KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI PHÂN HEO CỦA MÔ HÌNH BÃI LỌC TRỒNG CÂY THỦY TRÚC (Cyperus involucratus) VỚI DÒNG CHẢY BỀ MẶT VÀ DÒNG CHẢY ĐỨNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI PHÂN HEO CỦA MÔ HÌNH BÃI LỌC TRỒNG CÂY T

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI PHÂN HEO CỦA MÔ HÌNH

BÃI LỌC TRỒNG CÂY THỦY TRÚC (Cyperus involucratus)

VỚI DÒNG CHẢY BỀ MẶT VÀ DÒNG CHẢY ĐỨNG

Ngành học : CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Sinh viên thực hiện : TRẦN THỊ THANH PHẤN Niên khóa : 2006 – 2010

Tháng 7 năm 2010

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ SINH HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI PHÂN HEO CỦA MÔ HÌNH

BÃI LỌC TRỒNG CÂY THỦY TRÚC (Cyperus involucratus)

VỚI DÒNG CHẢY BỀ MẶT VÀ DÒNG CHẢY ĐỨNG

Hướng dẫn khoa học Sinh viên thực hiện

KS NGUYỄN HUY VŨ TRẦN THỊ THANH PHẤN

PGS.TS BÙI XUÂN AN

Tháng 7/2010

- PGS TS Bùi Xuân An, KS Nguyễn Huy Vũ đã gợi mở, trực tiếp hướng dẫn

cố định trong suốt quá trình thí nghiệm Mô hình thí nghiệm được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ 23 – 380C tại trại thực nghiệm Công Nghệ Sinh học từ 1/2010 đến 6/2010

Hiệu suất xử lý của 2 mô hình lần lượt là nhu cầu oxy sinh học BOD5 93,7 %, 90,3 %; nhu cầu oxy hóa học COD 93,7 %, 88,3 %; hàm lượng N tổng 70,3 %, 65,3

%; hàm lượng P tổng 94,3 %, 61,2 %; hàm lượng kim loại nặng 75 %, 97 %

Mô hình trồng cây thủy trúc có khả năng xử lý nước phân heo tốt hơn và ổn định hơn mô hình không trồng cây Mô hình đất ngập nước có dòng chảy đứng có hiệu quả

xử lý tốt hơn mô hình đất ngập nước có dòng chảy bề mặt Cây thủy trúc có thể sống

và phát triển tốt trong môi trường ô nhiễm và có khả năng xử lý nước phân heo rất tốt

và ổn định, cây càng phát triển khả năng xử lý càng cao

SUMMARRY

This subject have done in oder to study the possibility of sewage treatment on swine model removal filter surface runoff and underground flow of water plant construction in Viet Nam

The experiment was arranged in two models (surface flow and vertical flow), each model experiments constructed at eight year period, beginning on 50l/date water, fix load of COD (126 g COD/m2/date), the level of sewage, pollution head in fixed during the experiments were done at temperature 23 – 380C at the experimental farm

of biotechnology from 1/2010 to 6/2010

Two models have treated efficiency: BOD5 93,7 %, 90,3 %; COD 93,7 %, 88,3 %; Nito total 70,3 %, 65,3 %, Phosphor total 94,3 %, 61,2 %; heavy metals 75 %, 97 %

The model wetland constructed with Cyperus involucratus capable handling swine

better, more stable control treatment (no plant) The modeling Vertical subsurfac flow

effectively handled better model free water surface Cyperus involucratus can live and

thrive on environmental pollution and is capable of handling swine is very good and

stable, the Cyperus involucratus growing ability to handle higher

MỤC LỤC

Trang

Lời cảm ơn i

Tóm tắt ii

Summary iii

Mục lục iv

Danh sách các chữ viết tắt vii

Danh sách các bảng viii

Danh sách các hình .ix

Chương 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Yêu cầu của đề tài 1

1.3 Nội dung thực hiện 1

Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

2.1 Tổng quan về cây thủy trúc 3

2.1.1 Phân loại 3

2.1.2 Một số đặc tính hình thái của cây thủy trúc 3

2.2 Tổng quan về nước thải chăn nuôi heo 4

2.2.1 Nước thải chăn nuôi heo 4

2.2.2 Những thông số cơ bản đánh giá chất lượng nước thải 6

2.2.2.1 Độ pH 6

2.2.2.2 Độ đục 6

2.2.2.3 Hàm lượng chất rắn 6

2.2.2.4 Hàm lượng oxy hòa tan trong nước DO 6

2.2.2.5 Nhu cầu oxy sinh hóa BOD 7

2.2.2.6 Nhu cầu oxy hóa hóa học COD 8

2.2.2.7 Hàm lượng phosphor, nitơ 8

2.3 Tổng quan về bãi lọc trồng cây thủy sinh 9

2.3.1 Giới thiệu về đất ngập nước 9

2.3.2 Đất ngập nước nhân tạo 11

2.3.2.1 ĐNN có dòng chảy bề mặt (FWS – Free water surface) 11

2.3.2.2 ĐNN có dòng chảy ngầm (Subsurface flow Constructed Wetland – SSF) 12

2.3.3 Các cơ chế loại bỏ chất thải trong hệ thống ĐNN 14

2.3.3.1 Vật lý 14

2.3.3.2 Hóa học 14

2.3.3.3 Sinh học 15

2.4 Các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi 16

2.4.1 Phương pháp xử lý cơ học 17

2.4.2 Phương pháp hóa học 17

2.4.3 Phương pháp hóa lý 17

2.4.4 Phương pháp sinh học 18

2.4.4.1 Hệ thống Biogas 19

2.4.4.2 Khả năng xử lý ô nhiễm của thực vật 19

2.5 Ưu và nhược điểm khi sử dụng thực vật làm sạch môi trường 21

2.5.1 Ưu điểm 21

2.5.2 Nhược điểm 22

2.6 Một số nghiên cứu về cây thủy trúc để xử lý nước thải 22

Chương 3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23

3.1 Thời gian và địa điểm tiến hành nghiên cứu 23

3.2 Vật liệu thí nghiệm 23

3.2.1 Nước thải phân heo 23

3.2.2 Chuẩn bị cây thủy trúc 23

3.2.3 Vật liệu thí nghiệm 24

3.3 Xây dựng mô hình bãi lọc 24

3.4 Nội dung và phương pháp tiến hành thí nghiệm 25

3.4.1 Nội dung – phương pháp thí nghiệm 25

3.4.2 Bố trí thí nghiệm 26

3.4.3 Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích 27

3.5 Phương pháp xử lý số liệu 28

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29

4.1 Kết quả và thảo luận 29

4.1.2 Sự phát triển chiều cao thân 30

4.1.3 Sự thất thoát hơi nước 31

4.1.4 Nhu cầu oxy sinh học (BOD5) 32

4.1.5 Nhu cầu oxy hóa học (COD) 34

4.1.6 Chỉ tiêu nitơ tổng 35

4.1.7 Chỉ tiêu Phosphor tổng 37

4.1.8 Sinh khối của cây 38

4.1.9 Chỉ tiêu kim loại nặng 39

4.2 Thảo luận chung 39

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 42

5.1 Kết luận 42

5.2 Đề nghị 42

TÀI LIỆU THAM KHẢO 43 PHỤ LỤC

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BOD5 Nhu cầu oxy sinh học trong 5 ngày (Biological Oxygen Demand) BOD20 Nhu cầu oxy sinh học trong 20 ngày

ĐC1 Mô hình ĐNN dòng chảy đứng không trồng cây thủy trúc

ĐC2 Mô hình ĐNN dòng chảy bề mặt không trồng thủy trúc

FWS Đất ngập nước nhân tạo có dòng chảy bề mặt (Free water surface) HSF Mô hình bãi lọc có dòng chảy ngang (Horizontal subsurface flow)

MH2 Mô hình ĐNN có dòng chảy bề mặt trồng thủy trúc

* Có ý nghĩa thống kê sinh vật

** Rất có ý nghĩa thống kê sinh vật

*** Hoàn toàn có ý nghĩa thống kê sinh vật

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Trang

Bảng 2.1 Tính chất nước thải chăn nuôi heo 5

Bảng 2.2 Cơ chế làm sạch nước thải trong đất ngập nước nhân tạo 15

Bảng 2.3 Nhiệm vụ của thuỷ sinh thực vật trong các hệ thống xử lý 21

Bảng 3.1 Mức ô nhiễm của nước thải đầu vào 27

Bảng 3.2 Các phương pháp phân tích 28

Bảng 4.1 Nhiệt độ trung bình các tuần thí nghiệm 29

Bảng 4.2 Chiều cao TB thân cây thủy trúc trên 2 mô hình ĐNN trồng cây 30

Bảng 4.3 So sánh kết quả thống kê chiều cao cây trên 2 mô hình 31

Bảng 4.4 So sánh kết quả thống kê lượng nước mất đi của các mô hình 32

Bảng 4.5 So sánh kết quả thống kê chỉ tiêu BOD5 33

Bảng 4.6 So sánh kết quả thống kê của chỉ tiêu COD 35

Bảng 4.7 So sánh kết quả thống kê khả năng xử lý nitơ tổng 36

Bảng 4.8 So sánh kết quả thống kê của khả năng xử lý P tổng 38

Bảng 1.9 Sinh khối cây và chiều dài rễ 38

Bảng 4.10 Hàm lượng sắt đầu ra của nước thải ở tuần 8 Error! Bookmark not defined.39 Bảng 4.11 So sánh hiệu suất xử lý nước phân heo của các cây thủy sinh trên mô hình có dòng chảy đứng 42

Bảng 4.12 So sánh hiệu suất xử lý nước phân heo của các cây thủy sinh trên mô hình có dòng chảy bề mặt 42

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Trang

Hình 2.1 Cây thủy trúc được trồng trên mô hình thí nghiệm 3

Hình 2.2 Cây và hoa thủy trúc 4

Hình 2.3 Đất ngập nước có dòng chảy bề mặt 11

Hình 2.4 Mô hình bãi lọc với dòng chảy đứng 13

Hình 2.5 Mô hình bãi lọc với dòng chảy ngang 13

Hình 3.1 Cây thủy trúc ở xã Tân Thuận Bình, Chợ Gạo, Tiền Giang 23

Hình 3.2 Mô hình bãi lọc trồng cây thủy trúc với dòng chảy đứng (VFS) 24

Hình 3.3 Mô hình bãi lọc trồng cây thủy trúc với dòng chảy bề mặt (FWS) 25

Sơ đồ 2.1 Các phương pháp sinh học xử lý nước thải 18

Sơ đồ 3.1 Bố trí thí nghiệm 26 

Đồ thị 4.1Nhiệt độ thí nghiệm 29

Đồ thị 4.2 Chiều cao cây của mỗi mô hình ở các tuần tuổi 30

Đồ thị 4.3 Lượng nước bốc thoát qua các tuần tuổi 31

Đồ thị 4.4 Nồng độ BOD5 đầu ra theo thời gian xử lý của các mô hình 32

Đồ thị 4.5 Nồng độ COD đầu ra theo tuần tuổi của các mô hình 34

Đồ thị 4.6 Hàm lượng N tổng đầu ra sau khi xử lý qua mô hình 35

Đồ thị 4.7 Hàm lượng Phosphor tổng đầu ra của các mô hình 37 

Chương 1 MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề

Việc chăn nuôi heo tạo ra một khối lượng chất thải rất lớn do phân heo, nước tiểu, thức ăn thừa và nước tắm rửa, vệ sinh chuồng trại cho heo tạo nên Trong nước thải chăn nuôi heo, chất hữu cơ chiếm 60 - 70 % bao gồm các hợp chất như nitrogen, Phosphorus, hydrocarbon và các dẫn xuất của chúng v.v… Nước thải chăn nuôi heo có mùi hôi thối gây khó chịu cho con người, ngoài ra còn có các vi sinh vật, ký sinh trùng

có thể gây bệnh cho người và vật nuôi nếu chưa được xử lý.Việc xây dựng hệ thống xử

lý nước thải chăn nuôi đòi hỏi chi phí cao Vấn đề đặt ra là phải tìm ra một biện pháp

xử lý tối ưu và rẻ tiền, dễ áp dụng

Bãi lọc trồng cây thủy sinh để xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên, thân thiện với môi trường, đạt hiệu suất cao, chi phí thấp và ổn định, đồng thời góp phần làm tăng giá trị đa dạng sinh học, cải tạo cảnh quan môi trường của địa phương Sinh khối thực vật, bùn phân hủy, nước thải sau xử lý từ bãi lọc trồng cây còn có giá trị kinh tế

Từ những lý do trên cùng với sự cho phép của Bộ môn Công nghệ Sinh học- trường ĐH Nông Lâm TP.HCM và sự hướng dẫn của KS Nguyễn Huy Vũ và PGS.TS Bùi Xuân An tôi đã tiến hành nghiên cứu đề tài: “Khả năng xử lý nước phân heo của

mô hình bãi lọc trồng cây thủy trúc (Cyperus involucratus) với dòng chảy bề mặt và

dòng chảy đứng”

1.2 Yêu cầu của đề tài

Nghiên cứu khả năng xử lý nước phân heo của cây thủy trúc ở các mô hình bãi lọc có dòng chảy bề mặt và dòng chảy đứng

1.3 Nội dung thực hiện

- Thu thập tài liệu có liên quan đến đối tượng nghiên cứu (thủy trúc và nước thải phân heo, mô hình bãi lọc có dòng chảy bề mặt và dòng chảy đứng)

- Xây dựng mô hình bãi lọc trồng cây thủy trúc (mô hình dòng chảy đứng và dòng chảy bề mặt)

- Chuẩn bị cây thủy trúc và nước thải phân heo để tiến hành thí nghiệm

- Chạy mô hình và xử lý nước thải bằng bãi lọc trồng cây ở các tuổi khác nhau

- Phân tích một số chỉ tiêu ô nhiễm nước trước và sau xử lý bằng bãi lọc trồng cây

- Khả năng phát triển và sinh khối của cây thủy trúc

- Tổng hợp, xử lý và phân tích kết quả

¾ Phạm vi đề tài

- Thí nghiệm được thực hiện trong mùa nắng

- Thí nghiệm được thực hiện ở giai đoạn từ 1 đến 8 tuần tuổi

- Thực hiện trên mô hình bãi lọc có dòng chảy bề mặt và dòng chảy đứng trên quy mô mô hình với kích thước 2 x 0,5 x 0,6 m

- Thực hiện ở trại thực nghiệm bộ môn Công nghệ sinh học

- Kiểm tra các chỉ tiêu: BOD, COD, N tổng, P tổng, kim loại nặng

Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 Tổng quan về cây thủy trúc

Cyperaceae – Họ cói (từ chữ Hy Lạp kyperios: tên một loài cói gấu tàu) Trong

chi Cyperus có tới 600 loài ở những vùng nhiệt đới và nóng Ở nước ta có tới 61 loài

phần lớn là cỏ dại, một số loài được dùng đan lát, làm chiếu; một số dùng làm thức ăn chăn nuôi và một số làm cây thuốc, cây cảnh

Hình 2.1 Cây thủy trúc được trồng trên mô hình thí nghiệm

2.1.2 Một số đặc tính hình thái của cây thủy trúc

Thân thảo mọc đứng thành cụm, dạng thô, cao 0,7 – 1,5 m, có cạnh và nhiều đường vân dọc, phía gần gốc có những bẹ lá màu nâu không có phiến Lá nhiều, mọc tập trung ở đỉnh thân thành vòng dày đặc, xếp theo dạng xoắn ốc và xòe rộng ra, dài có

thể tới 20 cm; cụm hoa tán ở nách lá, nhiều Có khoảng 12 lá bắc dài từ 15,2 – 38,1 cm

và rộng 1,3 cm Những cụm hoa nhỏ màu xanh đậm mọc từ trung tâm đĩa lá

Hình 2.2 Cây và hoa thủy trúc

(http://elite-pets.narod.ru/room_bra70.htm)

Bông chét hình bầu dục, dẹp, dài khoảng 8 mm, thường không có cuống, hợp thành cụm hoa đầu ở đỉnh các nhánh hoa, bông con 8 - 12, vảy bắc 8 - 28 màu trắng hay nâu sáng, thỉnh thoảng nâu vừa, không có gân bên, thông thường có 3 gân, hoa nhị

3 mm, bao phấn 0,7 - 1 mm, vòi nhụy 0,5 - 1 mm, đầu nhụy 0,6 - 1 mm, quả bể nâu, không cuống hay có cuống, nói chung có dạng bầu dục, 0,6 - 0,8 × 0,4 - 0,6 mm, cuống nếu có 0,1 mm, trên bề mặt có những vêt lốm đóm, ra quả khi mùa hè tới

Hoa có những trái nhỏ có màu nâu khi trưởng thành Ngoài tên khoa học

Cyperus involucratus thì cây thủy trúc còn có tên Cyperus alternifolius L spp hay Cyperus flabellifomis Rottb

2.2 Tổng quan về nước thải chăn nuôi heo

2.2.1 Nước thải chăn nuôi heo phân heo

Nước thải chăn nuôi heo bao gồm nước tiểu, nước vệ sinh chuồng trại, nước tắm heo chứa các chất hữu cơ và vô cơ có trong phân, nước tiểu, thức ăn gia súc Thành phần của nước thải thay đổi tùy theo phương thức thu gom chất thải (có hốt

phân hay không hốt phân trước khi tắm heo), số lần tắm heo và vệ sinh chuồng trại trong ngày, chế độ dinh dưỡng cho heo Trong thành phần nước thải chứa một lượng lớn chất ô nhiễm ở nồng độ cao Do đó, nước thải chăn nuôi phải xử lý trước khi thải

ra nguồn tiếp nhận để tránh ô nhiễm đến môi trường

Bảng 2.1 Tính chất nước thải chăn nuôi heo

Nguyễn Thị Thùy Trang, 2008

Trong nước thải chăn nuôi hợp chất hữu cơ chiếm 70 – 80 % gồm cellulose, protein, acid amin, lipid, hydrocarbon và các dẫn xuất của chúng có trong phân và thức

ăn thừa Các chất vô cơ chiếm 20 – 30 % gồm cát, đất, muối, urê, amonium, muối chlorua SO42- Các hợp chất trong phân và nước thải dễ dàng bị phân hủy Tùy điều kiện hiếu khí hay kỵ khí mà quá trình phân hủy tạo thành các sản phẩm khác nhau như: Acid amin, acid béo, aldehide, CO2, H2O, H2S Nếu oxy được cung cấp đầy đủ, sản phẩm của quá trình phân hủy là: CO2 + H2O + NO2- + NO3- Ngược lại, trong điều kiện thiếu oxy, sự phân hủy các hợp chất hữu cơ theo con đường kỵ khí tạo ra các sản phẩm CH4, NH3, H2S, Indol, Scatol, các chất khí này tạo nên mùi hôi thối trong khu vực nuôi, ảnh hưởng xấu tới môi trường không khí

Nước thải chăn nuôi không chứa các chất độc hại như nước thải công nghiệp (acid, kiềm, kim loại nặng, chất oxy hóa, hóa chất công nghiệp) nhưng chứa nhiều loại

ấu trùng, vi trùng, trứng giun sán có trong phân gia súc Đây là những mầm bệnh có thể tồn tại rất lâu trong nước và gây bệnh cho người và gia súc

Nước phân heo có chứa các chất thải hữu cơ có hàm lượng nitơ, Phosphor cao,

có thể có nhiều kim loại nặng nên tôi tiến hành phân tích các chỉ tiêu N tổng, P tổng, kim loại nặng

2.2.2 Những thông số cơ bản đánh giá chất lượng nước thải chăn nuôi

2.2.2.1 Độ pH

Giá trị pH cho phép ta quyết định xử lý nước thải theo phương pháp thích hợp hoặc điều chỉnh lượng hóa chất trong quá trình xử lý như đông tụ hóa học, khử trùng hoặc trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học Sự thay đổi giá trị pH trong nước có thể dẫn tới sự thay đổi những thành phần trong nước do quá trình hòa tan hay kết tủa, thúc đẩy hay ngăn chặn những phản ứng hóa học xảy ra trong nước

2.2.2.2 Độ đục

Là do các chất lơ lửng, các chất hữu cơ phân rã hoặc do các động thực vật sống trong nước gây nên Độ đục làm giảm khả năng truyền dẫn ánh sáng trong nước, ảnh hưởng tới quá trình quang hợp Các vi khuẩn gây bệnh có thể xâm nhập vào các hạt rắn

vì vậy chúng không được khử trùng và có thể trở thành vi khuẩn gây bệnh trong nước Đơn vị đo độ đục là một đơn vị độ đục = 1 mg SiO2/l nước

Đơn vị chuẩn của độ đục là sự cản trở quang học do 1 mg SiO2 hòa tan trong 1 lít nước cất gây ra

2.2.2.3 Hàm lượng chất rắn

Tổng chất rắn (TS) là thành phần vật lý đặc trưng quan trọng nhất của nước thải Nó bao gồm các chất rắn nổi, lơ lửng, keo và hòa tan Do đó khi phân tích, tổng chất rắn được xác định là trọng lượng khô tính bằng mg của phần còn lại sau khi bay hơi 1 lít mẫu nước trên nồi cách thủy rồi sấy khô ở 1030C cho tới khi trọng lượng khô không đổi, đơn vị tính bằng mg/l

2.2.2.4 Hàm lượng oxy hòa tan trong nước DO

Một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của nước là hàm lượng oxy hòa tan,

vì oxy không thể thiếu được đối với tất cả các sinh vật sống trên cạn hay dưới nước Oxy duy trì quá trình trao đổi chất, sinh năng lượng cho sự sinh trưởng, sinh sản và tái sản xuất

Vì vậy, hàm lượng oxy hòa tan là lượng oxy hòa tan trong nước trong điều kiện

nhiệt độ áp suất nhất định, trao đổi chất, duy trì năng lượng do quá trình phát triển,

Oxy là chất khí khó hòa tan trong nước, không tác dụng với nước về mặt hóa học Độ hòa tan của nó phụ thuộc vào các yếu tố như áp suất, nhiệt độ và các đặc tính của nước (các thành phần hóa học, vi sinh, thủy sinh sống trong nước…) Nồng độ bão hòa oxy trong nước ở nhiệt độ cho trước có thể tính theo định luật Henry Nồng độ này thường nằm trong khoảng 8 ÷ 15 mg/l ở nhiệt độ bình thường

Các nguồn nước do có bề mặt thoáng tiếp xúc trực tiếp với không khí nên thường có hàm lượng oxy hòa tan cao Quá trình quang hợp và hô hấp của các loài thủy sinh cũng làm thay đổi hàm lượng oxy hòa tan trong nước mặt Các nguồn nước ngầm thường có hàm lượng oxy hòa tan thấp do các phản ứng oxy hóa khử xảy ra trong lòng đất tiêu thụ nhiều oxy Khi thải các chất thải sử dụng nhiều oxy vào các nguồn nước, quá trình oxy hóa chúng sẽ làm giảm nồng độ oxy hòa tan trong các nguồn nước này, thậm chí có thể đe dọa sự sống của các loài cá cũng như các sinh vật sống trong nước

Để xác định nồng độ oxy hòa tan trong nước cũng như trong nuớc thải, người ta thường dung phương pháp Winkler Phương pháp phân tích này dựa vào quá trình oxy hóa Mn2+ thành Mn4+ trong môi trường kiềm và Mn4+ lại có khả năng oxy hóa I- thành

I2 tự do trong môi trường acid Như vậy lượng I2 được giải phóng tương đương với lượng oxy hòa tan trong nước Lượng I2 này được xác định bằng phương pháp chuẩn

độ với dung dịch natri thiosunfat

DO giúp ta đánh giá được chất lượng nước

Vd: nước sạch hàm lượng oxy hòa tan tối đa DO = 14,6 mg/l ở t0 = 00C, P = 1 at Khi tăng nhiệt độ: DO = 9,2 mg/l ở t0 = 200C, P = 1 at

DO = 7 mg/l ở t0 = 350C, P = 1 at

Khi DO thấp thì nước có nhiều chất hữu cơ, nhu cầu oxy hóa tăng nên tiêu thụ nhiều oxy trong nước, ngược lại DO cao thì nước có nhiều rong, tảo tham gia quá trình quang hợp giải phóng oxy Vì vậy DO rất quan trọng để duy trì điều kiện hiếu khí và

là cơ sở để xác định nhu cầu oxy hóa sinh học

2.2.2.5 Nhu cầu oxy sinh hóa BOD

Là lượng oxy cần thiết để vsv tiêu thụ trong quá trình oxy hóa các chất hữu cơ trong nước

Đơn vị tính: mg/l

BOD là thông số quan trọng để đánh giá mức độ ô nhiễm của nước do các chất hữu cơ có thể bị vi sinh vật phân hủy trong điều kiện hiếu khí BOD chỉ ra lượng oxy mà

vi khuẩn tiêu thụ trong phản ứng oxy hóa các chất hữu cơ trong nước ô nhiễm, BOD càng cao chứng tỏ lượng chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học ô nhiễm trong nước càng lớn

Quá trình oxy hóa các chất hữu cơ trong nước có thể xảy ra 2 giai đoạn:

Giai đoạn 1: oxy hóa các hợp chất carbuahydro Quá trình này kéo dài 20 ngày ở 200C Giai đoạn 2: oxy hóa các hợp chất nitơ, bắt đầu sau ngày thứ 10 (có thể có trường hợp bắt đầu ở ngày thứ 5)

Nếu việc xác định BOD kéo dài quá 10 ngày thì lượng oxy tiêu thụ bởi phản ứng oxy hóa các hợp chất nitơ sẽ ảnh hưởng tới kết quả của giá trị BOD thực

2.2.2.6 Nhu cầu oxy hóa hóa học COD

Là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hóa các chất hữu cơ trong nước thành

CO2, H2O COD biểu thị lượng chất hữu cơ có thể oxy hóa bằng hóa học và có giá trị

cao hơn BOD vì nó bao gồm cả lượng chất hữu cơ không thể bị oxy hóa bằng vi sinh vật Tỷ lệ giữa BOD và COD thường xấp xỉ từ 0,5 – 0,7

Phương pháp phổ biến nhất để xác định COD là phương pháp bicromat

2.2.2.7 Hàm lượng phosphor, nitơ

Phospho tồn tại trong nước dưới dạng H2PO4, HPO42-, PO43- là nguồn dinh dưỡng cho các thực vật dưới nước, gây ô nhiễm, thúc đẩy hiện tượng phù nhưỡng Trong nước thải người ta thường xác định hàm lượng P tổng để xác lập tỷ số P/N để

Nitơ là chỉ tiêu đánh giá sự hiện diện chất dinh dưỡng trong nước thải Nitơ trong nước tồn tại ở các dạng chính: các hợp chất nitơ hữu cơ dạng protein hay các hợp chất phân rã; amoniac, muối amon NH4OH, NH4NO3; các hợp chất dưới dạng nitrit NO2-, nitrat NO3-, nitơ tự do

Trong nước có thể xảy ra các quá trình biến đổi oxy hóa

vk nitromonas vk nitrobacter khử nitrat

Pr → NH3 → NO2- → NO3- → N2 Oxy hóa oxy hóa khử nitrit

Khi phân tách hàm lượng nitơ trong nước ta thấy nước chứa hầu hết các hợp chất nitơ, amoniac, NH4OH thì nước mới bị ô nhiễm Nước chứa chủ yếu các hợp chất nitơ ở dạng nitrit NO2 là nước đã ô nhiễm một thời gian dài hơn Nếu chủ yếu các hợp chất nitơ ở dạng nittrat NO3 chứng tỏ quá trình oxy hóa đã kết thúc Nitrat chỉ bền trong điều kiện hiếu khí, trong điều kiện yếm khí chúng bị khử thành nitơtự do tách ra khỏi nước NO3 trong nước cao gây độc cho người, vì ở điều kiện thích hợp hệ tiêu hóa sẽ chuyển chúng thành nitrit, kết hợp với hồng cầu tạo thành chất không vận chuyển oxy gây thiếu máu

2.3 Tổng quan về bãi lọc trồng cây thủy sinh

2.3.1 Giới thiệu về đất ngập nước (ĐNN)

Đất ngập nước (ĐNN) hay bãi lọc là những vùng đất bị ngập hoặc bão hòa bởi nước bề mặt hoặc nước ngầm, là những diện tích chuyển tiếp giữa môi trường cạn và ngập nước, những nơi mà sự ngập nước của đất tạo nên sự phát triển của một hệ thực vật đặc trưng (Coward và ctv, 1979; Enny, 1985) Vì vậy, ĐNN có những đặc trưng chính như: luôn có sự hiện diện của nước, thường có những loại đất đồng nhất khác hẳn với những vùng đất cao xung quanh và luôn có sự hiện diện của thảm thực vật thích nghi với những diều kiện ẩm ướt

Theo Lương Đức Phẩm (2007) việc xử lý nước thải được thực hiện trên những cánh đồng tưới và bãi lọc dựa vào khả năng tự làm sạch đất (giữ các cặn nước trên bề mặt đất), nước thấm qua đất như đi qua lọc, nhờ có oxy trong nước mao quản và lỗ hổng của lớp đất mặt, các vi sinh vật hiếu khí hoạt động phân hủy các chất hữu cơ nhiễm bẩn Càng xuống sâu lượng oxy càng ít quá trình oxy hóa các chất hữu cơ càng giảm, cuối cùng đến độ sâu mà ở đó chỉ xảy ra quá trình khử nitrat Đã xác định được quá trình oxy hóa nước thải chỉ xảy ra ở lớp đất mặt sâu 1,5 m

Cánh đồng tưới có 2 chức năng: xử lý nước thải và tưới bón cây trồng Tùy theo chức năng nào là chính, cánh đồng tưới sẽ là cánh đồng tưới công cộng hay cánh đồng tưới nông nghiệp, hoặc chỉ làm chức năng xử lý nước thải gọi là bãi lọc Cánh đồng tưới nông nghiệp: làm ẩm đất, cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng, tỷ lệ N : P : K trong phân chuồng là 2 : 1 : 2, trong nước thải sinh hoạt 5 : 1 : 2 vì vậy nước thải sinh hoạt là nguồn phân đạm tốt nhất đối với nhiều loại cây trồng

Nước thải trước khi đưa vào cánh đồng tưới hay bãi lọc cần qua xử lý sơ bộ qua chắn rác hoặc loại bỏ rác, vật thô cứng, lắng cát loại bỏ sỏi và các tạp chất Nếu trường hợp lưu lượng nước thải lớn cần phải có bể điều hòa sau khi xử lý sơ bộ

Xử lý nước thải bằng cánh đồng tưới và bãi lọc được tính toán theo các yêu cầu:

- Đảm bảo tưới bón cho cây trồng, không gây ô nhiễm nguồn nước ngầm và nước sau khi xử lý có thể đổ vào các thủy vực

- Đảm bảo vệ sinh công cộng và các sản phẩm cây trồng

- Xây dựng xa khu dân cư, cuối hướng gió (300 - 1000 m)

- Cánh đồng tưới nên xây dựng những nơi đất cát hoặc pha cát, không nên xây dựng ở những nơi đất sét

- Cánh đồng tưới cần bằng phẳng hoặc dốc không đáng kể rồi chia thành các ô, mỗi ô

có diện tích không nhỏ hơn 3 ha Tùy theo địa hình, phương thức canh tác, kích thước các ô có thể lớn hơn Từ 5 - 8 ha đối với cánh đồng tưới, còn bãi lọc nhỏ hơn, mỗi ô có chiều dài 300 - 400 m, chiều rộng 100 - 200 m, các ô được ngăn bằng bờ đất

Nước sau khi thấm qua đất được thu về hệ thống tiêu nước là các ống ngầm được đặt dưới các ô có độ sâu 1,2 - 2 m và các mương máng ở bao quanh công trình Nếu không thu nước sau khi xử lý để đổ về các nguồn nước mà cho nước ngấm sâu vào lòng đất thì cần phải tính lượng nước đủ thấm, nếu dư sẽ có khả năng gây ô nhiễm nguồn nước ngầm Xử lý nước thải bằng cánh đồng tưới hay bãi lọc đạt hiệu quả BOD20 còn 10

- 15 mg/l, NO3- là 25 mg/l, vi khuẩn giảm tới 99,9 %, nước thu không cần khử khuẩn có thể đổ ngay vào thủy vực (Lương Đức Phẩm, 2007)

Xử lý bằng cánh đồng tưới hay bãi lọc có thể áp dụng cho các khu dân cư lớn,

kỷ thuật này tận dụng được đặc tính hóa lý của nền đất (lọc, hấp phụ, trao đổi ion, khả năng thấm nước và giữ nước, giữ cặn bẩn và các cá thể sinh vật nhỏ) và đặc tính sinh học của nền đất (tác động của vi sinh vật và cây cỏ)

Cần tính sự cân đối dinh dưỡng của cây trồng: cây hấp thụ được 40 % lượng nitơ, 90 % lượng phosphor và kali hòa tan trong nước, thì lượng chất hữu cơ đưa vào cánh đồng tưới vào khoảng 5 - 20 kg BOD/ ha/ngày

Khó khăn lớn nhất của cánh đồng tưới là diện tích cố định phải lớn và nhu cầu tưới đều đặn trong năm Nước thải trước khi đưa vào tưới được xử lý sơ bộ làm cho

nước có tốc độ thấm qua đất sẽ nhanh và ổn định hơn, hiệu quả xử lý cao hơn

2.3.2.Đất ngập nước nhân tạo

ĐNN nhân tạo là vùng đất ngập nước do con người tạo ra, được xây dựng để xử

lý nước thải dựa trên các quá trình diễn ra trong đất ngập nước tự nhiên

Có 2 loại đất ngập nước nhân tạo:

2.3.2.1 ĐNN có dòng chảy bề mặt (FWS – Free water surface)

Các hệ thống ĐNN nhân tạo dòng chảy bề mặt được thiết kế để mô phỏng chế độ thủy lực của các ĐNN tự nhiên Những hệ thống này thường là lưu vực chứa nước hoặc các kênh dẫn nước, với lớp lót bên dưới để ngăn sự rò rỉ nước, đất hoặc các lớp lọc thích hợp khác hỗ trợ cho thực vật nổi Lớp nước nông, tốc độ dòng chảy chậm, sự có mặt của thân cây quyết định dòng chảy và đặc biệt trong các mương dài và hẹp, bảo đảm điều kiện dòng chảy nhỏ

Hệ thống này giống như những đầm lầy tự nhiên Nó có một lớp đất sét tự nhiên hay nhân tạo hoặc một lớp chống thấm dưới đáy để chống rò rỉ Trên lớp chống thấm là lớp đất hay chất liệu phù hợp cho việc sinh trưởng của các loài thực vật Nước thải với

độ sâu tương đối nhỏ, chảy theo phương ngang qua bề mặt lớp đất Cấu tạo của hệ thống thường được sử dụng với dạng kênh dài và hẹp, độ sâu của nước nhỏ, vận tốc chảy nhỏ cùng với các loài thực vật tạo điều kiện cần thiết cho chế độ gần như dòng chảy đẩy (Hoàng Đàn: Diễn đàn công nghệ xử lý nước thải và trung tâm môi trường)

Hình 2.3 Đất ngập nước có dòng chảy bề mặt (Kadlec và Knight, 1996)

ĐNN dòng chảy bề mặt (FWS) xử lý nước thải bằng quá trình lắng, lọc, hấp thụ và lắng tụ Hệ thống này ít tốn kém lại tạo điều kiện điều hòa nhiệt độ khu vực hơn đất ngập nước có dòng chảy ngầm nhưng hiệu quả xử lý kém hơn, tốn diện tích hơn và phải giải quyết thêm vấn đề muỗi và côn trùng phát sinh

Theo Lê Anh Tuấn (2003) bãi lọc trồng cây có dòng chảy bề mặt có thể chia làm nhiều loại dựa vào loại thực vật thủy sinh được trồng trong bãi lọc:

- FWS với thực vật nửa ngập nước, loại thực vật này có rễ bám vào đất nhưng thân và lá phát triển trên mặt nước Loại này thường sống ở những nơi có thủy triều ổn định

- FWS với thực vật sống trôi nổi trên mặt nước: rễ các loài này không bám trên mặt đất

mà lơ lửng trên mặt nước Rễ của chúng tạo điều kiện cho vi sinh vật bám vào để phân

hủy chất thải

- FWS với thực vật có lá nổi trên mặt nước thân chìm trong nước rễ bám vào đất

- FWS với thực vật sống chìm trong nước: loại thực vật này sống chìm trong mặt nước

và chỉ phát triển ở những nguồn nước có đủ ánh sáng

2.3.2.2 Đất ngập nước có dòng chảy ngầm (Subsurface flow Constructed

Wetland – SSF)

Cấu tạo của đất ngập nước có dòng chảy ngầm (SSF) về căn bản cũng giống như đất ngập nước có dòng chảy bề mặt nhưng khác nhau ở dạng dòng chảy Trong SSF, nước thải được phân phối thành dòng chảy ngầm bên trong lớp vật liệu lọc, dòng chảy có dạng thẳng đứng từ trên xuống hay chảy theo phương nằm ngang Đáy của SSF được chống thấm bằng lớp đất sét tự nhiên hay các loại tấm phủ chống thấm nhân tạo giống như trong các hệ thống đất ngập nước dòng chảy bề mặt Lớp vật liệu lọc trong SSF bao gồm nhiều lớp nhỏ như: đất, cát, sỏi, đá Các lớp này được xếp theo thứ

tự từ trên xuống dưới, vừa là nơi cho thực vật phát triển đồng thời cũng có tác dụng giữ cặn và hấp thu các chất ô nhiễm trong quá trình xử lý

Trong đất ngập nước, trạng thái bão hòa nước khiến cho hàm lượng oxy tự do trong đất không cao, tồn tại một vùng hiếu khí trong lớp lọc nằm sát bề mặt tiếp xúc giữa đất và không khí Ngoài ra, một tiểu vùng hiếu khí khác nằm trong lớp vật liệu lọc gọi là vùng rễ Oxy được thực vật vận chuyển xuống rễ và khuếch tán ra vùng xung quanh đi vào đất làm cho vùng này có hàm lượng oxy cao Đây là nơi các vsv bám dính và phát triển và có vai trò quan trọng trong xử lý ô nhiễm Khi chảy qua lớp

vật liệu lọc, nước thải được làm sạch do quá trình tiếp xúc với bề mặt các vật liệu lọc, tiếp xúc với vùng rễ của thực vật trồng trong hệ thống đất ngập nước

Cấu tạo của SSF gồm ống dẫn nước vào, lớp đỡ bằng đất sét hoặc màng tổng hợp chống thấm, thực vật bán ngập, thành và ống dẫn nước ra

¾ Hệ thống dòng chảy thẳng đứng (Vertical subsurface flow - VSF)

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

Hình 2.4 Mô hình bãi lọc với dòng chảy đứng (Cooper, 1996)

¾ Hệ thống dòng chảy ngang (Horizontal subsurface flow -HSF)

Hình 2.5 Mô hình bãi lọc với dòng chảy ngang (Vymazal, 1997)

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, tùy nghi và kị khí Các đới hiếu khí ở xung quanh

rễ và bầu rễ, O2 được cung cấp từ lá Khi nước thải chảy qua đới rễ, nó được làm sạch bởi quá trình cơ học, sự phân hủy sinh học của vi sinh vật, sự hấp thụ của cây

2.3.3 Các cơ chế loại bỏ chất thải trong hệ thống ĐNN

Phương pháp xử lý nước thải bằng hệ thống đất ngập nước nhân tạo là một phương pháp đã được áp dụng trên thế giới cách đây vài chục năm cho đến nay các nước phát triển như Đức, Nhật, Thụy Điển… các hệ thống đất ngập nước nhân tạo vẫn đang còn được sử dụng để xử lý nước thải sinh hoạt Ở Việt Nam việc sử dụng các hệ thống tự nhiên nói chung và hệ thống đất ngập nước nhân tạo nói riêng đã bắt đầu được sử dụng, như hệ thống đất ngập nước để xử lý nước thải cho nhà máy chế biến cà phê ở Khe Sanh, hệ thống đất ngập nước của thành phố Việt Trì

Các hệ thống đất ngập nước được xây dựng để xử lý nước thải phỏng theo các quá trình sinh học, hóa và lý học của các vùng đất ngập nước tự nhiên Các vùng đất ngập nước có thể loại bỏ các chất ô nhiễm từ nước thải hoặc chuyển chúng thành các dạng vật chất ít ảnh hưởng đến sức khỏe và môi trường Thuận lợi chính của việc sử dụng hệ thống đất ngập nước nhân tạo để xử lý nước thải là quá trình xử lý được thực hiện liên tục trong tự nhiên, và với giá thành rẻ vì chi phí xây dựng và bảo quản thấp

Các hệ thống ĐNN loại bỏ được nhiều chất gây ô nhiễm bao gồm: các chất hữu

cơ, các chất rắn lơ lửng, nitơ, photpho, kim loại nặng và các vsv gây bệnh Các chất được loại bỏ khỏi nước thải trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua các quá trình vật lý, hóa học và sinh học

2.3.3.1 Vật lý

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 bay hơi NH3 từ nước thải

2.3.3.2 Hóa học

Tạo thành các hợp chất, hấp phụ trên bề mặt lớp lọc và bề mặt thực vật hoặc lắng Phân hủy hoặc biến đổi của các hợp chất kém bền bởi các tác nhân như tia tử ngoại, oxy hóa…

2.3.3.3 Sinh học

Các chất hữu cơ hòa tan được phân hủy bởi vsv đáy và vsv bám dính trên thực vật Có sự nitrat hóa và phản nitrat hóa do tác động của vsv Dưới các điều kiện thích hợp, một khối lượng đáng kể các chất ô nhiễm sẽ được thực vật hấp thụ Sự phân hủy

tự nhiên của các chất hữu cơ trong môi trường

Các loại thực vật trong hệ thống đất ngập nước bao gồm: cây sậy, cây cói, cây

cỏ nến…các loại cây này có rễ bám vào đất ở đáy và thân vươn lên trên mặt nước Một

số bộ phận thực vật đóng vai trò quan trọng trong xử lý nước thải như:

Phần thực vật tiếp xúc với không khí: Bóng cây làm suy giảm ánh sáng dẫn đến giảm sự sinh trưởng của thực vật phù du, tạo vi khí hậu, cách nhiệt trong mùa đông, giảm tốc độ gió, tạo chất dinh dưỡng thông qua các quá trình quang hợp

Phần thực vật tiếp xúc với nước: có các hiệu quả lọc (lọc qua các mô xốp), giảm tốc độ dòng chảy, tăng tỷ lệ trầm tích, cung cấp diện tích bề mặt cho vsv bám dính, tạo O2 bởi quang hợp, tăng sự phân hủy hiếu khí, hấp phụ chất dinh dưỡng

Rễ và đới rễ trong lớp trầm tích: giúp ổn định bề mặt lắng đọng, giảm xói mòn Ngăn chặn sự tắt nghẽn lớp lọc trong hệ thống dòng thẳng đứng Sinh O2 làm tăng sự phân hủy hiếu khí và sự nitrat hóa Hấp phụ chất dinh dưỡng

Hệ thống này được biết đến với nhiều tên gọi khác nhau: đất ngập nước, bãi lọc ngầm trồng cây, hệ xử lý với vùng rễ, cành đồng tưới hay bãi lọc

Bảng 2.2 Cơ chế làm sạch nước thải ở ĐNN nhân tạo

rễ thực vật và trên bề mặt các hạt; hấp phụ, lắng và lọc đối với BOD hạt keo

Hấp thụ bởi thực vật , phân hủy sinh học bởi các vi khuẩn, hiếu khí tùy nghi và kị khí trên thân rễ thực vật và trên bề mặt các vật liệu lọc (gọi là màng vi sinh vật)

Chất rấn lơ

lửng

Lắng, lọc, hấp phụ bề mặt Lọc qua lớp vật liệu và bộ rễ

Bảng 2.2 (tt) Cơ chế làm sạch nước thải ở ĐNN nhân tạo

Phosphor Kết tủa, lắng, thực vậy hấp thụ Kết tủa và lọc, thực vật hấp thụ

Các chất

hữu cơ tổng

hợp

Bay hơi, thực vật hấp thụ và phân hủy sinh học

Hấp thụ bởi rễ và vật liệu lọc

Kim loại

nặng

Kết tủa, lắng lọc, thực vật hấp thụ

Lắng lọc, hấp phụ trên bề mặt hạt vật liệu lọc, thực vật hấp thụ

Nguyễn Việt Anh, 2006

Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống đất ngập nước: các hệ thống đất ngập nước dùng để xử lý nước thải, đặc biệt là đất ngập nước tự nhiên chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố tự nhiên trong suốt quá trình hình thành và hoạt động của nó như:

- Thời tiết, khí hậu: nắng, mưa, gió, nhiệt độ, ánh sáng, độ ẩm, các mùa trong năm

- Đất đai

- Địa hình: hình thể, độ dốc…

- Chế độ thủy văn: mực nước ngầm, thủy triều

Ngoài các yếu tố tự nhiên, các hệ thống ĐNN còn chịu ảnh hưởng bởi các yếu

tố kỹ thuật như:

- Thành phần, tính chất nước thải đầu vào và mức độ tiền xử lý

- Quá trình kiểm soát các thông số vận hành của hệ thống (chế độ thủy lực)

2.4 Các phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi

2.4.1 Phương pháp xử lý cơ học

Mục đích là tách chất rắn, cặn phân rã khỏi hỗn hợp nước thải bằng cách thu gom, phân riêng có thể dùng song chắn rác, bể lắng sơ bộ dễ dàng tạo điều kiện thuận lợi và giảm khối tích của công trình xử lý tiếp theo Người ta còn dùng phương pháp ly tâm hoặc lọc Hàm lượng cặn trong chất thải chăn nuôi khá lớn (vài ngàn mg/l) và dễ lắng nên có thể lắng sơ bộ trước rồi đưa sang các công trình xử lý sau

Sau khi tách, nước thải được đưa sang các công trình xử lý phía sau, còn phần chất rắn được đem ủ để làm phân bón (Nguyễn Thị Mỹ Linh và ctv, 2008)

2.4.2 Phương pháp hóa học

Các phương pháp hóa học dùng trong xử lý nước thải gồm có: trung hòa, oxy hóa và khử Tất cả các phương pháp này đều dùng các tác nhân hóa học nên là phương pháp đắt tiền Người ta sử dụng các phương pháp hóa học để khử các chất hòa tan Đôi khi các phương pháp này được xử lý sơ bộ trước xử lý sinh học hay sau công đoạn này như là phương pháp xử lý nước thải lần cuối để thải vào nguồn nước

- Phương pháp trung hòa

Nước thải chứa các acid vô cơ hoặc kiềm cần được trung hòa đưa về pH về khoảng 6,5 - 8,5 trước khi thải vào nguồn nước hoặc sử dụng cho công nghệ xử lý tiếp theo.Việc lựa chọn phương pháp trung hòa là tùy thuộc vào thể tích và nồng độ của nước thải, chế độ thải nước thải, khả năng sẵn có và giá thành của các tác nhân hóa học

- Phương pháp oxy hóa khử

Để làm sạch nước thải người ta sử dụng các tác nhân oxy hóa như clo ở dạng khí và hóa lỏng, dioxide clo, clorat canxi, permanganat kali, bicromat kali, peroxythydro (H2O2), oxy của không khí, ozon… Trong quá trình oxy hóa, các chất độc hại của nước thải được chuyển thành các chất ít độc hơn và tách ra khỏi nước Quá trình này tiêu tốn một lượng lớn các tác nhân hóa học, do đó quá trình oxy hóa hóa học chỉ được dùng trong những trường hợp khi các tạp chất gây nhiễm bẩn trong nước thải không thể tách bằng những phương pháp khác

2.4.3 Phương pháp hóa lý

Nước thải chăn nuôi còn chứa nhiều chất hữu cơ và 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 dùng phương pháp keo tụ để loại bỏ

chúng Chất keo tụ thường sử dụng là phèn nhôm, phèn sắt kết hợp với polymer trợ keo tụ để tăng quá trình keo tụ

Nguyên tắc của phương pháp này là: cho vào các hạt keo mang điện tích trái dấu với các hạt lơ lửng trong nước thải (các hạt vô cơ có nguồn gốc silic và chất hữu

cơ trong nước thải mang điện (-), còn các hạt nhôm hydroxyde và sắt hydroxyde được đưa vào mang điện (+) khi thế điện động của nước bị phá vỡ, các hạt mang điện trái dấu này sẽ liên kết lại thành những bông cặn có kích thước lớn hơn và dễ lắng hơn

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, tuyến nổi cũng là một phương pháp để tách các hạt có khả năng tách kém nhưng có thể dính vào các bọt khí nổi trên Nhưng chi phí vận hành đầu tư cao cũng không hiệu quả về mặt kinh tế đối với các trại chăn nuôi (Nguyễn Thị Mỹ Linh

và ctv, 2008)

2.4.4 Phương pháp sinh học

Phương pháp này dựa vào hoạt động của các vi sinh vật có khả năng phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm hòa tan trong nuớc thải Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng để duy trì hoạt

động sống của chúng Trong quá trình sống chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây

dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên sinh khối của chúng được tăng lên Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật được gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa Tùy theo nhóm vi khuẩn sử dụng là hiếu khí hay kị khí mà người ta thiết kế các công trình khác nhau

Sơ đồ 2.1 Các phương pháp sinh học xử lý nước thải

Các phương pháp sinh học xử lý nước thải

Màng lọc sinh học

Ao hồ ổn định NT

Bể kỵ khí

Bể lọc

kỵ khí Khử

nitrate

2.4.4.1 Hệ thống Biogas

Biogas là một loại khí đốt sinh học được tạo ra khi phân hủy yếm khí phân thải

ra của gia súc Các chất thải của gia súc được cho vào hầm kín (hay túi ủ), ở đó các vi sinh vật sẽ phân hủy chúng thành các chất mùn và khí, khí này được thu lại qua một hệ thống đường dẫn tới lò để đốt, phục vụ sinh hoạt của gia đình Các chất thải ra sau quá trình phân hủy trong hầm kín (hay túi ủ) gần như sạch và có thể thải ra môi trường, đặc biệt nước thải của hệ thống Biogas có thể dùng tưới cho cây trồng Với khoảng 1,5 triệu đồng chi phí lắp đặt một hệ thống Biogas hoàn toàn phù hợp với điều kiện nông dân Người nông dân có thể hoàn toàn tiết kiệm được khoản tiền chi phí cho gas đốt

a Ưu điểm của hệ thống Biogas

- Tạo năng lượng mới dể thực hiện, không đòi hỏi kỷ thuật cao, phức tạp, không đòi hỏi nguyên kiệu khắc khe

- Làm ổn định chất thải (quan trọng trong làm phân bón)

- Tăng giá trị dinh dưỡng cho cây trồng

Ví dụ: sau khi lên men 50 % nitơ hữu cơ được chuyển thành ammoniac hòa tan sau đó chuyển thành nitrit, nitrat (dạng vô cơ hòa tan thực vật dễ hấp thu)

- Tiêu diệt hoặc ức chế vi sinh vật gây bệnh và hủy mầm bệnh vì nhiệt độ cao 300C trong thời gian dài

b Nhược điểm của hệ thống Biogas

- Trong quá trình lên men các vi sinh vật gây bệnh và mầm bệnh không phải lúc nào cũng bị tiêu diệt hoàn toàn

- Tiền đầu tư xây dựng bể biogas còn cao so với thu nhập của nhân dân

- Cặn bùn sau khi lên men được sử dụng như phân hữu cơ rất tốt song chứa 88 – 92 % nước do đó vận chuyển khó khăn

2.4.4.2 Khả năng xử lý ô nhiễm của thực vật

Nước thải từ các trại chăn nuôi chứa rất nhiều nitrogen, phosphorus và những hợp chất vô cơ có thể hoà tan được Rất khó tách những chất thải này khỏi nước bằng cách quét rửa hay lọc thông thường Tuy nhiên một số loại cây thủy sinh như bèo lục bình, cỏ muỗi nước có thể xử lý nước thải, vừa ít tốn kinh phí lại thân thiện với môi trường

V.R.Joglekal, V.G.Sonar etal (1998) đã nghiên cứu sử dụng bèo lục bình trong

xử lý nước thải Nước thải từ các chuồng gia súc trước tiên cho chảy vào bể lắng, để

chất thải rắn lắng xuống đáy Sau vài ngày cho nước thải trong chảy vào bể mở có bèo lục bình Mặt nước trong bể được cây che phủ (mật độ khoảng 400 cây/bể) Đối với bèo lục bình, bể có thể làm sâu tuỳ ý, phù hợp với thời tiết ấm Kích cỡ của bể tuỳ thuộc vào lượng nước thải cần được xử lý Ví dụ, chất thải của 10 con gia súc vào khoảng 456 lít, sẽ cần bể mỗi cạnh 6 m, sâu 0,5 m Bể phải có tổng khối lượng 18 m3

và diện tích bề mặt 36 m2 Bể có thể chứa nước thải chuồng nuôi khoảng 30 ngày Nước thải được giữ trong bể xử lý 10 ngày Thời gian này, lượng phospho trong nước giảm khoảng 57 – 58 %, trong khi 44 % lượng nitơ được loại bỏ BOD5 (là phương pháp xác định mức độ vật chất hữu cơ trong nước) Trong thời gian giảm xử lý 10 ngày, BOD5 giảm khoảng 80 – 90 % Những biện pháp xử lý nước thải theo cách này đáp ứng tiêu chuẩn tối thiểu Nước thải ra sông hồ, suối một cách an toàn mà không cần xử lý thêm (trích dẫn bởi Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003)

Ngoài ra, các nhà khoa học Israel, G.Oron và D.Porath thuộc trường đại học Ben-Guron (1966) đã nghiên cứu ứng dụng bèo hoa dâu (Lemmagibba) để xử lý nước thải Bể được xây sâu 20 - 30 cm, sau 10 ngày thu được 10 – 15 g sinh khối bèo khô/m2/ngày Hàm lượng protein trong bèo đạt 30 %, chất lượng tốt cho chăn nuôi (trích dẫn bởi Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương, 2003)

Mặc khác, các cây thuỷ sinh này có thể thu hoạch và dùng làm phân hữu cơ Bản thân chúng có thể trực tiếp làm phân xanh hoặc phân trộn

¾ Khả năng chuyển hóa chất hữu cơ trong nước thải của thực vật thủy sinh

Khả năng phát triển của thực vật thủy sinh nhanh hơn các thực vật khác nhưng chậm hơn vi sinh vật do đó khả năng xử lý chậm hơn (do tốc độ sinh trưởng của vi sinh vật nhanh hơn, khả năng chuyển hóa vật chất trong một ngày/đêm của vi sinh vật rất cao Chúng có thể chuyển hóa lượng vật chất gấp hàng ngàn lần khối lượng của chúng)

Tuy nhiên, theo Nguyễn Đức Lượng và Nguyễn Thị Thùy Dương (2003) thực vật thủy sinh có ưu điểm rất đặc biệt là khả năng hấp thụ kim loại nặng, khả năng ổn định sinh khối trong điều kiện tự nhiên, khả năng cộng sinh trong môi trường nước, dễ dàng thu nhận sinh khối và sử dụng trong nhiều mục đích khác nhau Các vi lượng được thực vật thủy sinh hấp thụ và chuyển hóa trong tế bào thực vật và tham gia vào các thành phần của tế bào thực vật như:

Fe: Kết hợp với proenzyme tạo các enzyme hô hấp, xitocrom (citocromoxydase,

Cu: Tham gia vào nhóm ngoại của polyphenolocydase, lactase là những enzyme tham gia vào phản ứng không ánh sáng của thực vật và phản ứng khác Cu > 0,4 mg/l sẽ gây độc cho thực vật thủy sinh

Zn: Tham gia vào thành phần của enzyme carbonhydrase, phosphatase…

Bảng 2.3 Nhiệm vụ của thuỷ sinh thực vật trong các hệ thống xử lý

Làm giảm sự trao đổi giữa nước và khí quyển

Chuyển oxy từ lá xuống rễ, làm tăng quá trình khoáng hóa các chất hữu cơ

Lê Hoàng Việt, 2003

2.5 Ưu và nhược điểm khi sử dụng thực vật làm sạch môi trường

2.5.1 Ưu điểm

Việc sử dung thực vật làm sạch môi trường có hiệu quả xử lý tuy chậm nhưng rất ổn định đối với những loại nước có BOD và COD thấp, không chứa độc tố Những kết quả nghiên cứu và ứng dụng ở nhiều nước đã đưa ra những ưu điểm sau:

1 Chi phí thấp

2 Quá trình công nghệ không đòi hỏi kỹ thuật phức tạp

3 Hiệu quả ổn định đối với những loại nước có mức ô nhiễm thấp

4 Tạo thảm thực vật có ý nghĩa rất lớn trong việc điều hòa không khí

5 Sinh khối tạo ra sau quá trình xử lý được ứng dụng vào những mục đích khác:

- Làm nguyên liệu cho thủ công mỹ nghệ: cói, đay, lục bình, cỏ…

7 Sử dụng thực vật thủy sinh để xử lý nước ô nhiễm trong nhiều trường hợp không cần cung cấp năng lượng

2.5.2 Nhược điểm

1 Diện tích cần sử dụng để xử lý chất thải cần phải lớn

2 Khi thực vật phát triển mạnh sẽ chiếm không gian lớn ngăn cản ánh sáng chiếu sâu vào lòng nước vsv không bị tiêu diệt bởi ánh sáng mặt trời Thảm thực vật thủy sinh là vật cản và hấp thụ rất hữu hiệu tia tử ngoại và hồng ngoại của ánh sáng mặt trời do đó cùng với sự phát triển của vi sinh vật có lợi là vi sinh vật gây bệnh

2.6 Một số nghiên cứu về cây thủy trúc để xử lý nước thải

Lê Thế Trung đã chứng minh cây thủy trúc và rau chai có khả năng làm giảm mùi hôi thối của nước thải phân heo và nước sau khi xử lý trong hơn, các chất ô nhiễm trong nước giảm nhiều

Nhóm tác giả Đỗ Ngọc Khuê, Phạm Kiên Cường, Đỗ Bình Minh, Tô Văn Thiệp

đã thực hiện đề tài chứng minh được cây thủy trúc có khả năng hấp thụ trực tiếp TNT từ môi trường nước và chuyển hóa thành các chất ít độc hại hơn với môi trường khi trồng khóm thủy trúc trên đất không nhiễm TNT (đối chứng) và khóm thủy trúc trên đất TNT

Theo Nguyễn Thị Thanh Thanh (2008) cây thủy trúc có khả năng xử lý nước rỉ rác nhưng vẫn chưa đạt tiêu chuẩn xả thải có thể là do thời gian lưu ngắn (4 ngày) Tuy nhiên, những nghiên cứu về cây thủy trúc để xử lý nước thải còn khá mới mẻ nên chỉ dừng lại ở những nghiên cứu khoa học chứ chưa được ứng dụng ngoài thực tiễn Vì những lợi ích mà thủy trúc mang lại nên tôi tiếp tục thực hiện nghiên cứu về khả năng

xử lý nước thải phân heo của thủy trúc trên hai mô hình bãi lọc với dòng chảy đứng và dòng chảy bề mặt để có thể ứng dụng vào thực tiễn một cách hiệu quả cả về mặt kinh

tế và môi trường

Chương 3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Thời gian và địa điểm tiến hành nghiên cứu

Thời gian: từ ngày 10/1/2009 đến ngày 10/6/2009

- Từ tháng 1 - 3/2009: xây dựng bãi lọc, dưỡng cây thủy trúc, ủ phân

3.2.1 Nước thải phân heo

Phân lấy tại trại Thực nghiệm Khoa Chăn nuôi – Thú y trường ĐH Nông Lâm TP.HCM Phân heo được lấy hàng ngày vào buổi sáng, ủ trong bao nilon 20 ngày trước khi tiến hành thí nghiệm

3.2.2 Chuẩn bị cây thủy trúc

Cây thủy trúc được lấy tại xã Tân Thuận Bình, huyện Chợ Gạo, tỉnh Tiền Giang Chọn những cây trưởng thành, phát triển khỏe mạnh trồng vào mô hình

Hình 3.2 Cây thủy trúc ở xã Tân Thuận Bình, Chợ Gạo, Tiền Giang

3.3 Xây dựng mô hình bãi lọc

Mô hình được xây dựng tại trại thực nghiệm của Bộ môn Công nghệ Sinh học trường ĐH Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh Mô hình được xây dưới dạng bể lọc nổi trên mặt đất với kích thước chiều dài 2 m, chiều ngang 0,5 m, chiều cao 0,6 m, diện tích bể là 1 m2, cuối bể có gắn 2 van φ34 để lấy nước đầu ra Trong thời gian thí nghiệm, mô hình bãi lọc được che mưa bởi mái che bằng bạc, và sẽ được cuộn lại khi không có mưa

Mô hình được phủ bạc PE để tránh rò rỉ nước

+ ĐNN dòng chảy đứng (MH1): TN được thực hiện trên mô hình ĐNN có dòng chảy đứng, cây thủy trúc là thực vật ở trên, lớp đá lớn ở dưới đáy dày 120 mm, lớp đá

mi kế tiếp dày 80 mm và lớp cát mịn dày 200 mm, lớp nước 100 mm Độ dốc của thu nước là 1 % Dưới đáy mô hình đặt 3 ống nhựa PVC có nhiều lỗ nhỏ để thu nước ra Mô hình này nhằm mục đích cho nước thải đi theo chiều từ trên xuống qua từng lớp trong vật liệu lọc của mô hình và nước thải phải được cho vào đều cả mô hình

Hình 3.3 Mô hình ĐNN trồng cây thủy trúc với dòng chảy đứng (VFS)

+ ĐNN dòng chảy bề mặt (MH2): trong mô hình có chứa một lớp mỏng 120 mm

đá (1 x 2) có tác dụng giữ rễ cây ban đầu Mực nước ban đầu của mô hình 380 mm Nước thải sẽ chảy nhỏ giọt và theo phương ngang của mô hình khi cho nước thải vào một đầu của mô hình tránh làm xáo trộn dòng nước

Hình 3.4 Mô hình bãi lọc trồng cây thủy trúc với dòng chảy bề mặt (FWS)

Phương pháp trồng cây:

- Cây cách cây 30 cm

- Hàng cách hàng 30 cm

Chọn độ tuổi tiến hành thí nghiệm là từ 1 đến 8 tuần tuổi

3.4 Nội dung và phương pháp tiến hành thí nghiệm

3.4.1 Nội dung – phương pháp thí nghiệm

¾ Nội dung thí nghiệm

- Theo dõi nhiệt độ hàng ngày trong quá trình thí nghiệm

- Theo dõi quá trình sinh trưởng của cây

- Ghi nhận lượng nước bốc thoát mỗi ngày

- Theo dõi hiệu quả xử lý COD, BOD5, N tổng, P tổng, kim loại nặng của cây trên hai

mô hình với các độ tuổi khác nhau

Đề tài được thực hiện qua các giai đoạn:

1 Giai đoạn chuẩn bị

Xây dựng các mô hình với kích thước 2 x 0,5 x 0,6 m ở trại thực nghiệm của bộ môn Công nghệ sinh học và được phủ nhựa PE để tránh rò rỉ nước

Ủ phân: phân heo được lấy vào lúc 7 h sáng hàng ngày từ trại chăn nuôi thú y trường ĐH Nông Lâm TP.HCM được ủ ít nhất 20 ngày trước khi tiến hành thí nghiệm

2 Giai đoạn ươm cây

Cây lấy về được rửa sạch và cắt ngắn thân khoảng 30 cm, rồi trồng trong bao đất dinh dưỡng có độ rỗng xốp thích hợp trong 4 tuần, tưới nước sạch để cây phát triển thành cây con Nhằm tạo môi trường phát triển đồng nhất cho cây

3 Giai đoạn thích nghi

Lựa chọn những cây phát triển tốt đưa vào mô hình, tiến hành tưới thích nghi cho cây với nước phân pha loãng với các nồng độ 1 %, 1,5 % (COD 2000 – 2500 mg/l) trong 3 tuần Giai đoạn này giúp hệ quần xã của cây và vi sinh vật thích ứng tốt với nước thải, hạn chế chết cây do thay đổi nồng độ

4 Giai đoạn thí nghiệm

Cây được tưới nước phân với nồng độ COD 2000 – 2500 mg/l vào lúc 7 h sáng, lưu lượng nước thải 50 l/ngày và đo lượng nước bốc thoát Sau 7 ngày thì lấy nước đầu

ra đo các chỉ tiêu ô nhiễm Tiến hành thí nghiệm ở các giai đoạn từ 1 đến 8 tuần tuổi

3.4.2 Bố trí thí nghiệm

Sơ đồ 3.1 Bố trí thí nghiệm

Thí nghiệm xác định ảnh hưởng của cây thủy trúc ở các giai đoạn từ 1 đến 8 tuần tuổi lên khả năng xử lý nước thải chăn nuôi trên 2 mô hình với nồng độ nước thải nhất định, tải lượng 126 g COD/m2/ngày, lưu lượng nước thải 50 l/ngày Ở mô hình dòng chảy đứng lượng nước ban đầu là 170 l còn ở mô hình dòng chảy bề mặt lượng nước ban đầu là 350 l và hàng ngày lượng nước thải được đưa vào mô hình là 50 l sau đó theo dõi sự bốc thoát hơi nước hàng ngày ở cả 2 mô hình

Bảng 3.1 Các chỉ tiêu của nước thải đầu vào

Chỉ tiêu Nhiệt độ

0C

pH COD mg/l

BOD mg/l

N tổng mg/l

P tổng mg/l

Kim loại nặng

Fe mg/l

Cu mg/l

Zn mg/l

3.4.3 Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích

Mẫu được lấy lúc 7 - 9 giờ sáng mẫu sau khi lấy được tiến hành phân tích ngay các chỉ tiêu BOD5, COD Sau đó được bảo quản ở 40C khi chưa phân tích đủ các chỉ tiêu

a Các chỉ tiêu khảo sát

- Chỉ tiêu khí hậu: nhiệt độ

- Chiều dài thân

- Lượng nước bốc thoát hàng ngày

- Sinh khối cây

- Chỉ tiêu nước thải: COD, BOD5, N tổng, P tổng, kim loại nặng

b Các phương pháp theo dõi

- Chiều dài thân: được tính từ lúc bắt đầu cắt cây để tính tuổi 0 (cm) và cứ sau 1 tuần cây lại được đo để kiểm tra khả năng phát triển chiều dài Chiều dài thân được tính từ

vị trí ra chồi đến ngọn lá Sau khi cắt mỗi bể chọn ngẫu nhiên 7 cây ở 7 vị trí khác nhau Các cây được đánh dấu và chọn chồi ra đầu tiên để theo dõi chiều dài trong suốt quá trình thí nghiệm Chiều dài cây trong mô hình là chiều dài trung bình của 7 cây

- Lượng nước bốc thoát: lượng nước mất đi hàng ngày được xác định bằng hiệu số của thể tích nước đưa vào hàng ngày và lượng nước đầu ra thu được hàng ngày

- Nhiệt độ: đo hàng ngày trực tiếp tại chỗ bằng nhiệt kế 0 - 1000C

- Sinh khối cây: sau khi kết thúc thí nghiệm cân tổng khối lượng tươi của cây ở mỗi

mô hình bao gồm phần trên mặt nước và phần dưới mặt nước sau khi phơi khô, cân để xác định khối lượng khô Tính lượng sinh khối thu được trên một đơn vị diện tích

- Chỉ tiêu COD được đo hàng tuần, còn các chỉ tiêu BOD5, N tổng, P tổng và nước thải đầu vào được đo 2 tuần một lần Kim loại nặng được đo vào tuần thứ 8 của thí nghiệm Tất cả các chỉ tiêu này được phân tích tại Trung tâm Công nghệ và Quản lý Môi trường và Tài nguyên - trường ĐH Nông Lâm TP.HCM

Bảng 3.2 Các phương pháp phân tích sử dụng trong nghiên cứu

c Các phương pháp tính toán

Lượng nước mất đi trên một đơn vị diện tích

T = Vv : Vr / S

Vv: lượng nước thải vào hàng ngày

Vr: lượng nước thải ra hàng ngày

Số liệu được xử lý bằng Microsoft Excel 2007 và phân tích thống kê theo

ANOVA bằng phần mềm Statgraphics Plus 3.0

Các ký hiệu biểu thị kết quả thống kê:

Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4.1 Kết quả và thảo luận

4.1.1 Điều kiện nhiệt độ thí nghiệm

Bảng 4.1 Nhiệt độ trung bình các tuần thí nghiệm (0C)

Tuần tuổi T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 Nhiệt độ 29,7 29,4 29,7 31,8 31,9 30,7 30,4 30,3

Biểu đồ 4.1 Nhiệt độ trung bình các tuần thí nghiệm

Thí nghiệm được tiến hành trong điều kiện nhiệt độ trung bình các ngày khoảng

từ 28,5 - 32,50C Đây là điều kiện thích hợp để cây phát triển tốt, khả năng xử lý ổn định vì nhiệt độ cũng là một trong những yếu tố ảnh hưởng đến thí nghiệm (ảnh hưởng đến sự bốc hơi nước, lượng nitơ có thể bay hơi, mức độ phát triển của hệ vi sinh vật trong nước và sinh khối của cây) Qua biểu đồ ta thấy nhiệt độ giữa các tuần chênh lệch không nhiều, sự chênh lệch này là không có ý nghĩa Vì vậy điều kiện thời tiết trong suốt quá trình làm thí nghiệm là như nhau