi trường Đây được xem là nguồn gây ô nhiễm chính cho hạ lưu sông Hiếu, các hồ nội thành và khu vực ngoại thành của thành phố

Để giải quyết vấn đề NTĐT, Đông Hà có thể lựa chọn phương án xây dựng các nhà máy xử lý nước thải (XLNT) tập trung Tuy nhiên, kinh nghiệm

từ các nhà máy xử lý NTĐT như TP Hồ Chí Minh Đà Lạt, Đà Nẵng, Hà Nội… cho thấy nhiều bất cập, như chi phí xây dựng và vận hành lớn, tiêu thụ nhiều năng lượng, một số nhà máy hoạt động không hiệu quả, và chủ yếu sử dụng vốn vay ODA [1, 2, 170] Các nghiên cứu trên thế giới cũng cho thấy rằng, công nghệ XLNT truyền thống, đặc biệt công nghệ bùn hoạt tính có giới hạn là chi phí cao, xây dựng và vận hành phức tạp, nhạy cảm với nhiệt độ và

dư thừa bùn [133, 150, 179]

Với đô thị nhỏ và có tiềm lực kinh tế hạn chế như Đông Hà [10], việc xây dựng các nhà máy XLNT tập trung truyền thống sẽ gặp khó khăn Các công nghệ xử lý NTĐT có chi phí đầu tư thấp, sử dụng ít năng lượng và giảm chi phí vận hành, sẽ là sự lựa chọn bền vững hơn cho TP Đông Hà Trong các công nghệ xử lý NTĐT hiện nay, đất ngập nước nhân tạo (CW) đã được chứng minh có chi phí đầu tư thấp [26, 46, 122, 147], tiêu thụ ít điện năng và

2

kỹ thuận vận hành đơn giản [80, 122] Chi phí đầu tư hệ thống CW chỉ bằng 1/2 đến 1/3 so với nhà máy XLNT truyền thống [93]

Công nghệ CW bắt đầu được nghiên cứu và phát triển từ những năm

1970 và đến nay đã trở thành một phương pháp XLNT khá phổ biến trên thế giới [31, 80] Nhiều nước đã triển khai thành công CW với nhiều loại nước thải này như Hà Lan, Úc, Mỹ, Ireland, Đức, Anh, Đan Mạch… và gần đây là Trung Quốc và các quốc gia Đông Nam Á [68, 160, 176]

Như vậy, CW mở ra hướng tiếp cận bền vững cho xử lý NTĐT TP Đông Hà, tỉnh Quảng Trị Tuy nhiên, việc ứng dụng CW cần có nghiên cứu

và thử nghiệm để lựa chọn kiểu mô hình xử lý, vận hành, loại cây trồng và vật liệu phù hợp

Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn và khoa học nêu trên, tác giả đã lựa chọn thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng hệ thống đất ngập nước nhân tạo xử

lý nước thải đô thị ở thành phố Đông Hà, tỉnh Quảng Trị”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Luận án này được tiến hành với các mục tiêu sau đây:

 Đánh giá được khả năng XLNT đô thị ở TP Đông Hà, tỉnh Quảng Trị bằng hệ thống đất ngập nước nhân tạo;

 Đưa ra được mô hình đất ngập nước nhân tạo, XLNT đô thị ở TP Đông

Hà đạt yêu cầu xả thải (Cột B, QCVN 14: 2008/BTNMT – Khu vực tiếp nhận nước thải không sử dụng cho mục đích cấp nước sinh hoạt)

3 Luận điểm khoa học

Đặt ra nghiên cứu này dựa trên những luận điểm sau:

Đã có nhiều nghiên cứu về CW trong những năm vừa qua và gần đây phát triển khá mạnh ở Châu Á CW được xem là công nghệ phù hợp cho xử lý NTĐT ở các nước đang phát triển như Việt Nam [176] Tuy nhiên vẫn còn nhiều “lỗ hổng” và thách thức trong các nghiên cứu về CW [55, 176]

Thứ nhất, cây trồng, vật liệu lọc và các thông số hoạt động (như HRT, tải lượng ô nhiễm, kiểu thiết kế…) chi phối và ảnh hưởng lớn đến hiệu quả xử

pH, nguồn cacbon, điều kiện ôxy hóa khử và vận hành [41, 71]

Thứ ba, sự khác nhau về yêu cầu xử lý cũng dẫn đến các đòi hỏi khác nhau về kiểu mô hình và yêu cầu thiết kế CW Các quốc gia, khu vực thường

có các tiêu chuẩn và giới hạn xả thải khác nhau đối với NTĐT

Trên cơ sở đó, nghiên cứu này đặt ra để giải quyết các câu hỏi nghiên cứu sau: 1) Ứng dụng hệ thống CW nào có hiệu suất xử lý tốt hơn; 2) Cây trồng nào thích nghi tốt đối với NTĐT và đạt hiệu suất xử lý cao trong môi trường CW; 3) Các thông số vận hành ảnh hưởng như thế nào đến hiệu quả xử

lý và giá trị phù hợp cho việc thiết kế và vận hành CW để đáp ứng với nhu cầu xả thải (QCVN 14:2008/BTNMT, Cột B)

4 Nội dung nghiên cứu

Nội dung 1 Khảo sát hiện trạng NTĐT thành phố Đông Hà nhằm đánh giá mức độ ô nhiễm và xác định nhu cầu xử lý

Nội dung 2 Nghiên cứu, so sánh khả năng loại bỏ ô nhiễm (TSS, HCHC, N

và P) của các hệ thống CW quy mô phòng thí nghiệm, qua đó đánh giá lựa chọn hệ thống phù hợp

Nội dung 3: Nghiên cứu khả năng loại bỏ ô nhiễm (TSS, HCHC, N và P) của

hệ thống CW quy mô thực địa

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học:

Kết quả của luận án đưa ra dữ liệu về thiết kế, vận hành và hiệu quả của

CW xử lý NTĐT với các cây trồng mới trong điều kiện khí hậu Việt Nam Đây là cơ sở cho việc thiết kế và vận hành các hệ thống CW tương đương

Ý nghĩa thực tiễn:

4

Kết quả của nghiên cứu góp phần đưa ra phương án lựa chọn khả thi trong việc xử lý NTĐT và có thể ứng dụng phù hợp cho TP Đông Hà, tỉnh Quảng Trị Đây là phương án có thể xử lý NTĐT TP Đông Hà đạt yêu cầu xả thải (Loại B, QCVN 14:2008/BTNMT) với các thông số kĩ thuật được kiểm chứng và nghiên cứu

6 Những đóng góp mới của đề tài

Xác định được khả năng loại bỏ chất ô nhiễm và thích nghi của 03 loại cây chưa được nghiên cứu nhiều (môn nước, môn đốm và phát lộc) trong môi trường CW xử lý NTĐT ở TP Đông Hà, tỉnh Quảng Trị

Xác định được hiệu quả và mức độ thích nghi của hệ thống CW 2 giai đoạn (VF và HF) xử lý NTĐT ở môi trường thực địa (tại cống thải); qua đó đề xuất mô hình CW xử lý NTĐT cho TP Đông Hà

7 Cấu trúc của Luận án

Luận án này chia thành 03 chương Chương 1, giới thiệu lý thuyết các khái niệm, thành phần, cơ chế và động học quá trình của CW Các nghiên cứu

CW đã thực hiện trên thế giới và Việt Nam cũng được giới thiệu chi tiết ở chương này Chương 2, mô tả đối tượng, phạm vi nghiên cứu và làm rõ các phương pháp, vật liệu đã sử dụng trong vận hành và đánh giá mô hình thí nghiệm Chương 3, giới thiệu kết quả chính của nghiên cứu Dữ liệu và kết quả của nghiên cứu quy mô thí nghiệm và thực địa được phân tích, so sánh, đánh giá và thảo luận chi tiết trong chương này

Ngoài ra, luận án còn bao gồm phần mở đầu gồm các nội dung về tính cấp thiết, mục tiêu và nội dung nghiên cứu, điểm mới và đóng góp của đề tài Phần kết luận và kiến nghị, gồm tổng lược một số điểm nổi bật và ý kiến đề xuất của nghiên cứu được thể hiện ở cuối luận án

5

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 1.1 Nước thải đô thị và công nghệ xử lý

1.1.1 Đặc trưng nước thải đô thị và hệ thống quản lý

1.1.1.1 Đặc trưng nước thải đô thị

Nguồn nước và chất lượng nước phản ánh sự phát triển của xã hội Quá trình đô thị hóa và tiêu thụ tăng mạnh ở các đô thị làm gia tăng mức độ ô nhiễm và thách thức trong quản lý nguồn nước Có khoảng ½ dân số toàn cầu không có phương tiện xử lý và thải bỏ nước thải hợp lý NTĐT là nguồn chứa đựng nhiều vi khuẩn gây bệnh và ảnh hướng rất lớn đến sức khỏe [171]

NTĐT được hiểu là nước thải trong các hệ thống cống thu gom của các

đô thị (thị trấn, thị xã và TP) Tùy vào đặc trưng và hệ thống quản lý nước thải ở từng đô thị, NTĐT có thể bao gồm hỗn hợp nhiều loại nước thải như nước thải sinh hoạt, nước thải dịch vụ - thương mại, nước thải sản xuất… Ở các đô thị có thệ thống thu gom và quản lý nước thải tốt, NTĐT thường là nước thải sinh hoạt và kinh doanh – dịch vụ thông thường

Thành phần NTĐT thay đổi phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tiêu chuẩn dùng nước trên đầu người, chất lượng nước cấp, điều kiện thoát nước và thói quen của người dân Hệ thống cống hỗn hợp cả nước mưa và nước thải thường có giá trị BOD5 thấp hơn và NH4-N cao hơn hệ thống thoát riêng [2]

Về thành phần, NTĐT có thể chứa chất rắn vô cơ (cát, sỏi, mãnh vỡ…), vật chất nổi (dầu, mỡ…), kim loại, chất dinh dưỡng, HCHC, VSV (phổ biến E.coli và coliform) và mầm bệnh Mức độ ô nhiễm của NTĐT có thể phân thành các mức độ thấp - trung bình - cao (Bảng 1.1)

6

Bảng 1.1: Phân cấp mức độ ô nhiễm của nước thải đô thị [95]

Ma Thuật cao hơn Hà Nội và TP Hồ Chí Minh từ 3 – 5 lần Trong khi đó, BOD5 ở Quảng Ninh thậm chí còn thấp hơn QCVN 14:2008/BTNMT (cột B)

Bảng 1.2: Đặc tính nước thải đầu vào nhà máy XLNT ở Việt Nam [170]

Nhà máy BOD 5 COD TSS NH 4 -N TN

7

1.1.1.2 Quản lý nước thải đô thị

Quản lý NTĐT được xem là một công cụ quan trọng để cải thiện và duy trì tính toàn vẹn của môi trường và chức năng kinh tế của hệ sinh thái Hệ thống quản lý NTĐT bao gồm 04 hợp phần chính sau [149]:

Có 02 cách tiếp cận cơ bản trong quản lý NTĐT, gồm quản lý tập trung

và quản lý phân tán Quản lý NTĐT tập trung là hệ thống quản lý trong đó việc cung cấp cơ sở hạ tầng công cộng chủ yếu bởi chính quyền Hệ thống thu gom NTĐT của khu vực được kết nối với nhau và được xử lý hoặc thải bỏ tập trung Quản lý NTĐT phân tán là hệ thống quản lý chú trọng đến sự hữu dụng của công nghệ, trong đó có thể xử lý NTĐT ở nơi phát sinh [155] Hệ thống thu gom và XLNT phân tán thường là các hệ thống quy mô nhỏ, linh động và gắn với tái sử dụng nước [98]

Với khoảng 90% nước thải không được xử lý và xả trực tiếp ra môi trường, NTĐT nói chung và nước thải sinh hoạt nói riêng đang là nguyên nhân hàng đầu gây ô nhiễm nguồn nước ở Việt Nam Chất lượng nước các hệ thống sông chính, đặc biệt khu vực hạ lưu trong những năm qua suy giảm nghiêm trọng Các thông số TSS, BOD5, COD, NH4-N, NO3-N và Tcol ở nhiều khu vực vượt QCVN 08:2015/BTNMT [2]

Xem xét hiện trạng quản lý NTĐT ở Việt Nam cho thấy: khoảng 60% các hộ gia đình có đấu nối với hệ thống cống thải công cộng, tuy nhiên chỉ có 10% NTĐT được xử lý Khoảng 90% người dân ở đô thị có bể tự hoại với mức độ quản lý bùn thấp, trong đó chỉ 4% bùn thải được xử lý 77% hộ gia đình có bể tự hoại để xử lý sơ bộ nước thải, trong đó 55% số bể tự hoại có thoát nước đấu nối với hệ thống cống thải công cộng và 22% bể tự hoại có thoát nước tự thấm ra môi trường (Hình 1.1) Sự tham gia của các đơn vị ngoài nhà nước vào hệ thống quản lý NTĐT không hiệu quả

8

Hình 1.1: Trạng thái quản lý nước thải đô thị ở Việt Nam [170]

Nhìn chung, quản lý nhà nước về thoát nước và xử lý NTĐT có liên quan đến nhiều Bộ, ngành và chính quyền địa phương Trên cơ sở quy hoạch,

kế hoạch và phân bổ ngân sách hằng năm, UBND tỉnh trực tiếp quản lý đầu tư

cơ bản thoát và XLNT ở các đô thị (Hình 1.2)

Hình 1.2: Sơ đồ quản lý nhà nước về thoát nước và xử lý NTĐT ở Việt Nam

9

1.1.2 Công nghệ xử lý nước thải đô thị

Xử lý NTĐT là tập hợp các quá trình vật lý, hóa học và sinh học, hoạt động để loại bỏ chất rắn, vật chất hữu cơ, mầm bệnh, kim loại và đôi khi là chất dinh dưỡng Công nghệ xử lý NTĐT phát triển từ xử lý đơn giản đến xử

lý nâng cao và tái sử dụng nước thải

Các nhà máy xử lý NTĐT trước đây (cuối những năm 1980), chủ yếu chú trọng loại bỏ thành phần hữu cơ, SS, vật chất nổi và VSV gây bệnh với công nghệ SH truyền thống [102, 146] Những năm gần đây, công nghệ XLNT tập trung loại bỏ chất dinh dưỡng, vi khuẩn và thậm chí sử dụng công nghệ UV và màng (UF/siêu lọc, NF/Lọc nano và RO/thẩm thấu ngược) cho mục đích tái sử dụng nước thải [90, 102, 144, 146] Tuy nhiên, công nghệ xử

lý SH vẫn phổ biến hơn các công nghệ khác Nghiên cứu ở 6 quốc gia ở Châu

Mỹ - La Tinh cho thấy có đến 80% nhà máy xử lý NTĐT sử dụng công nghệ

hồ ổn định, bùn hoạt tính và kị khí dòng ngược (UASB/Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor) [110]

Các nhà máy xử lý NTĐT hiện nay trên thế giới chủ yếu là nhà máy xử

lý tập trung với quy mô nhỏ đến lớn [58, 152] Tuy nhiên, công nghệ xử lý phân tán gồm các công trình xử lý tại chỗ hay tổ hợp bể tự hoại, lọc đất, CW cũng đang được mở rộng ứng dụng cho NTĐT Công nghệ này góp phần làm giảm áp lực của hệ thống thu gom và phù hợp với các nước đang phát triển [95, 151]

Nhìn chung, công nghệ xử lý NTĐT giữa các khu vực và quốc gia khá

đa dạng Tùy theo bản chất công nghệ và mục đích xử lý có thể phân chia các nhóm công nghệ xử lý NTĐT như sau:

 Công nghệ xử lý sơ bộ: Bao gồm các công trình như song/lưới chắn rác,

bể tách dầu mỡ, lắng cát và lọc cát

10

 Công nghệ xử lý bậc 2: Bao gồm các quá trình xử lý và loại bỏ HCHC như công nghệ bùn hoạt tính, sinh học bám dính và hồ sinh học

 Công nghệ xử lý bằng đất: Bao gồm các hệ thống lọc đất chậm và nhanh

 Công nghệ đất ngập nước nhân tạo: Bao gồm các hệ thống CW đơn hoặc kết hợp

 Công nghệ khử trùng: Bao gồm khử trùng bằng Clo, Ozon và UV

 Công nghệ xử lý nâng cao: Bao gồm các công nghệ hóa lý (keo tụ - kết bông, hấp thụ, màng, trao đổi ion, thấm thấu ngược), quá trình xử lý dinh dưỡng (N, P) và thấp phụ các bon

Việc lựa chọn công nghệ xử lý NTĐT phụ thuộc vào thành phần và đặc trưng của nước thải và hệ thống quản lý Ngoài ra, quy chuẩn xả thải cũng là một yếu tố quyết định đến quy mô và trình độ công nghệ áp dụng trong xử lý NTĐT Đối với các nước đang phát triển, công nghệ xử lý NTĐT quan tâm nhiều đến các yếu tố bền vững như: chi phí thấp, không dùng hoặc ít dùng năng lượng và hóa chất, hiệu quả cao và bùn sinh ra ít Các công nghệ phù hợp gồm hồ kị khí, hồ tùy nghi, và hoàn thiện và CW [95, 139]

Một số quá trình và công nghệ xử lý NTĐT được trình bày ở Bảng 1.3

12

dưỡng (như công nghệ kị khí - thiếu khí – hiếu khí ở nhà máy Kim Liên – Trúc Bạch, Hà Nội) hay khử mùi khép kín (như nhà máy xử lý NTĐT Hòa Xuân và Phú Lộc, TP Đà Nẵng) (Hình 1.3)

Hình 1.3: Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải đô thị phổ biến ở Việt Nam Thống kê đến năm 2013 ở Việt Nam cho thấy, có 17 nhà máy xử lý NTĐT đã xây dựng ở các TP, trong đó có 8 nhà máy sử dụng công nghệ bùn hoạt tính truyền thống Có 32 nhà máy đang đang thi công hoặc chuẩn bị triển khai, trong đó 25 công trình sẽ áp dụng bùn hoạt tính (như bùn hoạt tính truyền thống, theo mẻ, mương ôxy hóa, kị khí – thiếu khí) (Bảng 1.4) [170]

Bảng 1.4: Công nghệ XLNT ở các nhà máy tập trung ở Việt Nam

(Đà Nẵng)

Sơn Trà – Hòa Cường – Ngũ Hành Sơn (Đà Nẵng)

Bắc Giang

Buôn

Ma Thuột

Hồ SH Bể lắng

2 vỏ + Lọc nhỏ giọt

150, 161] (Hình 1.4) FWS có thể chia thành loại có lớp lọc, loại không có lớp lọc, loại có cây nổi (một phần) và ngập nước hoặc trôi nổi [140]

Hình 1.4: Các kiểu đất ngập nước nhân tạo [80]

14

Hình 1.5: Đất ngập nước nhân tạo dòng chảy tự do bề mặt [124]

FWS là sự lựa chọn tốt để XLNT đô thị, nông nghiệp và nước mưa vì

nó có khả năng điều hòa tốt FWS còn được sử dụng để XLNT khai khoáng, nước ngầm tái chế, nước rỉ rác [80] và nước thải sau sự cố sóng thần [36] Tuy nhiên, FWS thường có hiệu suất loại bỏ ô nhiễm trên một đơn vị diện tích thấp hơn CW dòng chảy ngầm Các loại nước thải có nồng độ ô nhiễm cao cũng không phù hợp với FWS

1.2.1.2 Đất ngập nước dòng chảy ngang

Trong HF, nước được cấp chủ yếu theo chiều ngang, song song với mặt nước Độ dốc đáy của HF thường lớn hơn mô hình VF [158] và độ sâu thường

từ 30 – 80cm [140, 150] (Hình 1.6)

Hình 1.6: Đất ngập nước nhân tạo dòng chảy ngang [158]

15

HF xử lý tốt đối với với BOD5 và SS, thường ứng dụng xử lý bậc 2 hay tại chỗ [80] Đối với nước thải đầu ra yêu cầu cao về nitơ, HF không đáp ứng được vì giới hạn ôxy [158]

Ưu điểm của HF là tốn ít diện tích và không gặp vấn đề về muỗi như FWS và hiệu quả loại bỏ SS cao [112] Nhược điểm của HF đó là chi phí lớn (so với FWS) và có thể bị tắc nghẽn [80]

HF loại bỏ HCHC và TSS tốt nhưng khả năng xử lý chất dinh dưỡng thấp [80, 186] Hiệu quả loại bỏ của HF đối với BOD5 đạt 85%, TSS trên 83%, COD 70%, NH4-N 48%, NO3-N 35%, TP 41%, TN 42% [158]

1.2.1.3 Đất ngập nước dòng chảy đứng

Đặc điểm của VF là nước cấp theo chiều thẳng đứng, vuông góc với mặt phẳng nước và nước ra ở đáy bể (Hình 1.7) VF được phát triển nhằm bổ sung những hạn chế của HF bởi vì HF thường bị giới hạn bởi ôxy, do đó hạn chế quá trình xử lý bậc hai hay quá trình ôxy hóa amoni [186]

VF loại bỏ tốt chất hữu cơ và SS nhưng hạn chế quá trình khử nitrat

Do đó, để loại bỏ chất dinh dưỡng, cần bố trí thêm bể FWS hoặc HF sau công trình VF VF thường bố trí các lớp vật liệu lọc không liên tục khác nhau và có chiều cao hơn HF [80] Trong lớp vật liệu lọc, lớp trên có kích thước nhỏ hơn (10 – 25 mm) lớp dưới cùng (30 – 60 mm) [150]

VF đã được ứng dụng cho nhiều loại nước thải như NTĐT, nước rỉ rác, chế biến thực phẩm, nước thải công nghiệp, chăn nuôi… [80, 181]

1.2.2 Các hợp phần đất ngập nước nhân tạo

1.2.2.1 Nước

Vật liệu lọc CW phải đảm bảo no nước, thiếu nước có thể ảnh hưởng đến sự sinh trưởng của thực vật, VSV và hiệu quả hoạt động của hệ thống

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

có độ sâu mực nước thường lớn hơn HF và VF Trong HF, mực nước thường

ổn định với chế độ cấp nước liên tục Tuy nhiên, trong VF mực nước có thể dao động vì có thể cấp nước theo mẻ

17

1.2.2.2 Vật liệu lọc

Vật liệu lọc trong CW đóng vai trò như là giá thể cho thực vật và VSV phát triển Vật liệu lọc no nước có thể thay đổi tính chất, như tạo ra môi trường yếm khí [150]

Vật liệu lọc trong CW bao gồm cát, sỏi, đất, đá và vật liệu nhân tạo Các vật liệu nhân tạo bao gồm nhiều loại như bùn phèn nhôm, sét trương nở nhẹ, vật liệu tổng hợp, phụ phẩm công nghiệp… [94]

Vật liệu lọc ngoài vai trò là giá thể, nó còn có vai trò như là chất hấp phụ các chất ô nhiễm, đặc biệt là phốt pho Trong hệ thống CW, phốt pho chủ yếu bị loại bỏ bởi cơ chế hấp phụ và kết tủa bởi sự có mặt của Ca, Fe và Al trong vật liệu lọc [21] Vật liệu lọc tự nhiên bổ sung phèn nhôm, đá vôi và zeolit cũng góp phần làm tăng quá trình loại bỏ phốt pho [27, 157]

Khả năng hấp phụ của vật liệu lọc phụ thuộc vào đặc tính vật liệu và khả năng hấp phụ hay bão hòa Thí nghiệm đường đẳng nhiệt hấp phụ sẽ xác định được khả năng hấp phụ của vật liệu (Bảng 1.5) Kết quả nghiên cứu và

so sánh các vật liệu lọc tự nhiên và nhân tạo cho thấy rằng, vật liệu nhân tạo như khoáng chất canxit, đá cẩm thạch (crushed marble) với hàm lượng canxi lớn có hiệu quả loại bỏ phốt pho cao hơn vật liệu tự nhiên như cát và sỏi [37]

Bảng 1.5: Đặc tính và nồng độ kim loại trong một số vật liệu lọc [37]

Loại đá Độ rỗng

(%)

Độ dẫn điện (µS/cm)

Fe (mg/g)

Ca (mg/g)

Al (mg/g)

Mg (mg/g) Sỏi tự nhiên 30 – 43 481-590 0,14 –

0,45

2,79 – 8,47

0,61 – 4,18

0,18 – 2,28 Khoáng CaCO 3

18

Thiết kế lớp lọc trong CW phải đảm bảo thực vật phát triển, nâng cao hiệu quả lọc và duy trì độ dẫn thủy lực Do đó, hiện nay CW không sử dụng đất hoặc vật liệu có kích thước nhỏ mà sử dụng loại có kích thước lớn, phổ biến như sỏi, đá dăm (kích thước 8 – 16 mm) [51], độ rỗng 0,3 – 0,5 [176] 1.2.2.3 Thực vật

Thực vật là một thành phần quan trọng trong CW Thực vật CW gồm

có thực vật bậc cao, tảo và thảo mộc

Thực vật ảnh hưởng đến cơ chế và hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm trong

CW Rễ và thân cây góp phần giảm tốc độ dòng nước, tăng lắng, giảm tảo phát triển [32], hấp thụ dinh dưỡng [30] và giải phóng ôxy thông qua rễ [59] Ngoài ra, thực vật còn làm tăng đa dạng loài (CW lớn) và tôn tạo cảnh quan

Hiện nay có khoảng hơn 150 loài thực vật đã dùng trong CW Trong

đó, phổ biến nhất là các cây như sậy (Phragmites spp.), cỏ nến (Typha spp.), cói (Scirpus spp.) [80, 162, 176], hoa diên vĩ (Iris spp.) và cói thân mềm (Juncus spp.) [176]

Cây lục bình (Eichhornia crassipes) cũng được ứng dụng khá nhiều

nơi, đặc biệt là Châu Á [160] Trung Quốc đã sử dụng khoảng 70 loài thực

vật, phổ biến như: sậy (Phragmites australis), cói thân mềm (Juncus effusus), súng trắng (Nymphaea alba), chuối hoa (Canna indica)… [181]

Sau đây là 05 loại cây địa phương được sử dụng trong nghiên cứu này:

Cây chuối hoa:

Cây chuối hoa có tên khoa học là Canna indica, có nguồn gốc từ Châu

Mỹ, Ấn Độ và các vùng lân cận (Hình 1.8) Đây là loại thân cỏ và phát triển quanh năm Độ cao trung bình 0,6 – 1,5 m, gốc có thân rễ bò dài Cây chuối hoa là loài lưỡng tính, có hoa trên cả cây đực và cái

Hình 1.8: Cây chuối hoa trong bể thí nghiệm

Cây môn nước:

Cây môn nước có tên khoa học là Colocasia esculenta, thuộc họ ráy

(Araceae) và có nguồn gốc ở các nước Châu Á nhiệt đới và Tây Nam Thái Bình Dương (Hình 1.9)

Cây môn nước có lá rộng, thân cây cao và có củ Đây là cây thân thảo

đa niên, chiều cao khoảng từ 0,6 đến 1,4 m Cây có chu kì sinh trưởng trong khoảng 10 đến 12 tháng

20

Điều kiện sinh trưởng của cây môn nước là kênh rạch, ao và sông Ở các vùng nông thôn Việt Nam, cây môn nước thường phát triển mạnh ở các kênh, mương, ao và hồ chứa nước thải Cây môn nước có thể thu hoạch từ sau

3 tháng và thường sử dụng cho mục đích nông nghiệp

Cây môn nước là một loại cây địa phương, chưa được nghiên cứu và ứng dụng trong các hệ thống CW xử lý nước thải

Hình 1.9: Cây môn nước trong các bể thí nghiệm

Cây môn đốm:

Cây môn đốm có tên khoa học là Caladium bicolor, thuộc họ ráy

(Araceae) (Hình 1.10) Ở Việt Nam, môn đốm có thể trồng được ở 3 vùng khí hậu và ở những nơi ngập nước hoặc cạn

Môn đốm là cây thân thảo lâu năm, có lá rộng, hoa màu đỏ và chiều cao trung bình khoảng từ 15 từ 40 cm Cây môn đốm có thể trồng trong điều kiện ẩm ướt hoặc khô

Môn đốm là cây dễ trồng, cho lá đẹp và thường được trồng trong vườn nhà, công viên nhằm tôn tạo cảnh quan và phong cảnh Qua khảo sát dữ liệu công bố gần đây cho thấy, cây môn đốm chưa được sử dụng nghiên cứu trong các hệ thống CW để xử lý nước thải

21

Hình 1.10: Cây môn đốm

Cây phát lộc:

Cây phát lộc có tên khoa học là Dracaena sanderiana thuộc họ măng

tây (Asparagaceae) (Hình 1.11) Phát lộc mọc thẳng đứng, thường xanh, cao đến 1,5 m Phát lộc có thể trồng trong đất hoặc trong nước

Trong môi trường nước, phát lộc có xu hướng phát triển bộ rễ dài hơn Cây phát lộc thuộc cây có thân cột, hệ rễ chùm, có thể thu hoạch sau khi trồng 3 – 6 tháng và bán làm hoa cảnh

Cây phát lộc chưa được nghiên cứu nhiều trong CW để xử lý nước thải Sayood và nnk (2010) nghiên cứu sử dụng phát lộc để loại bỏ bisphenol (BPA) trong nước rỉ rác Kết quả cho thấy, cây phát lộc có thể hấp thụ 80% bisphenol thông qua hệ thống rễ cây [132] Yao và nnk (2011) cũng đã nghiên cứu khả năng hấp thụ chất dinh dưỡng của cây phát lộc trong môi trường CW để xử lý nước thải sinh hoạt [178]

22

Hình 1.11: Cây phát lộc trong bể thí nghiệm

Cây hoa súng:

Cây hoa súng có tên khoa học là Nymphaea pubescens, thuộc họ súng

(Nymphaeaceae) có nguồn gốc từ Ấn Độ, thường sống hoang dại trong ao, mương đầm lầy (Hình 1.12)

Hoa súng là loại cây sống trôi nổi trên mặt nước và vươn lên theo mực nước Cây hoa súng có rễ chùm và có khả năng tái sinh rất nhanh Đây là loại cây có hoa đẹp và có thể dùng trang trí hoặc tôn tạo cảnh quan Cây môn đốm chưa được ứng dụng nghiên cứu trong các hệ thống CW để xử lý nước thải

Hình 1.12: Cây hoa súng ngoài môi trường (a) và trong bể thí nghiệm (b)

Ngoài ra, trong CW còn có thể có các động vật như các loài không xương sống, cá, lưỡng cư, bò sát và chim

1.2.3 Cơ chế xử lý

1.2.3.1 Giới thiệu chung về cơ chế xử lý

CW là một hệ thống phức tạp, xảy ra nhiều quá trình và cơ chế tách, loại bỏ và chuyển hóa chất ô nhiễm (Hình 1.8) Quá trình chuyển hóa gồm: quá trình lắng chất rắn; chuyển hóa hóa học; lọc; kết tủa hóa học; phá hủy, chuyển hóa và hấp thụ bởi VSV và thực vật; hấp phụ và chuyển hóa ion trên

bề mặt vật liệu [150]

Quá trình SH đóng vai trò quan trọng trong phân hủy, chuyển hóa HCHC và chất dinh dưỡng Chuyển hóa phi sinh vật gồm vật lý và hóa học (Bảng 1.6) Quá trình hóa sinh xảy ra mạnh nhất ở lớp lọc bao gồm quá trình

hô hấp hiếu khí, lên men và mê tan hóa kị khí, hấp thụ bởi cây, tương tác enzym nội và ngoại bào, tiêu thụ, bài tiết và chết bởi động vật [77]

24

Hình 1.13: Cơ chế chuyển hóa chất ô nhiễm trong CW [77]

Cơ chế loại bỏ các loại chất ô nhiễm được thể hiện ở Bảng 1.6:

Bảng 1.6: Các quá trình loại bỏ chất nhiễm bẩn cơ bản [77, 140]

Nhóm chất/thông số Vật lý Hóa học Sinh học

Tổng SS Lắng Phân hủy SH

BOD/COD Lắng Ôxy hóa Phân hủy SH

Nhiên liệu, dầu,

BTEX, TPH; PAHs,

dung môi…

Khuếch tán/bay hơi/lắng

Ôxy quang hóa

Phân hủy SH/quang hóa/bay hơi/bốc thoát

Hợp chất nitơ Lắng Nitrat hóa và khử nitrat

hóa; hấp thụ bởi cây

P hữu cơ, PO 4 -P Lắng Kết tủa/hấp

1.2.3.2 Cơ chế loại bỏ chất rắn lơ lửng

Quá trình vật lý đóng vai trò quan trọng trong loại bỏ SS Quá trình lắng luôn diễn ra trong CW và góp phần làm giảm SS trong nước thải đầu ra

Quá trình phân tán cặn lắng chủ yếu là do quá trình nâng khí, sự trộn lẫn đất và cặn lắng bởi quá trình SH và gió (trong CW mở) [150] Ôxy sinh ra bởi tảo và thực vật chìm; NOx và N2 bởi quá trình khử nitrat hóa; CH4 từ quá trình phân hủy kị khí là các nguyên nhân gây ra sự nổi của các hạt

1.2.3.3 Cơ chế chuyển hóa hợp chất hữu cơ

Môi trường CW được chia làm 03 tầng và chủ yếu diễn ra các quá trình như sau [80]:

 Tầng trên (hiếu khí, Eh ≥ 300 mV): các phản ứng ôxy hóa NO , SO

 Tầng giữa (tùy nghi, Eh= - 100 đến 300 mV): phản ứng khử nitrat, khử

Fe3+ và Mn4+

26

 Tầng dưới (kị khí, Eh = -300 đến 100 mV): phản ứng phân hủy vật liệu hữu cơ thành amino axit, cacbon hydrat và lên men axít, khử SO … Các quá trình, phản ứng và loại bỏ chất ô nhiễm tương ứng với các tầng trong CW được thể hiện ở Hình 1.15

Hình 1.15: Chuyển hóa chất hữu cơ trong CW [80]

Quá trình loại bỏ và chuyển hóa HCHC trong CW bao gồm 2 quá trình chính, đó là quá trình vật lý và hóa sinh

- Quá trình tách vật lý:

Hạt cỡ lớn hay dạng keo được tách bởi quá trình như như loại bỏ SS Vật liệu hữu cơ hòa tan cũng được loại bỏ bởi quá trình tách như hấp phụ và hấp thụ Bay hơi cũng góp phần vào làm giảm HCHC

- Quá trình chuyển hóa sinh học:

27

Đây là quá trình quan trọng để giảm BOD và nhân tố thúc đẩy là VSV - quá trình tổng hợp sinh khối mới Năng lượng quyết định quá trình tự dưỡng (năng lượng mặt trời) hay dị dưỡng (năng lượng hóa học)

1.2.3.4 Cơ chế chuyển hóa nitơ

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

hóa Ngoài ra, còn có quá trình hấp thụ, hấp phụ và bay hơi amoni [179] Quá trình vật lý:

Các quá trình vật lý bao gồm khuếch tán nitơ từ không khí, lắng, hấp phụ và bay hơi [80] NH3 bay hơi do khuếch tán và gia tăng khi pH >8 [186]

Quá trình khoáng hóa nitơ (Ammonification):

Hầu như 50 – 60% nitơ của NTĐT ở dạng nitơ hữu cơ [80, 150] Khoáng hóa nitơ là chuyển hóa nitơ hữu cơ thành amoni bằng quá trình phân hủy HCHC Quá trình này xảy ra trong môi trường hiếu khí và kị khí, tuy nhiên điều kiện hiếu khí các phản ứng diễn ra nhanh hơn [186]

Quá trình nitrat hóa:

Trong điều kiện hiếu khí, VSV chuyển amoni (NH3/NH ) thành nitrit hoặc nitrat Nitrat có thể được hấp thụ bởi cây hoặc VSV hoặc bởi quá trình khử nitrat Điều kiện tối ưu nitrat hóa: 25 – 35 0C và pH là 7,5 – 7,8 [186]

Quá trình khử nitrat hóa:

Quá trình này diễn ra dưới điều kiện thiếu khí (và đủ cacbon) với NO đóng vai trò như chất nhận electron và cacbon hữu cơ như là chất cho electron Sản phẩm của quá trình này là N2 và N2O

Tỉ lệ cacbon/NO cần thiết trong quá trình này là 1/1 (g), O2/NO là 2,86 và CaCO3/NO là 3,0 [150] Điều kiện tối ưu C:N:P = 106:16:1, 60 – 75

0C, pH 6 – 8, DO <0,3 mg/L [80, 186]

Quá trình Anammox (Anaerobic Ammonia Oxidation):

28

Anamox là quá trình chuyển hóa nitơ trong môi trường kị khí để loại bỏ nitrit và amoni thành N2 [80] So với quá trình nitrat hóa và khử nitrat hóa, Anammox cần ít ôxy và nguồn cacbon hơn Với quá trình này, 85% amoni chuyển hóa thành N2, 15% chuyển hóa thành NO và 0,1% thành N2O [186]

1.2.3.5 Cơ chế chuyển hóa phốt pho

Tổng phốt pho trong nước gồm: ortho, poli và phốt-phát hữu cơ Phốt pho hữu cơ hình thành chủ yếu trong các quá trình chế biến, thực phẩm P vô

cơ chủ yếu từ các nguồn vệ sinh cá nhân, chất tẩy rửa, dung môi [150]

Quá trình tách vật lý/hóa học:

Phốt phát hạt được lắng xuống đáy hoặc kết dính vào thực vật hoặc màng SH Phốt phát có thể kết tủa thành các dạng không tan của kim loại hoặc hấp phụ vào sét, than bùn hoặc hydroxit sắt, nhôm [150, 168]

Chuyển hóa sinh học:

Quá trình chuyển hóa các dạng phốt phát hữu cơ và vô cơ không hòa tan sang dạng phốt phát vô cơ hòa tan được thực hiện bởi VSV Quá trình hấp thu bởi tảo, vi khuẩn, bèo đóng vai trò là một chu kì ngắn và nhanh [150]

29

1.2.3.6 Cơ chế loại bỏ mầm bệnh

Các nghiên cứu gần đây đề cập nhiều đến khả năng xử lý và khử mầm bệnh của CW [129] Mầm bệnh được đánh giá thông qua các vi khuẩn gây bệnh như E.coli, fecal coliform [186]

Lắng đọng/lọc/hấp phụ:

Hấp phụ VSV gây bệnh diễn ra ở tầng rễ và màng SH Quá trình này phụ thuộc vào bề mặt hấp phụ, sự có mặt vật liệu hữu cơ và lớp lọc [186] Nước thải đi qua màng lọc SH, VSV được giữ lại nhờ cơ chế lọc và bám dính

Tia UV:

Tia UV (UV-B; 290–320 nm và gần UV: UV-A; 320–400 nm) từ mặt trời có thể khử mầm bệnh, đặc biệt loại bỏ coliform Năng lượng mặt trời có thể khử vi-rút nhưng tốc độ chậm hơn đối với vi khuẩn [129] Tia UV sử dụng diệt vi khuẩn có thể từ mặt trời hoặc từ các nguồn nhân tạo

Cơ chế ăn mồi và khử mầm bệnh bởi thực vật:

Các vi khuẩn đơn bào, thực khuẩn có thể loại bỏ VSV gây bệnh khác trong nước thải [186] Thực vật trong CW loại bỏ mầm bệnh thông qua hệ thống rễ, màng SH và cung cấp ôxy cho quá trình khử VSV gây bệnh [129] 1.2.4 Động học và mô hình loại bỏ ô nhiễm

Theo quan điểm mô hình hóa, CW là một hệ thống phức tạp hơn quá trình XLNT truyền thống bởi vì CW có dòng chảy rối và nhiều quá trình, nhân tố tham gia quá trình loại bỏ chất ô nhiễm [97] Mục đích chính của mô hình hóa là nhằm mô phỏng chính xác hoạt động (loại bỏ chất ô nhiễm) và phục vụ cho việc thiết kế hệ thống CW

Mô hình động học loại bỏ chất ô nhiễm khá đa dạng, gồm có: các mô hình kinh nghiệm đơn giản, đến các mô hình phức tạp và các mô hình tích