Công nghệ trong xử lý nước thải hiện nay rất đa dạng, bài báo giới thiệu một trong những phương pháp xử lý nước mang hiệu quả xử lý cao, tiết kiệm năng lượng đó là phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt bằng hồ sinh học trong điều kiện tự nhiên. Hồ sinh học có thể xử lý nước thải ô nhiễm hữu cơ với mức độ thấp lẫn cao, có khả năng tiệt trùng nước thải trước khi xả ra nguồn tiếp nhận.
Trang 1XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHI PHÍ THẤP BẰNG HỆ THỐNG
HỒ SINH HỌC
ThS Trần Thị Tuyết Trinh
Khoa Kỹ thuật Hạ tầng Đô thị, Trường Đại học Xây dựng Miền Trung
Tóm tắt
Nước sạch và ô nhiễm môi trường luôn
luôn là vấn đề trọng tâm trong phát triển kinh
tế xã hội Tình trạng ô nhiễm nguồn nước do
nước thải sinh hoạt và nước sản xuất diễn ra
tại rất nhiều nơi và kéo theo hàng loạt hệ quả
nghiêm trọng tới sức khỏe và chất lượng cuộc
sống con người vậy nên vấn đề xử lý nước thải
đặc biệt được quan tâm Công nghệ trong xử lý
nước thải hiện nay rất đa dạng, bài báo giới
thiệu một trong những phương pháp xử lý
nước mang hiệu quả xử lý cao, tiết kiệm năng
lượng đó là phương pháp xử lý nước thải sinh
hoạt bằng hồ sinh học trong điều kiện tự
nhiên Hồ sinh học có thể xử lý nước thải ô
nhiễm hữu cơ với mức độ thấp lẫn cao, có khả
năng tiệt trùng nước thải trước khi xả ra nguồn
tiếp nhận Đồng thời với sự phát triển của khoa
học kỹ thuật hiện đại, công nghệ xử lý nước
bằng hồ sinh học ngày càng hoàn thiện, phù
hợp với mọi quy mô công suất và có chi phí
thấp phù hợp áp dụng tại các nước đang phát
triển có khí hậu nóng
Từ khóa
Hồ sinh học, xử lý nước thải, Wastewater
treatment pond systems, lagoons.
1 Hệ thống hồ sinh học xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên
Hệ thống hồ sinh học ổn định nước thải (thường gọi là hồ sinh học) là các hồ lớn, không sâu, có mặt bằng phổ biến là hình chữ nhật có bố trí đường dẫn nước vào và nước ra khỏi bể Các hồ này được
sử dụng rộng rãi ở Nam Mỹ, là loại công trình xử lý nước thải phù hợp với các nước đang phát triển ở vùng khí hậu nóng Quá trình xử lý nước thải thường được diễn liên tục trong hai hoặc nhiều hồ trong đó độ sâu sẽ quyết đinh quá trình hiếu khí hay kỵ khí diễn ra trong hồ Tương ứng với quá trình xử lý liên tục, từng hồ sẽ có chức năng riêng và chúng được thiết kế phù hợp với mục đích hoặc phần tử ô nhiễm cần được tách ra khỏi nước thải Nước thải sau xử lý có các thông số nhiễm bẩn và vi sinh vật gây bệnh có nguồn gốc từ nước thải sinh hoạt được giảm đáng kể
Hình 1 Hệ thống xử lý nước thải bằng hồ sinh
họcTây Melbourne, công suất > 300.000
m 3 /ngđ
Hình 2 Hệ thống xử lý nước thải bằng hồ sinh
học Bình Hưng Hòa
Hồ sinh học được phân thành ba loại
cơ bản như trong Hình 2, bao gồm: Hồ kỵ
khí, Hồ tùy tiện và Hồ hiếu khí Về đặc
điểm cấu tạo và hoạt động chủ yếu dựa
vào chu trình xử lý tự nhiên nên độ sâu hồ quyết định hệ vi sinh vật xử lý nước thải trong hồ Hồ kỵ khí thường có chiều sâu tối thiểu là 2m và thường không quá 5m;
Trang 2146
Hồ hiếu khí có độ sâu thấp hơn, độ sâu hồ
trong khoảng từ 0,5 đến 1,5m; Hồ tùy
tiện có khoảng chiều sâu từ 1m đến 2,5m
Thường một chu trình xử lý nước thải
được xử lý tuần tự từ hồ kỵ khí, xử lý
nước thải có nồng độ BOD5, sau đó nước thải được xử lý trong hồ tùy tiện và cuối cùng hồ hiếu khí xử lý triệt để và khử trùng nước thải
2 Các quá trình xử lý chủ yếu trong
các hồ sinh học
Hồ sinh học có các quá trình xử lý
chủ yếu đó lá quá trình lên men kỵ khí và
ôxy hóa hiếu khí diễn ra theo các giai
đoạn như sau:
- Lên men kỵ khí gồm hai giai đoạn:
Giai đoạn thứ nhất lên men chất hữu cơ, tại
đây vi khuẩn sẽ lên men để tạo thành sinh
khối mới và hình thành các sản phẩm trung
gian khác là axit hữu cơ Giai đoạn thứ hai
phân hủy các axit hữu cơ hình thành từ giai
đoạn một nhờ các loại vi khuẩn tạo mêtan
thành khí mêtan và các sản phẩm đơn giản
khác như CO2, H2O, NH3,…
- Ôxy hóa hiếu khí có thể biểu diễn
bằng các quá trình đơn giản như sau:
Chất hữu cơ
+ O 2
vi khuẩn
tế bào vi khuẩn mới + H 2 O +
CO 2 + PO 43- +
NH 3 , v.v,…
- Ngoài ra, một lượng lớn ôxy được cung cấp nhờ quá trình quang hợp của tảo
bổ sung đáng kể cho quá trình xử lý nước thải trong các hồ hiếu khí:
H 2 O + CO 2
tảo+ánh sáng tế bào tảo
mới + H 2 O + O 2
- Các hợp chất nitơ hữu cơ đầu tiên được khoáng hóa thành amôni trong hồ sinh học kỵ khí hoặc trong bùn cặn của
hồ sinh học tùy tiện Do quá trình amôn hóa các hợp chất nitơ hữu cơ, nồng độ amôni trong nước hồ sinh học kỵ khí thường cao hơn trong nước cống Quá trình xử lý amôni chủ yếu diễn ra trong
hồ sinh học xử lý triệt để Việc xử lý amôni liên quan chặt chẽ với pH và nhiệt
độ bề mặt Quá trình này diễn ra ở mùa
hè mạnh hơn mùa đông
Hình 3 Các loại hồ sinh học
Hồ hiếu khí/ hồ xử lý triệt để
Hồ kỵ khí
Hồ tùy tiện
Nước thải vào
Nước thải vào
Nước thải vào
Nước thải ra
Nước thải ra
Nước thải ra
Hồ kỵ khí Nước vào
H = 2m – 5m
H= 1m –2.5m
H= 0.5 –1.5m
Hệ thống hồ sinh học xử lý nước thải
Nước ra
Trang 3- Phôtpho được loại bỏ khỏi nước
trong hồ ổn định bằng cách hấp thụ vào
sinh khối của tảo
3 Hồ sinh học kỵ khí
Hồ sinh học kỵ khí tiếp nhận nước
thải với tải trọng BOD cao (tải trọng >
100gBOD5/m3.ngđ), vận hành trong điều
kiện không cần ôxy hòa tan, hồ được sử
dụng như một bể tự hoại kiểu hở để xử lý
nước thải Cặn bẩn lắng xuống và được
lên men kỵ khí với điều kiện nhiệt độ trên
15oC, hồ này sử dụng tốt trong điều kiện
khí hậu ấm Hiệu quả xử lý khoảng 40% ở
nhiệt độ 10oC hoặc thấp hơn cho đến trên
60% ở 20oC Lớp váng bề mặt hình thành
cần được vớt định kỳ hoặc phun nước để
tránh các loại côn trùng như ruồi, muỗi
phát triển
Bể kỵ khí hoạt động có nhược điểm
chính đó là xuất hiện mùi, mùi phần lớn là
hydro sunfua nên các nhà tư vấn thiết kế
thường ít thiện cảm khi lựa chọn hồ sinh
học kỵ khí Vì hydro sunfuamột phần hòa
tan vào nước tạo nên phản ứng phân ly
tạo thành các ion HS-, H2S và S2- Tuy
nhiên vấn đề mùi của bể vẫn có thể được
cải thiện nhờ điều chỉnh nồng độ pH, khi
độ pH của bể được hiệu chỉnh khoảng
bằng 7,5 thì lúc này chủ yếu trong nước
có khoảng 75% là HS- không gầy mùi hôi
thối khó chịu
Ngoài ra để cải thiện nhược điểm
của hồ sinh học kỵ khí, có thể phủ kín bề
mặt hồ bằng tấm PVC/HDPE (Hình 6) để
thu khí biogas hình thành trong quá trình
lên men các chất hữu cơ từ nước thải Khi
nước thải được xử lý với quy mô công suất
lớn, khí gas có thể được tận dụng làm
nhiên liệu cấp cho sinh hoạt hoặc chạy
máy và thiết bị trong trạm xử lý
4 Hồ sinh học tùy tiện
Hồ sinh học tùy tiện được thiết kế để
xử lý BOD theo tải trọng bề mặt tương đối
nhỏ (100 – 400 kg BOD/ha.ngày) để phù
hợp với mức độ phát triển của tảo Có hai
dạng hồ sinh học tùy tiện: hồ sinh học tùy
tiện sơ cấp thu nhận trực tiếp nước thải từ
mạng lưới thoát nước và hồ sinh học tùy
tiện thứ cấp thu nhận nước thải sau khi
được xử lý một phần (thường là sau hồ sinh học kỵ khí, bể tự hoại, hồ sinh học tùy tiện sơ cấp và hệ thống kênh mương thoát nước) Hồ sinh học tùy tiện hoạt động với tải lượng hữu cơ thấp hơn so với
hồ sinh học kỵ khí
Đối với hồ sinh học tùy tiện sơ cấp
có hai cơ chế xử lý BOD như sau:
- Cơ chế thứ nhất : Cặn được lắng thành lớp bùn dưới đáy hồ và tiếp theo đó
là lên men kỵ khí bùn cặn lắng; đến 30% lượng BOD trong nước thải đầu vào có thể chuyển thành khí mêtan
- Cơ chế thứ hai: Phần lớp nước phía trên, vi khuẩn hiếu khí ôxy hóa các hợp phần hữu cơ không lắng được trong nước thải cũng như sản phẩm của quá trình lên men kỵ khí Lượng ôxy cấp cho quá trình
xử lý một phần từ quá trình khuếch tán tự nhiên bề mặt, ngoài ra phần lớn oxy hòa tan cấp cho quá trình xử lý được tạo thành
từ quá trình quang hợp của vi tảo Các loại tảo phổ biến là các tảo Lam và tảo Lục, tảo phát triển làm cho hồ có màu xanh thẩm
Trong hồ sinh học tùy tiện thứ cấp
cơ chế xử lý BOD thứ nhất diễn ra không
rõ ràng Các hợp chất hữu cơ theo BOD còn lại không lắng được ôxy hóa bởi các loại vi khuẩn di dưỡng Lượng ôxy cần thiết cho quá trình xử lý BOD chủ yếu do hoạt động quang hợp của vi tảo trong hồ Ngoài ra, gió có tác động quan trọng trong hoạt động của hồ sinh học tùy tiện
vì nó làm tăng sự khuếch tán ôxy không khí vào nước và xáo trộn các tầng nước trong hồ Sự xáo trộn này tạo điều kiện phân bố đồng nhất BOD, ôxy hòa tan, vi khuẩn và tảo và làm tăng cường độ ổn định chất thải
5 Hồ sinh học hiếu khí
Hồ sinh học hiếu khí thường được sử dụng để xử lý triệt để nước thải, xử lý các chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng một lượng đáng kể đồng thời xử lý vi khuẩn gây bệnh có trong nước thải Hồ tiếp nhận nước thải từ hồ sinh học tùy tiện Khi thiết
kế hồ sinh học hiếu khí để xử lý triệt để nước thải cần tạo môi trường cường độ
Trang 4148
bức xạ ánh sáng lớn kết hợp nồng độ oxy
hòa tan cao Nồng độ pH thích hợp thường
lớn hơn 9 do có quá trình quang hợp của
tảo Mặt trời đóng vai trò quan trọng
trong việc xử lý các loại vi khuẩn feacal
gây bệnh, giữ ấm cho hồ và cung cấp đầy
đủ năng lượng để thúc đẩy quá trình
quang hợp của tảo, tạo điều kiện tăng pH
và hình thành ôxy với nồng độ lớn cần
thiết thúc đẩy để tăng cường bù đắp cho
sự ôxy hóa quang hóa
6 Đặc điểm thủy lực, thiết kế và vận
hành hồ sinh học
- Vị trí hồ sinh học: Hồ sinh học
được bố trí cuối hướng gió cách khu dân
cư tối thiểu 200m, trong khu vực xây
dựng cần hạn chế người qua lại đảm bảo
an toàn và ngăn cấm trẻ em đi vào khu
vực xử lý Các hồ được bố trí tại nơi thuận
tiện kiểm tra, nơi có điều kiện địa hình
bằng phẳng hoặc có độ dốc nhỏ để giảm
khối lượng công tác đất
- Điều kiện địa kỹ thuật rất quan
trọng trong thiết kế hồ sinh học, các loại đất
màu tối gốc canxi vùng nhiệt đới thưởng
dẻo khi ướt và giòn khi khô là loại đất
không thấm nước và rất phù hợp với hồ
sinh học Các lớp đất màu nâu đỏ dễ thấm
nước nên yêu cầu phải có lớp lót đáy hồ
- Cân bằng thủy lực trong hồ sinh
học: Để đảm bảo mực nước duy trì trong
hồ, lưu lượng dòng vào tối thiểu phải lớn
hơm độ bay hơi và độ thấm trong toàn bộ
thời gian hoạt động và được biểu diễn
bằng công thức (1) như sau:
Qv ≥ 0,001.A.(E+S) (1)
Trong đó:
Qv : Lưu lượng nước thải vào hồ đầu tiên
(m3/ngđ);
A : Tổng diện tích mặt bằng của hồ (m2);
E : Độ bay hơi thực (mm/ngđ);
S : Độ thấm của đất (mm/ngđ)
Lượng nước thấm lớn nhất (k) phụ
thuộc vào điều kiện địa chất, mực nước
ngầm của khu vực xây dựng Nếu độ thấm
của đất lớn hơn giá trị tối đa cho phép thì
hồ cần được lót Các biện pháp lót chống
thấm khác nhau hiện nay được sử dụng có giá thành hợp lý ví dụ như xi măng, màng chất dẻo và lớp đất có độ thấm nước nhỏ, dày 150 mm
Hình 4 Lót tấm nhựa dẻo chống thấm cho hồ
sinh học
* Cấu tạo hình học của hồ:
Hình dạng của hồ, vị trí cống dẫn nước vào, cống dẫn nước ra phải được thiết kế để chiều dài dòng chảy qua hồ là lớn nhất Mặt bằng hồ thường có dạng hình chữ nhật, tỉ lệ L:B đối với bể kỵ khí khoảng bằng 3:1 để tránh lắng và tích tụ bùn gần ống dẫn nước thải vào; đối với hồ tùy tiện hoặc hồ xử lý triệt để, tỷ lệ L:B lớn (từ 10 đến 20) Bố trí mặt bằng hồ không nên chọn hình học không đều để tránh tạo vùng chết (nước không lưu thông mà tích tụ lại một chỗ) một mặt giảm diện tích hữu ít của hồ mặt khác tảo
và xác vi sinh vật tích tụ lâu ngày sẽ gây mùi khó chịu
Để tận dụng gió làm xáo trộn các lớp nước trong hồ, hồ cần được bố trí sao cho kích thước đường chéo của hồ nằm trùng với hướng gió chủ đạo Kích thước mặt bằng và đáy hồ sinh học tính toán theo
(hình 5) Đối với hồ sinh học kỵ khí xử lý
nước thải, để ngăn mùi hôi và thu khí gas làm nhiên liệu, thường sử dụng tấm phủ
nhựa trên bề mặt của hồ (hình 6)
Hình 5 Kích thước mặt bằng và mặt đáy hồ
sinh học
Trang 5Hình 6 Thu gom khí biogas hồ sinh học kỵ khí
Các đường dẫn nước ra và nước vào
hồ cần được lắp thêm chắn để ngăn váng
và bọt nổi Chiều sâu mực nước xả đối với
hồ sinh học kỵ khí là 30cm; hồ sinh học tùy
tiện 60cm và hồ sinh học xử lý triệt để 5cm
* Vận hành hồ sinh học: trong quá trình
vận hành hồ cần chú ý các khâu làm đầy
nước trong hồ, bảo dưỡng hang ngày, hút
bùn và quan trắc đánh giá hiệu quả hoạt
động của hồ
Làm đầy nước hay khởi động hồ sinh
học cần được thực hiện sớm sau khi thi
công xong hồ để tránh các vi sinh vật
ngoại lai phát triển nhanh chóng làm mất
tính ổn định của hồ cũng như làm giảm
khả năng thấm của hồ Thường lượng
nước thải ban đầu không đủ để làm đầy
hồ vì vậy có thể sử dụng nước sạch để
làm đầy hồ đối với hồ tùy tiện và hồ hiếu
khí; hồ kỵ khí thường được làm đầy một
nửa thể tích và có bể sung một lượng bùn
vi sinh từ các công trình xử lý khác
Bảo dưỡng hàng ngày của hồ bao
gồm các công việc như bảo dưỡng thiết bị
xử lý sơ cấp ví dụ song chắn rác, bể lắng
cát,… làm sạch đường dẫn nước vào và ra
khỏi bể và thu gom chất nổi Phát quang
bờ hồ đảm bảo kiểm soát các loại thực vật
xung quanh hồ, trong hồ không được phát
triển cây bụi tránh phát sinh thực vật nổi
hoặc thực vật ngập nước dễ hình thành
các ổ bọ gậy, muỗi phát triển Phát quang
hồ sử dụng các công cụ thủ công hoặc cơ
giới đặc biệt không được sử dụng các loại
thuốc diệt cỏ
Hồ sinh học kỵ khí và tùy tiện
thường hút bùn sau khi hoạt động một
năm đến ba năm, bùn được hút ra khỏi bể
để đảm bảo dung tích thiết kế của hồ Khi hút bùn cần giữ lại một lượng vi sinh vật mồi, cần thiết cho quá trình lên men kỵ khí sau đó Bùn cần được hút đinh kỳ tránh để bùn nén lâu dưới đáy hồ sẽ tạo nên một lớp kỵ nước rất khó hút lên
Ngay sau khi khởi động hồ, hệ thống quan trắc cũng phải được thực hiện kiểm tra đúng định kỳ để đánh giá hiệu quả xử
lý và hiệu chỉnh chế độ làm việc của hệ hồ cho hợp lý Mẫu nước kiểm tra cần lấy theo các mốc thời gian trong ngày Các thông số chủ yếu thường dung là nhiệt độ, lưu lượng, pH, ôxy hòa tan, BOD5, SS, chỉ
số Coliforms, độ đục, độ màu, chỉ số Nitơ
7 Kết luận và kiến nghị
Hệ thống hồ sinh học xử lý nước thải với ưu điểm lớn đó là dễ xây dựng, công tác thi công chủ yếu là công tác đất, hiện nay để đơn giản hóa và dễ cải tạo hồ không xây dựng hồ lót bằng bê tông mà lót bằng vật tấm nhựa dẻo, rút ngắn thời gian thi công Hồ có cấu tạo đơn giản chi phí xây dựng rẻ hơn so với các bể xây truyền thống, không yêu cầu nhân lực có trình độ cao trong vận hành và duy tu tuy nhiên giá đất là một trở ngại lớn trong việc lựa chọn phương án xử lý nước thải bằng hồ sinh học Tuy nhiên so sánhvề mặt khách quan, hồ sinh học tốn chi phí ban đầu cho mặt bằng xây dựng lớn tuy nhiên hệ thống xử lý vận hành đơn giản, chi phí xây dựng ít có thể tự cấp năng lượng trong quá trình vận hành trong khi
đó các hệ thống xử lý nước thải khác có khối lượng và thời gian thi công lâu, chi
Trang 6150
phí điện năng vận hành hệ thống rất lớn
trong suốt thời gian hoạt động
Ưu điểm của hồ có là có tính đệm
cao, hồ có thể chịu được hàm lượng kim
loại nặng lớn hơn các hồ thông thường,
có thể điều tiết lượng nước thải đến để
tránh sốc tải của lưu lượng vào Đặc biệt
hồ còn có khả năng xử lý các loại vi sinh
vật gây bệnh mà không phải sử dụng hóa
chất Tuy nhiên, hồ có hiệu quả xử lý
chất lơ lửng thấp hơn các công trinh xử lý
khác do thường có nhiều tảo trong dòng
chảy ra
Công nghệ xử lý nước thải bằng hồ
sinh học được sử dụng rộng rãi ở các nước
phát triển để xử lý nước thải, tái sử dụng
nước Đối với các nước đang phát triển,
phạm vi áp dụng chỉ mới phổ biến ở quy
mô công suất nhỏ Tuy nhiên, vận hành
các hồ sinh học ở các công trình hiện có tại Việt Nam có nhược điểm là thường sử dụng hệ thống thoáng khí nhân tạo, chủ yếu sử dụng hệ thống hồ hiếu khí làm mất
đi tính đa dạng sinh học và lợi thế kỹ thuật và kinh tế của hồ sinh học
Với những ưu điểm và nhược điểm trên, hệ thống hồ sinh học xử lý nước thải nếu được áp dụng đúng thì đó là một hệ thống xử lý chi phí thấp, có thể duy trì hệ thống mà không cần phụ thuộc hoàn toàn vào điện năng và các thiết bị máy móc cơ khí phức tạp Hệ thống được coi là công nghệ xử lý tự nhiên, gần gũi với tự nhiên, đáp ứng được các tiêu chí môi trường và thích ứng tốt với điều kiện khí hậu ấm nóng.Nếu quỹ đất quy hoạch phù hợp thì việc áp dụng công nghệ này để xử lý nước thải đô thị hoàn toàn khả thi
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Lều Thọ Bách, D.Xanhtoulis, Wang Chengduan và Hans Brix, 2010 “Xử lý nước thải chi phí thấp”, NXB Xây
Dựng
[2] Mara D.D., 2005 “Pond treatment technology”, IWA Publishing
[3] Oswald, W.J., 1975 “Waste Pond Fuldamentals”, The World Bank
[4] Sally Gutierrez (Director), National Risk Management Research Laboratory, 2011
“WastewaterTreatmentPond Systemsfor Plant Operators, Engineers, and Managers”, US EPA
[5] Trần Đức Hạ, 2006 “Xử lý nước thải quy mô vừa và nhỏ”, NXB Xây dựng
[6] Các trang Wed nước ngoài và tạp chí khác