Xử lý nước thải sinh hoạt ở khu vực nông thôn bằng hệ thống kết hợp bể lọc kị khí và đất ngập nước kiến tạo sử dụng thực vật là cây hoa nhài

HỒ CHÍ MINH TRÙỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VŨ THỊ BÍCH HUYỀN XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT Ở KHU VỰC NÔNG THÔN BẰNG HỆ THỐNG KẾT HỢP BỂ LỌC KỊ KHÍ VÀ ĐẤT NGẬP NƯỚC KIÉN TẠO SỬ DỤNG THỰC VẬT LÀ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRÙỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

VŨ THỊ BÍCH HUYỀN

XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT Ở KHU VỰC NÔNG THÔN BẰNG HỆ THỐNG KẾT HỢP BỂ LỌC KỊ KHÍ VÀ ĐẤT NGẬP

NƯỚC KIÉN TẠO SỬ DỤNG THỰC VẬT LÀ

CÂY HOA NHÀI

PERFORMANCE OF A COMBINATION SYSTEM OF AN

ANAEROBIC FILTER AND CONSTRUCTED ETLANDS

PLANTED WITH JASMINUM SAMBAC AIT FOR DOMESTIC

WASTEWATER TREAMENT IN RURAL AREAS

Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường

Ma ngành: 60520320

LUẬN VẲN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2019

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRỦỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS TS Đặng Viết Hùng

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS Mai Tuấn Anh

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS TS Lê Thị Kim Oanh

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM

Ngày 05 tháng 07 năm 2019

Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS TS Nguyễn Tấn Phong

2 PGS TS Mai Tuấn Anh

3 PGS TS Lê Thị Kim Oanh

4 PGS TS Đặng Vũ Bích Hạnh

5 TS Nguyễn Nhật Huy

Xác nhận của Chủ tịch hội đồng đánh giá LV và Trưởng khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: VŨ THỊ BÍCH HUYỀN

Ngày, tháng, năm sinh: 20/08/1981

Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường

I TÊN ĐỀ TÀI: XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT Ở KHU VỰC NÔNG THÔN BẰNG HỆ THỐNG KẾT HỢP BỂ LỌC KỊ KHÍ VÀ ĐẤT NGẬP NƯỚC KIẾN TẠO SỬ DỤNG THỰC VẬT LÀ CÂY HOA NHÀI

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Nghiên cứu và đánh giá khả năng xử lý nước thải sinh hoạt tại hộ/cụm dân cư bằng hệ thống kết hợp bể lọc kị khí và đất ngập nước kiến tạo bằng cây hoa nhài

- Mục tiêu chính của đề tài là kết hợp và đánh giá hiệu quả xử lý của hệ thống kết hợp, sao cho đảm bảo chi phí đầu tư thấp, thu gọn hệ thống, vận hành đơn giản, đặc biệt là tăng hiệu suất xử lý chất hữu cơ (nhờ bể lọc kị khí là chính), loại bỏ chất dinh dưỡng và vi sinh vật gây bệnh (N, p, T Ecoli nhờ đất ngập nước), chịu sốc tải

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 20/8/2018

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02/06/2019

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

MSHV: 1570451 Nơi sinh: Lâm Đồng

Mã số: 60520320

CÁN BỘ HUỚNG DẪN

LỜI CÁM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn sâu sắc tới quý Thầy, Cô trong Khoa Môi trường và Tài nguyên - Trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã truyền đạt kiến thức quý báu và tạo mọi điều kiện tốt nhất để giúp tôi trong thời gian học tập tại trường

Đe hoàn thành quá trình nghiên cứu và hoàn thiện luận văn này, tôi xin được bày tỏ lòng biết

ơn sâu sắc tới PGS TS Đặng Viết Hùng đã giúp đỡ và chỉ bảo tận tình tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới Khoa Môi trường - Tài nguyên và Biến đổi khí hậu - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật đã tạo điều kiện hỗ trợ cho tôi trong quá trình nghiên cứu

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn những người thân, bạn bè đã luôn bên tôi, động viên tôi hoàn thành khóa học và bài luận văn này

Trân trọng cảm ơn!

TP.HCM, ngày tháng năm 2019

Học viên

Vũ Thị Bích Huyền

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Xử lý nước thải sinh hoạt từ các nhà tiêu hợp vệ sinh một cách triệt để theo Chương trình mục tiêu quốc gia Nước sạch và Vệ sinh môi trường nông thôn là cần thiết Hệ thống kết hợp bể kị khí với đất ngập nước kiến có các ưu điểm như tiêu thụ năng lượng thấp, vận hành đơn giản, không cần phải xử lất ô nhiễm thứ cấp (bùn) Hệ thống đất ngập nước bằng ô hình kỵ khí đất ngập nước đã được nghiên để đánh giá hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt cục

bộ cho hộ/cụm dân cư ở khu vực nông thôn Mô hình nghiên cứu bao gồm một bể lọc kị khí

giá thể là những khúc ống ruột gà bằng nhựa PVC có đường kính 020 mm, chiều dài 10 mm

Mô hình ĐNN kiến tạo dòng chảy ngầm kích thước là 1,50m X 3,00m, bề mặt có trồng cây hoa nhài (Jasminum Sambac)

thời gian lưu nước là 1,67 ngày đối với bể lọc kị khí và tải trọng thủy lực là 0,067 m3/m2/ngày cũng như tải trọng hữu cơ là 146,7 kgBODs/ha/ngày đối với các khu đất ngập nước kiến tạo

suốt thời gian 12 tháng đạt giá trị trung bình lần lượt là 84,62%, 85,73%, 93,36% Nước thải đầu ra có các giá trị pH, TSS, COD, NƠ3'_N nằm trong giới hạn cột A QCVN

cột B của QCVN 14:2008/BTNMT

ABSTRACT

Domestic wastewater treatment for hygienic latrines in Rural Water Supply and Sanitation Vietnam National Target Program is necessary The combination system of anaerobic filter and constructed wetlands with the advantages of simple operation and maintenance, low energy consumption, low excess sludge generation was applied to assess treatment efficiencies in order to determine design norms and investment costs of local domestic wastewater treatment plant for rural households The experimental model

mm in diameter, 10 mm in length and 210 m2/m3 in specific surface area) and two horizontal flow constructed wetlands (subsurface and surface) connected in series Dimentions of the constructed wetlands were 1.5 m X 3.0 m each, having a surface area

one household of 4 people) The hydraulic retention time of the anaerobic filter was 1.67 days The hydraulic loading and organic loading of both constructed wetlands were 0.067

whole system during the operating time for up to 12 months reached the average values of 84,62%, 85,73% and 93,36%., respectively The output values for pH, TSS, COD, NO3'_N were within the limits of QCVN 14:2008/BTNMT, column A while the output values for

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng luận văn này là do tôi thực hiện Các số liệu thu thập và kết quả phân tích trong bài báo cáo là trung thực, không sao chép từ bất cứ đề tài nghiên cứu khoa học nào khác

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về những nội dung mà tôi đã trình bày trong luận văn này

TP.HCM, ngày tháng năm 2019

Học viên

Vũ Thị Bích Huyền

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG i

DANH MỤC HÌNH ii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iv

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục đích nghiên cứu 2

1.3 Phạm vi nghiên cứu 2

1.4 Nội dung nghiên cứu 2

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

1.6 Ý nghĩa đề tài 3

1.6.1 Ý nghĩa thực tiễn 3

1.6.2 Ý nghĩa khoa học 3

1.6.3 Tính mới của đề tài 3

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN 5

2.1 Tổng quan về nước thải sinh hoạt 5

2.1.1 Khái niệm và nguồn gốc nước thải sinh hoạt 5

2.1.2 Thành phần, đặc tính nước thải sinh hoạt 5

2.1.3 Ảnh hưởng của nước thải sinh hoạt 7

2.1.4 Các phưomg pháp xử lý nước thải sinh hoạt 7

2.2 Quá trình lọc kị khí - giá thể 10

2.2 Tổng quan về công trình đất ngập nước 11

2.3.1 Định nghĩa về đất ngập nước 11

2.3.2 Định nghĩa đất ngập nước kiến tạo 11

2.3.3 Phân loại ĐNN kiến tạo 11

2.3.4 So sánh đất ngập nước kiến tạo dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm 12

2.3.5 Cơ chế các quá trình xử lý 15

2.4 Thực vật trong CWs 21

2.5 Tình hình nghiên cứu, áp dụng đất ngập nước trong xử lý nước thải 23

2.5.1 Trên thế giới 23

2.5.2 Ở Việt Nam 30

CHƯƠNG 3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36

3.1 Sơ đồ nghiên cứu 36

3.2 Vật liệu nghiên cứu 36

3.3 Mô hình nghiên cứu 37

3.3.1 Cấu tạo bể lọc kị khí 38

3.3.2 Mô hình đất ngập nước kiến tạo 39

3.3.3 Cây hoa Nhài 39

3.3.4 Lấy mẫu và phân tích mẫu 39

3.4 Phương pháp nghiên cứu 40

3.4.1 Phương pháp phân tích thực nghiệm 40

3.4.2 Phương pháp tổng quan tài liệu 40

3.4.3 Phương pháp thống kê và xử lý số liệu 40

3.4.4 Thực nghiệm mô hình 41

3.4.5 Đối chiếu, so sánh 41

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42

4.1 Nhiệt độ 42

4.2 Giá trị pH 42

4.3 Hiệu quả xử lý COD 43

4.4 Hiệu quả xử lý TSS 45

4.5 Hiệu quả xử lý Ammonia và Nitrat 48

4.6 Hiệu quả xử lý Photphat 50

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 53

5.1 Kết luận 53

5.2 Kiến nghị 54

PHỤ LỤC 58

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 66

i

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Nồng độ các chất ô nhiễm đặc trưng có trong nước thải sinh hoạt 6

Bảng 2.2 So sánh ưu điểm và nhược điểm của hai kiểu CWs 14

Bảng 2.3 Tóm tắt hiệu quả loại bỏ BODs và ss trong hệ CWs 17

Bảng 2.4.Các thông số thiết kế mô hình đất ngập nước 26

Bảng 2.5 Hiệu quả xử lý chất ô nhiễm của các loại mô hình đất ngập nước 27

Bảng 3.1 Đặc tính mẫu nước thải tại KTX khu B 37

Bảng 3.2 Các phương pháp phân tích trong nghiên cứu 40

2

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Nước thải sinh hoạt 5

Hình 2.2 Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt bằng ĐNN 8

Hình 2.3 Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt 2 9

Hình 2.4 Phân loại các kiểu đất ngập nước kiến tạo (Lê Anh Tuấn, 2009) 12

Hình 2.5 Hệ thống CWs kết hợp dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm 13

Hình 2.6 Hệ thống kết hợp CWs dòng chảy ngầm theo phương ngang (trước) và theo phương đứng (sau) 14

Hình 2.7 Hệ thống kết hợp CWs dòng chảy ngầm theo phương đứng (trước) và theo phương ngang (sau) 14

Hình 2.8 Tóm tắt các cơ chế loại bỏ chất ô nhiễm trong đất ngập nước kiến tạo 15

Hình 2.9 Chu trình Nitơ 18

Hình 2.10 Cơ chế loại bỏ nitơ trong vùng đất ngập nước 19

Hình 2.11 Cơ chế loại bỏ photpho trong vùng đất ngập nước 20

Hình 2.12 Mô hình CWs thử nghiệm xử lý nước thải ao nuôi cá basa 32

Hình 2.13 Mô hình đất ngập nước kiến tạo xử lý nước thải ao nuôi cá tra 32

Hình 3.1 Quy trình thực hiện thí nghiệm 36

Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt bằng hệ thống kết hợp bể lọc kỵ khí & CWs tạo bằng cây hoa nhài 38

Hình 3.3 Mẩu ruột gà nhựa PVC 38

Hình 4.1 Diễn biến nhiệt độ xung quanh theo thời gian vận hành 42

Hình 4.2 Giá trị pH theo thời gian của hệ thống theo thời gian vận hành 43

Hình 4.3 Giá trị COD thay đổi tại các bể 44

Hình 4.4 Sự thay đổi COD ở các tải trọng hữu cơ theo thời gian 44

Hình 4.5 Sự thay đổi TSS ở các tải trọng 45

Hình 4.6 Hiệu quả xử lý TSS của hệ thống theo thời gian vận hành 46

Hình 4.7 Nồng độ Ammonia của hệ thống theo thời gian vận hành 48

Hình 4.8 Nồng độ Ammonia trung bình của hệ thống theo các tải khác nhau 48

Hình 4.9 Nồng độ Nitrat của hệ thống theo thời gian vận hành 49

Hình 4.10 Nồng độ Nitrat trung bình của hệ thống theo các tải khác nhau 49

Hình 4.11 Nồng độ Photphat của hệ thống theo thời gian vận hành 51

3 Hình 4.12 Nồng độ Photphat trung bình của hệ thống ở các tải trọng 51

4

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

BOD Biological oxygen demand Nhu cầu oxy sinh học

COD Chemical oxygen demand Nhu cầu oxy hóa học

ĐNN Đất ngập nước

SMEWW

Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater

Bộ phương pháp chuẩn phân tích nước và nước thải

cw Constructed wetland Đất ngập nước kiến tạo

VF Vertical subsurface flow Dòng chảy ngầm theo phương

đứng

HSF Horizontal Subsurface Flow Dòng chảy ngầm theo phương

ngang

FWS Free Water Surface Dòng chảy bề mặt tự do

KTX Ký túc xá

vsv Vi sinh vật

CWs Costruction Wetlands Đất ngập nước kiến tạo

1

1.1 Đặt vấn đề

Ô nhiễm nước mặt ngày càng tăng và mức độ ngày càng trầm trọng phần lớn là do nước thải sinh hoạt (khoảng 600 nghìn m3/ngày) và nước thải công nghiệp (khoảng 240 nghìn

lớn Bên cạnh đó, ở khu vực nông thôn nước thải chưa được thu gom và xử lý hợp vệ sinh Nước thải chưa qua xử lý được xả trực tiếp ra ao, hồ, sông, suối Do vậy, ô nhiễm môi trường

do nước thải do nước thải sinh hoạt đang là một vấn đề gây bức xúc cho toàn xã hội, ảnh hưởng đến môi trường sống và sự phát triển kinh tế - xã hội của đất nước

Đất ngập nước là hệ thống tương đối đơn giản để xây dựng và vận hành tại khu vực nông thôn Ở Việt Nam, CWs được báo cáo là rất phù hợp để xử lý nước thải sinh hoạt, thủy sản, Ưu điểm của đất ngập nước là sử dụng các quy trình tự nhiên, tính ổn định cao và chi phí thấp, phù hợp cho khu vực có diện tích đất nhất là vùng nông thôn

Các loài cây được ứng dụng và nghiên cứu nhiều như: sậy, cỏ nến, ventiver, được sử dụng trong các cw Tuy nhiên, gần đây, và đặc biệt là ở vùng nhiệt đới, tập trung nghiên cứu

và phát triển các loài cây có tính thẩm mỹ và giá trị bằng cách sử dụng hoa kiểng như chuối hoa, phát lộc, hoa súng, hoa loa kèn và các loại cây khác

Hiện nay, việc nghiên cứu và tìm ra phương pháp xử lí nước thải sinh hoạt phù hợp, dễ thực hiện, giá thành thấp và tận dụng những nguyên liệu có sẵn của địa phương đang được quan tâm Các mô hình đất ngập nước kiến tạo (CW) lai hợp ra đời, với mong muốn nâng cao hiệu quả xử lý, phát huy ưu điểm và hạn chế của các hệ thống đất ngập nước riêng lẻ, nhằm tối ưu hóa hiệu quả xử lý nước thải Cùng với việc sử dụng các loại thực có giá trị, phù hợp với từng địa phương đang là xu hướng mới

Đề tài “Xử lý nước thải sinh hoạt ở khu vực nông thôn bằng hệ thống kết hợp bể lọc kị khí và đất ngập nước kiến tạo sử dụng thực vật là cây hoa nhài” được thực hiện nhằm nghiên cứu và đánh giá hiệu quả xử nước thải sinh hoạt tại hộ/cụm dân cư bằng mô hình đất ngập nước, giảm thiểu tối đa lượng nước thải chưa được xử lý thải ra môi trường

1.2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu và đánh giá khả năng xử lý nước thải sinh hoạt tại hộ/cụm dân cư tại bằng

hệ thống kết hợp bể lọc kị khí & đất ngập nước kiến tạo bằng cây hoa nhài (tên khoa học là

2

Jasminum Sambac), ở 3 mức tải trọng đầu vào khác nhau lần lượt là 50 kgCOD/hecta/ngày,

100 kgCOD/hecta/ngày và 150 kgCOD/hecta/ngày Nước thải đầu ra được đánh giá theo QCVN 14:2008/BTNMT

1.4 Nội dung nghiên cứu

Đề tài nghiên cứu gồm có các nội dung sau:

Nội dung 1: Tổng quan về xử lý nước thải sinh hoạt bằng bể lọc kị khí và mô hình đất ngập nước kiến tạo

— Nguồn gốc, tính chất nước thải sinh hoạt và các công nghệ XLNT sinh hoạt điển hình

— Nguyên lý hoạt động và cơ chế xử lý của đất ngập nước và bể kị khí

— Giới thiệu một vài thực vật nước đã và đang được áp dụng trong Đất ngập nước kiến tạo

— Các nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan

Nội dung 2: Vận hành mô hình vói nước thải sinh hoạt ở các tải trọng từ 100 kgCOD/hecta/ngày , 150 kgCOD/hecta/ngày và 200 kgCOD/hecta/ngày

— Mô hình chạy thích nghi các mức tải trọng hữu cơ thấp

— Mô hình sẽ được chạy chính thức với tải trọng COD tăng dần

Nội dung 3: Đánh giá hiệu quả xử lý các chỉ tiêu trong nước thải sinh hoạt sau xử

lý theo QCVN 14:2008/BTNMT

- Sử dụng phần mềm Excel để xử lý số liệu và thể hiện kết quả bằng các đồ thị

- Phân tích và nhận xét về hiệu quả xử lý các chỉ tiêu của mô hình

3

- Đánh giá khả năng sinh trưởng của cây hoa nhài trong môi trường đất ngập nước kiến tạo

1.5 Đối tượng và phạm vỉ nghiên cứu

Nước thải sinh hoạt được lấy tại KTX khu B, đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh

Hệ thống kết hợp bể lọc kị khí và đất ngập nước kiến tạo bằng cây hoa nhài được chế tạo bằng vật liệu composit ở quy mô phòng thí nghiệm Hệ thống bao gồm 1 bể kỵ khí, 1 bể đất ngập nước dòng chảy ngầm

1.6 Ý nghĩa đề tài

1.6.1 Ý nghĩa thực tiễn

Đưa ra một công nghệ xử lý nước thải quy mô nhỏ, vận hành đơn giản và hiệu quả cao cho hộ gia đình/ cụm dân cư, đặc biệt là ở vùng nông thôn Việt Nam Góp phần giảm thiểu ô nhiễm nguồn nước mặt do nước thải sinh hoạt

1.6.2 Ý nghĩa khoa học

Kết quả của đề tài sẽ đóng góp cho khoa học thêm cơ sở lý thuyết và các thông số vận hành công nghệ xử lý kết hợp bể lọc kị khí và ĐNN kiến tạo dòng chảy ngầm, cũng như đóng góp thêm một lựa chọn công nghệ mới hiệu quả và tiết kiệm trong xử lý nước thải sinh hoạt

1.6.3 Tính mói của đề tài

Việc ứng dụng công nghệ mới kết hợp bể lọc kị khí với đất ngập nước sử dụng cây hoa nhài vào trong xử lý nước thải sinh hoạt là bước đi tắt đón đầu, góp phần giải quyết được các vấn đề môi trường phát sinh sau này khi trong tương lai các quy chuẩn về xử lý môi trường

sẽ ngày càng nghiêm ngặt và chặt chẽ Tại Việt Nam, việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ kết hợp bể lọc kị khí với đất ngập nước đã từng được thực hiện nhiều nhưng sử dụng cây hoa nhài để xử lý nước thải sinh hoạt thì chưa từng được thực hiện trước đây Do

đó, có thể nói đề tài sử dụng công nghệ xử lý bể lọc kị khí kết hợp đất ngập nước dòng chảy ngầm sử dụng cây hoa nhài để xử lý nước thải sinh hoạt là đề tài nghiên cứu khoa học hoàn toàn mới và có tính ứng dụng thực tiễn cao

4

2.1 Tổng quan về nước thải sinh hoạt

2.1.1 Khái niệm và nguồn gốc nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt là nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích sinh hoạt của cộng đồng: tắm, rửa, giặt giũ, vệ sinh cá nhân, .và thường được thải ra từ các căn hộ, cơ quan, trường học, bệnh viện, chợ, và các công trình công cộng khác

Hình 2.1 Nước thải sinh hoạt

Lượng nước thải sinh hoạt của một khu dân cư phụ thuộc vào dân số, tiêu chuẩn cấp nước và đặc điểm của hệ thống thoát nước Tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt cho một khu dân

cư phụ thuộc vào khả năng cấp nước của các nhà máy nước hay các trạm cấp nước hiện có Các trưng tâm đô thị thường có tiêu chuẩn cấp nước cao hơn so với các vùng ngoại thành và nông thôn, do đó lượng nước thải sinh hoạt tính theo đầu người cũng có sự khác biệt giữa thành thị và nông thôn Nước thải sinh hoạt ở các trưng tâm đô thị thường được thoát bằng hệ thống thoát nước dẫn ra các sông rạch, còn ở các vùng ngoại thành và nông thôn, do không có

hệ thống thoát nước, nên nước thải thường được thoát nước tự nhiên vào các ao hồ hoặc thoát nước bằng biện pháp tự thấm

2.1.2 Thành phần, đặc tính nước thải sinh hoạt

Thành phần nước thải sinh hoạt gồm 2 loại:

- Nước thải nhiễm bẩn do các chất thải sinh hoạt: cặn bã từ nhà bếp, các chất rửa trôi, kể

5

cả làm vệ sinh sàn nhà

Đặc tính nước thải sinh hoạt chứa nhiều chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học, ngoài ra còn

có cả các thành phần vô cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh Chất hữu cơ chứa trong nước thải sinh hoạt bao gồm các hợp chất như protein (40% - 50%); hydratcacbon (40% - 50%) gồm tinh bột, đường và xenlulo; và các chất béo (5% - 10%) Nồng độ chất hữu cơ trong nước thải sinh hoạt dao động trong khoảng 150 - 450mg/L theo trọng lượng khô Có khoảng 20 - 40% chất hữu cơ khó phân hủy sinh học Ở những khu dân cư đông đúc, điều kiện vệ sinh thấp kém, nước thải sinh hoạt không được xử lý thích đáng là một trong những tác nhân gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, đặc biệt đối với môi trường nước (sông, hồ, kênh, rạch, )

Mức độ gây ô nhiễm của nước thải sinh hoạt phụ thuộc vào hai yếu tố cơ bản: tải trọng chất bẩn và định mức sử dụng nước (hay lưu lượng nước thải) tính trên đầu người.Nồng độ các chất ô nhiễm đặc trưng trong nước thải sinh hoạt được giới thiệu ở bảng 2.1

Bảng 2.1 Nồng độ các chất ô nhiễm đặc trưng có trong nước thải sinh hoạt

(Nguồn: Davis Cornwell, “Entroduction to Environmental Engineering”,1998)

2.1.3 Ảnh hưởng của nước thải sinh hoạt

- Nước thải sinh hoạt không được xử lý sẽ gây ảnh hưởng lớn tới môi trường, con người, các loài thủy sinh, Ảnh hưởng của nước thải sinh hoạt chủ yếu do các thành phần trong nước thải sinh hoạt gây ra

- BOD, COD: Sự khoáng hóa, ổn định chất hữu cơ tiêu thụ một lượng lớn và gây thiếu

6

hụt oxy của nguồn tiếp nhận dẫn đến ảnh hưởng đến hệ sinh thái môi trường nước Nếu ô nhiễm quá mức (nồng độ BOD, COD quá cao) điều kiện yếm khí có thể hình thành Trong quá trình phân hủy yếm khí sẽ sinh ra một số sản phẩm như: H2S, NH3, CH4, làm cho nước có mùi hôi thối và làm giảm pH của môi trường nước

- SS: Lắng đọng ở nguồn tiếp nhận, gây điều kiện yếm khí

- Vi trùng gây bệnh: Gây ra các bệnh lan truyền bằng đường nước như tiêu chảy, ngộ độc, vàng da,

- N, P: Đây là các nguyên tố dinh dưỡng đa lượng Nồng độ N, p trong nước quá cao có thể gây nên hiện tượng phú dưỡng hóa

- Màu: Gây mất mỹ quan

- Dầu mỡ: Gây mùi, ngăn cản khuếch tán oxy vào nước

- Nước thải sinh hoạt có chứa một lượng lớn các chất hữu cơ, dầu mỡ, chất dinh dưỡng (N, P) và các vi sinh vật Nước thải sinh hoạt thải ra sông, suối, ao, hồ, dẫn đến gây ô nhiễm nguồn nước ảnh hưởng đến môi trường sống của các sinh vật nước, sức khỏe con người, ảnh hường tới hoạt động sản xuất kinh doanh, nuôi trồng thủy sản, Đây cũng là nguyên nhân gây

ra nhiều bệnh ở người như tiêu chảy, kiết lỵ, thương hàn, ung thư, .Do vậy, cần phải có phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt thích hợp để loại bỏ các chất ô nhiêm có trong nước thải tránh gây hại cho môi trường, con người và sinh vật nước

2.1.4 Các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt

Mộ số quy trình xử lý nước thải sinh hoạt đã được áp dụng được thể hiện như sau

Nước thải sinh hoạt

7

Nguồn tiếp nhận

Hình 2.2 Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt bằng ĐNN

Thuyết minh quy trình công nghệ: Nước thải sinh hoạt được đi qua hầm tự hoại, tại đây phần lớn chất ô nhiễm bị loại bỏ Sau đó nước thải được đi qua đất ngập nước Cuối cùng nước thải được đưa ra nguồn tiếp nhận sau được châm thêm Clrorin để khử trùng nước sau

xử lý

Nước thải sinh hoạt

Hình 2.3 Sư đồ công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt 2

Nước thải sinh hoạt được đi qua song chắn rác nhằm loại bỏ các chất rắn như bùn đất, thức ăn thừa Sau đó nước thải đi qua bể lắng cát và bể điều hòa Tại bể điều hòa, máy khuấy trộn chìm sẽ hòa trộn đồng đều nước thải trên toàn diện tích bể, ngăn ngừa hiện tượng lắng cặn ở bể sinh ra mùi khó chịu Bể điều hòa có chức năng điều hòa lưu lượng và nồng độ nước thải đầu vào trạm xử lý Nước thải tiếp tục được đi qua bể hiếu khí, tại đây nước thải được phân hủy hiếu khí các hợp chất hữu cơ còn lại trong nước thải, để duy trì lượng oxy cho vi sinh vật sử dụng tại bể có lắp đặt hệ thống thổi khí Khi đi qua bể thiếu khí, tại đây diễn ra quá trình chuyển hóa nitrat và photpho, giúp cho quá trình loại bỏ Ammonia và Photpho hiệu quả hơn Nước sau đó đi qua bể lắng để lắng 9

ra sơ đồ công nghệ phù hợp để xử lý nước thải đạt yêu cầu Trên thực tế, có một số công trình (units) mà trong đó có sự kết hợp giữa các phương pháp xử lý khác nhau và Đất ngập nước kiến tạo là một trong số đó Hệ thống đất ngập nước kiến tạo là sự kết hợp giữa phương pháp

cơ học (lắng, lọc, ), trao đổi ion và phương pháp sinh học (gồm cả sinh học hiếu khí lẫn kỵ khí) Ngoài ra, còn có quá trình hấp thu chất dinh dưỡng của thực vật, giúp cho hiệu quả của công trình cao hơn

2.2 Quá trình lọc kị khí - giá thể

Kị khí là quá trình phân hủy các chất có khả năng phân hủy sinh học, thành Metan và CO2, trong đó không có oxy và nitrat hóa

Cơ chế loại bỏ chất ô nhiễm bằng quá trình kị khí được mô tả như sau:

Chất hữu cơ CH4 + CO2 + H2S + H2 + NH3 + + tế bào vi sinh

Qúa trình xử lý kị khí gồm 4 giai đoạn sau:

Thủy phân: Các vi sinh vật thủy phân (Hydrolytic) phân hủy các chất hữu cơ phức tạp (dạng polime) thành các phức chất đơn giản hoặc các chất hòa tan như amino axit, axit báo, kết quả của sự bẻ gãy mạch cacbon

Axit hóa: Ỏ giai đoạn này, vi khuẩn lên men chuyển hóa các chất hòa tan thành chất đơn giản như axit báo dễ bay hơi, methanol, CO2, H2, NH3, Sự hình thành các axit có thể làm pH giảm xuống khoảng 4

Acetic hóa: Vi khuẩn aceticc chuyển hóa các sản phẩm của giai đoạn axit hóa thành acetate, H2, CO2 và sinh khối

Metan hóa: là giai đoạn cuối cùng của quá trình phân hủy kỵ khí Axit acetic, H2, CO2, axit formic và methanol chuyển hóa thành metan, CO2 và sinh khối

ưu điểm của quá trình xử lý kị khí là lượng bùn sinh ra thấp, chi phí cho việc xử lý bùn thấp hơn nhiều so với các quá trình xử lý hiếu khí

11

2.2 Tổng quan về công trình đất ngập nước

2.3.1 Định nghĩa về đất ngập nước

Hiện nay có khoảng hơn 50 định nghĩa về đất ngập nước được sử dụng (Dugan, năm

199Ơ) Hiện nay, định nghĩa theo công ước Ramsar là định nghĩa được nhiều người sử dụng

nhất

Theo điều 1.1 của công ước Ramsar về đất ngập nước công bố năm 1971 đã định nghĩa

từ đất ngập nước như sau: “Đất ngập nước là vùng đất của đầm lầy, miền ngập lụt, bãi than bùn hoặc vùng nước, bất kể là tự nhiên hoặc nhân tạo, thường kỳ hoặc tạm thời, nước đứng hoặc đang chảy, nước ngọt, nước lợ hoặc mặn, bao gồm cả vùng biển nơi độ sâu dưới mức thủy triều thấp không quá 6m Đất ngập nước có thể kết hợp các vùng đất ven sông và vùng ven biển liền kề, và các vùng đảo hoặc vùng biển có độ sâu dưới 6m so với mực nước triều thấp”

2.3.2 Định nghĩa đất ngập nước kiến tạo

Đất ngập nước kiến tạo được định nghĩa là một hệ thống công trình xử lý nước thải được kiến thiết và tạo dựng mô phỏng có điều chỉnh theo tính chất của đất ngập nước tự nhiên với cây trồng chọn lọc

Ưu điểm lớn nhất của phương thức xử lý nước thải bằng đất ngập nước kiến tạo so với các biện pháp xử lý nước thải khác do chúng rất hợp với điều kiện tự nhiên, đơn giản trong xây dựng, dễ quản lý, ít hao tốn năng lượng, hóa chất, hiệu quả xử lý khá tốt và chi phí vận hành thấp Tuy vậy, trở ngại lớn của việc xây dựng đất ngập nước kiến tạo hiện nay nó cần một khu đất tương đối rộng

2.3.3 Phân loại ĐNN kiến tạo

Hai kiểu hệ thống xử lý nước bằng đất ngập nước kiến tạo cơ bản, đó là hệ thống đất

ngập nước kiến tạo dòng chảy mặt tự do (Constructed Free surface Flow Wetlands - CFFW)

và hệ thống đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm (Constructed Subsurface Flow Wetlands

- CSFW)

Hai kiểu phân biệt cơ bản này lại được phân chia theo nhiều kiểu khác nhau theo chức năng xử lý của loại thực vật được trồng và đặc điểm dòng chảy Trong một số trường hợp, một hệ thống xử lý kiểu laỉ (hybrid treatment system), bằng cách kết hợp pha cả hai hệ thống đất ngập nước cơ bản trên, Hình 2.3 mô tả sự phân loại này

12

Hình 2.4 Phân loại các kiểu đất ngập nước kiến tạo (Lê Anh Tuấn, 2009)

23.4 So sánh đất ngập nước kiến tạo dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm

Bảng 2.2 liệt kê các ưu điểm và nhược điểm của hai kiểu đất ngập nước kiến tạo dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm Với bảng so sánh này, cỏ thể nói đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm có nhiều ưu thế hơn đất ngập nước kiến tạo dòng chảy mặt Nước thải chảy qua các lóp nền như cát, sỏi có thể tránh được sự bốc mùi hôỉ, sự phơi bày màu đen của nước thải,

sự phát triển của tảo và ảnh hưởng của mầm bệnh do nước tích tụ Diện tích của khu đất ngập nước kiên tạo dòng chảy ngầm nhỏ hơn đất ngập nước kiến tạo dòng chảy mặt nếu so sánh ở cùng lưu lượng Nhiều nơi trên thế giới dùng đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm với chất nền là cát sỏi như một biện pháp tiền xử lý các nguồn đa tạp của nước thải đô thị Tuy vậy, cũng có nơi chọn phương án bổ trí đất ngập nước kiến tạo ở cuối hệ thống xử lý nước thải như biện pháp lọc qua đất cuối cùng trước khi thải ra môi trường

- Đất ngập nước kiến tạo kiểu lai họp

Đất ngập nước kiến tạo kiểu lai kết hợp giữa các kiểu đất ngập nước kể trên (hình 5, 2.6

và 2.7) Mục đích của việc xây dựng kiểu này là gia tăng hiệu quả của khả năng loại bỏ chất

ô nhiễm (Donald, 2000), ví dụ như một hệ thống đất ngập nước kiến tạo kiểu lai hợp giữa

13

dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm có thể cho phép quá trình nitrit hóa hiếu khí trước sau đó tiếp theo là quá trình khử nitrat hóa yếm khí Tuy nhiên, như trên hình 2.5, một hệ thống xử

lý kiểu lai phối hợp giữa hai hệ thống dòng chảy đứng và dòng chảy ngang, dòng chảy đứng

có thể sẽ lấy các ưu điểm của hệ thống dòng chảy ngang để loại bỏ BOD5, COD, TSS và các

ưu điểm của hệ thống dòng chảy đứng để cung cấp điều kiện nitrat hóa (Vymazal, 2005)

Hình 2.5 Hệ thống đất CWs kết họp dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm (Lê

Anh Tuan, 2009)

Đất ngập nước kiến tao chây Đất ngãp nước kiến tao chày

(Nguồn: Harveson, 2004)

14

Hình 2.6 Hệ thống kết hợp CWs dòng chảy ngầm theo phương ngang (trước) và theo

phương đứng (sau) (Lê Anh Tuấn, 2009)

Hình 2.7 Hệ thống kết hợp c Ws dòng chảy ngầm theo phương dửng (trước) và theo

phương ngang (sau) (Lê Anh Tuấn, 2009)

Bảng 2.2 So sánh ưu diễm vả nhược diễm của hai kiều CWs

- Cỏ thể sử dụnệ đối với nước thải cỏ hàm lượng chất ran lơ lửng cao

- Tối thiểu hóa thiết bị cơ khí, năng lượng và kỹ năng quản lý

- Chi phí vận hành thấp hơn hệ thông đất ngập nước dòng chảy mặt

- Chi phí đầu tư và chi phí về lâu dài

ít hơn so với hệ thông xử lý nước thải truyền thống

- Giảm thiêu mùi hôi và côn trùng (đặc biệt là muỗi)

Đấ1 ngập nước Idển tạo chày Đẩt ngập nước kiến tạo chảy

ngẩm theo phirorng đứng ngâm thẹo phượng ngang

15

COD), chất rắn lơ lửng (SS), nitơ, kim loại, chất hữu cơ dạng vết và sinh vật gây bệnh Cơ chế loại bỏ chính bao gồm: Quá trình lắng, sự kết tủa hóa học, hấp phụ và sự tiếp xúc giữa

các vi sinh vật với BOD5, ss và Nitơ cũng như sự hấp phụ bởi thực vật (U.S EPA, 1988)

Hình 2.8 mô tả tóm tắt cơ chế loại bỏ chất ô nhiễm trong vùng đất ngập nước

Sự thoát 11 oi nước (phvtovolatilization)

Hình 2.8 Tóm tắt các cơ chế loại bỏ chất ô nhiễm trong CWs

2.3.1.1 Loại bỏ các hợp chất hữu cơ

Chất hữu cơ có thể lắng được loại bỏ dễ dàng trong hệ thống đất ngập nước ở điều kiện nước tĩnh thông qua quá trình lắng và lọc Sự phát triển của sinh vật lơ lửng và gắn kết đóng vai trò quan trọng trong việc loại bỏ các chất hữu cơ hòa tan Các hợp chất hữu cơ bị phân hủy trong điều kiện hiếu khí và kỵ khí Lượng oxy cần cho phân hủy hiếu khí được cung cấp trực tiếp từ không khí thông qua quá trình khuếch tán hoặc lượng oxy thoát ra từ rễ thực vật Lượng chất hữu cơ được thực vật hấp phụ rất nhỏ so với quá trình phân hủy sinh học (Watjwi

et al, 1989, Cooper et al, 1996)

Quá trình phân hủy hiếu khí các chất hữu cơ hòa tan bị ảnh hưởng bởi các vi sinh vật dị dưỡng theo phản ứng sau:

(CH 2 O) + o 2 CƠ2 + H 2 O

Nhóm sinh vật tự dưỡng phân hủy các hợp chất hữu cơ chứa nitơ trong điều kiện hiếu

khí được gọi là vi khuẩn nitrat hóa, quá trình này được gọi là sự amon hóa Cooper et al

(1996) đã chỉ ra rằng cả hai nhóm vi sinh vật đều tiêu thụ chất hữu cơ nhưng tốc độ chuyển

hóa của sinh vật dị dưỡng nhanh hơn, điều này có nghĩa là sinh vật dị dưỡng đóng vai trò quan trọng trong việc loại bỏ BOD trong hệ thống đất ngập nước Nếu cung cấp oxy không

đủ cho nhóm vi sinh vật này sẽ làm giảm đáng kể khả năng oxy hóa sinh học hiếu khí Tuy nhiên, nếu lượng oxy nhiều, quá trình phân hủy hiếu khí sẽ được điều chỉnh bởi lượng chất

16 hữu cơ có sẵn cho sinh vật Bảng 2.3 cho thấy hiệu quả loại bỏ BOD5 và ss từ hệ thống đất ngập nước kiến tạo ở Canada, U.S.A và Australia.

BOD5 (mg/L) ss (mg/L) Hiệu suất (%)

Tải trọng bề mặt (*)

Đầu vào Đầu ra Đầu

vào Đầu ra BOD5 ss

Listowel,

Ontario 17 FWS 56 10 111 8 82 93 - Santee, CA - SF 118 30 57 5.5 75 90 - Sydney,

Australia 240 SF 33 4.6 57 4.5 86 92 - Arcata, CA 11,350 FWS 36 13 43 31 64 28 907

Emmitsb

urg, MD 132 SF 62 18 30 8.3 71 73 1,543 Gustine, CA 3,785 FWS 150 24 140 19 84 86 412

2.3.1.3 Loại bỏ nitơ

Nitơ là chỉ tiêu quan trọng trong xử lý nước thải Nitơ chủ yếu hiện diện trong vùng đất ngập nước bao gồm Nitơ hữu cơ, ammonia, ammonium, nitrite, nitrate và khí nitrogen Việc loại bỏ nitơ khỏi nước rất quan trọng bởi vì độc chat ammonia cao có thể làm chết cá Nếu liều lượng nitrate vượt quá mức cho phép có thể gây ra chứng rối loạn máu ở trẻ con, làm giảm khả năng vận chuyển oxy trong máu

18

Hình 2.9 Chu trình Nitơ

Nitơ hữu cơ có nguồn gốc từ nước thải hoặc do sự đào thải từ sinh vật chuyển hóa thành

ammonia (NH3) qua quá trình thủy phân hóa sinh học hay còn gọi là quá trình kháng hóa

nitrogen Quá trình này có thể ở thể hiếu khí hoặc kỵ khí và được gọi là amoniac hóa Trong

sau (Mitsch và Gosselink, 2000):

NH3 + H2O NH 4+ + OH-

Sau khi hình thành, ion ammonium có thể được cây trồng hoặc tảo hấp thụ và biến ngược

lại thành chất hữu cơ Một phần ion ammonium bị giữ lại do lực hút tĩnh điện trên bề mặt các

hạt đất mang điện tích điện âm

Amomia có thể bị nitrite hóa thành nitrite và nitrite bị biến đổi thành nitrate trong quá

trình khử nitrate hóa Ammonia, ammonium, nitrite, nitrate là các nitơ vô cơ, có thể được cây

trồng, nấm và thực vật hấp thu Tốc độ nitrate hóa có thể bị ảnh hưởng bởi mức oxygen có

trong khu đất ngập nước Hình 2.10 Mô tả cơ chế loại bỏ nitơ trong vùng đất ngập nước

19

Hình 2.10 Cơ chế loại bỏ nitơ trong vùng đất ngập nước (Metcalf và Eddy, 1991)

Phản ứng nitrite và nitrate hóa xảy ra như sau (Davies và Hart, 1990):

bỏ từ 30 - 60% trong đất ngập nước có trồng các loài cây Scirpus sp., Phragmites sp Và Typha

sp (Billore et al., 1999; Brix, 1997; Reed et al., 1995; US-EPA, 1988) Một số ít phospho

(dưới 20%) được các loài vi khuẩn, nấm và tảo hấp thụ (Moss, 1988) Phần phốt pho còn lại được giữ lại trong nền đất ngập nước và hệ thống rễ cây theo hai cơ chế: hấp thụ hóa học và kết tủa vật lý giữa các ion phosphate và các ion nhôm, sắt, hoặc canxi Sự kết hợp này hình thành các hợp chất dạng iron- phosphates (Fe-P), aluminum phosphates (Al-P) hoặc calcium phosphates (Ca-P) Lợi dụng quá trình này, khi cần phải loại bỏ một lượng lớn phốt pho, người

ta tiến hành cho thêm sắt, nhôm và canxi vào chất nền, hay nước thải để tăng hiệu suất xử lý phot pho (Fried và Dean,

hấp thu

1955; Steiner và Freeman, 1989) Hình 2.11 mô tả cơ chế loại bỏ phốt pho trong vùng đất

ngập nước

Hình 2.11 Cơ chế loại bỏ photpho trong vùng đất ngập nước

2.3.1.5 Loại bỏ kim loại nặng

Các cơ chế chính loại bỏ kim loại nặng trong đất ngập nước là sự kết tủa và sự hấp phụ

Sự kết tủa trong đất ngập nước làm thay đổi pH của nước thải, từ nước có tính axit sang nước thải trung tính Nghiên cứu mô hình đất ngập nước ở Santee, CA cho thấy với thời gian lưu 5,5 ngày, hiệu suất xử lý Cu, Zn, Cd lần lượt là 99%, 97%, 99% Tuy nhiên, khả năng loại bỏ kim loại nặng sẽ kém dần vì khả năng trao đổi cation trong đất giảm dần

2.3.1.6 Loại bỏ chất hữu cơ dạng vết

Nước thải đô thị và công nghiệp có chứa nồng độ chất hữu cơ lớn Sự hấp phụ chất hữu

cơ dạng vết bằng chất hữu cơ và các hạt sét hiện diện trong hệ thống xử lý là cơ chế hóa lý chính đối với việc loại bỏ các chất hữu cơ khó phân hủy trong đất ngập nước

Một vài cơ chế khác để loại bỏ chất hữu cơ dễ phân hủy là sự lắng đọng và bay hơi

(U.S EPA, 1988)

2.3.1.7 Loại bỏ vi sinh vật gây bệnh

Các vi sinh vật gây bệnh được quan tâm trong đất ngập nước kiến tạo là ký sinh trùng,

vi khuẩn và virus Đất ngập nước có khả năng hữu hiệu trong việc loại bỏ một lượng lớn các

mầm bệnh khi cho dòng nước thải chảy qua các lớp lọc (Reed at el., 1995) Tiến trình loại bỏ

các mầm bệnh trong đất ngập nước bao gồm sự chết loại tự nhiên, lắng 20

21

đọng, lọc, bị ion hóa do tia cực tím của ánh sáng mặt trời, không thích ứng với các loại hóa

chất trong nước, ảnh hưởng nhiệt, các mầm sống khác tiêu diệt và do nồng độ pH (Kadlec và

Knight, 1996) Kadlec và Knight (1996) còn chỉ ra rằng đất ngập nước có cây trồng tạo nên

sự loại bỏ mầm bệnh hữu hiệu hơn nhiều do cây trồng cho phép các vi sinh

2.4 Thực vật trong CWs

Các loài thực vật thủy sinh tuy không đa dạng bằng các loài phát triển trên cạn nhưng thực vật thủy sinh cũng phát triển phong phú ở nhiều nơi trên trái đất đặc biệt là ở những vùng

có khí hậu nóng ẩm như vùng xích đạo, cận xích đạo

Thực vật thủy sinh là những loài có khả năng thích nghi cao với môi trường sống ngập trong nước và một số trong các loài đó có khả năng xử lý các chất ô nhiễm trong nguồn nước với hiệu quả cao Thực vật thủy sinh được sử dụng để xử lý nước ô nhiễm có thể chia làm 3 loại: nhóm thực vật ngập nước, nhóm thực vật trôi nổi, nhóm thực vật nửa ngập nước Một vài thực vật nước đã và đang được áp dụng trong CWs:

Lau sậy (Phragmites): một loại cỏ phổ biến ở nhiều nơi trên thế giới, phát triển mạnh ở nhiều môi trường: trong nước ngọt, nước lợ và cả trong các vùng ven biển Đây là một loài

cỏ chịu nước, sống lâu năm với hệ thống thân rễ rộng và rậm, có thể xuyên sâu khoảng 0,6 - 1,0 m; thân cây cứng với nhiều lóng rỗng; bông rũ, có thể dài tới 50 cm; chiều cao thân cây phát triển trong khoảng 0,5 m đến 8 m

Cây cỏ nến - Bồn bồn (Typha): loại thực vật thân rễ sống lâu năm, thân thẳng (không đốt), thường được tìm thấy ở vùng nước nông, thủy lợi, mương, hồ, ao, sông, cả vùng nước

lợ và nước ngọt Thân rễ của cây phân nhánh, hướng lên trên, phát triển ở lớp đất nông và mở rộng theo hướng ngang Lá phang và cuộn tròn, có thể dài tới 3m Cụm hoa hình trụ, nhỏ, với kích thước 15-50 cm Bồn bồn thường được dùng trong đất ngập nước kiến tạo nơi sinh khối

bề mặt lớn nhất tương đương với các tiêu chuẩn tự nhiên

Cây thủy trúc (Cyperus involucratus): loài cây có tốc độ phát triển nhanh, đặc biệt là trong môi trường nước Cây có thân tròn cứng cáp, bề mặt nhẵn bóng với màu xanh lục đậm, mọc thành bụi dày thẳng như cây cau Rễ của cây là dạng rễ chùm, bám chắc vào đất Lá thủy trúc giảm thành các bẹ ở gốc, mặt khác các lá bắc ở đỉnh lại phát triển lớn, dài, xếp vòng xòe

ra và cong xuống, lá mỏng, gân chính nổi rõ

22

Cây thuốc nam Theo y duợc học cổ truyền nước ta, thuốc nam là thuốc ta, dùng để chỉ

những loại thảo dược được xuất phát từ cây cỏ quanh nhà và hoặc tại nơi sống để phân biệt với thuốc có nguồn gốc Trung Quốc Thuốc nam là những cây dễ tìm thấy như đinh lăng, mã

đề, bạc hà, actiso, gừng nghệ, ngải cứu, Ngoài ra, các loại cây này còn dùng để trang trí vườn nhà tạo cảnh quan, vừa có vị thuốc có thể chăm sóc sức khỏe như cúc áo, hoa nhài, hoa bỏng,

Cây sâm đất hay thổ cao ly (Talinum paniculatum); Cây thổ cao ly sâm mọc hoang và được trồng ở nhiều nơi để trang trí vườn nhà, rau ăn và làm thuốc Là loài cây dễ trồng, dễ sống, thích hợp với mọi thời tiết Cây mọc rất khoẻ, sau một năm đã thu hoạch lấy rễ, để lâu năm được rễ to hơn, dùng làm thuốc bổ thay sâm Đặc điểm là cây sống dai, thân mọc thẳng,

có thể cao tới 0,6m, thân màu xanh, phía dưới chia cành Tuổi thọ 1 năm, trồng bằng hạt hoặc thân cây

Cây cúc áo (Spilanthes acmella (L.) Murr.,): dùng làm thuốc chữa đau răng (hoa) Tê thấp, đau bụng, cảm (Rễ) Ngộ độc, phù thũng (cả cây) Đặc điểm là loài liên nhiệt đới, mọc hoang ven đường, bãi sông nơi đất ẩm ven rừng, ven suối Cây nhỏ, có chiều cao từ 25 - 35

cm, tán xòe rộng từ 15 - 20cm, tuổi thọ 1 năm Có thể trồng cúc nút áo quanh năm vì cây thích hợp được với nhiều kiểu thời tiết, không kén đất trồng

Cây hoa nhài (Jasminum Sambac Ait.): là loài cây được ưa thích trồng trong vườn nhà

vì tính thơm của hoa Mùi hương của hoa có thể giúp ổn định tâm trạng, diệt khuẩn, Là loài cây nhỏ, cao khoảng 40 cm, tăng trưởng nhanh, thường sử dụng phương pháp giâm cành, tuổi thọ khoảng 1 năm

Trong nghiên cứu này, thực vật sử dụng cây thuốc nam là cây hoa nhài cho 2 mô hình ngập nước dòng chảy ngầm và dòng chảy ngang Các loại cây này chưa được nghiên cứu trong môi trường cw xử lý nước thải Với ưu điểm là dễ trồng, dễ sống, là cây phổ biến tại miền Nam Việt Nam, tuổi thọ trung bình 1 năm, thời gian tăng trưởng nhanh và ít sâu bệnh, không cần nhiều thời gian chăm sóc

Thảm thực vật cần phải đáp ứng một số tiêu chuẩn sau:

- ứng dụng những loài thục vật có ưu thế ở địa phương;

- Rễ cây bám sâu, thân rễ khỏe mạnh và thuộc dạng rễ chùm;

23

- Mật độ cây và sinh khối phải lớn để đạt được sự chuyển hóa tối đa của nước và đồng

hóa các chất dinh dưỡng;

- Vận chuyển oxy hiệu quả

2.5 Tình hình nghiên cứu, áp dụng đất ngập nước trong xử lý nước thải

2.5.1 Trên thế giói

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 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 là 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 hòa 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)

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 tùy 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 kêt quả nghiên cứu cho thấy nước thải sau

xử lý có thành phần 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 MPN/100mL, DO = 6,64 mg/L (Vymazal và Kropfelova, 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, Bac Cairo, Ai Cập Công nghệ đất ngập nước trong nghiên cứu trồng ba loại

cây là chuối hoa (canna), lau sợi, và cây họ Cyprus Nước thải đi vào hệ thống là nước thải

26,2 - 76,5 kg BOD/ha ngày với thời gian lưu 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/1, 13,20 mg/1 và 8,5 mg/1 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)

Hai nhà nghiên cứu Masỉ và Martinuzzi (2007) đã thiết kế hệ thống đất ngập nước kiến

tạo lai hợp để tích hợp ưu điểm của đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngang và dòng chảy đứng Hệ thống được thiết kế bao gồm hai bậc: bậc 1 là 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

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 (tong coliforms, faecal conforms, faecal streptococci, E.coli) nằm trong khoảng 99,93 - 99,99%, thể hiện hiệu quả cao trong việc loại bỏ mầm bệnh

Kottỉ 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, 24

25

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

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

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

Tại đại hoc Tafira, đảo Canary, Tây Ban Nha, Melỉána 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/ngày (tương đương với thời gian lưu nước danh nghĩa khoảng 6 ngày), và tải trọng cao 79 ± 0,7 mm/ngày (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 200 lít để mô phỏng Hệ thống đứng lapilli có thể tích

250 lít Đối với hệ thống dòng chảy ngầm thẳng ngang, dùng một hộp nhựa chữ nhật 1,22m

X 0,55m *0,52m (L X w X 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 2.4

26

Bảng 2.4.Các thông số thiết kế mô hình đất ngập nước

Loại đất ngập

nước

Diện tích bề mặt (m 2 )

Chiều sâu (m) Diện tích bề mặt

<m 2 )

Chiều sâu (m)

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 2.5