Khảo sát khả năng xử lý nước thải sinh hoạt bằng mô hình đất ngập nước kiến tạo trồng thực vật cỏ lông tây kết hợp vật liệu hấp phụ từ bùn đỏ

HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --- PHẠM THỊ HƯỜNG KHẢO SÁT KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT BẰNG MÔ HÌNH ĐẤT NGẬP NƯỚC KIẾN TẠO TRỒNG THỰC VẬT CỎ LÔNG TÂY KẾT HỢP... TÊN ĐỀ TÀI : Tên

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

PHẠM THỊ HƯỜNG

KHẢO SÁT KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT BẰNG MÔ HÌNH ĐẤT NGẬP NƯỚC KIẾN TẠO TRỒNG THỰC VẬT CỎ LÔNG TÂY KẾT HỢP

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Hồ Thị Thanh Vân

Cán bộ hướng dẫn 2: TS Nguyễn Tuấn Anh

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Hoàng Anh Hoàng

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Đại Hải

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 11 tháng 1 năm 2019

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

1 PGS.TS Nguyễn Đình Thành

2 TS Hoàng Anh Hoàng

3 TS Nguyễn Đại Hải

4 TS Nguyễn Trường Sơn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên : PHẠM THỊ HƯỜNG MSHV : 1670666

Ngày, tháng, năm sinh : 23/06/1994 Nơi sinh : Hà Nam Chuyên ngành : Kỹ thuật Hóa học Mã số : 60520301

I TÊN ĐỀ TÀI :

Tên tiếng Việt: Khảo sát khả năng xử lý nước thải sinh hoạt bằng mô hình đất

ngập nước kiến tạo trồng thực vật cỏ Lông Tây kết hợp vật liệu hấp phụ từ bùn đỏ

Tên tiếng Anh: Investigation of domestic wastewater treatment ability using

wetland system planted with Para gass and red mud

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

2.1 Tổng quan: Nước thải sinh hoạt, thành phần và tác động của nước thải sinh

hoạt tới môi trường, các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt, đất ngập nước kiến

tạo, các loại thực vật thủy sinh, cỏ Lông Tây, bùn đỏ

2.2 Thực nghiệm

2.2.1 Xây dựng mô hình đất ngập nước kiến tạo

2.2.2 Khảo sát khả năng xử nước thải sinh hoạt bằng mô hình đất ngập nước

2.2.3 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung tới khả năng hấp phụ của vật liệu bùn

đỏ

2.2.4 Khảo sát khả năng xử lý nước thải sinh hoạt bằng ĐNNKT phủ thực vật cỏ

Lông Tây kết hợp vật liệu hấp phụ từ bùn đỏ

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/2018

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 12/2018

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS Hồ Thị Thanh Vân và TS Nguyễn Tuấn Anh

Tp HCM, ngày tháng năm 2019

Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới đề tài cấp Bộ [2016-2018], mã số đề tài:

TNMT:2016.04.14 và quỹ Kurita-AIT Research Grant 2018 đã hỗ trợ kinh phí

cho đề tài, đồng thời xin cảm ơn các thầy cô Trường Đại Học Tài Nguyên Môi Và

Môi Trường Thành Phố Hồ Chí Minh và Khoa Kỹ Thuật Hóa Học Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành tốt luận

văn này

Cám ơn gia đình và em Phạm Đăng Minh, Lâm Tú Liên, đã luôn bên cạch hỗ

trợ và động viên trong những lúc tác giả gặp khó khăn Là nguồn động lực tác giả hoàn thành tốt việc nghiên cứu của mình

Tác giả Phạm Thị Hường

TÓM TẮT

Ô nhiễm môi trường do ảnh hưởng nước thải sinh hoạt ngày càng nghiêm trọng, gây ảnh hưởng đến môi trường sống cũng như sức khỏe của con người Trong nghiên cứu này, khả năng xử lý của mô hình đất ngập nước kiến tạo trồng thực vật cỏ Lông Tây kết hợp vật liệu hấp phụ từ bùn đỏ đối với nước thải sinh hoạt đã được khảo sát

Mô hình được thiết kế xây dựng với kích thước LxHxW=1.2x0.4x0.6 m Nước thải sau khi đi qua mô hình đất ngập nước cho kết quả xử lý COD, TN, TP, TSS, Coliform hiệu suất xử lý trung bình lần lượt là 80.63%, 63.43%, 84.66%, 90.47%, 99,47% Bên cạnh đó vật liệu hấp phụ bùn đỏ được tạo bằng phương pháp hoạt hóa axit bằng HCl 4M kết hợp nung ở 7000C cho thấy hiệu quả hấp phụ là tối ưu trong phạm vi nghiên cứu của đề tài Mô hình ĐNN kiến tạo trồng cỏ Lông Tây kết hợp hấp phụ vật vật liệu từ bùn đỏ cho thấy hiệu quả xử lý đạt kết quả cao, hiệu suất trung bình đối với COD 88.22%, TN 67.52%, thông số TP sau quá trình hấp phụ dường như không phát hiện

IV

ABSTRACT

Environmental pollution due to the effects of domestic wastewater is increasingly serious, affecting to the environment as well as human health In this study, the processing capacity of the wetland which planted by Para grass combined with the adsorption by red mud for domestic wastewater treatment was investigated The model is designed with LxHxW = 1.2x0.4x0.6 m Wastewater after treated through the wetland model shows results in the treatment of COD, TN, TP, TSS, Coliform with average processing efficiency of 80.63%, 63.43%, 84.66%, 90.47%, 99.47% respectively Besides, the sludge adsorbent made by acid activating method with 4M HCl combined with heating at 7000C shows the adsorption efficiency is optimal in the research scope of the study The model of wetland combined with adsorption of materials from red mud showed that the treatment efficiency achieved high results, average performance for COD 88.22%, TN 67.52%, TP parameters after the process adsorption seems not detected

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan luận văn này là nghiên cứu của cá nhân tác giả và được

thực hiện dưới sự hướng dẫn của cô PGS.TS Hồ Thị Thanh Vân, Khoa môi trường, Trường Đại Đại Học Tài Nguyên và Môi Trường và thầy TS Nguyễn Tuấn Anh,

Khoa Kỹ thuật Hóa học, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM

Số liệu, kết quả nghiên cứu và kết luận trong luận văn này là hoàn toàn trung thực, chưa từng được công bố trong bất cứ một công trình nào khác trước đây

Tác giả xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Tp Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2019

Tác giả

Phạm Thị Hường

V

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN I LỜI CAM ĐOAN II TÓM TẮT III ABSTRACT IV DANH MỤC BẢNG BIỂU IX DANH MỤC HÌNH ẢNH X DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT XIII

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Nước thải sinh hoạt 1

1.1.1 Tổng quan nước thải sinh hoạt 1

1.1.2 Thành phần và tác động của nước thải sinh hoạt tới môi trường 2

1.1.2.1 Thành phần trong nước thải sinh hoạt 2

1.1.2.2 Thực trạng ô nhiễm nước thải sinh hoạt 3

1.1.3 Các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt 4

1.2 Tổng quan đất ngập nước kiến tạo 7

1.2.1 Khái niệm đất ngập nước kiến tạo 7

1.2.2 Phân loại đất ngập nước kiến tạo 8

1.2.3 Ưu và nhược điểm của đất ngập nước kiến tạo trong xử lý nước thải 10

1.2.4 Cơ chế xử lý trong đất ngập nước kiến tạo 12

1.3 Tổng quan về thực vật thủy sinh trong đất ngập nước kiến tạo 24

1.3.1 Vai trò của thực vật thủy sinh 24

1.3.2 Một số loài thực vật thủy sinh 24

1.3.3 Cỏ Lông Tây 26

1.3.3.1 Giới thiệu về cỏ Lông Tây 26

1.3.3.2 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng cỏ Lông Tây để xử lý nước thải 28

1.4 Phương pháp hấp phụ và ứng dụng của bùn đỏ trong hấp phụ chất ô nhiễm 29

1.4.1 Phương pháp hấp phụ 29

1.4.2 Giới thiệu về bùn đỏ 30

1.4.1.1 Tính chất của bùn đỏ 30

1.4.1.2 Thành phần bùn đỏ 30

1.4.2 Một số nghiên cứu sử dụng bùn đỏ làm vật liệu hấp phụ 32

1.5 Tính cấp thiết đề tài, mục tiêu nghiên cứu, và nội dung nghiên cứu 34

1.5.1 Tính cấp thiết đề tài 34

1.5.2 Mục tiêu nghiên cứu 35

1.5.3 Nội dung nghiện cứu 36

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 37

2.1 Nguyên liệu và hóa chất 37

2.1.1 Nguyên liệu 37

2.1.2 Hóa chất 37

2.2 Thực nghiệm 37

2.2.1 Mô hình đất ngập nước kiến tạo 37

2.2.1.1 Mô hình 38

2.2.1.2 Thực vật 39

2.2.1.3 Vận hành mô hình 40

2.2.2 Bùn đỏ 43

2.2.3 Khảo sát 45

VII

2.2.3.1 Khảo sát hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt bằng mô hình đất

ngập nước 45

2.2.3.1 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung tới khả năng hấp phụ của vật liệu bùn đỏ 46

2.2.3.2 Khảo sát khả năng xử lý nước thải sinh hoạt bằng mô hình đất ngập nước trồng thực vật Cỏ Lông Tây kết hợp hấp phụ bằng vật liệu bùn đỏ 47

2.3 Phương pháp phân tích 49

2.3.1 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM 49

2.3.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X (XRD) 50

2.3.3 Phương pháp phân tích huỳnh quang tia X (XRF) 52

2.3.4 Phương pháp phân tích phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX 52

2.3.5 Phương pháp xác định hàm lượng COD trong mẫu nước 53

2.3.6 Phương pháp xác định hàm lượng phốtpho trong mẫu nước 53

2.3.7 Phương pháp xác định hàm lượng nitơ trong mẫu nước 55

2.3.8 Phương pháp xác định tổng chất rắn lơ lửng (TSS) 57

2.3.9 Phương pháp đếm lạc khuẩn 58

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ 59

3.1 Khả năng xử lý nước thải bằng mô hình đất ngập nước 59

3.1.1 Kết quả xử lý của mô hình ĐNN 59

3.1.1.1 Giá trị pH 61

3.1.1.2 Kết quả xử lý COD 62

3.1.1.3 Kết quả xử lý Tổng Nito 65

3.1.1.4 Kết quả xử lý Tổng Phốtpho 67

3.1.1.5 Kết quả xử lý TSS 69

3.1.1.6 Kết quả xử lý coliform 713.1.2 Khảo sát khả năng sinh khối của cỏ Lông Tây 733.1.2.1 Quá trình sinh trưởng của cây 733.1.2.2 Kết quả phân tích hàm lượng tích lũy N, P trong cỏ Lông Tây 753.1.2.3 Khảo sát chiều cao của cỏ Lông tây sau khi cắt cỏ 773.2 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nung tới khả năng hấp phụ của vật liệu bùn đỏ 773.3 Khảo sát khả năng xử lý nước thải sinh hoạt kết hợp mô hình ĐNN kiến tạo kết hợp xử lý bằng vật liệu từ bùn đỏ 81CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 83TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

IX

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: Tải trọng chất bẩn theo đầu người 1

Bảng 1.2: Một số phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt 4

Bảng 1.3: So sánh ưu và nhược điểm của các phương pháp đất ngập nước kiến tạo 9 Bảng 1.4: Một số quá trình loại bỏ chất ô nhiễm xảy ra trong hệ thống ĐNNKT 12

Bảng 1.4: Nhiệm vụ của thực vật thủy sinh trong hệ thống xử lý nước thải 24

Bảng 1.5: Thành phần hóa học của cỏ Lông Tây (%kl) 27

Bảng 1.6: Thành phần hóa học trong pha rắn của bùn đỏ 31

Bảng 2.1: Kết quả giá trị đo của nước thải sinh hoạt 42

Bảng 2.2: Thành phần phân tích hóa học của bùn đỏ (% khối lượng) 43

Bảng 3.1: Tổng hợp kết quả của mô hình đât ngập nước kiến tạo trồng thực vật cỏ Lông Tây 60

Bảng 3.2: Nồng độ COD của nước thải sinh hoạt trước và sau xử lý của các công trình đất ngập nước có dòng chảy ngầm ở các nước vào của tác giả 64

Bảng 3.3: Nồng độ TP của nước thải sinh hoat trước và sau xử lý của các công trình đất ngập nước có dòng chảy ngầm đã ứng dụng ở các nước 69

Bảng 3.4: Hàm lương tích lũy N, P trong cỏ Lông Tây 75

Bảng 3.5: Kết quả khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ nung ảnh hưởng tới khả năng hấp phụ của vật liệu bùn đỏ 78

Bảng 3.6: Kết quả xử lý nước thải sinh hoạt kết hợp mô hình ĐNN và hấp phụ bằng vật liệu bùn đỏ 81

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Phân loại các kiểu đất ngập nước kiến tạo 8

Hình 1.2: Các quá trình chất ô nhiễm trong công trình đất ngập nước 12

Hình 1.3: Đường đi của quá trình chuyển hóa nitrogen từ rễ thực vật trong đất ngập nước (Robert H Kadlec & Scott D Wallace) 15

Hình1.4: Cơ chế loại bỏ phốtpho trong đất ngập nước (Robert H Kadlec & Scott D Wallace) 17

Hình 1.5: Cỏ Lông Tây 27

Hình 1.6: Hình ảnh chụp SEM của mẫu bùn đỏ 31

Hình 1.7: Kết quả nhiễu xạ XRD của mẫu bùn thô 32

Hình 1.8: Quy trình xử lý nước thải sinh hoạt kết hợp 36

Hình 2.1: Mô hình ĐNN kiến tạo 38

Hình 2.2: Mô hình thực nghiệm chưa trồng cỏ 39

Hình 2.3: Mẫu cỏ được trồng thí nghiệm 39

Hình 2.4: Cỏ sau khi trồng vào mô hình 40

Hình 2.5: Nước thải sinh hoạt được lấy tại chung cư 41

Hình 2.6: Sơ đồ quy trình tổng hợp vật liệu hấp phụ từ bùn đỏ 44

Hình 2.7: Thí nghiệm hoạt hóa axit kết hợp nung bùn đỏ 44

Hình 2.8: Mẫu bùn đỏ thô ban đầu 45

Hình 2.9: Mô hình cỏ trong giai đoạn thích nghi 45

Hình 2.10: Quy trình xử lý nước thải bằng mô hình đất ngập nước kiến tạo 46

Hình 2.11: Hình thí nghiệm khuấy trong khảo sát thực nghiệm 47

Hình 2.12: Mô hình cỏ trong giai đoạn đầu khảo sát ở tải 120 kgCOD/ha.ngày 48

Hình 2.13: Quy trình xử lý nước thải bằng mô hình ĐNN kiến tạo kết hợp hấp phụ vật liệu bùn đỏ 49

XI

Hình 2.14: Đơn vị mạng tinh thể và chỉ số miler 51

Hình 2.15: Sự nhiễu xạ tia X bởi các mặt phẳng mạng 51

Hình 3.1: Biến thiên giá trị pH trong nước thải đầu vào và đầu ra (sau xử lý) của mô hình ĐNN trồng cỏ Lông Tây 61

Hình 3.2: Giá trị xử lý COD trung bình qua từng tải 62

Hình 3.3: Biến thiên hiệu suất xử lý COD của mô hình ĐNN kiến tạo trồng cỏ 63

Hình 3.4: Giá trị xử lý TN trung bìnhqua từng tải 65

Hình 3.5: Biến thiên và hiệu suất xử lý tổng Nito của mô hình ĐNN kiến tạo trồng cỏ Lông Tây 66

Hình 3.6: Giá trị xử lý TP trung bình qua từng tải 67

Hình 3.7: Biến thiên và hiệu suất xử lý TP của mô hình ĐNN kiến tạo trồng cỏ Lông Tây 68

Hình 3.8: Giá trị xử lý TSS trung bình qua từng tải 69

Hình 3.9: Biến thiên và hiệu suất xử lý TSS của mô hình ĐNN kiến tạo trồng cỏ Lông Tây 70

Hình 3.10: Biểu đồ thể hiện kết quả xử lý Coliform 72

Hình 3.11: Biến thiên và hiệu suất xử lý Coliform của mô hình ĐNN kiến tạo trồng cỏ Lông Tây 72

Hình 3.12: Biểu đồ sự tăng trưởng cây cỏ Lông Tây trong mô hình ĐNN qua từng tải trọng nghiên cứu 74

Hình 3.13: Hàm lượng tích lũy Nito trong thành phần cây 75

Hình 3.14: Hàm lượng tích lũy Phốtpho trong từng thành phần của cây 76

Hình 3.15: Sự phát triển của độ dài thân cây cỏ Lông Tây ở tải trọng 120 kgCOD/ngày trong 15 ngày 77

Hình 3.16: Ảnh SEM của bùn đỏ trước và sau hoạt hóa 79

Hình 3.17: Giản đồ XRD của mẫu bùn đỏ thô và BĐA-700 80

Hình 3.18: Giản đồ EDX của mẫu BĐA700 81

XIII

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

BOD Nhu cầu oxy sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand)

BTNMT Bộ Tài Nguyên và Môi Trường

COD Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand)

CSFS Đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm (Constructed Subsurface Flow

Wetland)

CW Đất ngập nước kiến tạo – DNNKT (Constructed Wetland)

ĐNN Đất ngập nước

EDX Energy-Dispersive X-ray Spectroscopy

FWS Đất ngập nước kiến tạo dòng chảy mặt (Free Water Surface Wetlands) HRT Thời gian lưu nước thủy lực (Hydraulic Retention Time)

HSFS Đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm theo phương ngang

(Horizontal Subsurface Flow Wetlands)

PTN Phòng thí nghiệm

QCVN Quy chuẩn Việt Nam

SEM Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope)

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

TN Tổng nitơ (Total Nitrogen)

TP Tổng phốtpho (Total Phosphorus)

TSS Tổng chất rắn lơ lửng (Total Suspended Solid)

VF Dòng chảy đứng (Vertical flow)

VSFS Đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm theo chiều đứng (Vertical

XRD Nhiễu xạ tia X (X-ray Diffaction)

XFR Phổ huỳnh tia X (X-ray Fluorescence)

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Nước thải sinh hoạt

1.1.1 Tổng quan nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt là lọai nước được thải ra trong quá trình sử dụng nước tắm rửa hàng ngày

Để đánh giá mức độ ô nhiễm do nước thải được đánh giá dựa trên các chỉ tiêu COD, BOD, tổng Nito, tổng Phốtpho, Amoni, vi trùng (E coli, coliform ) và một số chỉ tiêu khác

Mức độ ô nhiễm phụ thuộc:

+ Lưu lượng nước thải

+ Tải trọng chất thải theo đầu người

Tải trọng phụ thuộc:

+ Mức sống, điều kiện sống và tập quán sống

+ Điều kiện khí hậu

Bảng 1.1: Tải trọng chất bẩn theo đầu người

Chỉ tiêu ô nhiễm Khối lượng (g/người.ngày)

BOD5 nước thải đã lắng 30-35

BOD% nước thải chưa lắng 65

Nito của muối AMONI (N-NH4) 8

1.1.2 Thành phần và tác động của nước thải sinh hoạt tới môi trường

1.1.2.1 Thành phần trong nước thải sinh hoạt

 Thành phần vật lý

Các chất bẩn trong nước đươc chia thành:

 Các chất không hòa tan ở dạng lơ lửng, kích thước lớn hơn 10^4 mm, dạng huyền phù, nhũ tương…

 Các tạp chất bẩn dạng keo kích thước hạt trong khoảng 10^4‒10^6 mm

 Các chất bẩn dạng ta có kích thước nhỏ hơn 10-6 mm, ở dạng phân tử hoặc ion

 Nước thải sinh hoạt thường có mùi khó chịu, khi vận chuyển trong cống sau vài giờ sẽ xuất hiện khí H2S

 Thành phần hóa học

 Các chất hữu cơ trong nước thải chiếm khoảng 50-60% tổng các chất + Các chất hữu cơ này bao gồm chất hữu cơ thực vật: cặn bã thực vật, ra, hoa quả… và các chất hữu cơ động vật như chất bài tiết của con người…

+ Các chất hữu cơ trong nước thải có đặc tính hóa học gồm chủ yếu protein (40-60%), huydratcacbon (25-50%), các chất béo, dầu mỡ (10%) Nồng độ các chất hữu cơ thường được xác định bằng thông số chỉ tiêu BOD5, COD

 Các chất vô cơ chiếm 40-42 % gồm chủ yếu: cát, đất sét, các axit, bazo vô cơ… Nước thải chứa các hợp chất hóa học dạng vô cơ như: sắt, magie, cacxi, silic, và các chất khác như: thực vật thừa, dầu mỡ…

 Thành phần vi sinh vật

Trong nước thải còn có mặt nhiều dạng vi sinh vật: vi khuẩn, vi rút, nấm, rong tảo, trứng giun sán… Trong các dạng vi sinh vật đó, có cả các vi trùng gây bệnh, như bệnh tả, kiết lỵ, thương hàn… Về thành phần hóa học thì các loại vi sinh vật thuộc nhóm các hợp chất hữu cơ

 Tác hại của nước thải sinh hoạt đến môi trường

Nước thải sinh hoạt gây ra ô nhiễm môi trường do các thành phần ô nhiễm:

- COD, BOD: sự khoáng hóa, ổn định chất hữu cơ tiêu thụ lượng lớn và gây thiếu hụt oxy của nguồn tiếp nhận dẫn đến ảnh hường của hện sinh thái môi trường nước Nếu ô nhiễm quá mức điều kiện yếm khí có thể hình thành Trong quá trình phân hủy yếm khí sinh ra các sản phẩm như H2S, NH3, CH4…làm cho nước có mùi hôi thối và làm giảm pH của môi trường nước nơi tiếp nhận

- SS: lắng đọng ở nguồn tiếp nhận gây ra điều kiện yếm khí

- Nhiệt độ: nhiệt độ nước thải sinh hoạt thường gây ảnh hưởng đến đời sống của thực vật thủy sinh vật

- Vi khuẩn gây bệnh: gây ra các bệnh lan truyền bằng đường nước như tiêu chảy, vàng da…

- N, P: là những nguyên tố dinh dưỡng đa lượng Nếu nồng độ trong nước quá cao dẫn tới hiện tượng phú dưỡng hóa (là sự phát triển bùng phát của các loại tảo, làm cho nồng độ oxy trong nước rất thấp vào ban đê gây ngạt thở và chất các sinh vật thủy sinh vật, trong khi đó ban ngày nồng độ oxy rất cao do quá trình hô hấp của tảo thải ra)

- Màu: màu đục và đen gây mất mỹ quan

- Dầu mỡ: gây mùi, ngăn các các khuếch tán oxy trên bề mặt

1.1.2.2 Thực trạng ô nhiễm nước thải sinh hoạt

Nước đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống Theo thống kê trung bình mỗi người

sử dụng 200-300 lít nước sinh hoạt/ngày đêm Nước sau khi sử dụng trở thành nước sinh hoạt

Theo Hội Bảo Vệ Thiên Nhiên Và Môi Trường Việt Nam (VACNE), nước thải sinh hoạt chiếm khoảng 80% tổng số nước thải từ các thành phố, là một nguyên nhân chính gây nên tình trạng ô nhiễm nước và vấn đề này có xu hướng càng ngày càng xấu đi Ước tính, hiện chỉ có 6% lượng nước thải đô thị được xử lý

Tại một số thành phố lớn, thị xã và thị trấn chỉ một số khu vực dân cư có hệ thống cống rãnh thải nước thải sinh hoạt song hệ thống này thường dùng chung với hệ thống thoát nước mưa thải trực tiếp ra môi trường tự nhiên hoặc ao hồ hoặc sông suối hoặc thải ra biển Hầu như không có hệ thống thu gom và trạm xử lý nước thải sinh hoạt

Trung bình một ngày Hà Nội thải 458.000 m3 nước thải, trong đó 41% là nước thải sinh hoạt, 57% nước thải công nghiệp, 2% nước thải bệnh viện Chỉ có khoảng 4% nước thải được xử lý Phần lớn nước thải không được xử lý đổ vào các sông Tô Lịch

và Kim Ngưu gây ô nhiễm nghiêm trọng 2 con sông này và các khu vực dân cư dọc theo sông

Không chỉ ở Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh mà ở các đô thị khác như Hải Phòng, Huế, Đà Nẵng, Nam Định, Hải Dương… Nước thải sinh hoạt cũng không được xử

lý Độ ô nhiễm nguồn nước nơi tiếp nhận nước thải đều vượt quá tiêu chuẩn cho phép, các thông số SS, BOD, COD, DO đều vượt từ 5-10 lần tiêu chuẩn cho phép Tại các vùng nông thôn, các cụm dân cư (làng, xã) tình hình vệ sinh môi trường còn đáng lo ngại hơn Phần lớn các gia đình không có nhà xí hợp vệ sinh Hầu hết nước thải sinh hoạt thải trực tiếp ra môi trường tự nhiên Vì vậy sẽ ảnh hưởng rất lớn đến môi trường sống và sức khỏe của con người

1.1.3 Các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt

Mục đích của quá trình xử lý nước thải là loại bỏ cặn lơ lửng, các hợp chất hữu cơ, các chất độc hại, vi khuẩn và vi rút gây bệnh đến nồng độ cho phép theo tiêu chuẩn

xả vào nguồn tiếp nhận

Bảng 1.2: Một số phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt

Lọc qua lưới lọc Làm thoáng Lọc qua lớp vật liệu lọc, lọc qua màng Tuyển lổi và vớt bọt

Khử khí Khuấy trộn, pha loãng

Ozon hóa Trung hòa bằng dung dịch axit hoạc kiềm Keo tụ

Hấp thụ và hấp phụ Trao đổi ion

Bể aerotank

Bể lọc sinh học

Hồ hiếu khí, hồ oxy hóa

Ổn định cặn trong môi trường hiếu khí

 Xử lý hóa học: Là quá trình dùng một số hóa chất và bể phản ứng nhằm nâng cao chất lượng của nước thải để đáp ứng hiệu quả xử lý của các công đoạn sau

 Xử lý sinh học: Là phương pháp dùng vi sinh, chủ yếu là vi khuẩn để phân hủy sinh hóa các hợp chất hữu cơ, biến các hợp chất có khả năng thối rữa thành các chất ổn định với sản phẩm cuối cùng là cacbonic, nước và các chất vô cơ khác Phương pháp xử lý sinh học có thể chia ra hai loại: Xử lý hiếu khí và xử lý yếm khí trên cơ sở có oxy hòa tan và không có oxy hòa tan

Những công trình xử lý sinh hóa phân thành 2 nhóm:

- Những công trình trong đó quá trình xử lý thực hiện trong điều kiện tự nhiên

- Những công trình trong đó quá trình xử lý thực hiện ở điều kiện nhân tạo Những công trình xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo là: hiếu khí (bể arotank,

bể SBR…), yếm khí… Do các điều kiện nhân tạo, có sự tính toán và tác động của con người và máy móc mà quá trình xử lý diễn ra nhanh hơn, cường độ mạnh hơn, diện tích nhỏ hơn Quá trình xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo có thể đạt mức hoàn toàn (xử lý sinh học hoàn toàn) với BOD5 giảm tới 90 – 95% và không hoàn toàn với BOD5 giảm tới 40 – 80% Những công trình này đòi hỏi cung cấp năng lượng để cho quá trình hoạt động xử lý

Những công trình xử lý sinh học thực hiện trong điều kiện tự nhiên là: Cánh đồng tưới, bãi lọc, đất ngập nước, hồ sinh học… Quá trình xử lý diễn ra dựa vào oxy và vi sinh có ở trong đất và nước

Các phương pháp chủ yếu bao gồm:

 Phương pháp hồ lọc sinh học (soakage pit with bio-filter):

Nước thải sau bể tự hoại được dẫn qua lớp vật liệu lọc – chủ yếu là cát, đá lọc,

…rồi tự thấm vào lớp đất bên dưới Vi sinh vật sẽ tạo màng bám xung quanh các vât liệu lọc, màng vi sinh này đóng vai trò quan trọng trong xử lý nước thải Phương pháp trên chỉ áp dụng hiệu quả cho những khu vực có hệ số thấm của đất lớn

 Phương pháp cánh đồng lọc (leach field):

Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc là việc tưới nước thải lên bề mặt của một cánh đồng với lưu lượng tính toán để đạt được một mức độ xử lý nào đó thông qua quá trình lý, hóa và sinh học tự nhiên của hệ đất - nước - thực vật của hệ thống Ở các nước đang phát triển, diện tích đất còn thừa thải, giá đất còn rẻ do đó việc xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc được coi như là một biện pháp rẻ tiền

Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc đồng thời có thể đạt được ba mục tiêu: Xử lý nước thải; tái sử dụng các chất dinh dưỡng có trong nước thải để sản xuất; nạp lại nước cho các túi nước ngầm

Đất ngập nước nhân tạo (constructed wetland): Đây là phương pháp sử dụng kết

hợp khả năng hấp thụ của thực vật, khả năng giữ cặn, hấp phụ của các lớp vật liệu lọc

và hàng loạt các quá trình xử lý sinh học bên trong bể đất ngập nước nhằm đạt được

hiệu quả xử lý cao nhất, mà tiêu tốn ít chi phí

=> Tùy vào thành phần và tính chất nước thải mà lựa chọn phương pháp, công nghệ xử lý phù hợp nhất (cả về hiệu quả xử lý và chi phí đầu tư) Phương pháp đất ngập nước kiến tạo là một lựa chọn đáng được quan tâm và đang được áp dụng tại nhiều nơi trên thế giới với ưu điểm là chi phí đầu tư thấp, dễ vận hành đồng thời khả năng xử lý chất ô nhiễm cao

1.2 Tổng quan đất ngập nước kiến tạo

1.2.1 Khái niệm đất ngập nước kiến tạo

Theo Công ước RAMSAR thì "Đất ngập nước bao gồm: những vùng đầm lầy, đầm lầy than bùn, những vực nước bất kể là tự nhiên hay nhân tạo, những vùng ngập nước tạm thời hay thường xuyên, những vực nước đứng hay chảy, là nước ngọt, nước

lợ hay nước mặn, kể cả những vực nước biển có độ sâu không quá 6m khi triều thấp"

Đất ngập nước kiến tạo còn 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 là do chúng kết 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 là nó cần một khu đất tương đối rộng

1.2.2 Phân loại đất ngập nước kiến tạo

Hình 1.1: Phân loại các kiểu đất ngập nước kiến tạo Đất ngập nước kiến tạo được xây dựng cho mục đích chính là xử lý nước thải Có hai kiểu hệ thống xử lý nước bằng đất ngập nước kiến tạo cơ bản, đó là hệ thống đất ngập nước kiến tạo chảy mặt tự do (Constructed Free surface Flow Wetlands - CFFW)

và hệ thống đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm (Constructed Subsurface Flow Wetlands - CSFW) Hình 1.1 mô tả sự phân loại này

Bảng 1.3: So sánh ưu và nhược điểm của các phương pháp đất ngập nước kiến tạo

Nhu cầu diện tích đất sử dụng lớn hơn,

Dễ phát sinh mùi hôi và ruồi nhặng

BOD5: 11-63 TN: 21-76

NH3: 15-82 TSS: 36-67 Ecoli:90-99,9

Không phát sinh mùi hôi

BOD5: 73-99 TN: 23-67

NH3: 18-76 TSS: 59-96 Ecoli:94-99,9

Hiệu quả xử lý cao

Nhu cầu diện tích đất sử dụng tương đối lớn (ít hơn phương pháp H-

BOD5: 52-95 TN: -

đứng (V-SFS) Điều kiện thoáng khí trong

lớp vật liệu lọc tốt hơn giúp nâng cao hiệu suất các quá trình xử lý sinh học

Không sản sinh mùi hôi và côn trùng

Hệ thống làm việc ổn định, dao động chất lượng nước đầu ra không lớn

SFS) Đối với nước thải có nồng độ chất lơ lững và tải lượng chất hữu cơ cao thì lâu ngày có thể làm tắt nghẽn lớp vật liệu lọc trên cùng

NH3: 78-99 TSS: 48-98 Ecoli:96-99,9

(Nguồn: Fabio Masi và Nicola Martinuzzi, 2007) [9]

Nhận xét

Từ những ưu điểm vượt trội về hiệu quả xử lý, về tính ổn định chất lượng nước thải sau xử lý và về điều kiện kiểm soát mùi hôi, côn trùng gây bệnh…đất ngập nước kiến tạo có dòng chảy ngầm luôn là đối tượng được lựa chọn để nghiên cứu thử nghiệm nhờ vào các ưu điểm:

 Tránh mùi hôi;

 Tránh lan truyền các vi khuẩn gây bệnh;

 Oxy xâm nhập vào rễ cây sâu hơn;

 Kiểm soát muỗi

1.2.3 Ưu và nhược điểm của đất ngập nước kiến tạo trong xử lý nước thải

+ Chi phí cho xử lý bằng thực vật thủy sinh thấp

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

+ Hiệu quả xử lý ổn định đối với nhiều loại nước ô nhiễm thấp

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

 Làm thực phẩm cho gia súc như rau muống, sen, bèo tây

 Làm phân xanh, tất cả các loại thực vật thủy sinh sau khi thu nhận từ quá trình xử lý trên đều là nguồn nguyên liệu để sản xuất phân xanh hiệu quả

 Sản xuất khí sinh học

 Bộ rễ thân cây ngập nước, cây trôi nổi được coi như một giá thể rất tốt đối với vi sinh vật Vi sinh vật bám vào rễ, vào thân cây ngập nước hay các loài thực vật trôi nổi Nhờ sự vận chuyển (đặc biệt là thực vật trôi nổi) sẽ đưa vi sinh vật theo cùng Chúng di chuyển từ vị trí này đến vị trí khác trong nước

ô nhiễm, làm tăng khả năng chuyển hóa vật và thực vật thủy sinh là mối quan hệ cộng sinh Mối quan hệ cộng sinh này đã đem lại sức sống tốt hơn cho cả hai nhóm sinh vật và tác dụng xử lý sẽ tăng cao

 Sử dụng thực vật thủy sinh để xử lý nước ô nhiễm trong nhiều trường hợp không cần cung cấp năng lượng Do đó, việc ứng dụng tực vật thủy sinh để

xử lý nước ô nhiễm những vũng không có điện đều có thể thực hiện dễ dàng

 Trong điều kiện các loài thực vật phát triển mạnh ở các nguồn nước thải, bộ rễ chúng như những chất mang hữu ích cho vi sinh vật bám trên đó Trong trường hợp không có thực vật thủy sinh (đặc biệt là các loài thực vật trôi nổi), các loài

vi sinh vật sẽ không có nơi bám và chúng rất dễ trôi theo dòng nước hoặc bị lắng xuống đáy

1.2.4 Cơ chế xử lý trong đất ngập nước kiến tạo

 Cơ chế loại bỏ chất ô nhiễm

Để thiết kế xây dựng, vận hành mô hình đất ngập nước được chính xác, đạt hiệu quả cao, việc nắm rõ cơ chế xử lý nước hải của đất ngập nước 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 (Trường ĐH Xây Dựng Hà Nội, 2006)

Hình 1.2: Các quá trình chất ô nhiễm trong công trình đất ngập nước

Bảng 1.4: Một số quá trình loại bỏ chất ô nhiễm xảy ra trong hệ thống ĐNNKT

Rể Vật liệu (sỏi/cát) Vật liệu (sỏi/cát)

Sự hô hấp của vi khuẩn

Sự hô hấp của vi khuẩn

Sự hô hấp của vi khuẩn

Sự ổn định

Nitrogen Lá

Tảo trong nước

Rể Đất Vật liệu (sỏi/cát)

Sự bay hơi (N2 và N2O)

NO3- và NH4+ -> Chất hữu cơ hòa tan Nitrate Ammonium -> Nitrate Nitrate -> N2, N2O, hoặc NH4+

Sự ổn định

Rể Vật liệu (sỏi/cát) Vật liệu (sỏi/cát)

Sự hô hấp của vi khuẩn

Sự hô hấp của vi khuẩn

Sự lắng/chôn lấp

Sự hấp thụ

(Nguồn: Brix, Hans, 1994)

 Cơ chế loại bỏ chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học

Quá trình làm giảm các hợp chất hữu cơ thường là các quá trình làm giảm COD, BOD Cơ chế chính trong quá trình này là sự oxy hóa và sự tổng hợp nên tế bào mới Quá trình làm giảm COD phụ thuộc vào nhiệt độ, điều kiện oxy, pH và dinh dưỡng Phân hủy sinh học xảy ra khi các chất hữu cơ hoà 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 Vai trò của thực vật trong bãi lọc là: + Cung cấp môi trường thích hợp cho vi sinh vật thực hiện quá trình phân hủy sinh học (hiếu khí) cư trú

+ Vận chuyển oxy vào vùng rễ để cung cấp cho quá trình phân hủy sinh học hiếu khí trong lớp vật liệu lọc và bộ rễ

BOD5 nước thải đầu ra bao gồm: các hợp chất hữu cơ ngoại bào tạo ra trong quá trình tăng trưởng và các hợp chất hữu cơ từ quá trình phân hủy của thực vật thủy sinh Nhìn chung, bãi lọc ngập nước 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 (Kadlec and Knight, 1996) 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

 Cơ chế loại bỏ chất rắn lơ lửng

Do thời gian tồn lưu của nước thải khá cao, đất ngập nước kiến tạo có khả năng rất cao trong việc loại bỏ một cách hiệu quả chất rắn lơ lửng khi dòng nước thải đi qua

hệ thống xử lý này Cơ chế loại bỏ chất rắn lơ lửng là sự trầm tích, lọc và hấp thụ Các hạt keo hay các chất rắn không lắng được sẽ bị loại bỏ một phần bởi quá trình hoạt động của các vi sinh vật và bởi sự va chạm và kết dính với các chất rắn khác Các chất rắn nổi bám vào bề mặt các thực vật và bị phân hủy bởi các hoạt động của vi sinh vật hiếu khí Các chất rắn lắng được sẽ lắng xuống đáy mô hình và bị phân hủy bởi vi sinh vật yếm khí

Trường hợp khối tải chất ô nhiễm kết với chất dạng hạt thô (như cát mịn) thì sự lắng tụ vật lý sẽ diễn ra nhanh hơn làm tăng hiệu quả loại TSS trong nước thải

 Cơ chế loại bỏ nitơ

Các dạng vô cơ quan trọng nhất của nitơ trong đất ngập nước xử lý nước thải thành phố hoặc trong nước amonia (NH4+), nitrit (NO2-), nitrat (NO3-), nitơ oxit (N2O), và nguyên tố hòa tan hoặc khí (N2) Nitơ cũng luôn hiện diện trong vùng đất ngập nước

ở các dạng hữu cơ Cả hai dạng hòa tan và hạt có thể có mặt, nhưng trong nhiều trường hợp có ít hạt nitơ lắng được trên bề mặt nước vùng đất ngập nước

Mỗi loại có thể là đối tượng của quy định chất lượng đất ngập nước thải, và mỗi thể đại diện cho một tính năng quan trọng của chất lượng nước đầm lầy, tùy thuộc vào bản chất của nước nguồn

Việc loại bỏ nitơ rất quan trọng vì độc chất ammonia cao có thể làm chết cá Nếu liều lượng nitrate vượt quá mức cho phép có thể gây ra chứng rối loạn máu của trẻ

con, làm giảm khả năng vận chuyển oxy trong máu (Lê Tuấn Anh và cộng sự 2009)

[22]

Nitơ trong nước thải có thể bị loại bỏ bởi các cơ chế sau đây:

+ Bị hấp thu bởi thực vật, sau đó thực vật được thu hoạch khỏi hệ thống

+ Sự bay hơi của ammonia

+ Quá trình nitrate hóa và khử nitrate hóa của các vi sinh vật

Trong đó quá trình nitrate hóa và khử nitrate đóng vai trò chính yếu trong việc loại

bỏ nitơ khỏi hệ thống Quá trình nitrate hóa được định nghĩa là quá trình oxy hóa sinh học chuyển dạng NH4+ sang dạng nitrate NO3- Vi khuẩn nitrate hóa sử dụng năng lượng sinh ra trong quá trình oxy hóa NH4+ thành NO3- và sử dụng CO2 là nguồn cung cấp carbon cho tế bào

Để quá trình nitrate hóa có thể xảy ra, nồng độ DO phải ở mức 0,6 – 1,0 mg/L; nhiệt độ 5 – 400C; pH từ 5,5 – 9, tốt nhất là pH = 7,5, khi pH < 7 vi khuẩn phát triển chậm lại Vì vậy, quá trình nitrate hóa hóa có liên quan mật thiết đến lưu lượng nạp BOD và tốc độ chuyển hóa oxy vào nước

Hầu hết đất ngập nước đều có một lớp hiếu khí mỏng trên mặt Ion ammonium từ lớp trầm tích yếm khí khuếch tán hướng lên lớp mỏng này và biến ngược lại thành nitrite hoặc nitrate hóa Sự gia tăng chiều dày lớp hiếu khí tạo nên sự gia tăng nitrite hóa Tiến trình nitrít hóa hình thành bởi sự oxy hóa ammonium từ chất trầm tích thành nitrite (NO2-), rồi nitrite tiếp tục bị oxy hóa thành nitrate (NO3-) Quá trình loại bỏ N này có sự tham gia của vi sinh vật hiếu khí

Hình 1.3: Đường đi của quá trình chuyển hóa nitrogen từ rễ thực vật trong đất ngập

nước (Robert H Kadlec & Scott D Wallace) [27]

Phản ứng nitrite và nitrate hóa xảy ra như sau:

2NH4+ + 3O2 ⇔ 4H+ + 2H2O + 2NO2

-2NO2- + O2 ⇔ 2NO3

Hai loại vi khuẩn cần cho sự oxy hóa ammonium thành nitrate là: Nitrosomonas

Sp Cho phản ứng oxy hóa từ ammonium thành nitrite ở phương trình thứ nhất và Nitrobacter Sp Cho phản ứng oxy hóa từ nitrite thành nitrate ở phương trình thứ hai Quá trình khử nitrate diễn ra trong điều kiện thiếu khí (anoxic), cần phải cung cấp thêm nguồn carbon cho các vi sinh vật tổng hợp các tế bào của nó và pH phải duy trì

ở mức trung bình Tốc độ của quá trình khử phụ thuộc vào:

Các điều kiện môi trường cần thiết cho các hoạt động của vi khuẩn, nguồn carbon,

pH, nhiệt độ

+ Diện tích bề mặt của lớp trầm tích dưới đáy ao

+ Khả năng phóng thích N2 tạo ra bởi quá trình khử nitrate vào khí quyển Trong điều kiện yếm khí mạnh, sự khử nitrate xảy ra theo tuần tự sau (Wetzel, 1983):

 Cơ chế loại bỏ phốtpho

Phosphorus hiện diện trong tự nhiên ở cả hai dạng hữu cơ và vô cơ Trong đất ngập nước tự nhiên, sự tiếp nhận chất thải giàu phosphorus có thể tạo nên hiện tượng bùng

nở các loại tảo trong môi trường nước, còn gọi là hiện tượng tảo nở hoa (algae bloom)

Do phosphorus không có thành phần khí nên chu trình phosphorus được xem là kín

Sự loại bỏ và tích lũy phosphorus từ nước thải xảy ra hoàn toàn trong bản thân đất ngập nước kiến tạo Phosphorus có thể ẩn mình: (1) Trong chất hữu cơ như một phần trong sinh khối sống; (2) Trong kết tụ phosphate không hòa tan với ion sắt, calcium

và aluminum trong nền đất ngập nước

Trong đất ngập nước, các loài thủy sinh thực vật đóng một vai trò quan trọng trong việc loại bỏ phosphorus Do vậy, việc dọn dẹp sạch các loài thủy sinh thực vật trong

ao hồ hay thực vật trong đất ngập nước là một trong những biện pháp loại bỏ

phophorus Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng phosphorus có thể bị loại 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

phosphorus (dưới 20%) được các loài vi khuẩn, nấm và tảo hấp thụ Phần phosphorus

còn lại được giữ trong nền đất ngập nước và hệ thống rễ cây theo hai cơ chế: hấp thụ

hóa học và kết tụ vật lý giữa các ion phosphate và các ion nhôm, sắt hoặc calcium

Sự kết hợp này hình thành các hợp chất dạng iron-phosphates (Fe-P), aluminum

phosphates (Al-P) hoặc calcium phosphates (Ca-P).[5], [6], [14], [20], [21]

Phốtpho có thể chứa trong cấu trúc sinh khối của thực vật (tổng phốtpho có thể

được tìm thấy bằng cách phân tích cho PO4 – P trong tiêu thụ của các mẫu sinh học)

thông qua quá trình hấp thụ chất dinh dưỡng.Tương tự các quá trình loại bỏ nitơ, vai

trò của thực vật trong vấn đề loại bỏ phốtpho vẫn còn là vấn đề tranh cãi Dù sao, đây

cũng là cơ chế duy nhất đưa hẳn phốtpho ra khỏi hệ thống bãi lọc Các quá trình hấp

phụ, kết tủa và lắng chỉ đưa được phốtpho vào đất hay vật liệu lọc Khi lượng phốtpho

trong lớp vật liệu vượt quá khả năng chứa thì sẽ được loại bỏ khỏi hệ thống qua việc:

- Thu hoạch các thủy sinh thực vật

- Nạo vét và xả bỏ phần vật liệu hay lớp trầm tích

Hình1.4: Cơ chế loại bỏ phốtpho trong đất ngập nước (Robert H Kadlec & Scott D

Wallace) [17]

Khả năng khử nitơ và phốtpho của bãi lọc ngập nước nhân 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 khóang chất là cơ sở bền vững cho quá trình khử phôtpho trong bãi lọc ngập nước Để đạt được hiệu quả xử lý phôtpho thường phải mất một thời gian lâu Bãi lọc dùng trong mục đích xử lý phốtpho thường lớn và tiếp nhận nước thải loãng hoặc nước thải đã được xử lý sơ bộ Bãi lọc ngập nước có khả năng xử lý nitơ dễ hơn so với phôtpho.

 Cơ chế loại bỏ các mầm bệnh

Theo Lê Anh Tuấn (2009) các mầm bệnh trong nước thải được hiểu là các vật thể sống có thể gây bệnh, có thể kể ra như các loại virus, nấm, động vật nguyên sinh, giun sán 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

Tiến trình loại bỏ các mầm bệnh trong đất ngập nước bao gồm sự chết loại tự nhiên, lắng 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) Theo Kadlec và Knight (1996) còn chỉ ra rằng

đất ngập nước có cây trồng tạo nên sự loại bỏ mầm bệnh hữu hiệu hơn do cây trồng cho phép các loại vi sinh phát triển tạo nên các vật ăn mầm bệnh.[17]

 Cơ chế loại bỏ kim loại nặng

Khi các kim loại nặng hòa tan trong nước thải chảy vào hệ thống đất ngập nước, 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

- Hấp phụ lên các kết tủa oxyhydroxit sắt, mangan trong vùng hiếu khí

- Kết hợp lẫn với thực vật chết và đất

- Hấp thụ vào rễ, thân và lá của thực vật trong hệ thống đất ngập nước

Một phần nhỏ các nguyên tố kim loại cũng được hấp thụ và kết hợp cùng các khoáng chất hữu cơ và được tích tụ trong bãi lọc ngập nước dưới dạng trầm tích Sự hấp thụ bởi thực vật và chuyển hóa bởi các vi khuẩn cũng có thể đóng vai trò quan trọng trong xử lý kim loại

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 đầm lầy 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 hoá 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 bãi lọc

Bãi lọc ngập nước 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 Vì vậy không nên sử dụng bãi lọc ngập nước để xử lý các loại nước thải có nồng độ kim loại nặng cao

 Cơ chế loại bỏ vi khuẩn và virut có trong nước thải

Cơ chế loại vỏ vi khuẩn, virut trong các bãi lọc trồng cây về bản chất cũng giống như quá trình loại bỏ các vi sinh vật 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 Tác động của các yếu tố lý-hoá của môi trường tới mức độ diệt vi khuẩn đã được công bố trong nhiều tài liệu: nhiệt độ, pH, bức xạ mặt trời Các yếu tố sinh học bao gồm: thiếu chất dinh dưỡng, do các sinh vật khác ăn

 Cơ chế vận chuyển oxy

Theo Gilbert Kabelo Gaboutleoleo và cộng sự, 2009, có 02 con đường chính cho việc vận chuyển oxy tự nhiên vào môi trường bên trong của đất ngập nước kiến tạo,

đó là:

- Sự vận chuyển thông qua rễ thực vật tham gia xử lý Nguồn oxy ở đây một phần được sinh ra từ quá trình quang hợp của thực vật với ánh sáng mặt trời, một phần từ nguồn oxy có sẵn trong khí quyển, chúng được dẫn xuống bộ rễ nằm sâu trong các lớp vật liệu thông qua thân thực vật Vì vậy khả năng vận

hoặc có rất ít mô phân sinh bên trong lõi cây thì khả năng cung cấp oxy cho vùng rễ là lớn hơn so với các loại thực vật khác

- Sự vận chuyển oxy bằng khuếch tán trực tiếp từ khí quyển vào mặt thoáng của

hệ thống DNN kiến tạo Hiệu quả của sự vận chuyển này phụ thuộc lớn vào tốc độ gió và điều kiện nhiệt độ của khu vực hệ thống, đồng thời nó cũng phụ thuộc vào mức độ che phủ của thực vật xử lý

1.2.3 Tình hình áp dụng đất ngập nước trong xử lý nước thải

a Nghiên cứu trên thế giới

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

xử lý nhiều loại nước thải khác nhau như nước rỉ rác, nước thải chăn nuôi, nước thải

từ việc sản xuất dược phẩm và các sản phẩm chăm sóc cá nhân, nước thải sinh hoạt, nước thải xám, Trong đó, chiếm số lượng lớn các nghiên cứu là sử dụng đất ngập nước kiến tạo xử lý bậc 2, bậc 3 cho nước thải sinh hoạt hay nước thải đô thị Số lượng đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm sử dụng ở Châu Âu hiện nay trên 5000 công trình, riêng ở Đức có hơn 3500 công trình đang hoạt động Số còn lại được xây dựng và vân hành ở Đan Mạch (400), Vương Quốc Anh (600), Áo (160), Cộng hòa Czech (80), Ba Lan (50), Slovenia (20), Norway (10), cũng như đang được nghiên cứu và triển khai ở nhiều nước khác trên thế giới (các quốc gia Địa Trung Hải, Úc,

Tây Ban Nha, ) (IWA,2000)

Hiện nay, nhiều nghiên cứu khảo sát, cải thiện và nâng cao hiệu suất xử lý các chất

ô nhiễm (COD, BOD, Nitơ, Phốtpho, các chất ô nhiễm khác, ) của các loại công trình đất ngập nước kiến tạo (dòng chảy ngầm thẳng đứng, thẳng ngang, chảy mặt, lai hợp) cũng như cái nghiên cứu, khảo sát về sự ảnh hưởng của các yếu tố vận hành

và thiết kế đất ngập nước kiến tạo, ảnh hưởng của các yếu tố môi trường xung quanh đến hiệu quả của công nghệ này và việc mô hình hóa, xác định cơ chế hoạt động của công nghệ đã và đang được các nhà khoa học nghiên cứu ứng dụng thể hiện rõ tiềm năng của công nghệ này

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

xử lý nước thải, Bắc Cairo, Ai Cập Công nghệ đất ngập nước trong nghiên cứu trồng

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

là nước thải đã được xử lý sơ bộ với lưu lượng 20m3/ngày, tải trọng bề mặt trong khoảng 26.2 – 76.5 kgBOD/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 này cho thấy đơn vị này có thể

xử lý được 88% COD, 90% BOD, 92% TSS với lưu lượng còn lại tương ứng là 30.60 mg/l; 13.20 mg/l và 8.5 mg/l Lượng dinh dưỡng tích lũy trong thực vật đại diện bằng tổng P và tổng Nitơ Kjeldakl 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).[1]

Một nghiên cứu khác về xử lý nước thải đô thị bằng đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm thằng đứng nhằm khảo sát hiểu quả xử lý và khả năng tái sử dụng nước cho tưới tiêu cũng thực hiện tại đại học Padova, Đông Bắc Ý Hai mô hình dòng chảy ngầm thẳng đứng được trồng 2 loại thực vật là Typha latifolia (VFCW-T) và Phragmites autralis (VFCW-P) và được mô phỏng trong một khối có diện tích bề mặt 1m2, chiều sâu 1.5m và được lấp các vật liệu khoáng có kích thước tăng dần từ bề mặt xuống đáy Kết quả nghiên cứu cho thấy tải trọng hữu cơ tăng dần sau 2 năm thực hiện: từ 2.7 – 7.7g COD/m2ngày và từ 0.9 – 2.8 g COD/m2ngày mặc dù trong hai năm thực hiện nghiên cứu lượng chất ô nhiễm cao hơn Kết quả cho thấy khả năng

xử lý COD, BOD5, N và K (>86%) thì cao hơn hiệu suất xử lý Na và Mg (<47%), hiệu suất xử lý của hệ BOD5 , COD, PO42—P của hệ VFCW-P thì thấp hơn

Một nghiên cứu dòng chảy ngang và dòng chảy thẳng đứng trong xử lý nucows rỉ rác có nồng độ chất hữu cơ thấp và nồng độ amonia cao cũng đã được thực hiện bởi Yalcuk và Ugurlu (2009) [30] Hai mô hình đất ngập nước kiến tạo dòng chảy thẳng đứng (VF1, VF2) và một mô hình đất ngập nước kiến tạo dòng chảy thẳng ngang (HF) được mô phỏng với các kích thước dài x rộng x cao = 100 cm x 50 cm x 40 cm

Cả ba mô hình đều được trồng Typha latilofia với mật độ cây 20 cây/ m2 Nước rỉ rác được đưa vào hệ thống theo từng đợt (10 phút/h) bởi bơm ly tâm Với cách thức này, lượng nước thải đi qua hệ thống là 10l/ngày với thời gian lưu nước là 11.8 ngày

và 12.5 ngày cho VF1, VF2 và HF Hệ thống này không tuần hoàn nước thải Tải trọng hữu cơ của hệ thống thay đổi trong khoảng 0.011 – 0.023 trong VF1, 0.021-0.032 trong VF2 và 0.013 – 0.021 trong HF Kết quả cho thấy hệ dòng chảy ngang hiệu suất hơn cho việc khử COD với hiệu suất sau 4 tháng hoạt động là 60.9% trong

rằng hệ chảy thẳng đứng hiệu suất hơn trong việc xử lý Nitơ – Amonia với hiệu suất

xử lý của hai hệ chảy thắng đứng lần lượt là 67.4 và 36.8% trong khi hệ chảy thẳng ngang chỉ xử lý 17.8%

b Các nghiên cứu trong nước

Ngô Thụy Diễm Trang và Han Brix (2000) đã nghiên cứu hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt của hệ thống đất ngập nước kiến tọa có dòng chảy ngầm ngang nền cát vận hành với mức tải nạp thủy lực cao sử dụng cây sậy Hệ thống được vận hành với hai mức nạp thủy lực (HLRs) là 31 và 62 mm/ngày Khả năng xử lý TSS, lân hòa tan (PO4-P) và lân tổng (TP) rất hiệu quả và không đổi cho cả hai mức HLRs với hiệu suất xử lý trung bình tương ứng khoảng 94.99% và 99%, trong khi đó hiệu suất xử lý nhu cầu sinh học (BOD5), nhu cầu oxy hóa học (COD), tổng đạm Kjeldahl (TKN) và đạm amon (NH4-N) giảm khi HLR tăng và có giá trị trung bình nằm trong khoảng tương ứng 47-71, 68-84, 63-87 và 69-91% Kết quả cho thấy bằng cách sử dụng HSSF CWs trong việc xử lý nước thải sinh hoạt là phương pháp khả thi Chát lượng nước thải đầu ra của hệ thống ở mức HLRs cao 62 mm/ngày (tương đương 1200l.ngày) đạt tiêu chuẩn Việt Nam cho phép xả thải vào nguồn nước mặt

Nguyễn Việt Anh (2005) đã xây dựng và lắp đặt mô hình xử lý nước thải với bể tự họa và bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy đứng với Trung Tâm Kỹ Thuật Môi trường

đô thị và Khu công nghiệp – Đại học Xây Dựng, với các chế độ vận hành khác nhau, đánh giá hiệu quả xử lý, ảnh hưởng của tải trọng chất bẩn, chế độ thủy lực, vật liệu lọc, cây trông và thời tiết [29] Mô hình gồm 5 thùng inox có thể tích 500l, trong đó

3 thùng A1, A2, A3 chứa sỏi tròn (đường kính 1.5 -2 cm), 3 thùng B1, B2, B3 chứa gạch vỡ (đường kính 3 – 4 cm) Nước thải đàu vào được lấy từ bể tự hoại 2 ngăn có thể tích 10m3 Giai đoạn 1: (từ 8/2004 đến 4/2005) 4 bể được trồng với cỏ nến, 2 bể

còn lại không trồng cây Các bể làm việc song song Nước thải được cấp theo chiều

từ trên xuống, 2 lần/ ngày và 10 lít/ bể Giai đoạn 2: (từ 4/2005 đến 12/2005) các bể

lọc được bố trí theo sơ đồ nối tiếp 2 bậc, gồm 3 dãy song song B1 – A1, B2 – A2, B3 – A3 Việc bố trí nối tiếp nhằm mục đích nâng cao hiệu suất của hệ thống xử lý Tải trọng thủy lực được giữ ở mức 20l/dãy.ngày Nước từ các bể B chảy sang bể A tương ứng và tưới lên trên bề mặt bể từ trên xuống Mực nước trong mỗi bể B được khống chế thấp hơn lớp vật liệu lọc 25 cm, giúp không khí thâm nhập vào lớp trên của bể, cung cấp dưỡng khí cho quá trình oxy hóa sinh hóa các chất hữu cơ, nitrat hóa, đồng

hóa tránh cho rễ cây thối rữa và cây bị chết Trong giai đoạn này trồng nhiều loại cây: cây sậy, mai nước, thủy trúc, phát lộc đan xen với cỏ nến Kết quả: với sơ đồ bậc 1, nước thải đầu ra đạt tiêu chuẩn cột B TCVN 5945-1995 đối với chỉ tiêu COD, SS,

TP Với sơ đồ 2 bậc, nước thải đầu ra đạt cột A TCVN 5945-1995 hoặc mức 1 TCVN 6772-2000 đối với chỉ tiêu COD, SS, TP Tuy nhiên nồng độ TN, N-NH4 và vi sinh gây bệnh chưa đạt tiêu chuẩn cho phép

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

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

100, 300, 500 kgCOD/ha.ngày) và quy mô pilot (tải trọng 70, 130, 185, 250 và 400

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

các chất ô nhiễm cao hơn hẳn so với ô không trồng thực vật, đặc biệt là với các chỉ tiêu COD, nitrat, phốtpho Ở mô hình đất ngập nước chảy mặt có mực nước <0.4m

có hiệu quả xử lý COD, nitrat, phốtpho cao hơn khi vận hành ở tải trọng thấp (nhỏ hơn 130kgCOD/ha.ngày) Tất cả các ô trồng thực vật có hiệu quả xử lý SS đạt 67 –

86 % độ đục đạt 69-82% Riêng hiệu quả khử độ màu ở các ô không cao do chủ yếu

độ màu gây ra từ các chất hữu cơ và thuốc nhuộm hòa tan, không phân hủy sinh học

Hệ thống trông cây sậy, trồng cỏ nên đạt hiệu quả khử COD tương ứng 47% và 55%

ở tải trọng 130kgCOD/ha.ngày Ở tải trọng 70kgCOD/ha.ngày, hiệu quả khử Phốtpho của các hệ thống này tương ứng 52% và 41%, hiệu quả loại bỏ nitrat đạt được tương ứng là 31% và 37% Hiệu quả khử độc do các loại độc cấp tính và mãn tính cho thấy các mô hình ĐNN thí nghiệm đều có hiệu quả khử độc khá cao, từ 54 – 86%, cao hơn hẳn so với ô đối chứng 29 – 62% Tại các mô hình đất ngập nước, có chỉ số gây độc

hệ sinh thái (PEEP) trung bình 3,4 thấp hơn tiêu chuẩn đè xuất để kiểm soát nguy cơ gây độc lên hệ sinh thái Tiêu chuẩn đánh giá nguy cơ gây độc là chỉ số PEEP, nghiên cứu này đề xuất áp dụng tiêu chuẩn PEEP 3.5 là ngưỡng đánh giá đối với nước thải công nghiệp