đánh giá hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt chi phí thấp và xây dựng sổ tay vận hành và bảo trì công trình đất ngập nước kiến tạo quy mô pilot q=3m3 ngày cho cụm dân cư ở huyện châu thành tỉnh đồng

Vì vậy, nghiên cứu này được thực hiện nhằm đánh giá hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt chi phí thấp và xây dựng sổ tay vận hành và bảo trì công trình đất ngập nước kiến tạo quy mô pilot

Nước thải sinh hoạt từ các hộ gia đình ở các vùng nông thôn hiện nay thường được xử lý sơ bộ trong bể tự hoại hoặc không được xử lý mà được dẫn thẳng ra kênh rạch tự nhiên Việc làm này gây ô nhiễm cho môi trường nước, làm mất cảnh quan, gây mùi khó chịu và phát sinh mầm bệnh cho con người, vật nuôi khi tiếp xúc trực tiếp với nguồn nước bị nhiễm bẩn Do đó xử lý nước thải sinh hoạt sinh hoạt ở vùng nông thôn phù hợp với tiêu chí như chi phí xây dựng và vận hành thấp, bảo dưỡng đơn giản, hiệu quả xử lý nước thải đạt các yêu cầu về bảo vệ môi trường theo QCVN14/2008 BTNMT

là rất cần thiết Vì vậy, nghiên cứu này được thực hiện nhằm đánh giá hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt chi phí thấp và xây dựng sổ tay vận hành và bảo trì công trình đất ngập nước kiến tạo quy mô pilot để ứng dựng vào thực tế

Kết quả bước đầu đã cho thấy việc áp dụng công trình đất ngập nước rất phù hợp với vùng nông thôn với hiệu quả xử lý các thông số ô nhiễm COD, BOD5, TKN, NH4+-

N, PO43--P, TP, Coliform lần lượt là 85%, 78%, 83%, 71%, 76%, 64%, 68%, 99,38% Giá trị nồng độ đầu ra của các thông số ô nhiễm đa số đều bé hơn giá trị cho phép tại cột A quy chuẩn QCVN14:2008/BTNMT Bên cạnh đó, sổ tay vận hành và bảo trì công trình cũng giúp cho người không có chuyên môn có thể vận hành công trình xử lý nước thải đạt yêu cầu bảo vệ về môi trường

Domestic wastewater from households in rural areas often pre-treated in septic tanks or not processed and led directly into natural watercourses This action is making water pollution, destroying the landscape, causing odors and pathogens arise for humans, pets when in direct contact with contaminated water Hence domestic wastewater treatment in rural living matching criteria such as construction costs and low operation and maintenance simple, efficient wastewater treatment achieved the requirements for environmental protection according to QCVN14 / 2008 BTNMT is essential Therefore, this study was conducted to evaluate the effective treatment of domestic wastewater and building operation manuals and maintenance construction wetlands pilot scale to practical application

Initial results showed that the application of the wetlands are consistent with rural areas with efficient handling of pollution parameters COD, BOD5, TKN, NH4 + -N, PO43- -

P, TP, Coliform respectively 85%, 78%, 83%, 71%, 76%, 64%, 68%, 99.38% The value

of the output levels of pollution parameters smaller majority values in column A permit regulations QCVN14: 2008 / BTNMT Besides, the manual operation and maintenance construction wetlands will also help people who do not have the expertise to operate wastewater treatment facilities meet the requirements of environmental protection

Qua tìm hiểu thực tế cho thấy vùng nông thôn Việt Nam hiện nay đang gặp nhiều vấn đề bất cập trong việc xử lý nước thải sinh hoạt từ các hộ gia đình Bởi nước thải sinh hoạt từ các hộ gia đình thường được xử lý sơ bộ trong bể tự hoại hoặc không được xử

lý mà được dẫn thẳng ra kênh rạch tự nhiên Việc làm này gây ô nhiễm cho môi trường nước, làm mất cảnh quan, gây mùi khó chịu và phát sinh mầm bệnh cho con người, vật nuôi khi tiếp xúc trực tiếp với nguồn nước bị nhiễm bẩn

Nguyên nhân nước thải sinh hoạt ở vùng nông thôn chưa được xử lý đúng cách

là do chưa đề xuất được công nghệ xử lý nước thải phù hợp với tiêu chí như chi phí xây dựng và vận hành thấp, bảo dưỡng đơn giản, hiệu quả xử lý nước thải đạt các yêu cầu

về bảo vệ môi trường cho vùng nông thôn ở Việt Nam Từ những bất cập trên đề tài “ Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt chi phí thấp và xây dựng sổ tay vận hành

và bảo trì công trình đất ngập nước kiến tạo quy mô pilot Q = 3m3/ngày cho cụm dân cư

ở huyện Châu Thành tình Đồng Tháp” đã được tiến hành nhằm đánh giá khả năng áp dụng và triển khai công trình đất ngập nước kiến tạo cho vùng nông thôn của Việt Nam

để xử lý nước thải sinh hoạt

Kết quả đánh giá hiệu quả xử lý bước đầu đã cho thấy việc áp dụng công trình đất ngập nước rất phù hợp với vùng nông thôn với hiệu quả xử lý các thông số ô nhiễm COD, BOD5, TKN, NH4+-N, PO43--P, TP, Coliform lần lượt là 85%, 78%, 83%, 71%, 76%, 64%, 68%, 99,38% Giá trị nồng độ đầu ra của các thông số ô nhiễm đa số đều bé hơn giá trị cho phép tại cột A quy chuẩn QCVN14:2008/BTNMT

Quá trình vận hành đánh giá hiệu quả xử lý của công trình cũng đã giúp đúc kết một số kinh nghiệm khi vận hành kết hợp với việc tổng hợp các biện pháp vận hành và bảo trì công trình đất ngập nước trên thế giới Sổ tay vận hành và bảo trì công trình công trình đất ngập nước đã được xây dựng hoàn chỉnh Sổ tay vận hành này sẽ giúp người không có kiến thứ chuyên môn về kỹ thuật xử lý môi trường vẫn có thể vận hành công trình đất ngập nước

LỜI NÓI ĐẦU I MỤC LỤC II DANH MỤC HÌNH ẢNH IV DANH MỤC BẢNG V DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VI

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu và nội dung thực hiện 1

3 Phạm vi nghiên cứu 2

4 Ý nghĩa khoa học 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Các loại thực vật nghiên cứu 3

1.1.1.Cây lau sậy 3

1.1.2.Cây cỏ nến 4

1.1.3.Một số loại cây được sử dụng trong công trình đất ngập nước 4

1.2 Một số nghiên cứu xử lý nước thải bằng công trình đất ngập nước kiến tạo ở việt nam 6

1.3 Một số nghiên cứu xử lý nước thải bằng công trình đất ngập nước kiến tạo trên thế giới 10

1.4 Những vấn đề cần tập trung nghiên cứu và giải quyết 20

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP VÀ VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU 21

2.1 Sơ đồ nghiên cứu 21

2.2 Mô hình nghiên cứu 22

2.2.1.Địa điểm triển khai mô hình 22

2.2.2.Cấu tạo mô hình thực tế 22

2.2.3.Nguyên tắc hoạt động 24

2.2.4.Quy trình vận hành 25

2.3 Các phương pháp nghiên cứu 26

2.3.1.Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu 26

2.3.2.Phương pháp thực nghiệm 26

2.3.4.Phương pháp xử lý số liệu 27

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VẬN HÀNH THỰC TẾ MÔ HÌNH ĐẤT NGẬP NƯỚC KIẾN TẠO DÒNG CHẢY NGẦM THEO PHƯƠNG NGANG 28

3.1 Thành phần tính chất nước thải đầu vào 28

3.2 Kết quả phân tích mẫu nước thải của mô hình đất ngập nước kiến tạo 29

3.2.1.Chỉ tiêu pH 30

3.2.2.Hiệu quả loại bỏ tổng chất rắn lơ lửng (TSS) 30

3.2.3.Hiệu quả loại bỏ COD và BOD5 31

3.2.4.Hiệu quả xử lý Nitơ 34

3.2.5.Hiệu quả xử lý phốt pho 37

3.2.6.Hiệu quả xử lý coliforms 39

CHƯƠNG 4 SỐ TAY VẬN HÀNH VÀ BẢO TRÌ CÔNG TRÌNH 41

4.1 Vận hành công trình đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm theo phương ngang ……… 41

4.1.1.Quy trình vận hành 41

4.1.2.Các vấn đề cần kiểm soát trong công trình đất ngập nước 48

4.2 Bảo trì công trình đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm theo phương ngang 54 4.2.1.Bảo dưỡng đường ống 54

4.2.2.Bảo dưỡng vật liệu công trình 56

4.2.3.Bảo dưỡng gờ, đê bao công trình 57

4.2.4.Bảo dưỡng bơm 59

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

PHỤ LỤC I 66

Hình 2.1 Cây lau sậy (trái) và gốc lau sậy (phải) 3

Hình 2.2 Cây cỏ nến (trái) và gốc có nến (trái) 4

Hình 2.3 Cây thủy trúc 5

Hình 2.4 Cây cỏ lác 5

Hình 2.5 Cây thạch xương bồ (trái) và gốc cây (phải) 5

Hình 2.6 Cây họ Cói Scirpus tabernaemontani (trái), Scirpus lacustris (phải) 5

Hình 2.7 Cây Cói dùi thô, Lác hến, Đưng (trái) và bông (phải) 6

Hình 2.8 Cây lác nước (trái) và bông (phải) 6

Hình 2.9 Mô hình đất ngập nước kiến tạo thử nghiệm xử lý nước thải ao nuôi cá basa 8 Hình 2.10 Mô hình đất ngập nước kiến tạo xử lý nước thải ao nuôi cá tra 8

Hình 3.1 Sơ đồ nghiên cứu 21

Hình 3.2 Toàn cảnh mô hình đất ngập nước khi bắt đầu giai đoạn khởi động 22

Hình 3.3 Ngăn phân phối nước đầu vào 22

Hình 3.4 Khu vực phân phối nước đầu vào 23

Hình 3.5 Khu vực thu nước và ngăn thu nước sau xử lý 23

Hình 3.6 Sơ đồ công nghệ mô hình đất ngập nước 24

Hình 3.7 Các quá trình loại bỏ chất ô nhiễm trong mô hình đất ngập nước 24

Hình 4.1 Giá trị trung bình của các chỉ tiêu 28

Hình 4.2 Sự biến thiên của pH đầu vào và ra 30

Hình 4.3 Sự biến thiên của nồng độ và hiệu quả xử lý TSS 31

Hình 4.4 Biến thiên của nồng độ và hiệu quả xử lý COD 32

Hình 4.5 Sự biến thiên nồng độ và hiệu quả xử lý BOD5 32

Hình 4.6 Sự biến thiên của nồng độ và hiệu quả xử lý TN 34

Hình 4.7 Sự biến thiên của nồng độ và hiệu quả xử lý TKN 35

Hình 4.8 Sự biến thiên của nồng độ và hiệu quả xử lý NH4+-N 36

Hình 4.9 Biểu đồ thể hiện quá trình chuyển hóa và tích lũy Nitơ 37

Hình 4.10 Sự biến thiên của nồng độ và hiệu quả xử lý PO43--P 38

Hình 4.11 Sự biến thiên của nồng độ và hiệu quả xử lý TP 38

Hình 4.12 Sự biến thiên nồng độ và hiệu quả xử lý coliforms 39

Hình 5.1 Sơ đồ khối quy trình vận hành 42

Hình 5.2 Cách trồng cây 43

Hình 5.3 Thiết bị điều chỉnh mực nước trong công trình đất ngập nước 44

Hình 5.4 Cách điều chỉnh mực nước trong suốt thời gian trồng cây 44

Hình 5.5 Ống đứng ở đầu vào khu phân phối nước 55

Hình 5.6 Ống điều chỉnh mực nước ở đầu ra 55

Hình 5.7 Hiện tượng chảy tràn trong công trình 57

Hình 5.8 Đê bao bị xói mòn 58

Hình 5.9 Động vật gây hại cho đê bao 58

Bảng 2.1 Thông số thiết kế của mô hình 15

Bảng 2.2 Kết quả nghiên cứu theo các dạng dòng chảy trong công trình đất ngập nước 15

Bảng 2.3 Bảng phân bố các nghiên cứu xử lí nước thải công nghiệp (1994-2000) 19

Bảng 3.1 Các quá trình loại bỏ chất ô nhiễm trong mô hình 25

Bảng 3.2 Các thông số vận hành mô hình đất ngập nước 26

Bảng 3.3 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu 26

Bảng 4.1 Thành phần tính chất nước thải đầu vào 28

Bảng 4.2 Tổng hợp kết quả phân tích 29

Bảng 4.3 Nồng độ TSS của nước thải sinh hoạt trước và sau xử lý của các công trình đất ngập nước dòng chảy ngầm đã được ứng dụng ở các nước 31

Bảng 4.4 Nồng độ COD của nước thải sinh hoạt trước và sau xử lý của các công trình đất ngập nước dòng chảy ngầm đã được ứng dụng ở các nước 33

Bảng 4.5 Nồng độ BOD5 của nước thải sinh hoạt trước và sau xử lý của các công trình đất ngập nước dòng chảy ngầm đã được ứng dụng ở các nước 33

Bảng 4.6 Nồng độ TN đầu vào và đầu ra trong đất ngập nước kiến tạo dòng chảy đứng ở một số nước 34

Bảng 4.7 Nồng độ NH4+-N của nước thải sinh hoạt trước và sau xử lý của các công trình đất ngập nước dòng chảy ngầm đã được ứng dụng ở các nước 36

Bảng 4.8 Nồng độ Photphat (PO43--P) ở dòng vào và ra 39

Bảng 4.9 Nồng độ TP của nước thải sinh hoạt ở dòng vào và ra 39

Bảng 5.1 Mẫu bảng theo dõi hoạt động của công trình 45

Từ viết tắt Tiếng anh Tiếng việt

phương ngang

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá của con người Nước trong tự nhiên bao gồm toàn bộ các đại dương, biển vịnh sông hồ, ao suối, nước ngầm, hơi nước trong đất và khí quyển Trên trái đất nước ngọt chiếm tỷ lệ nhỏ so với nước mặn Nhưng nước ngọt lại rất cần thiết cho sự sống Nước giúp cho các tế bào sinh vật trao đổi chất, tham gia vào các phản ứng hóa sinh và tạo nên các tế bào mới Vì vậy, có thể nói ở đâu có nước ở đó có sự sống Nước sau khi được sử dụng cho đời sống và các hoạt động sản xuất của con người sẽ bị ô nhiễm với các mức độ ô nhiễm khác nhau tùy theo từng hoạt động sản xuất Hiện nay, sự bùng nổ dân số một cách nhanh chóng cùng với sự phát triển một cách chóng mặt của các ngành công nông nghiệp đã làm cho vấn đề ô nhiễm môi trường nước trở nên nghiêm trọng hơn

Ở Việt Nam, nước thải sinh hoạt ở các vùng nông thôn thường không được xử lý đúng quy cách Nước thải sinh hoạt từ các khu vệ sinh mới chỉ được xử lý sơ bộ tại các

bể tự hoại, chất lượng chưa đạt yêu cầu theo quy chuẩn xả ra môi trường là nguyên nhân gây ô nhiễm nguồn nước, lây lan bệnh tật và ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng Do đó việc áp dụng công nghệ đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm theo phương ngang để

xử lý nước thải sinh hoạt với chi phí thấp là rất cần thiết và phù hợp với các hộ gia đình

ở khu vực nông thôn

Do đây là công nghệ xử lý nước thải chưa được áp dụng rộng rãi ở Việt Nam Đặc biệt là khu vực nông thôn của Việt Nam nên còn rất nhiều vấn đề có thể phát sinh trong quá trình vận hành Vì vậy trong luận văn này sẽ tiến hành đánh giá hiệu quả xử

lý để xây dựng sổ tay vận hành công trình đất ngập nước dòng chảy ngầm theo phương ngang phù hợp với điều kiện khí hậu của nước Việt Nam

2 Mục tiêu và nội dung thực hiện

2.1 Mục tiêu thực hiện

Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt của đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm theo phương ngang với các loại lau sậy, cỏ nến cho mô hình thực tế ở huyện Châu Thành tỉnh Đồng Tháp với quy mô pilot Q = 3 m3/ngày

Xây dựng sổ tay vận hành công trình đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm theo phương ngang

2.2 Nội dung thực hiện

Lấy mẫu nước thải đầu vào và ra của mô hình để đánh giá hiệu quả xử lý thông qua các chỉ tiêu: pH, COD, BOD5, TKN, NO3-N, NO2--N, NH4+-N, TP, PO43--P, Coliform

So sánh và đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình thực tế với quy chuẩn Việt Nam

và các nghiên cứu trên thế giới

Tổng hợp tài liệu để xây dựng sổ tay vận hành và bảo trì công trình đất ngập nước kiến tạo xử lý nước thải sinh hoạt

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Đối với các công nghệ xử lý nước thải ở các trạm xử lý nước thải tập trung như công nghệ bùn hoạt tính thường sử dụng nhiều năng lượng chi phí đầu tư vận hành bảo dưỡng và đặc biệt là chi phí xử lý bùn và không thân thiện với môi trường Trong khi

đó công trình đất ngập nước lại sử dụng ít năng lượng, chi phí xử lý thấp, đạt hiệu suất cao, thân thiện với môi trường, nước thải sau sử lý có thể sử dụng cho các mục đich tưới tiêu, nuôi trồng thủy sản, sinh khối thực vật cũng đem lại giá trị kinh tế như làm phân bón, chiếu thảm, Đề tài này mở ra hướng đi trong việc xử lý nước thải nhưng vẫn thân thiện với môi trường và có tính thực tiễn cao

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Các loại thực vật nghiên cứu

1.1.1 Cây lau sậy

Lau sậy có tên khoa học là Phragmites australis, thuộc họ lau sậy Lau sậy là loài thực vật nước rất phổ biến ở Việt Nam, chúng mọc tập trung thành từng đám hoặc đơn

lẻ ở các vùng ngập nước, đầm lầy, bờ sông, ao hồ Lau sậy có khả năng thích nghi cao

và phát triển rất tốt nhờ vào bộ rễ dày đặc đâm sâu vào đất Lau sậy là thực vật thân cỏ lâu năm Thân trưởng thành có thể cao đến 3m, đường kính thân cây khoảng 1-1,5 cm, phiến lá rộng 1-3 cm, dài khoảng 25 cm

Lau sậy có khả năng chịu đựng điều kiện môi trường tương đối khắc nghiệt với nhiệt độ thích hợp trong khoảng 12-330C, pH trong khoảng 2-8 Khác với các loài cây khác, lau sậy có cơ cấu chuyển oxy ở bên trong từ trên ngọn cây cho tới tận rễ Oxy được vi sinh sử dụng cho quá trình phân hủy chất hữu cơ Ước tính số lượng vi khuẩn trong đất quanh rễ loại cây này có thể nhiều như số vi khuẩn trong các bể hiếu khí, đồng thời phong phú hơn về chủng loại từ 10 đến 100 lần Chính vì vậy, các cánh đồng lau sậy có khả năng xử lý được nhiều loại nước thải có chất độc hại khác nhau và có nồng

độ chất ô nhiễm lớn

Hình 1.1 Cây lau sậy (trái) và gốc lau sậy (phải)

Nhiều nghiên cứu ứng dụng sậy xử lý nước thải được thực hiện ở nhiều nơi trên thế giới đã chứng minh rằng cây lau sậy phù hợp và có hiệu quả cao trong xử lý nhiều loại nước thải khác nhau Hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt (với các thông số như amoni, nitrat, photphat, BOD5, COD, Colifom) đạt tỷ lệ phân huỷ 85-95% Còn đối với nước thải công nghiệp có chứa kim loại thì hiệu quả xử lý COD, BOD5, crom, đồng, nhôm, sắt, chì, kẽm đạt 80-90%, (Vymazal và Kröpfelova, 2008)

1.1.2 Cây cỏ nến

Cỏ nến mọc hoang ở khắp các đầm lầy (người miền Nam gọi là “Bồn bồn”), cỏ

nến còn có tên khác như “Hương bồ thảo”, “Thủy hương”, tên khoa học Typha orientalis

G.A Stuart., thuộc họ Hương bồ (Typhaceae) Typhaceae họ thực vật hạt kín một lá

mầm, thân thảo lâu năm, ở nước hay gần bờ nước Thân rễ bò, hình trụ, đơn không mấu Phía dưới có bẹ lá Lá mọc cách, hình dải dài, bẹ có gân song song Hoa đơn tính mọc thành bông dày đặc Có 1 chi, 18 loài, phân bố khắp thế giới Ở Việt Nam, có 3 loài,

thường gặp: cỏ nến (Typha augustata) mọc ở nơi đầm lầy ngập nước, cây thảo cao 1,5

- 3 m; lông vàng xung quanh nhị có thể dùng làm thuốc cầm máu, phấn hoa làm thuốc (gọi là bồ hoàng)

Hình 1.2 Cây cỏ nến (trái) và gốc có nến (trái)

Cỏ nến có khả năng hấp thụ chất hữu cơ mạnh, có tác dụng lọc nước, làm giảm các chất thải nhất là chất hữu cơ đổ vào hồ, đầm, từ đó làm giảm khả năng hồ, đầm bị phú dưỡng Cỏ nến còn có thể dùng để sản xuất ethanol Rễ Cỏ nến có khả năng chống xói mòn rất tốt Thời gian dài qua đi, cỏ nến có vai trò tích cực trong việc làm khô đầm lầy, (Vymazal và Kröpfelova, 2008) Ở Cà Mau, vùng ruộng trũng ngập sâu đang canh tác lúa - tôm hoặc trồng lúa có diện tích lên đến hơn 230.000 ha, đều có thể trồng Cỏ nến kết hợp với nuôi tôm hay nuôi cá đồng, cho hiệu quả kinh tế cao hơn độc canh tôm hay lúa Vai trò điều hòa sinh thái của cây cỏ nến khiến cho hóa chất bảo vệ thực vật hay thuốc chữa bệnh cho tôm, cá hầu như không cần sử dụng

1.1.3 Một số loại cây được sử dụng trong công trình đất ngập nước

Trong luận văn này chỉ giới thiệu về hình ảnh của một số loài thực vật được sử dụng ở các khu đất ngập nước thuộc nước Việt Nam

Hình 1.3 Cây thủy trúc Hình 1.4 Cây cỏ lác

Hình 1.5 Cây thạch xương bồ (trái) và gốc cây (phải).

Hình 1.6 Cây họ Cói Scirpus tabernaemontani (trái), Scirpus lacustris (phải).

Hình 1.7 Cây Cói dùi thô, Lác hến, Đưng (trái) và bông (phải)

Hình 1.8 Cây lác nước (trái) và bông (phải).

1.2 Một số nghiên cứu xử lý nước thải bằng công trình đất ngập nước kiến tạo

ở việt nam

Ngô Thụy Diễm Trang và Hans Brix (2002) đã nghiên cứu hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt của hệ thống đất ngập nước kiến tạo có dòng chảy ngầm ngang nền cát vận hành với mức tải nạp thủy lực cao sử dụng cây sậy Hệ thống được vận hành với hai mức tải nạp thủy lực (HLRs) là 31 và 62 mm/ngày Khả năng xử lý TSS, PO4-P, TP là rất hiệu quả và không đổi cho cả hai mức HLRs với hiệu suất xử lý trung bình tương ứng khoảng 94,99 và 99%, trong khi đó hiệu suất xử lý nhu cầu oxy sinh học (BOD5), nhu cầu oxy hóa học (COD), tổng nitơ Kjeldahl (TKN) và nitơ amôni (NH4-N) giảm khi HLR tăng, và có giá trị trung bình nằm trong khoảng tương ứng là 47-71, 68-84, 63-87

và 69 - 91% Kết quả cho thấy bằng cách sử dụng HSSF CWs trong việc xử lý nước thải sinh hoạt là phương pháp khả thi Chất lượng nước thải đầu ra của hệ thống ở mức HLR

cao 62 mm/ngày (tương đương 1200 L/ngày) đạt tiêu chuẩn Việt Nam cho phép xả thải vào nguồn nước mặt

Nguyễn Việt Anh (2006) đã xây dựng và lắp đặt mô hình xử lý nước thải với bể

tự hoại và bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy đứng tại Trung tâm Kỹ thuật môi trường

đô thị và khu công nghiệp - Đại học Xây dựng, với các chế độ vận hành khác nhau, đánh giá hiệu quả xử lý, ảnh hưởng của tải trọng chất bẩn, chế độ thủy lực, vật liệu lọc, cây trồng và thời tiết Mô hình gồm 6 thùng inox có thể tích 500 lit, trong đó 3 thùng A1, A2, A3 chứa sỏi tròn (đường kính 1,5 - 2 cm), 3 thùng B1, B2, B3 chứa gạch vỡ (đường kính 3 - 4 cm) Nước thải đầu vào được lấy từ bể tự hoại 2 ngăn có thể tích 10m3 Giai đoạn 1: (từ 8/2004 đến 4/2005): 4 bể được trồng với cỏ nến, 2 bể A1, A2 với vật liệu sỏi

và 2 bể B1, B2 với gạch xây dựng; 2 bể còn lại không trồng cây Các bể làm việc song song Nước thải được cấp theo chiều từ trên xuống, 2 lần/ngày/10lit/bể Giai đoạn 2: (từ 4/2005 đến 12/2005): Các bể lọc được bố trí theo sơ đồ nối tiếp 2 bậc, gồm 3 dãy song song: B1 - A1, B2 - A2, B3 - A3 Việc bố trí nối tiếp nhằm mục đích nâng cao hiệu suất của hệ thống xử lý Tải trọng thủy lực được giữ ở mức 20 l/dãy/ngày Nước từ các bể B chảy sang bể A tương ứng và tưới lên bề mặt bể từ trên xuống Mực nước trong mỗi bể

B được khống chế thấp hơn lớp vật liệu lọc 25cm, giúp không khí thâm nhập vào lớp trên của bể, cung cấp dưỡng khí cho quá trình oxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ, nitrat hóa, đồng thời tránh cho rễ cây thối rữa và cây bị chết Trong giai đoạn này trồng nhiều loại cây: cây sậy, mai nước thủy trúc, phát lộc đan xen với cỏ nến Kết quả: Với sơ đồ bậc 1, nước thải đầu ra đạt tiêu chuẩn cột B TCVN 5945 - 1995 đối với các chỉ tiêu COD, SS, TP Với sơ đồ 2 bậc, nước thải đầu ra đạt tiêu chuẩn cột A TCVN 5945 - 1995 hoặc mức 1 TCVN 6772 - 2000 đối với các chỉ tiêu COD, SS, TP Tuy nhiên, nồng độ

TN, N-NH4+và vi sinh gây bệnh chưa đạt tiêu chuẩn cho phép

Trường Đại học Cần Thơ đã tiến hành khảo sát khả năng xử lý nước thải sinh hoạt

và nước thải từ các ao nuôi cá nước ngọt bằng đất ngập nước kiến tạo kiểu chảy ngầm

từ năm 2003 do Lê Anh Tuấn (2007) thực hiện Mô hình có kích thước dài x rộng =

1,2m x 0,8m, cát là giá thể và trồng sậy (Phragmites australis) với mật độ 25 cây/m2,

xử lý nước thải ao nuôi cá basa ở huyện Ô Môn, Cần Thơ, quy mô pilot Kết quả khảo nghiệm ở huyện Ô Môn đối với nước thải ao nuôi cá basa trên mô hình đất ngập nước kiến tạo với chiều dài kênh 1,2m, chiều rộng là 0,8m và mật độ trồng cây sậy là 25 cây/m2 cho thấy hiệu quả xử lý BOD5 đạt 84,4%; hiệu quả khử COD đạt 83,38%; hiệu quả khử TSS đạt 67,5; hiệu quả khử TKN đạt 85,5%

Hình 1.9 Mô hình đất ngập nước kiến tạo thử nghiệm xử lý nước thải ao nuôi cá

basa

Kết quả khảo nghiệm xử lý nước thải ao nuôi cá tra với lưu lượng 800 L/ngày ở huyện Phong Điền trên mô hình đất ngập nước kiến tạo có kích thước 0,6m x 0,6m x 0,4m cho thấy hiệu quả xử lý BOD5 đạt 85,65%; hiệu quả khử COD đạt 89,27%; hiệu quả khử TSS đạt 96,77%

Hình 1.10 Mô hình đất ngập nước kiến tạo xử lý nước thải ao nuôi cá tra

Ngô Hoàng Văn (2009) đã thực hiện đề tài: "Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng công nghệ cánh đồng tưới và cánh đồng lọc" Mục tiêu của đề tài là tìm các loại cây cỏ

có hiệu quả kinh tế, phương thức canh tác thích hợp cho việc áp dụng công nghệ cánh đồng tưới và cánh đồng lọc để xử lý nước rỉ rác Nhóm nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu thử nghiệm chọn cây trồng chịu được nước rỉ rác có độ ô nhiễm cao (COD khoảng 1.500 mg/l), có khả năng làm giảm nồng độ ô nhiễm Hai loại cây trồng được chọn tưới thử nghiệm là cỏ vetiver và cỏ voi Kết quả ghi nhận là khả năng xử lý COD trong nước

rỉ rác của cỏ vetiver, cây dầu mè khá tốt (đạt tiêu chuẩn TCVN 1945 - 2005) Ngoài ra còn khảo sát thử nghiệm trên nhiều mô hình nhỏ ở các loại cây khác nhau với nước rỉ

rác cũ và nước rỉ rác mới pha loãng Kết quả có khá nhiều loại cây chịu được nước tưới nước rỉ rác cũ; riêng các cây dầu mè, mai, lựu, đinh lăng…, nhóm nghiên cứu ghi nhận

có tình trạng bị xoắn lá khi nồng độ nước rỉ rác cũ vượt quá 10% Với nước rỉ rác mới

có nồng độ vượt, xấp xỉ 15% cây không bị xoắn lá, nhưng cây chậm phát triển Đặc biệt

là NH3, phosphor và mùi hôi đều được giải pháp cánh đồng tưới xử lý rất tốt và rất đơn giản Trong khi đó vấn đề này nếu sử dụng công nghệ vi sinh thì đòi hỏi phải xử lý rất khó khăn và tốn kém Qua những kết quả nghiên cứu bước đầu này cho thấy có thể áp dụng giải pháp cánh đồng tưới với dầu mè, cỏ vetiver, cỏ voi, cỏ signal để xử lý nước rỉ rác Xử lý nước rỉ rác bằng giải pháp cánh đồng tưới và cánh đồng lọc vừa ít tốn kém kinh phí, thân thiện với môi trường mà lại đạt hiệu quả xử lý ô nhiễm khá cao Cụ thể trong điều kiện của bãi chôn lấp Gò Cát, với công nghệ cánh đồng tưới có thể xử lý 500

m3/ngày, nếu không tính vốn thu được từ sản phẩm trồng trọt phí xử lý nước rỉ rác là khoảng 8.000 đồng/m3

Đỗ Hồng Lan Chi và các cộng sự (2010) đã tiến hành nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật kiểm định độc tố nhằm đánh giá hiệu quả xử lý nước thải khu công nghiệp bằng

mô hình đất ngập nước kiến tạo Nước thải từ bể lắng 1 và bể lắng 2 của KCN Lê Minh Xuân được sử dụng cho các thí nghiệm quy mô phòng thí nghiệm (tải trọng 100, 300 và

500 kgCOD/ha.ngày) và quy mô pilot (tải trọng 70, 130, 185, 250 và 400

kgCOD/ha.ngày); với hai loại thực vật được trồng là sậy (Phragmites) và cỏ nến (Typhya) Kết quả cho thấy cả hai loại thực vật thí nghiệm đều có khả năng loại bỏ chất

ô nhiễm cao hơn hẳn so với ô không trồng thực vật, đặc biệt là với các chỉ tiêu COD, nitrat và photpho Ở mô hình ĐNN chảy mặt có mực nước < 0,4 m có hiệu quả xử lý COD, nitrat và photpho co hơn khi vận hành ổn định ở tải trọng thấp (nhỏ hơn 130 kgCOD/ha.ngày) Tất cả các ô trồng thực vật có hiệu quả khử SS đạt 67 - 86 %, độ đục đạt 69 - 82% Riêng hiệu quả khử độ màu các ô không cao do chủ yếu độ màu gây ra từ các chất hữu cơ hoặc thuốc nhuộm hòa tan, không phân hủy sinh học Hệ thống trồng sậy và trồng cỏ nến đạt hiệu quả khử COD tương ứng 47% và 55% ở tải trọng 130 kgCOD/ha.ngày Ở tải trọng 70 kgCOD/ha.ngày, hiệu quả khử photpho của các hệ thống này tương ứng là 52% và 41%; hiệu quả loại bỏ nitrat đạt được tương ứng là 31% và 37% Hiệu quả khử độc do các loại độc cấp tính và độc mãn tính cho thấy các mô hình ĐNN thí nghiệm đều có hiệu quả khử độc tố khá cao, từ 84 - 86%, cao hơn hẳn so với

ô đối chứng (29 - 62%) Tại các mô hình ĐNN, có chỉ số gây độc hệ sinh thái (PEEP) trung bình 3,4 thấp hơn tiêu chuẩn đề xuất để kiểm soát nguy cơ gây độc lên hệ sinh thái Tiêu chuẩn đánh giá nguy cơ gây độc là chỉ số PEEP, nghiên cứu này đề xuất áp dụng tiêu chuẩn PEEP 3,5 là ngưỡng đánh giá đối với nước thải công nghiệp

Nguyễn Văn Phước (2012) đã nghiên cứu áp dụng công trình đất ngập nước Kiến

thấy công trình đất ngập nước có thể xử lý nước thải công nghiệp chế biến tinh bột khoai

mì với hiện suất xử lý cao

1.3 Một số nghiên cứu xử lý nước thải bằng công trình đất ngập nước kiến tạo trên thế giới

Trên thế giới có nhiều nơi đã nghiên cứu và triển khai đất ngập nước kiến tạo để

xử lý nhiều loại nước thải khác nhau như nước rỉ rác, nước thải chăn nuôi, nước thải từ việc sản xuất dược phẩm và các sản phẩm chăm sóc cá nhân, nước thải sinh hoạt, nước thải xám, Trong đó, chiếm số lượng lớn các nghiên cứu là sử dụng đất ngập nước kiến tạo xử lý bậc 2, bậc 3 cho nước thải sinh hoạt hay nước thải đô thị Số lượng đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm sử dụng ở Châu Âu hiện nay trên 5000 công trình, riêng

ở Đức có hơn 3500 công trình đang hoạt động Số còn lại được xây dựng và vận hành ở Đan Mạch (400), Vương Quốc Anh (600), Áo (160), Cộng Hoà Czech (80), Ba Lan (50), Slovenia (20) và Norway (10), cũng như đang được nghiên cứu triển khai ở nhiều nước khác trên thế giới (các quốc gia Địa trung hải, Úc, Tây Ban Nha, ) (IWA, 2000) Hiện nay, nhiều nghiên cứu khảo sát, cải thiện và nâng cao hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm (BOD, COD, Nitơ, Phốtpho, các chất ô nhiễm khác, ) của các loại công trình đất ngập nước kiến tạo (dòng chảy ngầm thẳng đứng, thẳng ngang, chảy mặt, lai hợp) cũng như các nghiên cứu, khảo sát về sự ảnh hưởng của các yếu tố vận hành và thiết kế đất ngập nước kiến tạo, ảnh hưởng của các yếu tố môi trường xung quanh đến hiệu quả của công nghệ này và việc mô hình hóa, xác định cơ chế hoạt động của công nghệ đã và đang được các nhà khoa học nghiên cứu ứng dụng thể hiện rõ tiềm năng của công nghệ này

Mandi và cộng sự,(1998) đã tiến hành một nghiên cứu về việc làm sạch nước thải sinh hoạt trong điều kiện bán khô hạn ở Morocco Tầng sậy Phragmites Australis

có tỷ lệ loại bỏ COD 48-62%, TSS 58-67% và loại bỏ ký sinh 71-95% ở mức tải nước 0.86-1.44mid-I Các thí nghiệm khác đã được thực hiện để cải thiện hiệu suất lọc của tầng sậy Tại Ai Cập, Stotts và cộng sự.(1998) đã đạt được khả năng loại bỏ 100% trứng

ký sinh từ nước thải sinh hoạt dành cho mục đích công nghiệp Tại Iran, một tầng sậy với dòng chảy ngầm (P australis) 150m2 đã được thử nghiệm để xử lý nước thải đô thị Tại mức tải chất hữu cơ 200kg.ha-1.ngày-1, cao hơn so với mức khuyến cáo trước đây (<133kg ha-1.ngày-1) (Matcalf và Eddy, 1991), hiệu suất xử lý cho kết quả tương ứng 86%, 90%, 89% , 34%, 56% và 99% đối với COD, BOD5, TSS, TN, TP, và vi khuẩn coliform phân Không có vấn đề trở ngại nào về kinh nghiệm

Tại Thái Lan, Koottatep và Polprasert (1997) đã thử nghiệm với Typha angustifolia về việc loại bỏ ni-tơ từ nước thải xử lý chủ yếu trong tầng SF Với 8 tuần, kết quả thu được là khoảng 5 ngày thới gian lưu giữ, tối đa 7.5kg.ha.ngày-1 nitơ hấp thụ của lớp thực vật Điều này được kèm theo bởi lớp lọc TN 84-86% Tại Uganda, Okurut

và cộng sự (1998) đã chứng minh tính khả thi của C papyrus và P mauritians trong

mô hình thí điểm xử lý nước thải đô thị Trong hệ thống C papyrus, tỷ lệ loại bỏ khối lượng COD, TSS, NH4+-N, TN and P04 -P trung bình là 15.32, 6.62, 6.5, 1.06, 0.06 g.m-

2 ngày-1 Trong hệ thống P mauritianus, tỷ lệ loại bỏ cho các thông số tương tự là 2.25, 0.9, 0.66, 0.65, và 0.058 g.m-2.ngày-1 Mức độ BOD và TSS trong các dòng thải đều dưới 20 và 25mg/L

CW có tiềm năng cho việc ứng dụng vào xử lý nước thải ở những cộng đồng dân

cư nhỏ đã được khảo sát ở Nepal (Laber và cộng sự., 1999) Một hệ thống lai gồm tầng I-F và VT (140 rn2 and 120 m2 VF) với cây sậy karka đã được thử nghiệm trong một năm trên quy mô lớn cho việc xử lý nước thải bệnh viện Với tốc độ tải thủy lực 107 mm.dl, hiệu quả loại bỏ COD, BOD5, NH4+-N, TP, tổng coliform, Escherichia coli, Streptococcus và TSS tương úng là 93%, 97%, 99,7%, 74%, 99,99%, 99,995 , 99,97%,

và 98%

Ở Ấn Độ, dòng chảy ngang dưới mặt đất CW với sự che phủ của các cây sậy karka bản địa trên một khu vực 41.8 m2 được lắp đặt vào năm 1997 cho phương pháp

xử lý nước thải sinh hoạt tại trường đại học Vikram, Ấn Độ Hệ thống này được báo cáo

là thực hiện loại bỏ tốt BOD5, TSS, NH4+-N, và TP tương ứng là 65%, 78%, 78%, 65% (Billore và cộng sự., 1999)

56-Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải sinh hoạt bằng đất ngập nước, chảy tự do trên bề mặt đã được triển khai áp dụng cho khu dân cư 825 người tại vùng Vermontville, Michigan, Mỹ Lưu lượng thiết kế 380 m3/ngày, nước thải sau khi qua 2 hồ sinh học tuỳ tiện có diện tích 4,4 ha tiếp tục xử lý bằng 4 đơn nguyên đất ngập nước kiến tạo trên đất phù sa có diện tích 4,6 ha, loại thực vật được sử dụng là cây sậy Kết quả nghiên cứu cho thấy nước thải sau xử lý có thành phần chất các chất ô nhiễm là BOD5 = 2,1 mg/L, TSS = 5,0 mg/L, TP = 0,23 mg/L, N-NH4 = 0,75 mg/L, pH = 7,07, fecal coliform = 122 MNP/100mL, DO = 6,64 mg/L (Vymazal và Kröpfelová, 2008)

Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải sinh hoạt bằng đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm thẳng đứng được triển khai áp dụng dạng mô hình pilot tại một hệ thống xử

lý nước thải, Bắc Cairo, Ai Cập Công nghệ đất ngập nước trong nghiên cứu trồng ba loại cây là chuối hoa (canna), lau sậy, và cây họ Cyprus Nước thải đi vào hệ thống là nước thải đô thị đã được xử lý sơ bộ với lưu lượng 20 m3/ngày, tải trọng bề mặt trong khoảng 26,2-76,5 kg BOD/ha.ngày với thời gian giữ là 7,7 ngày Hiệu suất sau 2 năm hoạt động của pilot được đánh giá bằng khối lượng loại bỏ và cải thiện chất lượng nước,

cả về mặt hóa – lý và sinh học Kết quả cho thấy đơn vị này có thể xử lý được 88% COD, 90% BOD, 92% TSS với lượng còn lại tương ứng là 30,60 mg/l, 13,20 mg/l và 8,5 mg/l Lượng dinh dưỡng tích lũy trong thực vật đại diện bằng tổng P và tổng nitơ

kjeldahl là 32,66 g/m2 và 68,1 g/m2 Bên cạnh đó còn giảm một lượng đáng kể tổng coliform, fecal coliform (Abou-Elela và Hellal 2012)

Một nghiên cứu khác về xử lý nước thải đô thị bằng đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm thẳng đứng nhằm khảo sát hiệu quả xử lý và khả năng tái sử dụng nước cho tưới tiêu cũng được thực hiện tại đại học Padova, Đông Bắc Ý Padova, Đông Bắc Ý Hai mô hình đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm thẳng đứng được trồng 2 loại thực vật là Typha latifolia (VFCW-T) và Phragmites australis (VFCW-P) và được mô phỏng trong một khối có diện tích bề mặt 1m2 , chiều sâu 1,5m và được lấp các loại vật liệu khoáng có kích thước tăng dần từ bề mặt xuống đáy (lớp cát đường kính hạt khoảng 0.16mm dày 16cm, 2 lớp sỏi đường kính 4 – 8 mm và 8 – 12mm, mỗi lớp dày 22cm và một lớp sỏi đường kính 30 – 50mm dày 90cm Kết quả nghiên cứu cho thấy tải trọng hữu cơ tăng dần sau hai năm thực hiện: từ 2,7 lên 7,7 gCOD/m2.ngày và từ 0,9 lên 2,8 gBOD/m2.ngày mặc dù trong năm thứ hai thực hiện nghiên cứu thì lượng chất ô nhiễm cao hơn Kết quả thực hiện ở năm thứ hai cho thấy hiệu suất xử lý COD, BOD, N và K (>86%) thì cao hơn hiệu suất xử lý Na và Mg (<47% ), hiệu quả xử lý BOD và PO4 – P của hệ thông VFCW-P thấp hơn của VFCW-T, cũng như khả năng phân tán N, P, K của

hệ thống khá cao (>65%) Tuy nhiên, xét về mặt chất lượng nước thì không được thuận lợi: nồng độ Na và Mg trong dòng ra cao hơn so với dòng vào (tăng khoảng 89% cho

Na và 74% cho Mg), trong khi nồng độ TSS, NO3 – N và tổng P không thay đổi nhiều giữa dòng vào và dòng ra đã hạn chế khả năng tái sử dụng nước sau hệ thống (Morari

và Giardini, 2009)

Tuy nhiên, nghiên cứu của Masi và Martinuzzi (2007) về hệ thống đất ngập nước kiến tạo lai hợp đã khắc phục vấn đề nêu trên Hệ thống đất ngập nước kiến tạo lai hợp được thiết kế bao gồm hai bậc: bậc 1 là một đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngang, bậc 2 là đất ngập nước kiến tạo dòng chảy thẳng đứng, với các thông số thiết kế như sau: dòng vào 17 – 33 m3/ngày; diện tích bề mặt của công trình dòng chảy ngang và thẳng đứng lần lượt là 160 và 180 m2; độ sâu của các công trình lần lượt là 0,7 m cho dòng chảy ngang và 0.9 m cho dòng chảy thẳng đứng; tải trọng thủy lực dao động từ 0,17 – 0,23 m3/m2/ngày cho hệ dòng chảy ngang, 0,15 – 0,21 m3/m2/ngày cho hệ dòng chảy thẳng đứng; trong khi tải trọng hữu cơ tương tự lần lượt là 23,5 – 28,1 g COD/m2/ngày và 2.0 – 5,7 g COD/m2/ngày Với hệ thống trên, hiệu suất xử lý thu được

là COD 94%, BOD5 95%, TSS 84%, NH4+ 86%, tổng Nitơ 60% và tổng P 94% Kết quả này khá tương đồng so với kết quả của nghiên cứu trên Bên cạnh đó, hệ thống lai hợp này còn thực hiện tốt quá trình khử trùng, vấn đề mà hệ thống đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm thẳng đứng trên còn hạn chế Hiệu quả loại bỏ 4 loại chỉ thị vệ sinh phân tích được (tổng coliforms, faecal coliforms, faecal streptococci, E.coli) nằm trong khoảng 99,93 – 99,99%, thể hiện hiệu quả cao trong việc loại bỏ mầm bệnh

Như vậy, vấn đề được đặt ra là liệu dạng thiết kế của kỹ thuật đất ngập nước có ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý chất ô nhiễm của công trình hay không?

Kotti và cộng sự (2010) thuộc Đại học Thrace, Hy Lạp đã có một nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của các thông số thiết kế và vận hành của mô hình pilot đất ngập nước kiến tạo dòng chảy tự do lên hiệu quả loại bỏ ô nhiễm và so sánh với hệ thống dòng chảy ngầm thẳng ngang 5 mô hình pilot đã được thiết lập, làm việc liên tục và song song gần

3 năm từ 12/2004 đến 3/2007 để khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ, thời gian lưu nước, loại thực vật trồng trong công trình,vật liệu nền trong hệ thống đất ngập nước và hình dạng của công trình đất ngập nước trong hiệu quả hoạt động của công nghệ đất ngập nước kiến tạo dòng chảy tự do trên bề mặt; đồng thời thực hiện so sánh hiệu suất với đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm thẳng ngang Nghiên cứu đã thể hiện được hiệu quả của đất ngập nước trong xử lý BOD, COD, TKN, ammonia, PO43- – P, và TP với giá trị trung bình lần lượt là 77,5%; 67,9%; 60,4%; 53,9%; 56,0% và 51,7%; xác định được hiệu quả xử lý của các chất ứng với các thời gian lưu nước khác nhau (HRT = 14 ngày phù hợp cho xử lý hữu cơ, N và P ở hầu hết các nhiệt độ; HRT = 20 ngày tốt cho cho quá trình khử BOD và PO4 – P vào mùa lạnh) cũng như sự độc lập của việc khử BOD

và P đối với thông số nhiệt độ Các mô hình đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm thẳng ngang cũng được kết luận là hiệu quả hơn trong việc loại bỏ phần lớn các chất ô nhiễm khi so sánh với các mô hình đất ngập nước kiến tạo dòng chảy tự do

Việc so sánh sự biến đổi của khả năng loại bỏ ô nhiễm hàng năm của nhiều loại đất ngập nước kiến tạo khác nhau cũng đã được thực hiện trong nghiên cứu của María và các cộng sự (2010) 7 mô hình đất ngập nước kiến tạo cơ bản (1m2) với các hình dạng khác nhau được vận hành ở điều kiện ngoài trời trong hơn 30 tháng với điều kiện như nhau để đánh giá khả năng loại bỏ chất hữu cơ và dinh dưỡng trong nước thải đô thị của đất ngập nước Các đất ngập nước kiến tạo này khác nhau về thông số thiết kế, các loại thực vật trồng, dạng dòng chảy (chảy mặt hay chảy ngầm) và sự hiện diện của lớp sỏi nền Các dữ liệu thu được thể hiện sự phụ thuộc vào các mùa trong năm của đất ngập nước kiến tạo, cũng như sự giảm hiệu quả hoạt động của công nghệ này theo sự lão hóa của hệ thống Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng đưa ra các kết quả tương tự với các nghiên cứu khác như sự hiện diện của hệ thực vật tăng hiệu quả của đất ngập nước kiến tạo, vai trò của các thông số thiết kế (thời gian lưu nước, loại thực vật trồng trong công trình,vật liệu nền trong hệ thống đất ngập nước và hình dạng của công trình) trong hiệu quả loại

bỏ ô nhiễm của các đất ngập nước kiến tạo khác nhau Tuy nhiên, một khác biệt còn tồn đọng của nghiên cứu này so với các nghiên cứu khác là hiệu quả cao hơn của đất ngập nước kiến tạo dòng chảy tự do bề mặt – hệ không trồng thực vật – so với hiệu quả của đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm thẳng ngang – hệ không trồng thực vật – trong

việc khử BOD5 vào mùa hè vẫn chưa đủ cơ sở dữ liệu để giải thích rõ ràng cơ chế của hiện tượng

Một nghiên cứu về hiệu suất của hệ đất ngập nước kiến tạo dòng chảy thẳng đứng (VF) và dòng chảy thẳng ngang (HF) trong xử lý nước thải sinh hoạt tại Mexicô được thực bởi Zurita và các cộng sự (2009) Trong nghiên cứu này, Zurita và cộng sự đồng thời muốn tận dụng việc xử lý nước thải để trồng các loại cây có giá trị sản xuất hoa thương mại Các nhà khoa học đã sử dụng 4 loại cây có thể dùng trang trí có giá trị thương mại là Zantedeschia aethiopica, Strelitzia reginae, Anturium andreanum, và Agapnathus africanus để trồng trong các mô hình đất ngập nước Nghiên cứu được thực hiện trên 4 mô hình, trong đó hai mô hình là với dòng chảy thẳng ngang có kích thước

L × W × H = 3,6m × 0,9m × 0,3m và hai mô hình với dòng chảy thẳng đứng có kích thước L × W × H = 1,8m × 1,8m × 0,7m với diện tích trồng cây là như nhau và bằng 3,24m2 Cấu trúc lớp vật liệu cơ sở ở dưới của các mô hình là như nhau Tuy nhiên, trong 4 mô hình thực hiện có một mô hình HF và một mô hình VF chỉ được trồng một loại cây là Zantedeschia aethiopica (số lượng 30 cây) Hai mô hình còn lại, mỗi mô hình được trồng cả 3 loại cây còn lại với số lượng như sau: 6 cây Strelitzia reginae, 6 cây Anturium andreanum, và 3 cây Agapnathus africanus Nước thải sinh hoạt được đưa vào

hệ thống liên tục với lưu lượng 128 l/ngày, thời gian lưu nước là 4 ngày Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ đất ngập nước dòng chảy thẳng đứng có hiệu suất loại bỏ chất ô nhiễm cao hơn hệ đất ngập nước dòng chảy thẳng ngang cho phần lớn các chất ô nhiễm Hai chất ô nhiễm được loại bỏ tốt hơn bởi hệ đất ngập nước dòng chảy thẳng ngang là NO3-

và TSS Bên cạnh đó, mục đích trồng các loại cây có tính trang trí cũng thu được các kết quả khả quan: phần lớn các cây sống được 12 tháng trong thời gian thí nghiệm và tùy thuộc vào loại đất ngập nước mà tốc độ sinh trưởng phát triển khác nhau: Zantedeschia aethiopica phát triển tốt và cho khoảng 60 bông trong hệ HF Ba loại còn lại phát triển tốt hơn trong hệ VF, mặc dù Anturium andreanum đã chết trong mùa đông Các cây đều cho hoa đẹp hơn, lá to hơn, thậm chí cho nhiều hoa và lá hơn Như vậy, có thể tận dụng hệ đất ngập nước để xử lý nước thải và tận dụng trồng các cây có giá trị

Tại đại hoc Tafira, đảo Canary, Tây Ban Nha, Meliána và cộng sự (2010) cũng

đã thực hiện toàn diện và chi tiết việc khảo sát hiệu quả xử lý và tái sử dụng nước thải của các dạng mô hình đất ngập nước kiến tạo khác nhau (dòng chảy ngầm thẳng đứng, thẳng ngang và lai hợp) và ở nhiều điều kiện khác nhau của tải trọng thủy lực Trong nghiên cứu này, sỏi nghiền và lapilli (một loại trầm tích núi lửa có tính xốp cao) được

sử dụng làm lớp cơ sở nền của các mô hình đất ngập nước được kiến tạo Ngoài hai hệ thống đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm thẳng đứng và đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm thẳng ngang, các nhà nghiên cứu đồng thời thực hiện mô hình pilot lai hợp đất ngập nước kiến tạo (cho cả hai lớp nền không phân tầng là sỏi và lapilli) gồm

hai pha với pha đầu là đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm thẳng đứng và pha hai là đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm thẳng ngang Việc xử lý nước thải được thử nghiệm qua hai giai đoạn: giai đoạn một không có thực vật với tải trọng thủy lực (HLR) thấp 37 ± 2 mm d-1 (tương đương với thời gian lưu nước danh nghĩa khoảng 6 ngày),

và tải trọng cao 79 ± 0,7 mm d-1 (tương đương với thời gian lưu nước danh nghĩa khoảng

3 ngày); và giai đoạn hai với việc trồng thực vật Hệ thống đứng sỏi nghiền dùng một

bể nhận trụ dung tích 200l để mô phỏng Hệ thống đứng lapilli có thể tích 250 l Đối với

hệ thống dòng chảy ngầm thẳng ngang, dùng một hộp nhựa chữ nhật 1,22m × 0,55m

×0,52m (L × W × H) với lớp đất nền tương tự đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm thẳng đứng để thiết lập Các thông số thiết kế của các mô hình được cho trong bảng sau:

Bảng 1.1 Thông số thiết kế của mô hình

Diện tích bề mặt (m 2 )

Chiều sâu (m)

Diện tích bề mặt (m 2 )

Chiều sâu (m)

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc trồng thực vật và các tải trọng thủy lực gây ra

sự khác nhau nhỏ giữa hệ chảy thẳng đứng hoặc hệ lai hợp Khả năng loại bỏ của hệ lai hợp sỏi là 86% BOD, 80% COD, 88% ammonia –N, 96% SS, 24% photphat –P, và 99% faecal coliforms và 99.7% faecal enterococci Hiệu quả xử lý BOD, COD, SS, độ đục

vi khuẩn trong nước thải của đất ngập nước kiến tạo lai hợp luôn cao nhất dù ở tải trọng cao hay thấp và mô hình xây dựng với cơ sở nền sỏi hay lapilli Hiệu quả xử lý BOD, COD, SS, độ đục vi khuẩn trong nước thải của đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm thẳng đứng, thẳng ngang và lai hợp trong nghiên cứu này ứng với các tải trọng thủy lực lớn, nhỏ và các điều kiện khác có thể tham khảo trong bảng sau:

Bảng 1.2 Kết quả nghiên cứu theo các dạng dòng chảy

trong công trình đất ngập nước

Dòng vào (mg/L)

Tải trọng (g/m 2 ngày)

Tốc độ loại bỏ (g/ m 2 ngày)

Hiệu suất loại bỏ ô nhiễm (%)

Sỏi Lapilli

trọng BOD5 400 mg/l, dòng vào 50 l/ngày, diện tích VF và HF lần lượt là 1,98 và 0,99 m2, chiều sâu của VF và HF là 0,5m, thời gian lưu nước 4 ngày, tải trọng thủy lực hệ

VF và HF lần lượt là 2,53 và 5 cm/ngày, tải trọng hữu cơ là 20 và 40 gBOD/cm2/ngày, công nghệ có thể hoạt động tốt với dòng vào tăng đột biến gấp 10 lần thông số thiết kế (500 l/ngà) cho tới khi lượng chất ô nhiễm gấp 3 lần lượng thiết kế Nếu trong hệ thống

có trồng thực vật, thì hiệu quả khử COD rất tốt

Một nghiên cứu so sánh hệ đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngang và dòng chảy thẳng đứng trong xử lý nước rỉ rác có nồng độ hữu cơ thấp và nồng độ amonia cao cũng

đã được thực hiện bởi Yalcuk và Ugurlu (2009) Hai mô hình đất ngập nước kiến tạo dòng chảy thẳng đứng (VF1, VF2) và một mô hình đất ngập nước kiến tạo dòng chảy thẳng ngang (HF) được mô phỏng với các kích thước dài × rộng × cao = 100 cm × 50

cm × 40 cm Cả ba mô hình đều được trồng Typha latifolia với mật độ 20 cây /m2 Nước

rỉ rác được đưa vào hệ thống theo từng đợt (10 phút/h) bởi bơm ly tâm Với cách thức này, lượng nước thải đi qua hệ thống là 10L/ngày với thời gian lưu nước là 11, 8 và 12,5 ngày cho VF1, VF2 và HF Hệ thống này không tuần hoàn nước thải Tải trọng hữu cơ của hệ thống thay đổi trong khoảng 0,011 – 0,023 trong VF1, 0,021 – 0,032 trong VF2, 0,013 – 0,021 trong HF Kết quả cho thấy hệ dòng chảy ngang hiệu quả hơn trong việc khử COD với hiệu suất sau 4 tháng hoạt động là 60,9% trong khi hai hệ chảy thẳng đứng chỉ khử được 30,3 – 36% Tuy nhiên, kết quả cũng chỉ ra rằng hệ chảy thẳng đứng hiệu quả hơn trong việc xử lý Nitơ –Amonia với hiệu suất xử lý của hai hệ chảy thẳng đứng lần lượt là 67,4 và 36,8% trong khi hệ chảy thẳng ngang chỉ xử lý được 17,8%

Một mô hình pilot đất ngập nước kiến tạo hai pha để xử lý bậc 2 hoặc 3 cho nước thải đô thị tương tự cũng được nghiên cứu tại San Michele di Ganzaria, phía đông Sicily

để mô hình hóa quá trình loại bỏ chất ô nhiễm (Toscanoa và cộng sự, 2009) Kết quả thu được cho thấy việc mô phỏng quá trình loại bỏ các chất ô nhiễm và các giá trị thu được là tương đương nhau Nghiên cứu này được thực hiện trên 4 mô hình hai pha khác nhau, trong đó, pha đầu tiên của 4 mô hình là dạng đất ngập nước kiến tạo dòng chảy thẳng ngang Pha thứ hai của các mô hình có sự khác biệt nhỏ: hai mô hình trong các

mô hình khảo sát sẽ có pha 2 là đất ngập nước kiến tạo dòng chảy thẳng đứng và hai mô hình còn lại sẽ là đất ngập nước kiến tạo dòng chảy thẳng ngang Lau sợi được sử dụng làm thực vật trong hai mô hình, hai mô hình còn lại chạy không thực vật Kết quả cho thấy sự phù hợp và chính xác giữa các số liệu đo được về tốc độ dòng, thí nghiệm vết

và các quá trình loại bỏ chất ô nhiễm

Một vài ứng dựng của đất ngập nước kiến tạo trong xử lí nước thải công nghiệp bao gồm (Ferraro và Kadlec, 2000):

 Kiểm soát nước thải từ bãi chôn lấp

 Nước từ các nhà máy điện

 Các mỏ bị bỏ và còn hoạt động

 Xử lí ô nhiễm nước ngầm và nước mặt trong ngành công nghiệp chất thải nguy hại

 Xử lí nước thải hydrocacbon trong ngành công nghiệp hóa dầu

 Xử lí và kiểm soát nước thải từ ngành công nghiệp bột giấy và giấy

 Xử lí và kiểm soát nước thải từ ngành công nghiệp thực phầm

Sự phân bố của các nghiên cứu gần đây trong xử lí nước thải công nghiệp giữa năm 1994-2000 được trình bày trong bảng 1.3

Bảng 1.3 Bảng phân bố các nghiên cứu xử lí nước thải công nghiệp

(1994-2000)

Loại nước thải công nghiệp Tổng số các ứng

dụng

Phân bố các nghiên cứu (%)

1.4 Những vấn đề cần tập trung nghiên cứu và giải quyết

Nhìn chung, công trình đất ngập nước kiến tạo đã được biết đến rộng rãi như là một phương án xử lý nước thải cho các hộ dân cư ở các vùng nông thôn Phương án này

có thể thay thế cho các phương pháp xử lý nước thải cổ điển với giá thành xây dựng và chi phí vận hành thấp nhưng vẫn đạt các tiêu chuẩn về xả thải được quy định theo các

cơ quan quản lý môi trường Việc áp dụng công nghệ này cho Việt Nam, một quốc gia đang phát triển với tốc độ gia tăng dân số nhanh, mức sống ở các vùng nông thôn chưa cao là khá hợp lý và cần thiết bởi Việt Nam nằm trong khu vực có các điều kiện thuận lợi (thời tiết, nhiệt độ, thực vật, đất, ) để áp dụng công trình đất ngập nước Việc ứng dụng công trình đất ngập nước kiến tạo vào các vùng nông thông sẽ góp phần giải quyết các vấn đề về nước thải, quản lý và bảo vệ môi trường

Việc ứng dụng công trình đất ngập nước kiến tạo vào Việt Nam vẫn gặp rất nhiều trở ngại bởi vì công trình đất ngập nước tuy đã phát triển và được áp dụng nhiều trên thế giới, nhưng chưa được nghiên cứu và áp dụng tại Việt Nam một cách rộng rãi Do các thông số thiết kế và vận hành công trình đều được xây dựng từ các nghiên cứu trên thế giới nên chưa có một tiêu chuẩn thiết kế và vận hành cụ thể nào cho điều kiện khí hậu ở Việt Nam Chình điều đó đã cản trở việc ứng dụng công nghệ này vào bảo vệ môi trường nước ở vùng nông thôn Vì vậy trong luận văn này sẽ tiến hành nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý và xây dựng sổ tay vận hành công trình đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm theo phương ngang để giải quyết một phần vấn đề bất cập đã nêu trên

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP VÀ VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU

2.1 Sơ đồ nghiên cứu

Hình 2.1 Sơ đồ nghiên cứu

Nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt bằng công trình đất ngập nước quy mô pilot ở huyện Châu Thành tỉnh Đồng Tháp và thiết lập sổ tay vận hành cho công trình đất ngập

Tiến hành lấy mẫu và

phân tích mẫu tại phòng

thí nghiệm

Đánh giá hiệu quả xử lý

của mô hình thông qua

2.2 Mô hình nghiên cứu

2.2.1 Địa điểm triển khai mô hình

Mô hình đất ngập nước được triển khai tại tại ấp Tân An, xã Tân Nhuận Đông, huyện Châu Thành, tỉnh Đồng Tháp có toạ độ địa lý là 10°12'29.09"N, 105°49'36.65"E

2.2.2 Cấu tạo mô hình thực tế

2.2.2.1 Bản vẽ thiết mô hình

Bản vẽ thiết kế được đính kèm tại phụ lục

2.2.2.2 Mô hình thực tế được triển khai

Hình 2.2 Toàn cảnh mô hình đất ngập nước khi bắt đầu giai đoạn khởi động

Hình 2.4 Khu vực phân phối nước đầu vào

Hình 2.5 Khu vực thu nước và ngăn thu nước sau xử lý

2.2.3 Nguyên tắc hoạt động

Hình 2.6 Sơ đồ công nghệ mô hình đất ngập nước

Nước thải sau giai đoạn tiền xử lý sẽ được dẫn vào mô hình đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm theo phương ngang Nước thải sẽ chảy ngầm bên dưới lớp đất trồng cây để hạn chế đến mức thấp nhất sự tiếp xúc con người, các động vật sống trong khu vực đó với mầm bệnh và hạn chế được sự phát triển của muỗi Bên cạnh đó, các chất ô nhiễm trong nước thải khi đi vào trong mô hình sẽ được loại bỏ thông qua nhiều quá trình phức tạp khác nhau

Hình 2.7 Các quá trình loại bỏ chất ô nhiễm trong mô hình đất ngập nước

Bảng 2.1 Các quá trình loại bỏ chất ô nhiễm trong mô hình

Chất hữu cơ

(BOD hoặc

COD)

 Chất hữu cơ dạng hạt được loại bỏ bằng quá trình lắng lọc, sau

đó được chuyển về dạng hòa tan của BOD

 Chất hữu cơ dạng hòa tan được giữ lại ở màng vi sinh vật và

bị loại bỏ bởi các vi sinh vật tồn tại ở vùng rễ cây, bề mặt màng

vi sinh vật, bề mặt vật liệu của mô hình Chất rắn lơ lửng

Photpho  Quá trình tích tụ trong đất (quá trình hấp phụ)

 Quá trình kết tủa với các ion như Ca2+, Al3+, Fe3+, Fe2+

 Thực vật hấp phụ (chỉ một lượng hạn chế)

Mầm bệnh  Quá trình lọc

 Quá trình hấp phụ

 Bị tiêu diệt bởi các vi sinh vật khác

 Tự chết đi do ảnh hưởng của các yếu tố vật lý trong mô hình Kim loại nặng  Quá trình kết tủa và hấp phụ

Quy trình khi bắt đầu vận hành mô hình bao gồm các bước sau:

 Kiểm tra mô hình trước khi việc vận để đảm bảo trong quá trình xây dựng mô hình không phát sinh bất cứ lỗi nào ảnh hưởng đến quá trình vận hành và hiệu quả xử lý của mô hình

 Lựa chọn các loại cây xử lý nước thải phù hợp với mô hình và có sẵn ở địa phương

 Tiến hành trồng cây (thường chọn từ 20 – 50 cây/m2) và đưa nước sạch vào mô hình ( khoảng 1-2 tháng ) Lưu ý cần điều chỉnh mực nước phù hợp với từng loại cây để cây có thể thích ứng và sinh trưởng một cách tốt nhất

 Khi cây trong mô hình bắt đầu sinh trưởng tốt, số lượng cây tăng dần theo thời

trọng bề mặt : ORLmin = 18 kgCOD/m2.ngày) Ta tiến hành lấy mẫu phân tích định kỳ

để đánh giá hiệu quả xử lý của mô hình

 Khi hiệu quả xử lý của mô hình ở mức cao và ổn định ta tiến hành tăng tải trọng

bề mặt dần dần đến mức cần thiết (thường chọn ORL = 40, 60, 80, 100, 120 kgCOD/m2.ngày)

 Lưu ý: Quá trình vận hành luôn đi kèm với quá trình bảo dưỡng để khắc phục

các sự cố có thể xảy ra

2.3 Các phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu

Tiến hành tổng hợp và biện soạn tài liệu hướng dẫn vận hành và quản lý mô hình đất ngập nước kiến tạo xử lý nước thải sinh hoạt dựa trên các tài liệu có sẵn trong và ngoài nước

2.3.2 Phương pháp thực nghiệm

Tiến hành vận hành mô hình đất ngập nước dựa theo các thông số sau:

Bảng 2.2 Các thông số vận hành mô hình đất ngập nước

Tiến hành lấy mẫu 2 lần/tuần và phân tích mẫu tại phòng thí nghiệm khoa môi trường thuộc trường Đại học Tài Nguyên và Môi Trường TP.HCM

Bảng 2.3 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu

6 Nitrate Phương pháp trắc phổ dung axit sunfosalixilic

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VẬN HÀNH THỰC TẾ MÔ HÌNH ĐẤT NGẬP NƯỚC KIẾN

TẠO DÒNG CHẢY NGẦM THEO PHƯƠNG NGANG

3.1 Thành phần tính chất nước thải đầu vào

Nước thải được sử dụng để vận hành mô hình được lấy sau bể tự hoại của các

hộ dân cư Thành phần tính chất của nước thải đầu vào được trình bày ở bảng 4.1

Bảng 3.1 Thành phần tính chất nước thải đầu vào

Chỉ tiêu

Đầu vào Đầu ra

3.2 Kết quả phân tích mẫu nước thải của mô hình đất ngập nước kiến tạo

3.2.1 Chỉ tiêu pH

Hình 3.2 Sự biến thiên của pH đầu vào và ra

Nhìn chung giá trị pH đầu vào và ra luôn nằm ở trong khoảng pH cho phép theo QCVN14:2008/BTNMT

3.2.2 Hiệu quả loại bỏ tổng chất rắn lơ lửng (TSS)

Sự thay đổi nồng độ TSS trong nước thải đầu vào và đầu ra được biểu diễn trong hình 4.3 Số liệu phân tích cho thấy nồng độ TSS đầu vào dao động trong khoảng 36 –

108 mg/L (71,72 ± 22,069 mg/L) và nồng độ TSS đầu ra dao động trong khoảng 4,5 – 13,2 mg/L (9,33 ± 1,9674 mg/L)

Trong suốt thời gian vận hành, ta có thể thấy rằng hiệu quả loại bỏ TSS nằm trong khoảng 68,89 – 95,67% (85,17 ±6,913%) Hiệu quả dao động không quá lớn cho thấy việc loại bỏ TSS của mô hình khá ổn định do cơ chế lọc, hấp phụ các chất rắn lơ lửng thông qua các lớp vật liệu trong mô hình Trong suốt thời gian vận hành vẫn chưa gặp tình trạng tắc nghẽn ở hệ thống phân phối nước đầu vào cũng như hiện tượng chảy tràn trên bề mặt, có thể do mô hình mới bắt đầu vận hành và nồng độ TSS chưa ở mức quá cao nên chưa xuất hiện hiện tượng này

Các giá trị TSS đầu ra đều nhỏ hơn giá trị tối đa cho phép trong cột A của quy chuẩn QCVN14:2008/BTNMT (Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt)