Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng bãi lọc cây trồng kiến tạo Constructed wetland

Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng bãi lọc cây trồng kiến tạo Constructed wetland Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng bãi lọc cây trồng kiến tạo Constructed wetland Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác bằng bãi lọc cây trồng kiến tạo Constructed wetland luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- -

(CONSTRUCTED WETLAND)

Hà N ội - 2014

B Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

- -

NGUY ỄN ANH TUẤN

(CONSTRUCTED WETLAND)

Chuyên ngành: K ỹ thuật môi trường

LU ẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

K Ỹ THUẬT MÔI TRƯỜNG

CH Ủ TỊCH HỘI ĐỒNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGHIÊM TRUNG DŨNG TS LÊ VĂN NHẠ

ội - 2014

L ỜI CẢM ƠN

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Lê Văn Nhạ, các thầy cô trong

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường đặc biệt là PGS TS Đặng Xuân Hiển đã

tạo điều kiện giúp đỡ, động viên và đóng góp ý kiến quý báu cho tôi trong quá trình

thực hiện luận văn

Cũng nhân dịp này, tôi xin chân thành cảm ơn Viện Đào tạo Sau đại học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã quan tâm tạo điều kiện cho tôi trong thời gian

học tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận văn

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đặc biệt tới gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã dành nhiều sự quan tâm quý báu, sự giúp đỡ trong suốt quá trình làm luận văn và luôn cùng tôi chia sẻ, giải quyết những khó khăn, vướng mắc gặp phải

H ỌC VIÊN

Nguyễn Anh Tuấn

L ỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài luận văn thạc sỹ kỹ thuật “Nghiên cứu xử lý nước rỉ rác b ằng bãi lọc trồng cây kiến tạo (constructed wetland)” là do tôi thực hiện Đây

không phải là bản sao chép của bất kỳ một cá nhân, tổ chức nào Các số liệu, nguồn thông tin trong Luận văn là do tôi điều tra, trích dẫn, tính toán và đánh giá

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

Hà N ội, ngày …… tháng … năm 2014

H ỌC VIÊN

Nguy ễn Anh Tuấn

M ỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu của đề tài 1

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 2

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về nước rỉ rác 3

1.1.1 Khái niệm nước rỉ rác 3

1.1.2 Quá trình hình thành NRR 3

1.1.3 Các đặc trưng của nước rác 4

1.1.3.1 Tính chất lý học, hóa học của nước rác 4

1.1.3.2 Các thông số ô nhiễm chính cần xử lý đối với nước rỉ rác 7

1.1.3.3 Một số đặc tính nước rác trên thế giới và Việt Nam 8

1.1.3.4 Tác động của NRR 13

1.2 Các công nghệ xử lý NRR hiện nay 14

1.2.1 Phương pháp cơ học 14

1.2.2 Phương pháp hóa – lý 14

1.2.3 Phương pháp sinh học 15

1.3 Công nghệ xử lý NRR bằng bãi lọc trồng cây 15

1.3.1 Bãi lọc trồng cây 15

1.3.2 Phân loại bãi lọc trồng cây 16

1.3.2.1 Bãi lọc ngập nước trồng cây, dòng chảy tự do trên bề mặt 16

1.3.2.2 Bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang 17

1.3.2.3 Bãi lọc trồng cây dòng chảy thẳng đứng 18

1.3.3 Cơ chế của quá trình xử lý NRR bằng bãi lọc trồng cây 19

1.3.3.1 Loại bỏ các chất hữu cơ 19

1.3.3.2 Loại bỏ chất rắn 23

1.3.3.3 Loại bỏ hợp chất Nitơ 24

1.3.3.4 Loại bỏ hợp chất photpho 26

1.3.3.5 Loại bỏ kim loại nặng 27

1.3.3.6 Loại bỏ vi khuẩn và virut 28

1.3.3.7 Khả năng xử lý của bãi lọc trồng cây 29

1.3.4 Một số loài thủy sinh thực vật sử dụng trong bãi lọc trồng cây 30

1.3.4.1 Cây sậy 30

1.3.4.2 Cỏ Vetiver 31

1.3.5 Tình hình áp dụng mô hình bãi lọc trồng cây trong xử lý nước thải 32

1.3.5.1 Trên thế giới 32

1.3.5.2 Việt Nam 33

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36

2.1 Nguyên vật liệu và phương pháp nghiên cứu 36

2.1.1 Nguyên vật liệu và dụng cụ 36

2.1.1.1 Nguyên vật liệu 36

2.1.2 Phương pháp nghiên cứu 36

2.1.2.1 Phương pháp thu thập và xử lý thông tin 36

2.1.2.2 Phương pháp tham khảo các chuyên gia 36

2.1.2.3 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 36

2.1.2.4 Phương pháp phân tích tổng hợp đánh giá 37

2.1.2.5 Phương pháp nghiên cứu trên mô hình thí nghiệm 37

2.2 Quy trình công nghệ xử lý NRR bằng bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang 37

2.2.1 Quá trình tiền xử lý 38

2.2.2 Tính toán thiết kế bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang 42

2.3 Phương pháp lấy mẫu và phân tích 44

2.3.1 Phương pháp lấy mẫu 44

2.3.2 Phương pháp phân tích 45

2.3.3 Phương pháp xử lý kết quả 46

2.4 Mô hình ứng dụng trong đề tài……… 45

2.4.1 Mô hình lựa chọn để mô phỏng……… 45

2.4.2 Các thông số của mô hình SubWet 2.0 47

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 52

3.1 Tiền xử lý NRR 52

3.1.1 Mẫu NRR thí nghiệm 52

3.1.2 Tiền xử lý NRR 52

3.1.2.1 Hiệu suất xử lý hóa lý 53

3.1.2.2 Hiệu suất xử lý sinh học 55

3.2 Mô hình thí nghiệm xử lý NRR bằng bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang 55

3.3 Vận dụng mô hình Subwet 2.0 về bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang 61

3.3.1 Các thông số vào mô hình……… 60

3.3.2 Kết quả chạy mô hình Subwet 2.0 64

3.3.2.1 Giá trị hàm lượng BOD5 64

3.3.2.2 Giá trị hàm lượng NO3- 65

3.3.2.3 Giá trị hàm lượng NH4+ 66

3.3.2.4 Giá trị hàm lượng N hữu cơ 67

3.3.2.5 Giá trị hàm lượng tổng P 68

3.3.2.6 Hiệu chỉnh các thông số ảnh hưởng đến quá trình xử lý BOD5 69

3.4 Thiết kế hệ thống bãi lọc trồng cây xử lý NRR công suất 20m3/ngày đêm 74

KẾT LUẬN 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

PHỤ LỤC 84

DANH M ỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

BOD Biological oxygen demand Nhu cầu oxy sinh hoá

COD Chemical oxygen demand Nhu cầu oxy hoá học

HRT Hydraulic retention time Thời gian lưu nước

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Các số liệu tiêu biểu về thành phần và tính chất nước rác của các BCL

mới và lâu năm 7

Bảng 1.2: QCVN 25:2009/BTNMT các thông số ô nhiễm của nước rác 8

Bảng 1.3: Thành phần NRR tại một số quốc gia trên thế giới 9

Bảng 1.4: Thành phần NRR của một số BCL tại thành phố Hồ Chí Minh 11

Bảng 1.5: Thành phần chất thải chôn lấp tại BCL rác Nam Sơn 12

Bảng 2.1: Các hóa chất thường sử dụng trong quá trình keo tụ 39

Bảng 2.2: Các thông số của mô hình SubWet 2.0 ở khí hậu nhiệt đới 49

Bảng 3.1: Thành phần ban đầu của mẫu NRR 52

Bảng 3.2: Thành phần của NRR sau keo tụ 53

Bảng 3.3: Nồng độ các chất sau công đoạn kết tủa hóa học 1 54

Bảng 3.4: Thành phần của NRR sau quá trình kết tủa hóa học bậc 2 54

Bảng 3.5: Thành phần của NRR sau quá trình xử lý sinh học 55

Bảng 3.6: Kết quả phân tích chất lượng nước trước khi xử lý tháng 2-3/2014 58

Bảng 3.7: Kết quả phân tích chất lượng nước sau xử lý tháng 2-3/2014 59

Bảng 3.8: Hiệu suất xử lý các chất ô nhiễm bằng bãi lọc trồng cây 60

Bảng 3.9: Hiệu chỉnh giá trị BOD5 của mô hình thông qua 2 thông số OC và TO 70

Bảng 3.10: Độ lệch phần trăm của giá trị tập trung sau khi hiệu chỉnh 71

Bảng 3.11: Các thông số mô phỏng trong phần mềm Subwet 2.0 73

Bảng 3.12: Các tổng hợp giá trị mô phỏng về chất lượng nước sau xử lý 73

Bảng 3.13: Các chỉ tiêu của nước đầu vào 79

Bảng 3.14: So sánh nước trước xử lý và sau xử lý bằng bãi lọc trồng cây 79

DANH M ỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Mô hình cân bằng nước 3

Hình 1.2: Mô hình bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang 17

Hình 1.3: Mô hình bãi lọc trồng cây, dòng chảy thẳng đứng 19

Hình 1.4: Cơ chế phân hủy chất hữu cơ trong bãi lọc dòng chảy ngầm 20

Hình 1.5: Lượng BOD đầu vào và lượng BOD đầu ra 21

Hình 1.6: Lượng BOD loại bỏ được với tỷ lệ L – W 22

Hình 1.7: Loại bỏ chất rắn với HRT khác nhau 23

Hình 1.8: Loại bỏ chất rắn với tỉ lệ L:W 23

Hình 1.9: Quá trình chuyển hóa N trong bãi lọc dòng chảy ngầm 25

Hình 1.10: Quá trình loại bỏ photpho trong bãi lọc dòng chảy ngang 27

Hình 2.1: Quy trình công nghệ xử lý NRR bằng bãi lọc trồng cây 37

Hình 2.2: Quá trình tiền xử lý NRR trước khi đưa vào bãi lọc trồng cây 38

Hình 2.3: Mô hình thí nghiệm bãi lọc trồng cây xử lý NRR 43

Hình 3.1: Mô hình thí nghiệm bãi lọc trồng cây 57

Hình 3.2: Kết quả diện tích (AA), thể tích (VO) và tải trọng thủy lực (HL) được tính trên cơ sở các dữ liệu đầu vào 62

Hình 3.3: Bảng các thông số đầu vào của nước thải 62

Hình 3.4: Các giá trị ban đầu áp dụng cho trường hợp nghiên cứu 63

Hình 3.5: Các thông số mặc định trong mô hình 63

Hình 3.6: Mô phỏng giá trị BOD5 64

Hình 3.7: Mô phỏng giá trị NO3- 65

Hình 3.8: Mô phỏng giá trị NH4+ 66

Hình 3.9: Mô phỏng giá trị N hữu cơ 67

Hình 3.10: Mô phỏng giá trị tổng P 68

Hình 3.11: Hiệu suất xử lý tổng P 69

Hình 3.12: Mô phỏng giá trị BOD5 sau hiệu chỉnh 71

Hình 3.13: Mô phỏng hiệu suất xử lý BOD5 sau hiệu chỉnh 72

Hình 3.14: Mô hình thiết kế bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang 75

M Ở ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Hiện nay, vấn đề môi trường đang được xã hội và nhà nước Việt Nam quan tâm Ô nhiễm môi trường do nước thải từ các bãi chôn lấp (BCL) rác đang là vấn đề bức xúc ở nước ta nói chung đặc biệt là các thành phố lớn Trong điều kiện hiện nay

ở nước ta, khi phần lớn các dự án xử lý nước rỉ rác (NRR) có chỉ dừng ở mức xử lý

sơ bộ do thiếu thốn về tài chính, thì việc nghiên cứu tìm giải pháp cho việc xử lý vừa đơn giản, có chi phí xây dựng và vận hành thấp, vừa đảm bảo vệ sinh môi trường là một hướng nghiên cứu giải quyết hợp lý và khả thi

Công nghệ sinh thái sử dụng bãi lọc trồng cây để xử lý NRR được áp dụng

và phát triển ở nhiều nước trên thế giới cách nay vài chục năm Hiện nay các hệ thống bãi lọc trồng cây đang được sử dụng để xử lý nước thải (XLNT) sinh hoạt,

nước thải từ khu công nghiệp, NRR và các lĩnh vực khác Ở Việt Nam, tuy có điều kiện tự nhiên rất thuận lợi nhưng công nghệ này vẫn còn mới mẻ và chưa được hoàn chỉnh Các nghiên cứu trong nước về xử lý nước ô nhiễm trong điều kiện tự nhiên

chưa nhiều và còn trong phạm vi hẹp Vì vậy, việc thực hiện đề tài: “Nghiên cứu

x ử lý nước rỉ rác bằng bãi lọc trồng cây kiến tạo (constructed wetland)”, nhằm

đưa ra một giải pháp tối ưu về mặt công nghệ (xử lý các chất hữu cơ khó phân hủy sinh học và hợp chất nitơ, COD, BOD), hiệu quả kinh tế cũng như đạt được tiêu chuẩn xả thải nhằm giảm thiểu “hiểm họa ngầm” từ nước rỉ rác đối với môi trường

là cần thiết và có ý nghĩa khoa học

2 M ục tiêu của đề tài

- Phân tích đánh giá hiệu quả công nghệ sinh thái sử dụng bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang trong xử lý NRR;

- Ứng dụng mô hình phần mềm Subwet 2.0 để mô phỏng và đánh giá hiệu

quả xử lý NRR của bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang;

- Thiết kế mô hình bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang để xử lý NRR với công

suất 20m3/ngày đêm

3 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

* Đối tượng nghiên cứu: Nước rác của BCL rác Nam Sơn – Hà Nội

* Ph ạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tập trung vào bãi lọc trồng cây dòng

chảy ngang

* Phương pháp nghiên cứu:

- Thu thập thông tin, tài liệu đã được công bố, các số liệu tổng hợp, tổng kết

của các cơ quan có chức năng về môi trường

- Nghiên cứu tổng quan về các công nghệ xử lý NRR, đặc biệt là công nghệ sinh thái sử dụng bãi lọc trồng cây;

- Tập hợp, đánh giá số liệu thu thập hiệu quả xử lý của công nghệ bãi lọc

trồng cây;

- Phương pháp mô hình: Ứng dụng phần mềm Subwet 2.0 để mô phỏng hiệu

quả xử lý nước rỉ rác theo mô hình thiết kế

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học: Đề tài nghiên cứu là cơ sở đưa ra đề xuất mới cho việc

lựa chọn công nghệ phù hợp, xử lý hiệu quả đối với nước rác chứa các hợp chất hữu

cơ BOD5, NH4+, NO3-, N hữu cơ, tổng P

- Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: Từ kết quả nghiên cứu có thể xây dựng được

bãi lọc trồng cây kiến tạo dòng chảy ngang trong việc xử lý nước rác đạt yêu cầu theo QCVN 25:2009/BTNMT cột B2 trước khi thải ra môi trường

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 T ổng quan về nước rỉ rác

Hình 1.1: Mô hình cân b ằng nước [17]

Nước rác được hình thành khi nước thấm vào ô chôn lấp Nước có thể thấm vào rác theo một số cách sau đây:

− Nước sẵn có và tự hình thành khi phân hủy rác hữu cơ trong BCL;

− Mực nước ngầm có thể dâng lên vào các ô chôn rác;

− Nước có thể rỉ vào qua các cạnh (vách) của ô rác;

− Nước từ các khu vực khác chảy qua có thể thấm xuống các ô chôn rác;

− Nước mưa rơi xuống khu vực BCL rác trước khi được phủ đất và trước khi ô rác đóng lại;

− Nước mưa rơi xuống khu vực BCL rác sau khi ô rác đầy (ô rác được đóng

lại)

Tuy nhiên, NRR tại các bô rác chủ yếu được hình thành do hai nguồn chính

là độ ẩm của rác và quá trình phân hủy sinh học các hợp chất hữu cơ tạo ra nước

Lượng nước có sẵn trong bãi rác là nhỏ nhất so với các nguồn khác Nước từ

những khu vực khác chảy qua BCL cần phải thu gom bằng hệ thống thoát nước Hệ

thống thoát nước không chỉ bảo vệ những khu vực chôn lấp rác khỏi bị xói mòn trong thời gian hoạt động mà còn tiêu thoát lượng nước thừa ngấm vào ô rác và tạo

ra nước rác Ðối với nước mưa, không có cách nào để ngăn chặn không cho chúng

chảy vào ô rác, nhưng có thể hạn chế được lượng nước mưa ngấm vào ô rác bằng cách trồng lại thảm thực vật sau khi bãi rác đã đóng lại NRR thường tích đọng lại ở đáy của bãi rác

1.1.3 Các đặc trưng của nước rác

1.1.3.1 Tính ch ất lý học, hóa học của nước rác

a/ Tính ch ất lý học

- pH: pH là một trong những thông số quan trọng ảnh hưởng trực tiếp tới

hiệu quả của quá trình xử lý sinh học Khoảng giá trị pH tối ưu cho quá trình xử lý

yếm khí là 7-8 và quá trình xử lý hiếu khí là 6,5-8,5

- Độ màu, độ đục: Nước rác có độ màu rất cao từ 6.900-8.600 Pt/Co, hàm

lượng cặn lơ lửng trong khoảng 200-1000mg/l Độ màu và độ đục của nước rác gây

ra bởi các hợp chất hữu cơ có màu như axit humic, axit fuvic, ligin… Một số chất

vô cơ như muối, oxit, hydroxit kim loại (sắt, mangan, đồng…) cũng gây ra màu cho nước rác Chúng tồn tại ở dạng keo lơ lửng và hòa tan trong nước rác

- Mùi: Nước rác cò mùi đặc trưng khó chịu của các chất gây mùi là sản phẩm

của quá trình phân hủy các chất hữu cơ: NH3, H2S, mecaptan, phenol…

- Độ kiềm: Là đại lượng đặc trưng cho khả năng tiếp nhận proton của môi

trường nước Độ kiềm của nước gây ra bởi các gốc muối của axit vô cơ yếu

(H2CO3, H2SiO3, H3PO4), các dạng tồn tại cụ thể của muối phụ thuộc vào pH của môi trường Trong quá trình phân hủy yếm khí rác thải, các axit yếu trên hình thành

do các phản ứng sinh hóa dưới tác dụng của vi sinh vật trong đó Độ kiềm của nước rác rất cao nằm trong khoảng 100-10.000mg CaCO3/l

b/ Tính ch ất hóa học

- Các ch ất hữu cơ: Các chất hữu cơ có trong nước rác là do quá trình hòa tan

các thành phần trong rác, là các sản phẩm của quá trình phân hủy rác Nồng độ chất

hữu cơ được đặc trưng bởi các chỉ số như BOD5, COD, TOC

- Các ch ất vô cơ: Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, SO42-… có nồng độ tương đối

lớn: Na+ từ 200-2500mg/l, K+ từ 200-1000mg/l, Ca2+ và Cl- trong khoảng 3000mg/l, Mg2+ từ 50-1500mg/l, SO42- từ 50-1000mg/l… có ảnh hưởng đến hoạt động của vi sinh vật, hàm lượng Ca2+ và Mg2+ quyết định độ cứng của nước rác Các kim loại nặng có thể có trong nước rác như Fe, Mn, Pb, Zn, Cd, Cr, Hg…do sự hòa tan các thành phần trong nước rác hoặc là sản phẩm của các quá trình ăn mòn hay

200-tạo phức Nồng độ của các kim loại nặng phụ thuộc vào đặc trưng của nước rác như

pH, lưu lượng và nồng độ của các tác nhân tạo phức Nhìn chung khi pH tăng thì độ tan của kim loại giảm

- H ợp chất nitơ, photpho:

+ Hợp chất nitơ: Nitơ tồn tại trong nước rác dưới dạng nitơ hữu cơ,

NH3/NH4+, NO

-2, NO3-…Nitơ hữu cơ và amoni sinh ra từ quá trình phân giải các

hợp chất hữu cơ chứa nitơ (protein, axitamin) Hàm lượng Nitơ hữu cơ, amoni trong nước rác khá cao ở các BCL mới có thể đạt 800mg/l trong khi ở các bãi rác cũ chỉ là 80-120mg/l Hàm lượng nitrat tương đối thấp (5-40mg/l) chứng tỏ vẫn còn một

phần nitơ bị oxi hóa thành nitrat

+ Hợp chất photpho: Photpho tồn tại trong nước dưới dạng photpho hữu cơ, orthophotphat (PO43-, HPO43-, H2PO43-) và polyphotphat (Na3(PO4)6) Nói chung

nồng độ photpho trong nước rác là tương đối thấp so với amoni Hàm lượng photpho tổng trong nước rác mới từ 5-100mg/l, nước rác cũ từ 5-10mg/l

c/ Tính ch ất sinh học

Đặc trưng về vi sinh vật trong nước rác được biết đến ít hơn so với các thành

phần hóa học khác Một số lượng lớn các vi sinh vật có trong nước rác của các BCL

chất thải đô thị Thành phần vi sinh vật có trong nước rác phụ thuộc vào giai đoạn phân hủy xảy ra trong ô chôn lấp Mỗi giai đoạn có các chủng vi sinh vật đặc trưng

hoạt động và nước rác mang theo các vi sinh vật có trong rác ra ngoài

Hàm lượng vi khuẩn trong nước rác (tổng coliform, fecal streptococci) thay đổi đột theo tuổi bãi rác và do vậy thay đổi theo thành phần hóa học của nước rác

Các số liệu về thành phần và tính chất NRR của các BCL mới và lâu năm được đưa ra ở bảng 1.1

B ảng 1.1: Các số liệu tiêu biểu về thành phần và tính chất nước rác của các

BCL m ới và lâu năm [6]

1.1.3.2 Các thông số ô nhiễm chính cần xử lý đối với nước rỉ rác

Nồng độ tối đa cho phép của các thông số ô nhiễm trong nước rác khi xả vào nguồn tiếp nhận được quy định trong bảng 1.2 dưới đây:

B ảng 1.2: QCVN 25:2009/BTNMT các thông số ô nhiễm của nước rác [3]

STT Thông s ố N ồng độ tối đa cho phép (mg/l)

- Cột B1 quy định nồng độ tối đa cho phép của các thông số ô nhiễm trong nước thải của BCL CTR hoạt động trước ngày 01 tháng 01 năm 2010 khi xả vào các nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt;

- Cột B2 quy định nồng độ tối đa cho phép của các thông số ô nhiễm trong nước thải của BCL CTR xây dựng mới kể từ ngày 01 tháng 01 năm 2010 khi xả vào các nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt

1.1.3.3 M ột số đặc tính nước rác trên thế giới và Việt Nam

a/ Trên th ế giới

Ở các nước trên thế giới, rác sinh hoạt được phân loại tại nguồn nên thành

phần hóa học của nước rác không phức tạp, nước rác chỉ chứa chủ yếu các chất hữu

cơ, nitơ, phốt pho; còn các kim loại nặng, các chất hữu cơ độc hại nguy hiểm có

nồng độ không lớn Thành phần đặc trưng của NRR ở một số nước trên thế giới được trình bày cụ thể trong bảng 1.3

B ảng 1.3: Thành phần NRR tại một số quốc gia trên thế giới [14] [16]

Thành Ph ần Đơn Vị

Columbia Canada Đức

Pereira (5 năm vận hành)

Clover Bar (Vận hành từ năm 1975)

BCL CTR

đô thị

COD mgO2/l 4.350 – 65.000 1.090 2.500 BOD mgO2/l 1.560 – 48.000 39 230

với BCL cũ Từ các số liệu thống kê trên cho thấy, trong khi giá trị pH của NRR tăng theo thời gian, thì hầu hết nồng độ các chất ô nhiễm trong NRR giảm dần theo

thời gian, ngoại trừ nồng độ NH3 trong NRR cũ rất cao (nồng độ trung bình khoảng 1.800mg/L) Nồng độ các kim loại hầu như rất thấp, ngoại trừ nồng độ sắt

b Vi ệt Nam

Hiện nay ở Việt Nam, xử lý CTR sinh hoạt đô thị chủ yếu vẫn là chôn lấp Trên địa bàn các TP lớn của Việt Nam như: Hà Nội và TP Hồ Chí Minh tỷ lệ CTR sinh hoạt đô thị đem chôn lấp chiếm tới 80-90%; cụ thể trên địa bàn TP Hà Nội, tỷ

lệ CTR sinh hoạt đô thị đem chôn lấp 73-81%, sản xuất phân Compost <7% và tái

chế 12-20% (URENCO Hà Nội 2006) Trên địa bàn cả nước chỉ có 17/91 BCL được xem là hợp vệ sinh thì vấn đề xử lý cũng là vấn đề cần quan tâm Tại TP Hồ Chí Minh, ngoài 2 bãi rác Đông Thạnh và Gò Cát đã đóng cửa và ngừng tiếp nhận rác từ năm 2008, hiện có 3 khu liên hiệp xử lý CTR là khu xử lý CTR Tây Bắc (Củ Chi), khu xử lý CTR Thủ Thừa (Long An) Tại các cơ sở này, công nghệ xử lý rác cho đến nay chủ yếu vẫn là chôn lấp hợp vệ sinh; vấn đề xử lý nước rác vẫn đang là

vấn đề bức xúc

Hiện nay, trên địa bàn cả nước có rất ít BCL có trạm xử lý nước rác Các

trạm xử lý (TXL) nước rác mới chỉ được đầu tư xây dựng tại các BCL được xem là

hợp vệ sinh như trạm xử lý nước rác Nam Sơn (Hà Nội); TXL nước rác ở Đèo Sen, TXL nước rác Hà Khẩu, TXL nước rác Quang Hanh (Quảng Ninh); TXL nước rác Tràng Cát (Hải Phòng); TXL nước rác Lộc Hoà (Nam Định) hoặc các khu vực là điểm nóng về môi trường do nước rác như TXL nước rác Đông Thạnh, TXL nước rác Gò Cát, TXL nước rác Đa Phước, TXL nước rác Phước Hiệp (tất cả đều ở TP

Hồ Chí Minh) Theo đánh giá của các chuyên gia, trong số các TXL nước rác kể trên, các trạm xử lý nước rác được đầu tư xây dựng hiện đại, hiệu quả xử lý cao, đạt TCVN 5945-1995 là Nhà máy xử lý nước rác Nam Sơn (Hà Nội) và Nhà máy xử lý nước rác Gò Cát (TP Hồ Chí Minh)

Phần lớn các BCL rác thải ở Việt Nam hiện có những đặc điểm chính sau:

hầu hết các bãi rác thải đều xây dựng và hoạt động chưa đúng kỹ thuật, chưa theo quy hoạch; rác thải sinh hoạt chưa được phân loại khi thu gom, không kiểm soát được thành phần khi đưa đi chôn lấp Vì vậy nước rác vừa có tải lượng lớn, vừa có

nồng độ chất ô nhiễm cao, có thành phần phức tạp, khó xử lý; do nhiều nguyên nhân, các bãi rác đều ở gần khu dân cư, việc ô nhiễm môi trường gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe cộng đồng

Thành phần NRR của một số BCL tại thành phố Hồ Chí Minh và BCL Nam Sơn – Sóc Sơn – Hà Nội được trình bày trong bảng 1.4 và 1.5 Số liệu phân tích thành phần NRR cho thấy NRR mới tại các BCL đều có tính chất giống nhau là có

nồng độ COD cao có thể lên đến trên 50.000mO2/l, tỉ lệ BOD5/COD cao trong khoảng 0,5 – 0,9; nồng độ NH4+ không cao và giá trị pH thấp đối với NRR mới nhưng chỉ sau một thời gian ngắn vận hành nồng độ COD, BOD giảm rất đáng kể, tỉ

lệ BOD5/COD thấp, nồng độ NH4+ tăng lên đáng kể và giá trị pH tăng

B ảng 1.4: Thành phần NRR của một số BCL tại thành phố Hồ Chí Minh [6]

NRR cũ 8/2006

NRR mới 02÷4/2003

NRR cũ 8/2006

pH - 4,8 – 6,2 7,5 – 8,0 5,6 – 6,5 7,3 – 8,3

TDS mg/l 7.300 –12.200 9.800 –

16.100

18.260 – 20.700

6.500 – 8.470

Độ cứng

tổng

mg CaCO3/l 5833 – 9.667 590 5.733 – 8.100 -

24.000 – 57.300

1.510 – 4.520

BOD5 mgO2/l 30.000 –

48.000

1.010 – 1.430

18.000 – 48.500 240 – 2.120

SO42- mg/l 1.600 – 2.340 - 2.300 – 2.560 -

Humic mg/l - 297 – 359 250 – 350 767 – 1.150 Lignin mg/l - 52 – 86 - 74,7

B ảng 1.5: Thành phần chất thải chôn lấp tại BCL rác Nam Sơn [9]

[Ngu ồn: Viện Công nghệ môi trường Việt Nam]

Kết quả phân tích nước rác tại BCL rác Nam Sơn thành phố Hà Nội của Viện công nghệ Môi trường Việt Nam cho thấy: pH trong khoảng 7-9, giá trị COD tại ô chôn lấp cao: 9.225-22.780 mg/l (mùa khô), 2.152 – 6.245 mg/l (mùa mưa); tỷ lệ BOD/COD thấp; nồng độ nitơ rất cao (mùa khô: 1.586 – 2.151 mg/l, mùa mưa: 485 – 875 mg/l tại ô chôn lấp

Các thành phần nước rác có thể biến động rất mạnh, tùy thuộc vào tuổi bãi rác, thời gian lấy mẫu – mùa mưa hay mùa khô và theo những xu hướng khác nhau

Vì vậy, việc khảo sát các đặc trưng của nước rác tại các BCL suốt một thời gian dài, ngay từ khi chúng mới đi vào hoạt động, có thể cung cấp những thông tin quan

trọng làm cơ sở để chọn lựa công nghệ xử lý phù hợp

1.1.3.4 Tác động của NRR

a/ Tác động của các chất hữu cơ

Các chất hữu cơ dễ phân hủy bởi vi sinh vật thường được xác định gián tiếp qua thông số nhu cầu oxy sinh hóa (BOD), thể hiện lượng oxy cần thiết cho vi sinh vật phân hủy hoàn toàn chất hữu cơ có trong nuớc thải Như vậy, nồng dộ BOD tỷ

lệ với hàm lượng chất ô nhiễm hữu cơ, đồng thời cũng được sử dụng để đánh giá tải lượng và hiệu quả sinh học của một hệ thống XLNT Ô nhiễm hữu cơ sẽ dẫn đến sự suy giảm nồng độ oxy hòa tan trong nước do vi sinh vật sử dụng oxy hòa tan để phân hủy các chất hữu cơ Sự cạn kiệt oxy hòa tan sẽ gây tác hại nghiêm trọng đến tài nguyên thủy sinh

b/ Tác động của các chất lơ lửng

Chất lơ lửng cũng là tác nhân gây ảnh hưởng tiêu cực đến tài nguyên thủy sinh đồng thời gây tác hại về mặt cảm quan do làm tăng độ đục nguồn nước và gây bồi lắng nguồn nước mặt tiếp nhận Ðối với các tầng nước ngầm, quá trình ngấm của nước rò rỉ từ các bãi rác có khả năng làm tăng hàm lượng các chất dinh dưỡng trong nước ngầm như: NH4, NO3, PO4 đặc biệt là NO2, có độc tính cao đối với con người và động vật sử dụng nguồn nước đó

c/ Tác động lên môi trường đất

Quá trình lưu giữ trong đất và ngấm qua những lớp đất bề mặt của nước rò rỉ

từ bãi rác làm cho sự tăng trưởng và quá trình hoạt động của vi khuẩn trong đất kém

đi, làm thuyên giảm quá trình phân hủy các chất hữu cơ thành những chất dinh dưỡng cho cây trồng, trực tiếp làm giảm năng suất canh tác và gián tiếp làm cho đất

bị thoái hóa, bạc màu

Ảnh hưởng của nước rò rỉ từ bãi rác đến đất đai sẽ rất nghiêm trọng, mang tính chất lâu dài và rất khó khắc phục nếu nó được thấm theo mạch ngang Chính vì vậy, để hạn chế và ngăn ngừa khả năng ô nhiễm đất, người ta áp dụng các biện pháp

an toàn trong công tác chôn lấp rác, chủ yếu là bằng cách xây các đê chắn bằng bê tông để ngăn chặn khả năng thấm theo chiều ngang của nước rò rỉ, đồng thời phải

lắp đặt hệ thống thu gom và xử lý nước rò rỉ này

1.2 Các công ngh ệ xử lý NRR hiện nay

Tùy theo đặc điểm: Lưu lượng, thành phần, tính chất của mỗi loại NRR mà

lựa chọn các phương pháp xử lý khác nhau Để xử lý nước rác có thể áp dụng

Phương pháp cơ học là quá trình xử lý sơ bộ, bao gồm các công trình và thiết

bị như song chắn rác Lưới chắn rác, lưới lọc bể lắng, bể lọc với vật liệu là cát

thạch anh để tách các chất không hòa tan ra khỏi nước rác, nhiều khi người ta còn dùng bể tuyển nổi để tách các chất lơ lửng không tan và dầu mỡ

Ưu điểm: Phương pháp cơ học thường đơn giản, rẻ tiền, hiệu quả xử lý chất

lơ lửng cao Thông thường phương pháp cơ học chỉ là bước trước khi xử lý sinh

học, hóa học

Nhược điểm: Phương pháp cơ học chỉ hiệu quả đối với các chất không tan,

không tạo được kết tủa đối với các chất lơ lửng

1.2.2 Phương pháp hóa – lý

NRR thường chứa một lượng đáng kể các hợp chất hữu cơ khó phân hủy và

một số kim loại nặng mang độc tính cao Do vậy, người ta phải sử dụng các hóa

chất để tạo ra các phản ứng hóa học, đồng thời kết hợp với phương pháp cơ học, để hóa rắn, lắng, hấp phụ cacbon hoạt tính, ozon hóa để khử COD, độ màu, cặn lơ

lửng và nhất là kim loại năng có trong NRR

Ưu điểm:

- Hiệu quả xử lý cao

- Không gian xử lý không lớn

- Dễ sử dụng và quản lý

Nhược điểm: Chi phí hóa chất cao và thường tạo ra các sản phẩm phụ độc

hại (chủ yếu là do sự có mặt của một số hóa chất)

1.2.3 Phương pháp sinh học

Phương pháp sinh học được chia thành các loại:

- Xử lý hiếu khí là oxy hóa hay khử bằng các vi sinh vật hiếu khí, như trong quy trình bể hiếu khi có bùn hoạt tính (bể aeroten), màng lọc sinh

học, đĩa quay sinh học…

- Xử lý kỵ khí là xử lý bằng các vi sinh vật kỵ khí như trong các bể biogas;

- Xử lý sinh học trong điều kiện tự nhiên (hay công nghệ sinh thái), thường sử dụng là các cánh đồng tưới, bãi lọc trồng cây

Ưu điểm:

- Hiệu quả cao, ổn định về tính sinh học;

- Nguồn nguyên liệu dễ kiếm, hầu như là có sẵn trong tự nhiên;

- Thân thiện với môi trường;

- Chi phí xử lý thấp, ít tốn điện năng và hóa chất;

- Thường không gây ô nhiễm thứ cấp

Nhược điểm:

- Chịu ảnh hưởng nhiều của điều kiện thời tiết: nhiệt độ, ánh sáng, pH, hàm lượng các chất dinh dưỡng, các chất độc hại khác;

- Yêu cầu diện tích khá lớn để xây dựng các công trình

Trên thực tế, thành phần NRR rất phức tạp Nếu trước khi chôn lấp, rác không được phân loại thì xử lý NRR gặp không ít khó khăn Đa số các trường hợp

phải áp dụng kết hợp nhiều phương pháp mới có thể xử lý đảm bảo tiêu chuẩn xả

ra nguồn tiếp nhận Thông thường, để xử lý NRR phải áp dụng phương pháp cơ

học, kết hợp với phương pháp xử lý lý – hóa và phương pháp sinh học [20]

1.3 Công ngh ệ xử lý NRR bằng bãi lọc trồng cây

1.3.1 Bãi l ọc trồng cây

Trong tự nhiên, tồn tài các hệ sinh thái của bãi lọc trồng cây Các hệ sinh thái này đóng vai trò quan trọng trong việc làm sạch nguồn nước

Bãi lọc trồng cây là hệ thống được thiết kế và xây dựng nhằm ứng dụng các quá trình tự nhiên trong việc xử lý nước Bãi lọc trồng cây chính là công nghệ xử lý sinh thái mới, được xây dựng nhằm khắc phục những nhược điểm của đất ngập nước tự nhiên mà vẫn có được những ưu điểm của đất ngập nước tự nhiên Các nghiên cứu cho thấy, bãi lọc trồng cây hoạt động tốt hơn so với đất ngập nước tự nhiên cùng diện tích, nhờ đáy của bãi lọc có độ dốc hợp lý và chế độ thủy lực được

kiểm soát Độ tin cậy trong hoạt động của bãi lọc nhân tạo cũng được nâng cao do

thực vật và những thành phần khác trong bãi lọc nhân tạo có thể quản lý được như mong muốn [19]

Ưu điểm của bãi lọc trồng cây:

- Chi phí cho đầu tư xây dựng và vận hành thấp;

- Nguồn năng lượng chủ yếu là năng lượng mặt trời;

- Hiệu quả xử lý cao và ổn định;

- Tuổi thọ công trình cao;

- Thân thiện với môi trường;

- Có khả năng giải phóng oxy và lấy đi đioxit cacbon nên góp phần làm

giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính;

- Sinh khối của cây có thể sử dụng cho một số lợi ích khác nhau (giấy, phân bón, thức ăn vật nuôi, biogas…)

1.3.2 Phân lo ại bãi lọc trồng cây

Các hệ thống bãi lọc khác nhau bởi dạng dòng chảy, môi trường và các loại

thực vật trồng trong bãi lọc Có thể phân loại bãi lọc trồng cây thành hai loại: bãi

lọc ngập nước trồng cây và bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang và bãi lọc trồng cây dòng chảy đứng [17]

1.3.2.1 Bãi l ọc ngập nước trồng cây, dòng chảy tự do trên bề mặt

Bãi lọc kiểu này giống như các đầm lầy trong tự nhiên Bãi lọc ngập nước

trồng cây có dòng chảy tự do trên bề mặt, được trồng các loại cây thủy sinh sống

nổi, thường là các hệ thống chứa nước có độ sâu của đất khoảng 20-30 cm cho rễ

cây bám vào và độ sâu của nước khoảng 20-40 cm Ngoài các cây được trồng, có

thể có các cây thủy sinh khác mọc tự nhiên Cây thường không được thu hoạch sinh

khối và các mảnh vụn hữu cơ của cây cung cấp nguồn chất hữu cơ cho quá trình

khử nitơ

Bãi lọc ngập nước trồng cây rất hiệu quả cho việc phân hủy các chất hữu cơ thông qua các vi sinh vật Các chất rắn lơ lửng cũng được lắng và lọc nhờ các cây

thủy sinh mọc dày đặc Nitơ được loại bỏ nhờ quá trình nitrat hóa, phản nitrat hóa,

và amonia có thể bay hơi khi pH cao do sự quang hợp của tảo Photpho được loại bỏ

ít hơn vì điều kiện tiếp xúc với đất bị hạn chế Các chất khoáng cũng được cây hấp

thụ đáng kể

Bãi lọc ngập nước trồng cây được áp dụng phổ biến ở phía bắc nước Mỹ, nước Úc Tại châu Âu, công nghệ này hiện nay đang được chú ý, đặc biệt là ở Thụy Điển và Đan Mạch, sử dụng để xử lý nitơ từ nguồn ô nhiễm phân tán Công nghệ này cũng được sử dụng để xử lý các nguồn nước thải đô thị

1.3.2.2 Bãi l ọc trồng cây dòng chảy ngang

Cây được trồng trên đất nền là sỏi đá, nước chảy ngầm theo chiều ngang từ đầu vào đến đầu ra Nước ô nhiễm được đưa qua đầu vào, chảy qua lớp vật liệu lọc

ngầm phía dưới, có rễ cây, theo chiều ngang, cho đến đầu ra và được thải ra ngoài

Tại hệ thống lọc, các chất bẩn được loại bỏ nhờ sự phân hủy của các vi sinh vật và các quá trình lý-hóa xảy ra tại các vùng hiếu khí có sự tham gia cung cấp oxy của hệ

rễ và tại các vùng kỵ khí

Hình 1.2: Mô hình bãi l ọc trồng cây dòng chảy ngang [15]

Kiểu bãi lọc này được phát triển từ những năm 50 của thế kỷ trước tại các nước Đức, do Kathe Seidel thiết kế Lúc đầu, vật liệu lọc là các vật liệu thô làm giá

thể cho hệ rễ Năm 1960, Reinhold Kickuth đề xuất sử dụng môi trường đất có thành phần sét cao và gọi hệ thống đó là “phương pháp vùng rễ” Đến những năm đầu của thập kỷ 80, công nghệ này được áp dụng nhiều ở Đan Mạch và vào năm

1987, gần 100 hệ thống lọc kiểu này được đưa vào sử dụng

Vào cuối những năm 80, hệ thống lọc này được phát triển ở nhiều nước khác nhau như Úc, Anh… và đến năm 1990 được mở rộng ra hầu khắp các nước châu

Âu, cũng như Nam Mỹ, châu Á và châu Phi Khi đó, vật liệu lọc bằng đất được thay

thế bằng các vật liệu thô, đến nay phổ biến là đá được rửa sạch với cỡ 10-20 cm

Vai trò quan trọng của bãi lọc dòng chảy ngang là tạo ra được chất nền là rễ

và vùng rễ, là chỗ bám cho các vi sinh vật, giải phóng oxy từ rễ vào vùng rễ, hút các

chất khoáng và giảm bớt được ảnh hưởng của điều kiện nhiệt độ thấp vào mùa lạnh

Trên khắp thế giới, bãi lọc dòng chảy ngang thường được sử dụng phổ biến

để XLNT sinh hoạt, nước thải đô thị, nước thải công nghiệp, NRR và các lĩnh vực khác

1.3.2.3 Bãi l ọc trồng cây dòng chảy thẳng đứng

Bãi lọc dòng chảy thẳng đứng lần đầu tiên được Seidel đề xuất nhằm xử lý nước đầu ra của các hầm tự hoại kỵ khí Nhưng công nghệ này lúc đầu chậm được

áp dụng vì đầu tư cho vận hành cao, do phải dùng máy bơm nước lên bề mặt của bãi

lọc

Đối với hệ thống lọc này, oxy của không khí có thể thâm nhập vào sâu bên trong nên điều kiện môi trường trong bãi lọc rất thuận lợi cho quá trình nitrat hóa,

mà không thuận lợi cho quá trình phản nitrat hóa, hiệu quả cho quá trình phân hủy

chất hữu cơ và loại bỏ các chất rắn lơ lửng

Hình 1.3: Mô hình bãi l ọc trồng cây, dòng chảy thẳng đứng [15]

Công nghệ này cũng được sử dụng để XLNT sinh hoạt, nước thải đô thị, nước thải công nghiệp và các lĩnh vực khác [25]

1.3.3 Cơ chế của quá trình xử lý NRR bằng bãi lọc trồng cây

Để thiết kế, xây dựng, vận hành mô hình bãi lọc trồng cây được chính xác, đạt hiệu quả cao, việc nắm rõ cơ chế XLNT của bãi lọc trồng cây là hết sức cần thiết Các cơ chế đó bao gồm lắng, kết tủa, hấp phụ hóa học, trao đổi chất của vi sinh vật và sự hấp thụ của thực vật Các chất ô nhiễm có thể được loại bỏ nhờ nhiều

cơ chế đồng thời trong hệ thống [21]

1.3.3.1 Lo ại bỏ các chất hữu cơ

Các hợp chất hữu cơ được loại bỏ trong hệ thống bãi lọc trồng cây chủ yếu

nhờ cơ chế hấp phụ, phân hủy bởi các VSV và hấp thụ của thực vật

Quá trình phân hủy các chất hứu cơ chính nhờ các vi khuẩn hiếu khí và kị khí, nhưng quá trình hấp phụ các chất bẩn lên màng VSV phải xảy ra trước quá trình thích nghi và phân hủy sinh học Các chất bẩn hữu cơ còn có thể được loại bỏ

nhờ quá trình hút bám vật lý lên bề mặt các chất rắn lắng được và sau đó là quá trình lắng Quá trình này thường xảy ra ở phần đầu của bãi lọc Các hợp chat hữu cơ cũng bị thực vật hấp thụ Tuy nhiên, cơ chế này còn chưa được hiểu rõ và phụ thuộc nhiều vào loài thực vật được trồng, cũng như đặc tính của các chất bẩn Đối với bãi

lọc dòng chảy ngầm chủ yếu loại bỏ những chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh

học Cacbon hữu cơ trong nước thải ở các dạng: cacbon hữu cơ không tan (POC),

cacbon hữu cơ hòa tan (DOC), cacbon vô cơ hòa tan (DIC), cacbon hữu cơ dễ bay

hơi (VOC), cacbon vô cơ không tan (PIC) Những dạng cacbon hữu cơ nay đi vào

trong hệ thống bãi lọc sẽ được vi sinh vật trong hệ thống phân hủy như: VOC nhờ vi

sinh vật sẽ bay hơi, DOC và POC nhờ sự có mặt của vi sinh vật hiếu khí để chuyển

thành DIC (CO2) Tầng tiếp theo là hỗn hợp nước bùn và tầng bùn: ở tầng này chủ

yếu là cacbon vô cơ không tan PIC phân hủy trong điều kiện yếm khí một phần sẽ

chuyển thành DIC, phần còn lại sẽ lắng xuống đáy của bãi lọc Nếu trong chất hữu

cơ có N, S sẽ được chuyển hóa thành sản phẩm cuối cùng là S2- , N2 Như vậy, sau

quá trình này lượng chất hữu cơ trong nước thải giảm xuống chỉ còn 1 phần được

thải ra ngoài

Hình 1.4: Cơ chế phân hủy chất hữu cơ trong bãi lọc dòng chảy ngầm [15]

+ Các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học

Trong các bãi lọc trồng cây, phân hủy sinh học đóng vai trò lớn nhất trong

việc loại bỏ các chất hữu cơ dạng hòa tan hay dạng keo có khả năng phân hủy sinh

học (BOD5) có trong nước thải, BOD5 còn lại cùng các chất rắn lắng được sẽ bị loại

bỏ nhờ quá trình lắng Bãi lọc trồng cây về cơ bản hoạt động như bể lọc sinh học

Tuy nhiên đối với bãi lọc trồng cây, vai trò của vi sinh vật lơ lửng dọc theo chiều sâu cột nước của bãi lọc đối với việc loại bỏ BOD5 cũng rất quan trọng Cơ chế loại

bỏ BOD5 trong các màng vi sinh vật bao bọc xung quanh lớp vật liệu lọc tương tự như trong bể lọc sinh học nhỏ giọt Phân hủy sinh học xảy ra khi các chất hữu cơ hòa tan được mang vào lớp màng vi sinh bám trên phần thân ngập nước của thực

vật, hệ thống rễ và những vùng vật liệu lọc xung quanh, nhờ quá trình khuếch tán

Các hệ thống xử lý không loại bỏ hết được BOD5 mà thường còn lại một lượng trong nước thải từ 2-7mg

Hình 1.5: Lượng BOD đầu vào và lượng BOD đầu ra [15]

Theo nghiên cứu thì hầu hết lượng BOD5 còn lại trong nước đầu ra đều là

những chất hữu cơ còn sót lại từ bãi lọc dòng chảy ngầm và không có nguồn gốc từ nước thải đầu vào

Để xử lý được BOD trong nước thải hiệu quả nhất thì hệ thống đất gập nước

SF phải có tỉ lệ cao (L:W) để đảm bảo duy trì các điều kiện của dòng chảy vào mức

độ thực hiện xử lý.Yêu cầu tỷ lệ L:W ít nhất là 10:1 nếu thấp hơn sẽ giảm hiệu quả trong xử lý

Hình 1.6: Lượng BOD loại bỏ được với tỷ lệ L – W [15]

Lượng BOD5 trong nước thải có thế loại bỏ nhanh chóng ở phần đầu của hệ

thống bãi lọc dòng chảy ngầm, do các chất hữu cơ ở trong nước thải cao hơn nhiều

so với phần còn lại của hệ thống

* Cơ chế của quá trình phân hủy chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học trong điều kiền hiếu khí:

- Phản ứng vô cơ hóa các chất hữu cơ:

CxHyOzN + (x+y/4+z/3+3/4) O2  NH3 + xCO2 + y-3/2 H2O + W

- Phản ứng tổng hợp sinh khối, vsv sử dụng các chất vô cơ mới tạo ra để tổng hợp:

* Cơ chế phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí

- Phản ứng tổng quát như sau:

(CHO)n  CO2 + H2O + NH3 + H2S + CH4 + W

- Ngoài ra SO42- , NO3- ở phản ứng hiếu khí tầng trên nhờ các vi sinh vật yếm khí

tạo thành S2-, N2

- Sơ đồ của quá trình phân hủy yếm khí: Chất hữu cơ phức tạp (lipit, protein, gluxit…)  Các chất hữu cơ đơn giản (đường đơn, amino axit, glixerin, axit béo…)

 Các axit béo dễ bay hơi (etylic, propionic, axetic…)  CH4, CO2

- Các vi sinh vật tham gia vào quá trình phân hủy yếm khí: Plectridium, Caduceus, Endosponus…

Sự phụ thuộc vào HRT và tỷ lệ L:W trong hệ thống để loại bỏ chất rắn là tương tự như BOD ở phần trên

Chất rắn không lắng được, chất keo có thể được loại bỏ thông qua cơ chế lọc (nếu có sử dụng cát lọc), lắng và phân hủy sinh học (do sự phát triển của vi sinh

vật), hút bám, hấp phụ lên các chất rắn khác (thực vật, đất, cát, sỏi…) nhờ lực hấp

dẫn Van De Waals, chuyển động Brown Đối với sự hút bám trên lớp nền, một thành phần quan trọng của bãi lọc, chất rắn lơ lửng được loại bỏ trước tiên nhờ quá trình lắng và phân hủy sinh học, tương tự như các quá trình xảy ra trong bể sinh học

nhỏ giọt

Các cơ chế xử lý trong hệ thống này phụ thuộc rất nhiều vào kích thước và tính chất của các chất rắn có trong nước thải và các dạng vật liệu lọc được sử dụng Trong mọi trường hợp, thực vật trong bãi lọc không đóng vai trò đáng kể trong việc

loại bỏ các chất rắn

1.3.3.3 Lo ại bỏ hợp chất Nitơ

Nitơ được loại bỏ trong các bãi lọc chủ yếu nhờ 3 cơ chế sau:

- Nitrat hóa/ Denitrat hóa nhờ vi sinh vật

- Sự bay hơi của amoniac (NH3)

- Sự hấp thụ của thực vật

Hợp chất nitơ tồn tại trong nước thải thường dưới các dạng NH4+, NO2-,

NO3-nitơ hữu cơ không tan (PON), nitơ hữu cơ hòa tan (DON)

Trong các bãi lọc trồng cây, sự chuyển hóa của nitơ xảy ra trong các tầng oxy hóa và khử của bề mặt tiếp xúc giữa rễ và đất Phần ngập nước của thực vật có thân nhô lên khỏi mặt nước Nitơ hữu cơ bị oxy hóa thành NH4+ trong cả hai lớp đất oxy hóa và khử Lớp oxy hóa và phần ngập nước của thực vật là nơi chủ yếu xảy ra quá trình nitrat hóa, tại đây NH4+ chuyển hóa thành NO2- bởi vi khuẩn

nitrosomonas và cuối cùng thành NO3- bởi vi khuẩn nitrobacter Ở môi trường

nhiệt độ cao hơn, một số NH4+ chuyển sang dạng NH3 và bay hơi vào không khí Nitrat trong tầng khử sẽ bị giảm đi nhờ quá trình khử nitrat, lọc hay do thực vật hấp

thụ Tuy nhiên, nitrat được cấp vào từ vùng oxy hóa nhờ hiện tượng khuếch tán

Đối với bề mặt chung giữa đất và rễ, oxy từ khí quyển khuếch tán vào vùng

lá, thân, rễ của các cây trồng trong bãi lọc và tạo nên một lớp giàu oxy tương tự như

lớp bề mặt chung giữa đất và nước Nhờ quá trình nitrat hóa diễn ra ở vùng hiếu khí,

tại đây NH4+ bị oxy hóa thành NO3- Phần NO3- không bị cây trồng hấp thụ sẽ bị khuếch tán vào vùng thiếu khí và bị khử thành N2 và N2O do quá trình khử nitrat Lượng NH4+ trong vùng rễ được bổ sung nhờ nguồn NH4+ từ vùng thiếu khí khuếch tán vào Sau quá trình xử lý phần dư của N sẽ được đi ra ngoài cùng nước

Hình 1.9: Quá trình chuy ển hóa N trong bãi lọc dòng chảy ngầm [15]

* Quá trình Nitrat hóa

+Phản ứng tổng quát của quá trình nitrat hóa như sau:

+ Một số vi sinh vật tham gia vào quá trình nitat hóa: nitrosomonas, nitrobacter

* Quá trình Denitrat hóa:

Quá trình khử nitrat là quá trình tách oxi khỏi nitrat, nitrit dưới tác dụng của các vi khuẩn kị khí Oxy được tách ra từ nitrat, nitrit được dùng lại để oxy hóa các

hợp chất hữu cơ Sản phẩm cuối cùng của các hợp chất nitơ sau quá trình khử nitrat

xảy ra hoàn toàn là giải phóng nito tự do vào khí quyển

Quá trình khử nitrat được thực hiện trong điều kiện yếm khí Để khử được nitrat, vi sinh vật cần có chất khử, chất khử có thể là chất hữu cơ hoặc các chất vô

cơ như H2, S2-, Fe2+

Vi sinh vật tham gia vào quá trình này được gọi chung là Denitrifier thuộc

loại vi sinh vật dị dưỡng, sử dụng nguồn cacbon hữu cơ để xây dựng tế bào Quá trình khử nitrat xảy ra theo bốn bậc liên tiếp với mức giảm dần của các số oxy hóa: +5, +3, +2, +1, 0

Hiện nay, các nhà nghiên cứu vẫn chưa thống nhất về tầm quan trọng của các

cơ chế khử nitơ như đặc biệt với hai cơ chế nitrat hóa/khử nitrat và sự hấp thụ của

thực vật

1.3.3.4 Lo ại bỏ hợp chất photpho

Cơ chế loại bỏ photpho trong bãi lọc trồng cây gồm có sự hấp thụ của thực

vật, các quá trình đồng hóa của vi khuẩn, sự hấp phụ lên đất, vật liệu lọc (chủ yếu là lên đất sét) và các chất hữu cơ, kết tủa và lắng các ion Ca2+, Mg2+, Fe3+ và Mn2+ Khi thời gian lưu nước dài và đất sử dụng có cấu trúc mịn thì các quá trình loại bỏ photpho chủ yếu là sự hấp phụ và kết tủa, do điều kiện này tạo cơ hội cho quá trình

hấp phụ photpho và các phản ứng trong đất xảy ra

Tương tự các quá trình loại bỏ nitơ, vai trò của thực vật trong vấn đề loại bỏ photpho vẫn còn là vấn đề tranh cãi Dù sao, đây cũng là cơ chế duy nhất đưa hẳn photpho ra khỏi hệ thống bãi lọc Các quá trình hấp phụ, kết tủa và lắng chỉ đưa được photpho vào đất hay vật liệu lọc Khi lượng photpho trong lớp vật liệu vượt quá khả năng chứa thì vật liệu lọc hay lớp trầm tích đó phải được nạo vét và xả bỏ

Hình 1.10: Quá trình lo ại bỏ photpho trong bãi lọc dòng chảy ngang [15]

Các vi sinh vật tham gia vào quá trình phân giải Photpho: Achromobacter, Agrobacterium, Micrococcus, Penicillium, Streptomyces…

1.3.3.5 Lo ại bỏ kim loại nặng

Khi các kim loại nặng hòa tan trong nước thải chảy vào hệ hống bãi lọc trồng cây, các cơ chế loại bỏ chúng gồm có:

- Kết tủa và lắng ở dạng hydroxit không tan trong vùng hiếu khí, ở dạng sunfit kim

loại trong vùng kị khí của lớp vật liệu

+ Môi trường hiếu khí:

Fe2+ + 1/2O2 + 2H2O  Fe(OH)3 + H+

Ca2+ + 1/2O2 + 2H2O  Ca(OH)2 + H+

Mg2+ + 1/2O2 + 2H2O  Mg(OH)2 + H+

Mn2+ + 1/2O2 + 2H2O  Mn(OH)4 + H+

+ Môi trường yếm khí: các hợp chất chứa lưu huỳnh trong nước thải như: mecaptan (nhóm –SH), (CH3)2S… sẽ bị các VSV yếm khí phân giải ra dưới dạng

S2-, trong môi trường bị ô nhiễm bởi các ion kim loại nặng chúng sẽ kết hợp với S

2-dưới dạng kết tủa muối sunfit và được loại bỏ ra khỏi nước thải

Cu2+ + S2-  CuS

- Kết hợp lẫn với thực vật chết và đất

- Hấp thụ vào rễ, thân và lá của thực vật trong hệ thống bãi lọc trồng cây

Các nghiên cứu chưa chỉ ra được cơ chế nào trong các cơ chế nói trên có vai trò lớn nhất nhưng nhìn chung có thể nói rằng lượng kim loại được thực vật hấp thụ

chỉ chiếm một phần nhất định

Các loại thực vật khác nhau có khả năng hấp thụ kim loại nặng rất khác nhau Bên cạnh đó, thực vật cũng ảnh hưởng gián tiếp đến sự loại bỏ và tích trữ kim

loại nặng khi chúng ảnh hưởng tới chế độ thủy lực, cơ chế hóa học lớp trầm tích và

hoạt động của vi sinh vật Vật liệu lọc là nơi tích tụ chủ yếu kim loại nặng Khi khả năng chứa các kim loại nặng của chúng đạt tới giới hạn thì cần nạo vét và xả bỏ để

loại kim loại nặng ra khỏi hệ thống

1.3.3.6 Lo ại bỏ vi khuẩn và virut

Cơ chế loại bỏ vi khuẩn, vi rút trong các hệ thống bãi lọc trồng cây về bản

chất cũng giống như quá trình loại bỏ các VSV này trong hồ sinh học Vi khuẩn và virut có trong nước thải được loại bỏ nhờ:

- Các quá trình vật lý như dính kết và lắng lọc, hấp phụ;

- Bị tiêu diệt do điều kiện môi trường không thuận lợi trong một thời gian dài

Các quá trình vật lý cũng dẫn đến sự tiêu diệt vi khuẩn, virut như: nhiệt độ,

pH, bức xạ mặt trời Các yếu tố sinh học bao gồm: thiếu dinh dưỡng, do các sinh vật khác ăn Hiện nay những bằng chứng về vai trò của thực vật trong việc khử vi khuẩn, virut trong bãi lọc trồng cây còn chưa nghiên cứu rõ

1.3.3.7 Kh ả năng xử lý của bãi lọc trồng cây

Tất cả các dạng bãi lọc trồng cây đều có khả năng khử chất lơ lửng với hiệu

quả cao Nồng độ chất lơ lửng trong nước sau xử lý trung bình nhỏ hơn 20 (mg/l) và thường dưới 10 (mg/l)

Bãi lọc trồng cây có khả năng xử lý BOD cao, nồng độ BOD trong nước sau

xử lý thường nhỏ hơn 20 (mg/l) Trong tất cả các dạng bãi lọc đều có chu trình tuần hoàn cacbon riêng sản sinh lượng BOD thấp (1÷3 mg/l), vì vậy BOD trong nước sau xử lý thường trong mức giới hạn thấp [24] Thậm chí đối với những khu vực có điều kiện khí hậu thấp hoặc có khả năng đóng băng vào mùa đông, BOD trong nước sau xử lý vẫn đạt ở mức thấp [18]

Khả năng khử nitơ và phôtpho của bãi lọc trồng cây kiến tạo có thể không ổn định và phụ thuộc vào các đặc tính thiết kế và tải lượng chất bẩn Sự gia tăng lượng sinh khối dư và các khoáng chất là cơ sở bền vững cho quá trình khử phôtpho trong bãi lọc trồng cây Để đạt được hiệu quả xử lý phôtpho thường phải mất một thời gian lâu Bãi lọc dùng trong mục đích xử lý phôtpho thường lớn và tiếp nhận nước

thải loãng hoặc nước thải đã được xử lý sơ bộ Bãi lọc trồng cây có khả năng xử lý nitơ dễ hơn so với phôtpho Các hợp chất nitơ được các vi khuẩn chuyển hóa thành khí nitơ và thoát vào khí quyển Quá trình ôxy hóa thường giới hạn khả năng khử nitơ, vì vậy cấu tạo của bãi lọc và thành phần các chất ô nhiễm trong nước thải có ảnh hưởng lớn tới khả năng khử nitơ Các hệ thống dòng chảy ngầm thường đạt

hiệu quả khử nitơ ở mức 30÷40%; đối với hệ dòng chảy bề mặt có tải trọng bề mặt

thấp hơn và thường có hiệu quả khử nitơ đạt cao hơn 50%

Bãi lọc trồng cây có khả năng lưu giữ tốt một số kim loại nặng Tuy nhiên

khả năng lưu giữ kim loại của bãi lọc thường có giới hạn nhất định, trong trường

hợp quá tải, nồng độ kim loại có thể đạt ngưỡng gây độc cho hệ thực vật trong hệ

thống

Bãi lọc trồng cây kiến tạo có khả năng khử vi trùng thông qua các quá trình tiêu hủy tự nhiên, nhiệt độ thấp, bức xạ tử ngoại, thức ăn của các loại động vật trong

hệ thống, lắng đọng Thông thường thời gian lưu giữ nước trong bãi lọc lâu nên khả năng khử khuẩn cao đặc biệt là đối với hệ thống bãi lọc trồng cây

Các loại thực vật trồng trong bãi lọc thường có năng suất phát triển cao vì thế nhu cầu hấp thụ các chất dinh dưỡng cũng đáng kể Khả năng hấp thụ của thực vật

có thể khử các chất dinh dưỡng trong nước thải, chuyển hóa thành sinh khối và được định kỳ thu hoạch ra khỏi hệ thống Tuy nhiên, bãi lọc trồng cây kiến tạo được

sử dụng với mục đích XLNT, lượng chất dinh dưỡng được khử do thu hoạch cây

trồng thường không đáng kể so với tải lượng dinh dưỡng cần loại bỏ từ nước thải

1.3.4 M ột số loài thủy sinh thực vật sử dụng trong bãi lọc trồng cây

Thực vật thuỷ 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 rất cao

Chức năng của thủy sinh vật trong việc làm sạch nước:

- Rễ và /hoặc thân: Làm giá bám cho vi khuẩn phát triển; lọc và hấp thụ

chất rắn

- Thân và /hoặc lá ở mặt nước hoặc phía trên mặt nước: Hấp thu ánh mặt

trời, do đó ngăn cản sự phát triển của tảo; làm giảm ảnh hưởng của gió lên bề mặt xử lý; làm giảm sự trao đổi giữa nước và khí quyển; chuyển oxy từ lá xuống rể

Hiện nay, các loài thực vật được trồng phổ biến nhất trong bãi lọc trồng cây

là cỏ vetiver, sậy, cói

1.3.4.1 Cây s ậy

Loại sậy được chọn để XLNT có tên khoa học là Phragmites communis

Sậy là loài cây có thể sống trong những điều kiện thời tiết khắc nghiệp nhất Hệ sinh vật xung quanh rễ của chúng vô cùng phong phú, có thể phân hủy chất hữu cơ

và hấp thụ kim loại nặng trong nhiều loại nước thải khác nhau Các cánh đồng sậy

có thể xử lý được nhiều loại nước thải có độc chất độc hại khác nhau và nồng độ ô nhiễm lớn Cây sậy có thân dày và có thể cao 4m sau 5 năm Rễ cây sậy có khả năng làm tăng lượng oxy trong bể cát và bảo đảm khả năng chảy qua cát