Đề tài được thực hiện nhằm bước đầu xác định tính hiệu quả và tiềm năng sử dụng thực vật để xử lý ô nhiễm hữu cơ trong nước thải sinh hoạt Trường Đại học Tây Nguyên (Đ[r]
Trang 1ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN 2 141
THỰC NGHIỆM KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT BẰNG
CÂY CHUỐI NƯỚC VÀ CÂY SẬY TRONG MÔ HÌNH BÃI LỌC NGẦM
TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÂY NGUYÊN EXPERIMENT OF DOMESTIC WASTEWATER TREATMENT ABILITY OF
CANNA ROMA AND PHRAGITES COMUNIC(L.)TRIN BY SUBSURFACE FLOW
CONSTRUCTED WETLAND IN TAY NGUYEN UNIVERSITY Nguyễn Hoàng Phương1, Phạm Thị Thúy Liễu2, Nguyễn Văn Quý3, Hwik Bkrông, Nguyễn Thành Tạo4
2 Trung tâm Quan trắc Môi trường tỉnh Đăk Nông
3 Công ty Lâm nghiệp Krông Bông, tỉnh Đăk Lăk
4 Trung tâm Quy hoạch Nông nghiệp Nông thôn tỉnh Bình Định
Tóm tắt - Sử dụng thực vật xử lý nước thải sinh hoạt là giải pháp
được ứng dụng rộng rãi hiện nay bởi hiệu suất xử lý tốt các thông số
ô nhiễm, thân thiện với môi trường, ít tiêu tốn tài nguyên nhiên liệu và
tái sử dụng được chất thải Đề tài được thực hiện nhằm bước đầu
xác định tính hiệu quả và tiềm năng sử dụng thực vật để xử lý ô
nhiễm hữu cơ trong nước thải sinh hoạt Trường Đại học Tây Nguyên
(ĐHTN) thành sinh khối có lợi Kết quả nghiên cứu cho thấy sử dụng
2 loài Sậy Phragmites communis (L.) Trin và chuối nước Canna
Roma trong hệ thống bãi lọc nhân tạo để xử lý nước thải sinh hoạt
đạt kết quả cao Thực vật thích nghi khá tốt trong điều kiện khí hậu
nhiệt đới, sinh trưởng và phát triển tốt tạo sinh khối nhanh: trung bình
đạt 5,2 cm/tuần (cây Chuối nước) và 11,4 cm/tuần (cây Sậy) Hiệu
suất xử lý 5/6 thông số ô nhiễm NH4+, PO43-, COD, BOD5, TSS đều
đạt trên 73%, hiệu quả xử lý NO3- từ 47,8% – 56,1%
Abstract - Nowadays, phytoremediation is a good measure for waste water treatment because it processes pollution parameters well and reuses waste In addition, it is environmentally friendly and less resource consuming This study determines the effectiveness and application potential of using phytoremediation for domestic waste water treatment in Tay Nguyen University
The results of study shows that Phragmites communis(L.) Trin and Canna Roma give high performance in subsurface flow
constructed wetland system Particularly, the plants adapt well to
tropical climate and grow fast with the height of Phragmites
communis(L.) Trin and Canna Roma of 5.2 cm/week and 11.4
cm/week respectively The effective treatment of this model is over 73% for NH 4 , PO 43-, COD, BOD 5 , TSS but it still reaches 47.8% - 56.1% for NO 3-
Từ khóa - xử lý nước thải; bãi lọc ngầm; cây Sậy; cây Chuối
nước; Trường Đại học Tây Nguyên
Key words - Waste water treatment; Subsurface flow constructed wetland; Phragmites communis (L.) Trin; Canna Roma; Tay Nguyen University
1 Đặt vấn đề
Hiện nay Trường Đại học Tây nguyên đào tạo đa
ngành nghề với nhiều hoạt động tiêu thụ tài nguyên, năng
lượng Theo đó là các hoạt động xả thải nước với số
lượng khá lớn và thành phần phức tạp bao gồm cả nước
thải sinh hoạt, từ các giảng đường và các khu chức năng
khác Tuy nhiên, hệ thống xử lý nước thải chỉ dừng lại ở
mức độ sử dụng bể tự hoại 2 hoặc 3 ngăn, không đáp ứng
yêu cầu chất lượng nước thải ra môi trường theo quy định
Nhằm mục đích khắc phục tình trạng xả nước thải, vi
phạm luật bảo vệ môi trường của nhà trường, nghiên cứu
này tiến hành thử nghiệm phương pháp xử lý nước thải
phù hợp Từ nghiên cứu tổng quan cho thấy sử dụng bãi
lọc ngầm trồng cây SFS-V (Subsurface flow
systems-vertical) hiện đang được rất nhiều quốc gia trên thế giới
áp dụng xử lý nước thải thứ cấp sau bể tự hoại như một
giải pháp công nghệ xử lý nước thải trong điều kiện tự
nhiên Đây là giải pháp có hiệu quả khá cao, thân thiện
với môi trường, chi phí thấp và ổn định [1], [2], [4], [5],
[6] đồng thời góp phần làm tăng giá trị sinh học, cải tạo
cảnh quan môi trường Các bài học từ các nghiên cứu
tổng quan là nền tảng để nghiên cứu tiến hành chọn cây
Sậy và cây Chuối nước trong bãi lọc ngầm theo chiều
thẳng đứng để xử lý nước thải của Trường Đại học Tây
Nguyên đạt QCVN 14:2008/BTNMT
2 Giải quyết vấn đề
2.1 Vật liệu nghiên cứu
Tham khảo, kế thừa mô hình bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy thẳng đứng SFS-V (Cooper, 1996) và các mô
hình nghiên cứu constructed wetlands của Thammarat
Koottatep, Chongrak Polprasert và Kim Oanh (2001) [4],
[6] Tiến hành thiết kế mô hình thí nghiệm phù hợp với
đặc điểm khí hậu nhiệt đới, và khả năng tận dụng vật liệu
rẻ tiền sẵn có tại khu vực Trường Đại học Tây Nguyên
Hình 1 Kích thước và các lớp vật liệu trong bể thí nghiệm
Trang 2142 Nguyễn Hoàng Phương, Phạm Thị Thúy Liễu, Nguyễn Văn Quý, Hwik Bkrông, Nguyễn Thành Tạo
Mô hình được vận hànhtrong 06 tháng, xử lý nước thải
theo từng mẻ, mỗi mẻ kéo dài 7 ngày Nước thải được bơm
từ bể tự hoại, cấp vào bể thí nghiệm bằng hệ thống ống
PVC có đục lỗ nhỏ nhằm kéo dài thời gian cấp nước và hạn
chế xói cát Lượng nước cung cấp cho mỗi bể/mẻ là 300 lít
và được phân tích kiểm tra các thông số ô nhiễm (thông số
đầu vào) Nước được lưu trong bể 5 ngày và được xả ra vào
ngày thứ 6 để thu mẫu phân tích kiểm tra các thông số ô
nhiễm (đầu ra) Xác định hiệu suất xử lý của từng bể
Tiêu chí thiết kế mô hình thí nghiệm:
+ Lựa chọn cây Sậy và cây Chuối nước: Phù hợp thích
nghi cao với điều kiện môi trường sống khu vực Trường
ĐHTN; khả năng phát triển tốt; ít bị ảnh hưởng bởi sự thay
đổi nồng độ chất trong nước thải, vòng đời dài, đẹp
+ Đối với mô hình xử lý: Đảm bảo c hiệu quả xử lý
hữu cơ trong nước thải, dễ vận hành, dễ áp dụng, phù hợp
với điều kiện thời tiết tại trường ĐHTN
2.2 Nội dung nghiên cứu
Điều tra và lấy mẫu phân tích một số thông số nước
thải của trường ĐHTN
Thiết kế, xây dựng, thử nghiệm xử lý nước thải sinh
hoạt bằng cây Sậy và Chuối nước trong mô hình bãi lọc
ngầm theo chiều thẳng đứng
Tiến hành chạy mô hình và quan trắc Xác định hiệu
suất xử lý của mô hình
Thảo luận, đánh giá khả năng áp dụng xử lý nước thải
sinh hoạt cho trường
2.3 Phương pháp nghiên cứu
2.3.1 Phương pháp kế thừa tài liệu thứ cấp
Kế thừa các tài liệu, nghiên cứu thiết kế, vận hành mô
hình xử lý nước thải bằng thực vật kết hợp công trình Các
tài liệu này được thu thập bằng công cụ Google Scholar và
từ một số nguồn thông tin học thuật trên Intenet Tham
khảo và tổng hợp các tài liệu liên quan đến môi trường
nước và từ các phòng, ban quản lý của Trường ĐHTN
2.3.2 Phương pháp phân tích các thông số ô nhiễm
trong nước thải
Lấy mẫu theo nguyên tắc lấy mẫu, bảo quản mẫu nước
thải TCVN 4556-88 Mẫu được đưa phân tích tại phòng
thí nghiệm bộ môn Khoa học Đất và Phòng thí nghiệm Viện Công nghệ Sinh học và Môi Trường, Trường ĐHTN Các thông số và phương pháp phân tích: pH, BOD5, COD,TSS,NH4, NO3-, PO43-
2.3.3 Phương pháp phân tích SWOT
Phân tích điểm mạnh, điểm yếu, cơ hội và thách thức
về khả năng sử dụng cây Sậy và cây Chuối nước xử lý nước thải sinh hoạt tại Trường ĐHTN
2.3.4 Phương pháp xử lý số liệu
Từ các giá trị tuyệt đối của các thông số trong nước thải đầu vào và đầu ra của mô hình, đề tài tính toán hiệu suất xử
lý của các bể trong từng mẻ Từ đó xác định hiệu suất xử lý trung bình các thông số được quan sát trong mô hình Đề tài xử lý số liệu bằng phần mềm Microsoft Excel 2010
3 Kết quả nghiên cứu và bàn luận
3.1 Các thông số phân tích nước thải trường ĐHTN
Nước thải của trường ĐHTN chủ yếu là nước thải sinh hoạt từ các khu ký túc xá và một phần từ các khu giảng đường, bao gồm cả nước thải từ các khu vực chức năng khác Các nguồn thải này đổ xuống đầu mương nước, hồ
Tự Do và chứa trong các bể tự hoại
Bảng 1 Giá trị các thông số nước thải sinh hoạt
Thông số (mg/l ngoại trừ pH)
Trung bình đợt 1
Trung bình đợt 2
Trung bình chung
QCVN 14: 2008/BTNMT Cột A
Ghi chú:- Phân tích 2 đợt, mỗi đợt lấy 3 mẫu nước thải sinh hoạt
- Thu mẫu tại các bể tự hoại và hồ Tự Do của trường
Kết quả xét nghiệm mẫu cho thấy nước thải sinh hoạt của nhà trường có giá trị trung bình các thông số ô nhiễm chưa cao, ngoại trừ thông số NH4và BOD5 vượt quá cột
A QCVN 14:2008/BTNMT Giá trị các thông số thấp do thời điểm lấy mẫu vào mùa mưa, các yếu tố ô nhiễm đã bị pha loãng một phần Ngoài giá trị các thông số nước thải trong Bảng 1, các giá trị thông số trong nước thải đầu vào của mô hình xử lý cũng phản ánh mức độ ô nhiễm nước
thải tại Trường ĐHTN
3.2 Xác định khả năng xử lý ô nhiễm hữu cơ trong nước thải sinh hoạt trường ĐHTN
3.2.1 Sinh trưởng và sinh sản của cây Sậy và cây Chuối nước trong mô hình
Cả hai loài đều sinh trưởng phát triển nhanh, sinh sản nhiều, thích nghi khá tốt với điều kiện khí hậu và nồng độ nước thải sinh hoạt của Trường ĐHTN
Cây Chuối nước có tỉ lệ sống sót rất cao, tỉ lệ sống ở
cả 2 bể B1 và B2 đều đạt 100% Sinh trưởng khá tốt, trung bình phát triển chiều cao đạt 5,2 cm/tuần (Bể 1), 4,3 cm/tuần (Bể 3) Khoảng 2 tháng sau khi trồng cây chuối
đã cho hoa rất đẹp Cây Sậy có tỉ lệ mọc mầm ít hơn với 22/30 cây ở Bể 2 và 13/15 cây ở Bể 3 Cây Sậy cũng sinh trưởng khá tốt ở giai đoạn đầu khi chưa cho nước thải vào
Hình 2 Sơ đồ vận hành mô hình xử lý
Trang 3ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN 2 143
mô hình, phát triển chiều cao đạt 11,4 cm/tuần (Bể 2), 9,3
cm/tuần (Bể 3) Khảo sát thực tế cho thấy cây Chuối nước
chống chịu với sâu bệnh kém hơn cây Sậy trong thời gian
vận hành mô hình xử lý
Hình 3 Cây S1EADy và chuối nước sau 2 tuần và 4 tháng
3.2.2 Kết quả hiệu suất xử lý ô nhiễm của cây Sậy và cây
Chuối nước trong mô hình
Về cảm quan, mô hình thể hiện sự thay đổi về màu sắc
và mùi của nước thải đầu và nước thải sau khi xử lý.Kết
quả xử lý một số thông số ô nhiễm hữu cơ của mô hình
trình bày trong phần dưới đây:
a Kết quả xử lý BOD5
Hình 4 Biểu đồ giá trị tuyệt đối và hiệu suất xử lý BOD 5 của
4 bể trong mô hình xử lý
Giá trị thông số BOD5 và hiệu suất xử lý của các bể
qua các mẻ có sự chênh lệch rõ rệt giữa các bể trồng cây
so với bể đối chứng Đối với các bể trồng cây, hiệu suất
xử lý dao động ở mức độ không đáng kể (19,3% ở bể 1,
14,9% ở bể 2, và 14,3% ở bể 3) Vì vậy có thể kết luận
rằng cây Sậy và cây Chuối nước có khả năng xử lý BOD
trong nước thải đạt cột A (QCVN 144:2008/BTNMT) tại
khu vực nghiên cứu
b Kết quả xử lý COD
Hình 5 cho thấy các bể trồng cây luôn có hiệu suất xử
lý COD cao hơn bể đối chứng Trong đó, hiệu suất của
các bể trồng cây trung bình từ 71,2% - 79,6 % so với hiệu
suất trung bình bể đối chứng khoảng 44,0%
Hình 5 Biểu đồ giá trị tuyệt đối và hiệu suất xử lý COD của
4 bể trong mô hình xử lý
c Kết quả xử lý TSS Hình 6 dưới đây cho thấy hiệu suất xử lý TSS của 4 bể tương đối cao, tăng theo thời gian và ổn định Trong đó các bể trồng cây thể hiện ưu thế hơn so với bể không trồng cây, bể 1 có hiệu suất xử lý 88%
Hình 6 Biểu đồ giá trị tuyệt đối và hiệu suất xử lý TSS của
4 bể trong mô hình xử lý
Kết quả mô hình cho thấy vai trò rất lớn của vật liệu trong việc xử lý TSS (77,5%) Đồng thời sự đóng góp của thực vật cũng không kém quan trọng, mô hình trồng riêng
lẻ có hiệu suất cao hơn khi kết hợp trồng chung (hiệu suất
bể 3 đạt 84,1% trong khi bể 1 đạt 88%, bể 2 đạt 87,8%) Tuy nhiên, kết quả này chỉ đại diện cho mẫu thực tế có giá trị TSS chưa cao tại khu vực nghiên cứu
d Kết quả xử lý PO43-
Với nồng độ PO43- trong nước thải đầu vào mô hình từ 3,6 đến 15,6 mg/l, hiệu suất xử lý của các bể rất cao, từ
0
20
40
60
80
58.5
%
HIỆU SUẤT XỬ LÝ BOD5 CỦA CÁC BỂ
0 20 40 60 80
46.6
70 80 90
Bể 1 Bể 2 Bể 3 Bể 4
77.5
% HIỆU SUẤT XỬ LÝ TSS CỦA CÁC BỂ
Trang 4144 Nguyễn Hoàng Phương, Phạm Thị Thúy Liễu, Nguyễn Văn Quý, Hwik Bkrông, Nguyễn Thành Tạo 88,4 đến 92,8% Khả năng xử lý PO43- của các bể trồng
cây cao hơn một ít so với bể đối chứng
Hình 7 Biểu đồ giá trị và hiệu suất xử lý PO 4 3- của 4 bể
e Kết quả xử lý NO3
-Hình 8 Biểu đồ giá trị và hiệu suất xử lý NO 3 - của 4 bể
Từ biểu đồ Hình 8 cho thấy hiệu suất xử lý giữa 4 bể
có sự khác biệt đáng kể và thay đổi theo từng mẻ Trong
đó, hiệu suất xử lý của bể 1 cao nhất, khoảng 45,5% Hiệu
suất của bể đối chứng chỉ khoảng 10,2%, thấp hơn rất
nhiều so với các bể trồng cây Số liệu trên chỉ ra vai trò
của thực vật đối với khả năng xử lý NO3- trong nước thải
f Kết quả xử lý NH4+
Biểu đồ Hình 9 thể hiện cả 4 bể đều có khả năng xử lý
NH4rất cao, từ 95,8% ở bể đối chứng và đến >98% ở các
bể trồng cây Kết quả trên không thể hiện rõ vai trò của
cây Sậy và Chuối nước trong xử lý thông số NH4+ với
nồng độ đầu vào mô hình từ 8,07 đến 34,6 mg/l
Hình 9 Biểu đồ giá trị và hiệu suất xử lý NH 4 + của 4 bể 3.2.3 Đánh giá khả năng xử lý nước thải trường ĐHTN của cây Sậy và cây Chuối nước tại Trường ĐHTN
Cả hai loài Sậy và chuối nước đều sinh trưởng, phát triển tốt.Ở bể trồng chung, cả 2 loài đều sinh trưởng chậm hơn các bể trồng riêng
Nước thải đầu vào mô hình có nồng độ ô nhiễm còn thấp, đa số thông số ô nhiễm cao hơn cột A QCVN 14:2008/BTNMT Nồng độ các thông số được khảo sát cũng đại diện cho mức độ ô nhiễm thực tế trong nước thải của trường ĐHTN
Cây Sậy có hiệu suất xử lý cao hơn cây Chuối nước về các chỉ tiêu: COD, PO43-, NH4 và thấp hơn ở các chỉ tiêu: TSS và BOD
Bảng 2 So sánh hiệu suất xử lý trung bình của 4 bể trong mô hình
Sậy+Chuối nước 98,2 91,7 31,0 84,1 76,1 76,1
Như vậy, cây Sậy và cây Chuối nước trong mô hình bãi lọc ngầm dòng chảy thẳng đứng có khả năng xử lý nước thải sinh hoạt Trường ĐHTN đạt cộtA QCVN 14:2008/BTNMT
3.2.4 Thảo luận và đánh giá khả năng áp dụng xử lý nước thải cho trường ĐHTN
Bảng 3 Phân tích SWOT về khả năng khả năng áp dụng
của mô hình xử lý
• Dễ xây dựng và vận hành
• Kinh phí xây dựng và vận hành thấp
• Có thể xuất hiện mùi hôi và sinh vật như ruồi
• Cần diện tích đất lớn
86
88
90
92
94
92.7 92.8
91.7
88.4
% HIỆU SUẤT XỬ LÝ PO43-CỦA CÁC BỂ
0
20
40
60
31 10.2
% HIỆU SUẤT XỬ LÝ NO3-CỦA CÁC BỂ
94 95 96 97 98 99
95.8
% HIỆU SUẤT XỬ LÝ NH4 CỦA CÁC BỂ
Trang 5ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(96).2015, QUYỂN 2 145
• Có thể lợi dụng độ cao để
xây dựng mô hình
• Thân thiện với môi trường,
tạo cảnh quan đẹp
• Tuổi thọ của mô hình dài
• Hiệu suất xử lý nước thải
sinh hoạt khá cao
• Tận dụng được sinh khối
của cây…
• Có thể xuất hiện bệnh trên cây
• Chịu ảnh hưởng một
số điều kiện khí hậu như:
mưa, gió…
• Có thể thấm nước vào nước ngầm
• Xã hội quan tâm đến xử lý
nước thải thân thiện tự nhiên
• Hiện tại trường ĐHTN chưa
áp dụng biện pháp xử lý nước
thải thứ cấp
• Địa bàn trường rất thuận lợi
cho việc áp dụng mô hình (có
sẵn hệ thống mương, hồ )
• Có thể sử dụng làm mô hình
thực tập cho học sinh, sinh viên
• Hợp tác các tổ chức môi
trường trong nước và quốc tế
• Phương pháp này chưa được phổ biến rộng
ở nước ta nên khó được chấp nhận để thực hiện
• Thiếu kiến thức và kinh nghiệm thiết kế xây dựng mô hình sử dụng thực vật để xử lý nước nước thải
• Cần nguồn kinh phí xây dựng và duy trì hệ thống xử lý đạt yêu cầu
Qua phân tích SWOT về khả năng áp dụng của mô
hình tại trường, nghiên cứu đề xuất quy trình sơ lược xử
lý nước thải cho Trường ĐHTN trong Hình 10 sau:
Hình 10 Hướng xử lý nước thải trường ĐHTN
4 Kết luận Khả năng xử lý ô nhiễm hữu cơ trong nước thải sinh hoạt của hệ thống SFS-V trồng cây Sậy và Chuối nước tại Trường ĐHTN khá cao Thực vật thích khá tốt trong điều kiện khí hậu nhiệt đới, sinh trưởng và phát triển tốt, tạo sinh khối nhanh: trung bình đạt 5,2 cm/tuần (cây Chuối nước) và 11,4 cm/tuần (cây Sậy) Hiệu suất xử lý 5/6 thông số ô nhiễm NH4, PO43-, COD, BOD5, TSS đều đạt trên 73%, xử lý NO3- từ 47,8%-56,1%
So với vể đối chứng, hiệu suất của các bể trồng cây cao hơn Có thể khẳng định 2 loại cây này đều có khả năng xử lý nước thải sinh hoạt tại khu vực nghiên cứu Khả năng xử lý TSS của bể đối chứng cũng khá cao cho thấy vật liệu cát, đá có khả năng lọc TSS trong mô hình tốt
Trường ĐHTN có thể áp dụng mô hình này để xử lý nước thải trong Nhà trường đạt cột A QCVN 14:2008/BTNMT
Lời cảm ơn: Tập thể tác giả chân thành cảm ơn
Trường Đại học Tây Nguyên đã tài trợ kinh phí và tạo điều kiện cơ sở vật chất để hoàn thành nghiên cứu này
TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Việt Anh (2006.), Xử lý nước thải bằng bãi lọc ngầm trồng cây dòng thẳng đứng trong điều kiện Việt Nam
[2] B.Cheng, C W Hu, Y J Zhao, China (2010), Effects of plants development and pollutant loading on performance of vertical subsurface flow constructed wetlands
[3] Bộ Tài nguyên Môi trường, QCVN 14: 2008/BTNMT: Quy chuẩn
kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt, Bộ Tài nguyên Môi
trường, 2008
[4] Cooper, P.F., Job, G.D., Green, M.B., and Shutes, R.B.E,Reed
Beds and Constructed Wetlands for Wastewater Treatment, WRc
Swindon, Wiltshire, 1996
[5] Dennis Konnerupa, Thammarat Koottatepb, Hans Brix, Treatment
of domestic wastewater in tropical, subsurface flow constructed wetlands planted with Canna and Heliconia, Ecological Engineering, 35 (2), Elsevier, 2009, 248-257
[6] Thammarat Koottatep, Chongrak Polprasert, Kim Oanh và ccs, Sludges from on-site sanitation systems–low-cost treatment alternatives, AIT, 2001
(BBT nhận bài: 30/07/2015, phản biện xong: 05/10/2015)