Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt của một khu dân cư tại huyện từ liêm bằng mô hình hồ thủy sinh nuôi bèo lục bình

Giới thiệu nước thải sinh hoạt và hiện trạng ô nhiễm nước thải tại khu vực nghiên cứu. Tổng quan phương pháp xử lý nước thải bằng hồ thủy sinh thả bèo lục bình. Phương pháp nghiên cứu. Kết quả thực nghiệm.

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:

TS NGUYỄN PHẠM HỒNG LIÊN

Hà Nội - 2013

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ TỰ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 4

DANH MỤC CÁC HÌNH 5

MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU NƯỚC THẢI SINH HOẠT & HIỆN TRẠNG Ô NHIỄM NƯỚC THẢI TẠI KHU VỰC NGHIÊN CỨU 8

I.1 Đặc trưng nước thải sinh hoạt và ảnh hưởng của nó tới môi trường 8

I.1.1 Đặc trưng nước thải sinh hoạt 8

I.1.2 Ảnh hưởng của nước thải tới môi trường 9

I.2 Nước thải thành phố Hà nội và hiện trạng ô nhiễm tại khu vực nghiên cứu 11

I.2.1 Nước thải thành phố Hà nội 11

I.2.2 Hiện trạng ô nhiễm tại khu vực nghiên cứu 12

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG HỒ THỦY SINH THẢ BÈO LỤC BÌNH 14

II.1 Giới thiệu các phương pháp xử lý nước thải bằng thực vật thủy sinh 14

II.1.1 Phương pháp đất ngập nước - bãi lọc trồng cây 14

II.1.2 Phương pháp hồ thủy sinh 15

II.2 Nhóm thực vật thủy sinh và tác dụng của chúng trong hệ thống xử lý tự nhiên 16

II.2.1 Nhóm thực vật thủy sinh 16

II.2.2 Tác dụng của thực vật thủy sinh với hệ thống tự nhiên 18

II.2.3 Một số đặc điểm của bèo lục bình 19

II.3 Cơ chế loại bỏ chất ô nhiễm trong hồ thủy sinh nuôi bèo lục bình 20

II.3.1 Cơ chế loại bỏ chất rắn [10,11,12] 20

II.3.2 Cơ chế loại bỏ chất hữu dễ phân hủy COD và BOD [10,11] 21

II.3.3 Cơ chế loại bỏ Nitơ [3,10,11] 22

II.3.4 Cơ chế loại bỏ Photpho [3,10,11] 25

II.3.5 Loại bỏ Kim loại nặng[10,11] 26

II.3.6 Loại bỏ vi khuẩn vi rút [10,11] 26

II.3.7 Các yếu tố chung khác ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý của hồ thủy sinh 27

II.4 Cơ sở thiết kế mô hình xử lý 27

II.4.1 Qui chuẩn thiết kế hồ thủy sinh 27

II.4.2 Thông số cơ bản thiết kế hệ thống 28

II.4.3 Một số kết quả nghiên cứu thực tiễn trên thế giới 29

II.4.4 Một số kết quả nghiên cứu thực tiễn trong nước 30

CHƯƠNG III: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 34

III.1 Qui trình nghiên cứu 34

III.2 Khảo sát nước thải tại khu vực nghiên cứu 35

III.3 Thiết lập mô hình 35

III.4 Nuôi thả bèo lục bình 37

III.5 Lấy mẫu 37

II.5.1 Lấy mẫu nước thải chạy mô hình 37

II.5.2 Lấy mẫu nước thải dùng cho phân tích 39

II.5.3 Lấy mẫu phân tích bèo 39

III.6 Phân tích mẫu 40

CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 44

IV.1 Kết quả theo dõi sự phát triển của bèo lục bình 44

IV.2 Hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm 47

IV.2.1 Hiệu quả xử lý SS 47

IV.2.2 Hiệu quả xử lý với các chất hữu cơ COD, BOD5 49

IV.2.3 Hiệu quả xử lý Ni tơ 53

IV.2.4 Hiệu quả xử lý Phốt pho 56

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 59

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

PHỤ LỤC KẾT QUẢ PHÂN TÍCH 63

PHỤ LỤC HÌNH ẢNH 68

DANH MỤC CÁC KÝ TỰ VIẾT TẮT

BOD5 Nhu cầu ôxy sinh hóa

BTNMT Bộ Tài Nguyên và Môi Trường

COD Nhu cầu ôxy hóa học

DO Oxy hòa tan

HAR Tải trọng thủy lực thực tế

HLR Tải trọng thủy lực

HRT Thời gian lưu thủy lực

NTSH Nước thải sinh hoạt

NXB Nhà xuất bản

OLR Tải trọng hữu cơ

QCVN Quy chuẩn Việt Nam

SS Chất rắn lơ lửng

TKN Tổng Nitơ Kejldahl

TP Tổng phốt pho

VSV Vi sinh vật

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thông số cơ bản theo QCVN 14:2008/BTNMT - 40:2011/BTNMT

và phân chia mức độ ô nhiễm của NTSH theo APHA [6] 9

Bảng 1.2 Mức độ ô nhiễm BOD5 trong nước sông nội thị TP Hà Nội [5] 10

Bảng 1.3 Kết quả phân tích nước thải tại khu vực nghiên cứu giai đoạn tháng 11 năm 2011 đến tháng 2 năm 2012 13

Bảng 2.1 Cơ chế loại bỏ các chất ô nhiễm trong hệ thống thủy sinh[10] 20

Bảng 2.2.Tiêu chuẩn thiết kế hồ thủy sinh trong xử lý nước thải 28

Bảng 2.3 Tóm tắt các nghiên cứu ứng dụng phương pháp hồ thủy sinh trong xử lý nước thải sinh hoạt trên thế giới[10] 30

Bảng 2.4 Kết quả xử lý Nitơ và Phốt pho trong nước thải sông Tô Lịch 32

Bảng 3.1 Khối lượng NTSH được lấy qua các giai đoạn vận hành 38

Bảng 3.2 Chỉ tiêu và phương pháp phân tích 40

Bảng 4.1 Quan sát sự phát triển của bèo 44

Bảng 4.2 Hàm lượng ô nhiễm SS trong NTSH đầu vào và ra 47

Bảng 4.3 Hàm lượng ô nhiễm COD trong NTSH đầu vào và đầu ra 49

Bảng 4.4 Hàm lượng ô nhiễm Nitơ và trong NTSH đầu vào và ra 53

Bảng 4.5 Hàm lượng ô nhiễm NH4+ trong NTSH đầu vào và ra 54

Bảng 4.6 Hàm lượng ô nhiễm tổng Phốt pho trong NTSH đầu vào và ra 56

Bảng 4.7 Hàm lượng ô nhiễm tổng PO43- trong NTSH đầu vào và ra 57

Bảng 5.1 Kết quả phân tích giai đoạn chạy tuần hoàn và giai đoạn chạy với thời gian lưu 18 ngày: 63

Bảng 5.2 Kết quả phân tích giai đoạn chạy với thời gian lưu 11 ngày: 66

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1 Kênh thu gom nước thải và vị trí lấy mẫu nghiên cứu 12

Hình 2.1 Mô hình đất ngập nước - bãi lọc trồng cây với dòng chảy mặt 15

Hình 2.2 Cách lựa chọn hệ thống thủy sinh và trong xử lý nước thải[10] 16

Hình 2.3 Nhóm thực vật trôi nổi trong môi trường tự nhiên 17

Hình 2.4 Nhóm thực vật thủy sinh sống chìm trong nước 17

Hình 2.5 Nhóm thực vật thủy sinh sống nửa chìm nửa nổi trong nước 18

Hình 2.6 Bèo lục bình và các sản phẩm làm từ bèo 19

Hình 2.7 Đường đi loại bỏ chất rắn trong hệ thống hồ thủy sinh 21

Hình 2.8 Đường đi loại bỏ Nitơ trong hệ thống hồ thủy sinh 24

Hình 2.9 Đường đi loại bỏ Phốt pho trong hệ thống hồ thủy sinh 25

Hình 2.10 Mô hình ứng dụng xử lý NTSH trên thế giới 29

Hình 2.11 Mô hình xử lý NTSH tại các Xã Minh Nông, Bến Gót - TPViệt Trì 30

Hình 2.12 Mô Nghiên cứu xử lý Nitơ, Phốt pho trong nước sông Tô Lịch 31

Hình 2.13 Xử lý NTSH bằng bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy thẳng đứng 33

Hình 3.1 Sơ đồ qui trình nghiên cứu 34

Hình 3.2 Vị trí khu vực khảo sát và điểm lấy mẫu nước thải nghiên cứu 35

Hình 3.3 Sơ đồ mô hình thí nghiệm 36

Hình 3.4 Mô hình thí nghiệm thực tế 36

Hình 3.5 Điểm lấy mẫu và dụng cụ lấy mẫu 38

Hình 4.1 Bèo được nuôi thả thích nghi với môi trường nhân tạo 45

Hình 4.2 Sinh trưởng và phát triển của bèo lục bình trong môi trường nhân tạo 45

Hình 4.3 Thời gian thu hoạch bèo và khối lượng bèo thu hoạch 47

Hình 4.4 Biến thiên hàm lượng SS theo thời gian 48

Hình 4.5 Biến thiên hàm lượng COD theo thời gian 50

Hình 4.6 Mối quan hệ giữa hàm lượng COD, BOD5 với nhiệt độ 52

Hình 4.7 Biến thiên hàm lượng Tổng Nitơtheo thời gian 53

Hình 4.8 Biến thiên hàm lượng NH4+ theo thời gian 54

Hình 4.9 Biến thiên hàm lượng tổng PO43- theo thời gian 57

Hình 5.1 Hiện trạng kênh thu gom nước thải 68

Hình 5.2 Quá trình phân tích trong phòng thí nghiệm 68

Hình 5.3 Công tác lấy mẫu và vận chuyển mẫu 68

MỞ ĐẦU

Do xu thế phát triển của xã hội với quá trình đô thị hóa đang diễn ra trên các tỉnh thành, sự phát triển ồ ạt của các ngành công nghiệp, nông nghiệp, các nhà máy, khu công nghiệp, sự mở rộng vùng kinh tế mới dẫn tới sự ô nhiễm môi trường bởi rác thải, khí thải và nước thải Tại các khu đô thị, lượng nước thải phát sinh từ các hoạt động của con người ngày càng tăng Còn tại các thành phố lớn của nước ta, phần lớn nước thải sinh hoạt ở các khu dân cư đô thị, ven đô và nông thôn đều chưa được xử lý đúng quy cách, nước thải sinh hoạt có hoặc không qua hệ thống xử lý sơ

bộ như các bể tự hoại, sau đó qua hệ thống thu gom, cống rãnh chảy ra ngoài môi trường Đa phần các chỉ tiêu đều chưa đạt tiêu chuẩn xả ra môi trường, đây chính là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường sống và lây truyền bệnh tật cho con người làm ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng

Trong điều kiện hiện nay ở Việt Nam, khi phần lớn các dự án thoát nước và

xử lý nước thải còn chưa đến được mọi nơi, nếu có thì cũng mới chỉ hướng tới giải quyết vấn đề thoát nước mưa và khắc phục tình trạng úng ngập và còn rất khó có kinh phí để duy trì vận hành, bảo dưỡng hệ thống Chính vì vậy, việc nghiên cứu làm sạch nước thải tại chỗ cho các hộ gia đình hay các cụm dân cư, bằng các công nghệ phù hợp, vừa đơn giản, có chi phí xây dựng và vận hành thấp, vừa đảm bảo vệ sinh môi trường là một hướng giải quyết hợp lý và khả thi

Phương pháp xử lý tự nhiên được biết đến trên thế giới như đất ngập nước,

hồ thủy sinh… là một trong những giải pháp công nghệ xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên, thân thiện môi trường với quá trình tự làm sạch các chất bẩn nhờ các loại thực vật thủy sinh có sẵn trong môi trường vẫn đạt hiệu suất cao, chi phí thấp, đồng thời góp phần làm tăng giá trị đa dạng sinh học, cải tạo cảnh quan môi trường của địa phương

Tại Việt Nam, công nghệ này còn rất mới mẻ nhưng có thể áp dụng được trong xử lý nước thải các ao, hồ sẵn có trong tự nhiên hay nhân tạo, sinh khối thực vật Bùn phân hủy của nước thải sau khi xử lý trong hồ có thể tạo thành các sản

phẩm có giá trị kinh tế Với yêu cầu nghiên cứu áp dụng vào thực tế tác giả đã thực

hiện đề tài: “Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt của một khu dân cư tại Huyện

Từ Liêm bằng mô hình hồ thủy sinh nuôi bèo lục bình”

Mục tiêu của đề tài do tác giả thực hiện là nghiên cứu, đánh giá khả năng thực tế của cây bèo lục bình, có tên khoa học là Eichhornia crassipes trong việc xử

lý các chất ô nhiễm có trong nước thải Quá trình thực nghiệm dựa trên việc tính toán, xây dựng mô hình hồ thủy sinh, thả nuôi thực vật trong phòng thí nghiệm, với nguồn nước thải được lấy trên hệ thống mương thu gom nước thải khi đổ ra sông Nhuệ, được vận chuyển chạy mô hình liên tục theo thời gian

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU NƯỚC THẢI SINH HOẠT & HIỆN TRẠNG Ô

NHIỄM NƯỚC THẢI TẠI KHU VỰC NGHIÊN CỨU

I.1 Đặc trưng nước thải sinh hoạt và ảnh hưởng của nó tới môi trường

I.1.1 Đặc trưng nước thải sinh hoạt

Nước thải theo định nghĩa là chất lỏng được thải ra sau quá trình sử dụng của con người và đã bị thay đổi tính chất ban đầu của chúng Thông thường chúng được phân loại theo nguồn gốc phát sinh và đây cũng là cơ sở cho việc lựa chọn các biện pháp và công nghệ xử lý

Tại các thành phố lớn, các khu dân cư tập trung nước thải phát sinh trong quá trình hoạt động của con người được thu gom vào các hệ thống thoát nước được gọi

chung là nước thải đô thị Đây là hỗn hợp của các loại nước thải gồm NTSH (nước

thải từ các khu dân cư, khu vực hoạt động thương mại, công sở, trường học) và

nước thải công nghiệp (nước thải từ các hoạt động sản xuất công nghiệp nhưng

trong đó cũng bao gồm NTSH) [4,6]

Các đặc trưng cơ bản của NTSH

▪ Đặc trưng lưu lượng: lưu lượng nước thải sinh hoạt tại các khu đô thị thường

được lấy từ 80  90% tiêu chuẩn lượng nước cấp phục vụ cho sinh hoạt với đơn vị

l/người.ngày Theo TCXDVN 33 : 2006, tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt tai các khu

đô thi loại I đến loại III từ 80  160 l/người.ngày

▪ Đặc trưng vật lý: là hàm lượng chất rắn hòa tan bao gồm các chất rắn nổi, lơ

lửng, keo và tan trong nước thải; màu; mùi nhiệt độ Trong đó, giá trị tổng chất rắn hòa tan là đặc trưng quan trọng nhất

▪ Đặc trưng hóa học: là các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học như:

cacbonhydrat, protein, lipit; các chất vô cơ giàu dinh dưỡng cho sinh vật như: Nitơ, Photphat, các chất khí sinh ra trong quá trình phân hủy chất thải sinh hoạt như H2S, NH3

▪ Đặc trưng sinh học: là các loại động vật, thực vật sống trong môi trường

nước thải, trong hệ thống nước thải; các loại vi khuẩn, kí sinh trùng có khả năng gây bệnh như các vi khuẩn gây bệnh tả, lỵ, thương hàn, trứng giun

▪ Thành phần vô cơ, hữu cơ khác: trong NTSH có khoảng 52% là các chất hữu

cơ còn lại 48% là các các chất vô cơ

Bảng 1.1 Thông số cơ bản theo QCVN 14:2008/BTNMT - 40:2011/BTNMT

và phân chia mức độ ô nhiễm của NTSH theo APHA [6]

QCVN 14 2008/BTNMT

QCVN 40 2011/BTNMT

Tổng Chất rắn hòa tan (TDS), mg.l 700 350 120 500 1.000 - - Tổng chất răn lơ lửng (TSS), mg.l 600 350 120 50 100 50 100

I.1.2 Ảnh hưởng của nước thải tới môi trường

Nước thải chưa qua xử lý hay đã xử lý nhưng chưa đạt tiêu chuẩn sẽ có khả năng ảnh hưởng trực tiếp tới các nguồn tiếp nhận nước như với các dòng chảy mặt (ao hồ, sông suối), các tầng chứa nước dưới đất

▪ Với dòng chảy trên mặt:

Nếu trong nước thải có hàm lượng dinh dưỡng, các chất hữu cơ cao như COD, BOD khi bị thải vào các dòng chảy tự nhiên sẽ diễn ra các quá trình khoáng hóa, và các quá trình ổn định chất hữu cơ Quá trình này cần tiêu thụ một lượng lớn oxy của nguồn tiếp nhận dẫn đến sự thiếu hụt oxy, làm hình thành điều kiện yếm khí, tạo ra các các sản phẩm khí như: H2S, NH3, CH4… làm cho dòng nước tiếp nhận có mùi hôi thối, dòng chảy đổi màu đục hoặc đen, gây mất mỹ quan

Khi thành phần dinh dưỡng Nitơ, Phốt pho quá cao sẽ dẫn tới hiện tượng phú dưỡng hóa, đây là nguyên nhân gây nên sự bùng phát của các loại tảo, làm cho nồng

độ oxy trong nước giảm xuống thấp, gây ngạt, gây chết các loại động vật thuỷ sinh

Các chất dầu mỡ sẽ ngăn cản quá trình khuếch tán oxy trên bề mặt vào dòng nước, làm giảm nồng độ oxy trong nước

Với các chất rắn lơ lửng khi được vận chuyển trong kênh mương, ống cống

sẽ bị lắng đọng trong dòng chảy tạo điều kiện cho quá trình phân hủy yếm khí

Vi khuẩn gây bệnh như tiêu chảy, ngộ độc thức ăn, vàng da… thông qua môi trường nước thải có thể bị lây truyền từ khu vực này đến khu vực khác

Sông Hàm lượng BOD 5 vượt tiêu chuẩn cho phép

▪ Với nước dưới đất:

Các chất ô nhiễm có trong nước thải sẽ được tích tụ vào các lớp đất trầm tích

và dần ngấm vào môi trường đất đá, xâm nhập vào tầng chứa nước bên trên và gây

ô nhiễm cho các tầng chứa nước theo thời gian

Theo các tài liệu quan trắc thành phần hóa học trong nước dưới đất của tầng chứa nước Holocen và Pleistocen trong những năm gần đây cho thấy, nước ngầm đang dần bị ô nhiễm bởi các hợp chất vô cơ, hợp chất hữu cơ và nhiễm bẩn vi sinh

Ví dụ: amoni (NH4+) trong tầng chứa nước Holocen tại khu vực Hà Đông có hàm lượng cao trên 100 mg/l Một số khu vực khác như Nam Dư, huyện Thanh Trì với những điểm ô nhiễm Hoàng Mai, Quỳnh Lôi cao gấp 10  20 lần so với mức cho phép Khu vực Hạ Đình, Pháp Vân, Định Công, Kim Giang, Bạch Mai, Bách Khoa, Kim Liên, Quỳnh Mai cao hơn 20  30 lần QCVN cho phép Theo đánh giá nguồn

gốc chủ yếu được sinh ra từ các vật chất hữu cơ, xác động vật, chất thải lỏng và rắn

bị thải ra trên bề mặt đất, theo dòng chảy mặt di chuyển, xâm nhập vào tầng chứa nước và làm ô nhiễm tầng chứa nước

I.2 Nước thải thành phố Hà nội và hiện trạng ô nhiễm tại khu vực nghiên cứu

I.2.1 Nước thải thành phố Hà nội

Thành phố Hà Nội theo Nghị quyết số 15/2008/NQ - QH12 của Quốc hội về việc mở rộng địa giới hành chính Thủ đô, năm 2008, có diện tích tự nhiên là 3.334, 47km2, dân số 6,2 triệu người với 29 đơn vị hành chính Quận, Huyện, Thị xã và 577 đơn vị hành chính cấp xã, phường, thị trấn Tỷ lệ đô thị hoá trên địa bàn thành phố

Hà Nội (cũ) 70%, tỉnh Hà Tây (trước đây) là 13%, tính trung bình toàn thành phố sau mở rộng đô thị hoá khoảng 40%

Theo con số thống kê trong Báo cáo Chất lượng môi trường và biện pháp bảo

vệ môi trường của thành phố Hà Nội năm 2010 [5]:

▪ Nước thải công nghiệp: trên toàn Thành phố hiện có 26 khu công nghiệp, 40

 50 cụm điểm công nghiệp làng nghề đã và đang xây dựng Tổng khối lượng nước thải công nghiệp ước tính 100.000  120.000 m3/ngày đêm Trong đó, chỉ có 3 khu công nghiệp tập trung là khu Bắc Thăng Long, Phú Nghĩa, Quang Minh 1 và 2, cụm công nghiệp Ngọc Hồi và Phùng Xá có hệ thống xử lý nước thải tập trung, còn lại phần lớn các cơ sở sản xuất đều không có trạm xử lý nước thải

▪ Nước thải sinh hoạt: tổng lượng nước thải sinh hoạt khu vực nội thành, nội

thị khoảng 700.000 m3/ngày đêm phần lớn chỉ được xử lý sơ bộ tại các bể tự hoại trước khi xả vào các tuyến cống chung hoặc kênh, mương, ao hồ Hiện tại, trên địa bàn thành phố có 4 trạm xử lý nước thải sinh hoạt tập trung với công suất thiết kế đạt 48.500 m3/ngày đêm chiếm 6,9% là: Kim Liên, Trúc Bạch, Bắc Thăng Long - Vân Trì, Khu đô thị mới Mỹ Đình và Trạm Yên Sở đang xây dựng

▪ Nước thải bệnh viện: tổng số 48 bệnh viện và trung tâm y tế do thành phố

quản lý nhưng mới chỉ có 8 cơ sở có hệ thống xử lý nước thải đang hoạt động, một

số bệnh viện đang trong giai đoạn xây dựng hệ thống xử lý, còn lại lượng nước thải bệnh viện không được xử lý, thải trực tiếp ra hệ thống thoát nước chung

Trước sự phát triển nhanh của các hoạt động kinh tế xã hội, sự ra đời hàng loạt các khu đô thị, các khu công nghiệp cùng với các hoạt động tiểu thủ công nghiệp và chất thải bệnh viện, các khu dân cư đông đúc, các làng nghề… mà nước thải của các hoạt động đó hầu như chưa được xử lý đã đổ thẳng ra sông, hồ làm chất lượng môi trường nước sông, hồ biến đổi theo chiều hướng tiêu cực và xu thế bị ô nhiễm mỗi ngày một tăng cao

I.2.2 Hiện trạng ô nhiễm tại khu vực nghiên cứu

Khu vực nghiên cứu thuộc địa phận xóm 6 xã Đông Ngạc, Huyện Từ Liêm, với kênh nước thải của các hộ dân sống trên khu vực, các khu nhà trọ cho thuê của sinh viên, khu làm việc của trường Đại học Mỏ - Địa chất, một số cơ quan, công ty khác có trên khu vực

Theo kết quả điều tra tai khu vực có khoảng 172 hộ gia đình với số nhân khẩu 660 người, số sinh viên thuê trọ từ 1.155 đến 1.500 sinh viên theo thời điểm

và tại khu vực không có hệ thống xử lý nước thải tập trung nào

Hình 1.1 Kênh thu gom nước thải và vị trí lấy mẫu nghiên cứu

Nước thải từ các hộ dân được thải vào hệ thống ống cống chìm thu gom nước thải, sau đó được dẫn đến đổ vào hệ thống kênh hở với các hộ dân ở xa Còn đối với các hộ dân ở hai bên kênh dẫn nước thải thì NTSH được thải trực tiếp vào kênh thu

: Vị trí lấy mẫu: Kênh nước thải

21º 4' 48.6'' 105º 46' 37''

nước thải, sau đó được thải đổ trực tiếp vào sông Nhuệ Kết quả phân tích đánh giá chất lượng nước thải tại khu vực nghiên cứu được trình bày trong Bảng 1.3:

Bảng 1.3 Kết quả phân tích nước thải tại khu vực nghiên cứu giai đoạn tháng 11

CHƯƠNG II: TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG

HỒ THỦY SINH THẢ BÈO LỤC BÌNH

II.1 Giới thiệu các phương pháp xử lý nước thải bằng thực vật thủy sinh

Theo Ronald W Crites [11] xử lý nước thải theo cách tự nhiên là phương pháp chủ yếu dựa trên các các hợp phần tự nhiên, các phản ứng của tự nhiên như vật lý, hóa học và thành phần sinh học Hiệu quả của quá trình xử lý không phụ thuộc vào các nguồn năng lượng bên ngoài để duy trì mà chủ yếu dựa vào các tác dụng của thành phần tự nhiên để đạt được hiệu quả mục đích Tại Mỹ cho đến năm

1972 việc thông qua đạo luật về nước sạch PL 92 - 500 việc phát triển phương pháp

xử lý tự nhiên được phát triển mạnh mẽ

Dựa theo đặc điểm và hình thái phương pháp xử lý mà phương pháp tự nhiên được chia làm các cách sau: Phương pháp đất ngập nước - bãi lọc trồng cây và Phương pháp hồ thủy sinh

II.1.1 Phương pháp đất ngập nước - bãi lọc trồng cây

Theo định nghĩa đất ngập nước là các vùng đầm lầy, vùng nước tù đọng tự nhiên bị ngập nước thường xuyên hoặc từng thời kỳ, thường có mực nước ngầm nằm sát mặt đất Đây là vùng chuyển tiếp giữa những hệ sinh thái trên cạn và những

hệ sinh thái thủy sinh, trong đó nước có thể là nước mặn, lợ hay nước nhạt có thể ở trạng thái tĩnh hoặc vận động theo dòng chảy

Phương pháp đất ngập nước được sử dụng để cải thiện chất lượng nước đã được biết đến vào những thập kỷ 20 của thế kỷ trước, nhưng hầu hết là các vùng đất ngập nước tự nhiên (U.S EPA, 1999)

Phương pháp bãi lọc trồng cây hay còn gọi là đất ngập nước nhân tạo, được nghiên cứu xây dựng để xử lý nước thải bắt đầu vào những năm 1950 ví dụ ở Đức - Seidel, 1976, ở Hoa kỳ vào những năm 1970 đến 1980 và phát triển mạnh trong những năm 1990 Phương pháp này được xây dựng và được áp dụng rộng rãi không chỉ để xử lý nước thải đô thị mà còn để xử lý nước thải cho các khu công nghiệp,

vùng khai khoáng và nước thải nông nghiệp Hình 2.1 là một ví dụ cho mô hình cho bãi lọc trồng cây ngập nước với dòng chảy trên mặt trong xử lý nước thải

Hình 2.1 Mô hình đất ngập nước - bãi lọc trồng cây với dòng chảy mặt

Hệ thống xử lý thường được xây dựng ở những nơi có độ dốc tự nhiên hay nhân tạo, cách xa khu dân cư và ở cuối hướng gió Thành phần đất đá trong bãi lọc

có thể là đất loại cát, sét lẫn cuội sỏi hệ số thấm vừa đủ để nước có thể thấm qua Việc xử lý nước thải dựa trên khả năng giữ cặn trong các lớp đất đá, nước thải thấm qua các lớp đất đá tương tự các lớp lọc, cùng với sự có mặt của oxy trong các lỗ hổng, mao quản do rễ cây đưa vào kích thích quá trình phân hủy hiếu khí của các vi sinh vật mà nhờ đó xử lý các chất ô nhiễm hữu cơ

Phương pháp này vừa có thể xử lý nước thải vừa tưới bón cây trồng, tùy thuộc vào chức năng nào là chính và có thể chia làm cánh đồng lọc - cánh đồng tưới nông nghiệp hay chỉ làm chức năng xử lý nước thải gọi là bãi lọc trồng cây

II.1.2 Phương pháp hồ thủy sinh

Hồ thủy sinh là một hay hệ thống các ao hồ có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo dùng để chứa nước hoặc tuần hoàn nước, trong đó có phát triển các loại thực vật thủy sinh, tảo Trong hồ diễn ra các quá trình tự làm sạch các chất bẩn nhờ thực vật thủy sinh, vi sinh vật có sẵn trong tự nhiên với nguyên tắc vi sinh vật sử dụng oxy được cung cấp bởi quá trình quá trình quang hợp, oxy được đưa vào môi trường nước qua thân và rễ thực vật thủy sinh, hệ thực vật có tác dụng là giá thể cho vi sinh vật bám dính phát triển hay màng lọc tự nhiên

Đây được xem là phương pháp thân thiện môi trường, có thể đạt hiệu suất cao, chi phi thấp, có tính gia tăng giá trị đa dạng sinh học, có khả năng cải tạo cảnh

Nước thải đầu ra

Vùng nước sâu đầu ra Thảm thực vật nổi

quan môi trường sống Các sản phẩm của sinh khối thực vật, bùn thải sau xử lý có thể tạo ra các sản phẩm có giá trị kinh tế

Hình 2.2 Cách lựa chọn hệ thống thủy sinh và trong xử lý nước thải[10]

II.2 Nhóm thực vật thủy sinh và tác dụng của chúng trong hệ thống xử lý tự nhiên

II.2.1 Nhóm thực vật thủy sinh

II.2.1.1 Nhóm thực vật sống trôi nổi trên mặt nước

Đây là loài thực vật phát triển trên bề mặt nước, bao gồm hai phần: phần lá

và thân mềm nổi trên bề mặt nước, nhận ánh sáng mặt trời trực tiếp thực hiện các quá trình quang hợp; phần dưới nước là bộ rễ thường là loại rễ chùm, phát triển trong nước, nhận các chất dinh dưỡng trong nước và hấp thụ các vật chất khác vào cây

Nhóm thực vật này nổi trên mặt nước, thường chuyển động theo gió, sóng và dòng chảy Khi chuyển động bộ rễ quét sâu trong nước, tạo điều kiện cho các chất dinh dưỡng thường xuyên tiếp xúc với rễ và được hấp thụ qua rễ Mặc khác, rễ của các loài thực vật này như là những giá thể để các loại vi sinh vật bám dính và phát

U AP

U

Lọc và tán nhỏ; Lắng sơ cấp; Hệ thống thủy sinh

U AP

U

U AP

U

AP

U AP

APU APU

APU

AP

U AP

U

U AP

U

AP

U AP

U

AP

U AP

U

APU APU

triển ở đó, thực hiện quá trình phân huỷ hay các quá trình vô cơ hoá các chất hữu cơ trong nước thải Một số loại có nhiều ở Việt Nam như: bèo lục bình (Eichhornia crassipes), bèo cái (Pistia stratiotes), rau muống (Ipomoea aquatica)… Hình 2.3 mô tả sự tồn tại và phát triển của một số thực vật thủy sinh sống trôi nổi trong môi trường tự nhiên:

Hình 2.3.a) Bèo lục bình Hình 2.3.b) Rau muống

Hình 2.3 Nhóm thực vật trôi nổi trong môi trường tự nhiên

II.2.1.2 Nhóm thực vật chìm trong nước

Đây là nhóm thủy thực vật phát triển toàn bộ dưới mặt nước, chúng chỉ phát triển được ở các nguồn nước có đủ ánh sáng Phần thân, lá trôi nổi trong dòng nước, phần rễ bám vào đất ngập trong nước Chúng có khả năng nhận các chất dinh dưỡng

có trong đất và trong nước để phát triển, còn phần lá gần mặt nước thực hiện quá trình quang hợp Theo đánh giá nhóm thực vật này gây nên các tác hại như làm tăng

độ đục của nguồn nước, ngăn cản sự khuếch tán của ánh sáng vào nước và không có nhiều hiệu quả trong việc làm sạch các chất thải Một số loại thường thấy như: rong

tóc tiên, rong đuôi chồn – Hydrilla verticillata, rong đuôi chó - Ceratophyllum…

Hình 2.4.a) Rong đuôi chó Hình 2.4.b) Rong đuôi chồn

Hình 2.4 Nhóm thực vật thủy sinh sống chìm trong nước

II.2.1.3 Nhóm thực vật nửa chìm nửa nổi

Đây là loại thủy thực vật có rễ bám vào đất, một phần thân ngập trong nước, một phần thân và toàn bộ lá của chúng lại nhô hẳn trên bề mặt nước Phần rễ bám vào đất ngập trong nước, nhận các chất dinh dưỡng có trong đất, chuyển chúng lên

lá trên mặt nước để tiến hành quá trình quang hợp Loại này thường sống ở những nơi có chế độ thủy triều ổn định Việc làm sạch môi trường nước chủ yếu ở phần

lắng ở đáy lưu vực nước Một số loại thường gặp như cỏ đuôi mèo - Typha, sậy -

Reed, cỏ lõi bấc - Cyperaceae Hình 2.5 mô tả sự phát triển của một số thực vật nửa

chìm nửa nổi trong môi trường tự nhiên

Hình 2.5.a) Cỏ đuôi mèo Hình 2.5.b) Cỏ lõi bấc

Hình 2.5 Nhóm thực vật thủy sinh sống nửa chìm nửa nổi trong nước

II.2.2 Tác dụng của thực vật thủy sinh với hệ thống tự nhiên

Bộ rễ, thân của các loại thực vật này được coi như một giá thể rất tốt hay được coi như một chất mang đối với vi sinh vật, để có thế bám dính vào sau đó phát triển

và thực hiện quá trình ổn định chất thải Bằng sự di chuyển do gió, dòng nước các loại thực vật trôi nổi sẽ di chuyển các vi sinh vật từ vị trí này đến vị trí khác trong dòng nước ô nhiễm, làm tăng khả năng chuyển hoá vật chất có trong nước giúp làm tăng hiệu quả xử lý của vi sinh vật nước Ta có thể xem mối quan hệ giữa vi sinh vật và thực vật thủy sinh là mối quan hệ cộng sinh, đem lại sức sống tốt hơn cho cả hai nhóm sinh vật và có tác dụng xử lý tăng cao Chúng còn có tác dụng hấp thụ các kim loại nặng, chất dinh dưỡng trong môi trường nước, một số loại có tính năng khử trùng và chống ô nhiễm

Phương pháp sử dụng thực vật thủy sinh để xử lý nước ô nhiễm trong nhiều trường hợp không cần cung cấp năng lượng để có thể chạy liên tục, thường hay

dùng ở những vùng không có điện, công tác thực hiện dễ dàng Đây là phương pháp

có thể áp dụng cho các vùng nông thôn, các trang trại nhỏ… thậm chí đối với các vùng đô thị của một số quốc gia phát triển, đang phát triển có thể dùng thực vật thủy sinh này để xử lý nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp Ngoài mục đích này sản phẩm tạo ra được thu hoạch để sử dụng trực tiếp như làm thức ăn gia súc, hoặc gián tiếp để tạo ra các sản phẩm như sản xuất giấy, sản xuất khí sinh học, sản xuất phân compost và dùng để cải tạo cảnh quan

II.2.3 Một số đặc điểm của bèo lục bình

Bèo lục bình có tên khoa học - Eichhornia crassipes là một loài thực vật thuỷ

sinh, thân thảo, sống nổi theo dòng nước, có chiều cao trung bình khoảng 30 cm với dạng lá hình tròn, màu xanh lục, láng và nhẵn mặt; cuống lá nở phình ra như bong bóng xốp, ruột giúp cây bèo nổi trên mặt nước Rễ bèo có cấu tạo dạng lông vũ sắc đen, buông rủ xuống nước, có thể dài đến 1m không gắn liền vào đất Tốc độ sinh trưởng nhanh, số lượng có thể tăng gấp đôi sau mỗi 2 tuần Phần thân và lá cây nổi trên mặt nước tiếp nhận trực tiếp ánh sáng mặt trời, phần rễ và thân ngập nước là môi trường thích hợp để cho vi sinh vật ổn định chất thải

Bèo lục bình thường mọc nổi trên mặt nước hay bám vào đất bùn của các vùng nước ngọt, sinh trưởng và phát triển tồn tại ở nhiệt độ từ 10  40°C nhưng sinh trưởng mạnh nhất ở nhiệt độ 20  30°C Ở Việt Nam, lục bình thường phát triển ở các ao hồ, ven sông thành quần thể sát bờ sông hoặc kênh rạch

Theo đánh giá của nhiều nghiên cứu nó có tác dụng hấp thụ những kim loại nặng như: chì, thủy ngân, làm sạch nước… và được dùng để loại trừ ô nhiễm môi trường nước

Hình 2.6 Bèo lục bình và các sản phẩm làm từ bèo

Sản phẩm được sử dụng làm thức ăn cho gia súc, làm phân chuồng, làm các sản phẩm thủ công như làn, chiếu, dây thừng Trong Y học cổ truyền có thể sử dụng một số bộ phận để làm thuốc Bèo lục bình có thể dùng chữa sưng tấy, viêm đau như: sưng nách, viêm tinh hoàn, viêm khớp ngón tay

II.3 Cơ chế loại bỏ chất ô nhiễm trong hồ thủy sinh nuôi bèo lục bình

Các cơ chế loại bỏ chất ô nhiễm trong nước thải trong hệ thống thủy sinh có thể tóm tắt trong bảng 2.1 sau:

Bảng 2.1 Cơ chế loại bỏ các chất ô nhiễm trong hệ thống thủy sinh[10]

Cơ chế loại bỏ các chất ô nhiễm

Chất ô nhiễm/ thông số ô nhiễm

Trong đó: P tác dụng đầu tiên; S tác dụng thứ hai; I tác dụng phụ

II.3.1 Cơ chế loại bỏ chất rắn [10,11,12]

Trong hệ thống xử lý tự nhiên, khả năng loại bỏ chất rắn phụ thuộc vào kích thước, tính chất của các chất rắn có trong nước thải, cấu tạo và cơ chế vận hành của

hệ thống thủy sinh

Với các chất rắn có thể lắng được sự loại bỏ dựa trên cơ chế lắng trọng lực

do cấu tạo hồ thủy sinh thường rất dài, thời gian lưu nước lâu và vận tốc dòng chảy trong hồ thường khá bé

Với các chất rắn khó lắng, dạng hạt keo sẽ được loại bỏ trên quãng đường di chuyển bằng cách kết hợp lại với nhau thành hạt to hơn sau đó lắng xuống, tiếp xúc với thực vật trong hồ hấp phụ bám dính vào bề mặt phần thân rễ chìm trong nước, sau đó khi thực vật chết sẽ bị lắng đọng vào trầm tích đáy hồ, một phần khác có thể được phân hủy bởi vi sinh vật

Hiệu quả xử lý chất rắn trong nước thải phụ thuộc nhiều vào vận tốc dòng chảy trong hồ, mức độ xáo trộn cột nước và mức độ phát triển, phân bố của thực vật

Hình 2.7 Đường đi loại bỏ chất rắn trong hệ thống hồ thủy sinh

II.3.2 Cơ chế loại bỏ chất hữu dễ phân hủy COD và BOD [10,11]

Trong môi trường tự nhiên, hệ thống hồ thủy sinh có thể coi như là một bể lọc sinh học trong đó xảy ra các quá trình hóa lý sinh học, các quá trình này có vai trò lớn nhất trong việc loại bỏ các chất hữu cơ dễ phân hủy COD và BOD trong nước thải Khả năng xử lý phụ thuộc vào cấu tạo của hệ thống hồ thủy sinh, loại thực vật sinh trưởng để tạo giá thể cho các vi sinh vật có khả năng chuyển hóa các chất ô nhiễm này bằng quá trình phân hủy sinh học hiếu khí, để vận chuyển oxy từ môi trường không khí vào vùng rễ cung cấp cho quá trình phân hủy sinh học hiếu khí xung quanh vùng thân rễ lá ngập trong nước hoặc đất Phụ thuộc vào giai đoạn phát triển của thực vật

Hạt lơ lửng Hạt lắng được

Khi các chất hữu cơ hòa tan đi qua lớp nước có màng vi sinh vật bám trên phần thân, lá và rễ ngập nước của thực vật sẽ xảy ra quá trình phân hủy sinh học chuyển hóa các chất ô nhiễm Sự hoạt động của vi sinh vật tại đây là yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới hiệu quả việc loại bỏ COD và BOD5

Một phần khác sẽ được loại bỏ nhờ bằng việc kết hợp với chất rắn có trong nước thải sau đó được loại bỏ bởi quá trình lắng đọng và phân hủy yếm khí ở đáy

hồ hoặc được hấp thụ bởi nhưng quá trình này không phải là tác nhân quan trọng trong việc loại bỏ COD và BOD5

II.3.3 Cơ chế loại bỏ Nitơ [3,10,11]

Trong tự nhiên Nitơ tồn tại ở nhiều dạng hợp chất hóa học, tham gia và chuyển hóa trong nhiều quá trình, quan trọng hơn cả là sự chuyển hóa giữa các dạng hợp chất vô cơ và hữu cơ chứa nitơ Trong môi trường nước, hợp chất Nitơ có chủ yếu là do chất thải từ các hoạt động của con người dưới dạng hợp chất hữu cơ chứa nitơ (axit amin, protein, urin ) các chất này dễ dàng bị thủy phân (phản ứng với nước) tạo thành Amoniac

Trong hệ thống xử lý tự nhiên, Nitơ được loại bỏ bởi các quá trình bay hơi, hấp thụ bởi thực vật và lắng đọng, chuyển hóa của vi sinh vật

- Nitơ trong nước thải ở dạng khí amoniac (NH3) bay hơi vào không khí Quá trình này phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ môi trường phải cao, khi đó NH4+

chuyển sang dạng NH3 và sau đó bay hơi vào không khí Phụ thuộc vào độ chênh áp suất riêng của nó giữa môi trường nước và khí (NH3 trong không khí luôn thấp hơn mức bão hòa) Mức độ bay hơi của NH3 phụ thuộc vào pH của môi trường như: tại điều kiện pH = 9,25 thì 50% lượng amoniac tồn tại ở dạng trung hòa NH3 có khả năng bay hơi và 50% tồn tại ở dạng ion amoni - NH4+ không bay hơi Tại pH = 7,2

tỉ lệ giữa NH4+ và NH3 là 100/1, khi pH = 11,25 thì tỉ lệ tỉ lệ giữa NH4+ và NH3 là 100/1 pH cao là điều kiện để NH3 trong nước tồn tại ở dạng bay hơi

- Trong nước thải các hợp chất của Nitơ được biết đến là nguồn dinh dưỡng cho các vi sinh vật, tảo, thực vật thủy sinh tạo ra sinh khối, sau đó phát triển, sinh sản và chết đi Nitơ sẽ được loại bỏ ra khỏi hệ thống thông qua việc thu hoạch thực

vật thủy sinh có trong hồ Với những phần không được thu hoạch, khi chết đi lắng xuống trầm tích, tại đó sẽ xảy ra quá trình phân hủy bởi vi sinh vật tạo ra NH3 và sau đó tham gia các quá trình oxy hóa thành nitrit, nitrat và tiếp tục tham gia lại các quá trình tổng hợp tế bào thực vật, vi sinh vật dưới dạng hợp chất hữu cơ Quá trình hấp thụ bởi thực vật phụ thuộc vào giai đoạn sinh trưởng phát triển của thực vật và

sự biến động về hàm lượng các hợp chất của Nitơ trong nước

- Quá trình chuyển hóa của vi sinh vật thông qua các phản ứng Nitrat hóa và denitrat hóa

+ Quá trình Nitrat hóa là quá trình oxy hóa NH3, NH4+ thành NO2-, tiếp đến thành NO3- Quá trình này xảy ra theo hai giai đoạn:

Giai đoạn nitrit hóa: với sự tham gia của các vi khuẩn nitrit như Nitrosomonas, Nitrococcus cystis, Nitrogloea, Nitrospira oxy hóa NH3, NH4+

22NH + 37O + 4CO + HCO + − → 21NO + C H O N + 20H O + 42H− +

Điều kiện để quá trình nitrat hóa có thể xảy ra là nồng độ DO trong nước thải phải từ > 1,0mg/l, cần sự có mặt của các loại vi khuẩn Nitrobacter và nhiệt độ của môi trường Quá trình này sẽ diễn ra rất chậm khi nhiệt độ môi trường thấp hơn 10°C

Nguyên nhân quá trình Nitrat hóa xảy ra tại khu vực xung quanh bề mặt tiếp xúc giữa rễ, thân cây và lá ngập trong nước, trong đất và một phần nhỏ thân cây nhô lên khỏi mặt nước là do đó là khu vực có khả năng oxy hóa khử nhờ oxy từ khí quyển khuếch tán vào vùng lá, thân, rễ và tạo nên một lớp giàu oxy Hình 2.8 dưới đây mô tả đường đi của Nitơ trong hệ thống hồ thủy sinh:

Hình 2.8 Đường đi loại bỏ Nitơ trong hệ thống hồ thủy sinh

Quá trình này gây ra nhu cầu tiêu thụ oxy do nitơ (nitrogeneous oxygen demand-NOD) tức là lượng oxy cần thiết để oxy hóa amoniac thành nitrit (do vi khuẩn Nitrosomonas) và tiếp tục thành nitrat (vi khuẩn Nitrobacter)

Hiệu suất của quá trình phụ thuộc trực tiếp vào mật độ của chủng vi sinh Nitrifier và nồng độ oxy tan trong nước Trong thực tế quá trình oxy hóa diễn ra mạnh tại các vùng có lớp nước nông hơn so với các vùng nước sâu tức là tốc độ oxy hóa Amoniac cũng phụ thuộc vào tỉ lệ giữa diện tích tiếp xúc và thể tích của dòng chảy

+ Quá trình denitrat hóa là quá trình chuyển hóa thiếu oxy được thực hiện bởi các vi khuẩn trong môi trường thủy sinh mà hầu như có rất ít hoặc không có oxy

6NO−+5CH OH→5CO +3N +7H O 6OH+ − Điều kiện để quá trình xảy ra thường với DO < 1,0mg/l, môi trường pH trung tính, các vi khuẩn được cung cấp đầy đủ Cacbon có trong diện tích bề mặt hữu hiệu

của lớp trầm tích đáy để tổng hợp thành tế bào, nhiệt độ của môi trường, khả năng đưa Nitơ thoát vào không khí thay vì bị cố định trong lớp nước phía trên gần thực vật

II.3.4 Cơ chế loại bỏ Photpho [3,10,11]

Phốt pho là thành phần không thể thiếu trong nước thải, các phản ứng ôxy hoá sinh học của Phốt pho tạo ra sự biến đổi hầu hết các dạng hợp chất của Phốt pho thành dạng muối Phốt phát

Trong hệ thống hồ thủy sinh việc loại bỏ Phốt pho thông qua các quá trình: hấp phụ lên bề mặt hạt rắn hay các chất hữu sau đó được lắng đọng trầm tích, hấp thụ của thực vật Hình 2.10 mô tả đường đi của Phốt pho và hợp chất của nó trong

hệ thống hồ thủy sinh

Hình 2.9 Đường đi loại bỏ Phốt pho trong hệ thống hồ thủy sinh

+ Quá trình hấp phụ, kết tủa và lắng đọng được xem là cơ chế chính trong việc loại bỏ phốt pho ra khỏi nước thải trong hệ thống hồ thủy sinh Theo nghiên cứu của Whigham, 1980 cho thấy lượng phốt pho được loại bỏ theo cơ chế này lớn hơn nhiều do quá trình phấp thụ bởi thực vật Quá trình này chỉ đưa được phốt pho các lớp trầm tích trong hồ, đến khi lượng phốt pho trong lớp trầm tích vượt quá ngưỡng cho phép sẽ cần được nạo vét và xả bỏ

+ Quá trình hấp thụ bởi thực vật, cũng như quá trình loại bỏ Nitơ thì vai trò của thực vật trong vấn đề loại bỏ Phốt pho vẫn còn là vấn đề tranh cãi Tuy nhiên

đây cũng là cơ chế duy nhất đưa hẳn Phốtpho ra khỏi hệ thống và việc thu hoạch thực vật

Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình loại bỏ Phốt pho trong hệ thống phụ thuộc vào cấu trúc của hồ thủy sinh, thời gian lưu nước trong hệ thống, với thời gian lưu nước lâu là điều kiện tốt cho quá trình hấp phụ và kết tủa để loại bỏ Phốtpho Tuy nhiên, việc loại bỏ Phốt pho bởi các phản ứng hóa học không thể dự báo một cách chính xác do có nhiều phản ứng cạnh tranh khác, sự tương tác xảy ra đồng thời trong cột nước, lớp nước chuyển tiếp và trầm tích Các yếu tố ảnh hưởng khác như:

pH, nồng độ của các kim loại nặng (Fe, Al, Ca) và các khoáng vật sét

II.3.5 Loại bỏ Kim loại nặng[10,11]

Trong hệ thống hồ thủy sinh, các kim loại nặng bị hòa tan trong nước thải được loại bỏ bởi quá trình kết tủa và lắng ở dạng hydroxit hoặc sunfit kim loại không tan trong vùng hiếu khí và yếm khí Một phần khác được hấp thụ vào tế bào của thực vật thủy sinh hoặc cùng với chất rắn, sau đó khi thực vật chết sẽ lắng đọng vào các lớp trầm tích

Yếu tố ảnh hưởng tới quá trình loại bỏ kim loại năng phụ thuộc vào đặc tính của loại thực vật thủy sinh, mỗi loại có khả năng hấp thụ kim loại nặng khác nhau

và chúng chỉ hấp phụ một lượng nào đó Theo nghiên cứu của tác giả Lê Hiền Thảo, sau 30 ngày nuôi thả bèo tấm và rong đuôi chó như sau: hàm lượng Fe trong nước thải giảm từ 0,1 mg/l xuống 0,042 mg/l với bèo tấm và xuống 0,04 với rong đuôi chó; hàm lượng Cu trong nước thải giảm từ 0,19 mg/l xuống 0,04 mg/l với bèo tấm

và xuống 0,03 với rong đuôi chó còn hàm lượng Pb trong nước thải giảm từ 0,05 mg/l xuống 0,037 mg/l với bèo tấm và xuống 0,03 với rong đuôi chó

II.3.6 Loại bỏ vi khuẩn vi rút [10,11]

Trong tự nhiên, bộ rễ của của một số loại thực vật ngập nước có thể sinh ra một số chất đặc biệt ngoài việc bổ sung oxy vào trong tầng rễ có tác động tới các chu trình sinh hoá chúng còn có thể sinh ra chất kháng sinh từ rễ Do đó, một số loại

vi khuẩn trong nước thải bị tiêu diệt, suy giảm và biến mất sau khi cho đi qua hệ thống trồng loại thực vật này

Bên cạnh đó vi khuẩn, vi rút trong nước thải còn được loại bỏ nhờ các quá trình vật lý như: dính kết, lắng, lọc và hấp phụ, do việc phải tồn tại trong điều kiện môi trường không thuận lợi với thời gian dài bởi tác động của các yếu tố môi trường như nhiệt độ, pH, bức xạ mặt trời [13,14,15] Các yếu tố sinh học bao gồm như: thiếu chất dinh dưỡng hay do các sinh vật khác ăn

II.3.7 Các yếu tố chung khác ảnh hưởng tới hiệu quả xử lý của hồ thủy sinh

▪ Ảnh hưởng thời tiết:

+ Nhiệt độ là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự phát triển, sinh sản của bèo lục bình và phát triển của các nhóm vi sinh vật trong hồ Với khí hậu miền Bắc, mùa hè nóng ấm, cây phát triển tốt kèm theo các quá trình trao đổi chất của các nhóm vi sinh vật Về mùa đông, nhiệt độ thấp thì cây phát triển chậm, không sinh sản được, lá thường bị héo và chết dần, điều này ảnh hưởng đến khả năng xử lý của

hệ thống hồ thủy sinh;

+ Ánh sáng là yếu tố tác động đến quá trình quang hợp của thực vật, mức độ che phủ của thực vật và cường độ ánh sáng ảnh hưởng đến sự phát triển của tảo trong hồ;

+ Lượng mưa, gió cũng ảnh hưởng đến sự xáo trộn các cột nước, hòa tan oxy vào nước Gió thổi sẽ vận chuyển bèo lục bình di chuyển khắp hồ kéo theo vi sinh bám dính trên thân và rễ, tăng khả năng tiếp xúc giữa nước thải và vi sinh vật

▪ Nhân tố môi trường:

+ Động vật hoang dã, côn trùng ăn hoặc phá hoại sự phát triển của thực vật; + Các mầm bệnh ảnh hưởng tới sự phát triển và sinh sản của thực vật;

+ Nồng độ chất dinh dưỡng trong nước thải N, P, COD, BOD5 thiếu hay thừa cũng đều ảnh hưởng đến quá trình quá trình xử lý;

+ Các yếu tố về thành phần hóa học, kim loại nặng, pH, độc tố có trong nước thải

II.4 Cơ sở thiết kế mô hình xử lý

II.4.1 Qui chuẩn thiết kế hồ thủy sinh

Bảng 2.2.Tiêu chuẩn thiết kế hồ thủy sinh trong xử lý nước thải

Tải trọng thủy lực 200 m3/ (ha-ngày) 800 m3 / (ha-ngày) Tải trọng hữu cơ < 30 kg BOD5/ (ha-ngày) < 50 kg BOD5/ (ha-ngày)

Thu hoạch cây Theo mùa - theo năm Hàng tuần - hàng tháng Chất lượng dòng ra

BOD5 < 30 mg/l BOD5 < 10 mg/l TSS < 30 mg/l TSS < 10 mg/l

TP < 5 mg/l

TN < 5 mg/l

II.4.2 Thông số cơ bản thiết kế hệ thống

- Thời gian lưu thủy lực – HRT:

HRT - là một trong những thông số được sử dụng thường xuyên nhất để thiết

kế hệ thống xử lý nước thải bằng hồ thủy sinh với đơn vị là ngày Thông số này thường được đề cập trong hầu hết các báo cáo nghiên cứu Tuy nhiên, nó cũng có một số điểm hạn chế như phụ thuộc vào đặc điểm hình học của hệ thống Việc xác định chính xác HRT là rất khó do thành phần dòng chảy phức tạp và lượng nước chuyển hóa của thực vật Thông thường HRT được dựa trên các giả định có sự hòa trộn hoàn toàn hay thủy lực đầu đường ống

- Tải trọng thủy lực – HLR:

HLR - là lưu lượng nước thải chảy qua một đơn vị diện tích của hệ thống hồ thủy sinh trên ngày (m3/m2 - ngày), bắt nguồn từ sự phổ biến của nó trong các ứng dụng của hệ thống đất ngập nước Thông thường, dòng chảy trong hệ thống hồ thủy sinh được coi là dòng chảy liên tục và HLR không phải là thông số thiết kế thích hợp

- Tải trọng thủy lực thực tế - HAR:

-HAR - là lượng nước thải chảy qua một đơn vị diện tích mặt cắt ngang của

hệ thống hồ thủy sinh trên ngày (m3/m2 - ngày) Tuy nhiên, đơn vị này không được

sử dụng rộng rãi trong thực tế

- Tải trọng hữu cơ - OLR:

OLR - lượng vật chất hữu cơ trên đơn vị diện tích bề mặt hệ thống xử lý trên đơn vị thời gian (kg/m2.ngày) Giá trị này được hiểu như là một chức năng của cường độ dòng chảy và hàm lượng chất hữu cơ Theo lý thuyết, OLR được quyết định bởi sự cân bằng giữa lượng Cacbon thực tế và Oxy Trên thực tế OLR được dựa trên kinh nghiệm và sự phân bổ một cách hiệu quả của nước thải trong hệ thống

- Các thông số khác:

+ Thể tích hồ xử lý, V - m3 ; Lưu lượng nước thải, Q – m3/ngày + Diện tích bề mặt hồ xử lý, S - ha; C lượng BOD5 xử lý được kg

II.4.3 Một số kết quả nghiên cứu thực tiễn trên thế giới

Dựa trên số liệu thống kê các nghiên cứu và sử dụng phương pháp hồ thủy sinh để xử lý nước thải sinh hoạt tại nhiều khu vực khác nhau trên thế giới do nhà nghiên cứu O'Brien thống kê và được cho phép công bố bởi American Society of Civil engineers cho thấy các mô hình ứng dụng vào thực tế được xây dựng theo mô hình dòng thải đã qua xử lý sơ bộ và chưa có hệ thống xử lý sơ bộ nào cả Các kết quả được tóm tắt trong bảng 2.10 dưới đây:

Hình 2.10 Mô hình ứng dụng xử lý NTSH trên thế giới[10]

U

U AP

U

AP

U AP

U

AP

U AP

U

APU APU

Bảng 2.3 Tóm tắt các nghiên cứu ứng dụng phương pháp hồ thủy sinh trong xử lý

nước thải sinh hoạt trên thế giới[10]

Nghiên cứu Loại nước thải Diện tích

hồ (ha)

Chiều sâu

hồ (m)

HLR Tải trọng thủy lực (m 3 ha.ng)

HRT Thời gian lưu (ng)

OLR Tải trọng

xử lý kgBOD/ha.ng

BOD 5 dòng vào (mg/l)

BOD 5 dòng ra (mg/l)

SS Dòng vào (mg/l)

SS Dòng

ra (mg/l)

II.4.4 Một số kết quả nghiên cứu thực tiễn trong nước

- Nghiên cứu của tác giả Dương Đức Tiến và nhiều người khác “Xây dựng

mô hình hệ thống đất ngập nước nhân tạo để xử lý nước thải sinh hoạt tại các xã Minh Nông, Bến Gót, Thành Phố Việt Trì” [9]

Hình 2.11 Mô hình xử lý NTSH tại các Xã Minh Nông, Bến Gót - TPViệt Trì

Nước vào Bể lắng 12.51x4.17x3.9 Bể yếm khí

V=204m3

Ao Bèo tấm

12.91x1,29x3.9 V=65m3

Ao mặt thoáng

12.91x1,29x3.9 V=65m3

Ao Bèo tây

12.91x1,29x3.9 V=65m3

Nước ra Mương trồng sậy 30x2x0.8

V=48m3

Hệ thống xử lý kết hợp giữa hệ thống xử lý sơ bộ lắng, qua phân hủy yếm khí, đến hệ thống xử lý tự nhiên gồm: hồ thủy sinh nuôi bèo lục bình, đất ngập nước bãi lọc trồng cây với cây sậy

Quá trình thực nghiệm được tiến hành 4 lần với các khoảng thời gian lưu nước khác nhau trong hệ thống: lần 1 là 3 ngày, lần 2 là 5 ngày, lần 3 là 7 ngày và lần thứ 4 là 10 ngày

Kết quả cho thấy nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải đầu ra giảm đáng

kể như: nồng độ COD giảm từ 80  83%; BOD5 giảm từ 90  95%; hàm lượng chất rắn lơ lửng SS giảm 83  95% Giá trị NH4+ và NO3- rất thấp Cả 4 lần thực nghiệm kết quả đầu ra sau hệ thống đạt mức cho phép Tuy nhiên với khoảng thời gian lưu

là 7 ngày mang lại hiệu quả tốt hơn đặc biệt với PO4-

- Nghiên cứu của tác giả Đào Văn Bảy và Lâm Ngọc Thụ “Xử lý ô nhiễm N,

P trong nước sông Tô Lịch bằng bèo tây” [2] Quá trình thực nghiệm được tiến hành trong hai thời điểm trong năm: đợt một vào tháng 5 và đợt 2 vào tháng 10 với thời gian của mỗi đợt kéo dài trong 17 ngày

Hình 2.12 Mô Nghiên cứu xử lý Nitơ, Phốt pho trong nước sông Tô Lịch

Đây là dạng thực nghiệm theo mẻ được tiến hành trên 4 thùng phuy thể tích

20 lít, trong đó 3 thùng nuôi bèo với khối lượng giống nhau Thùng 4 không nuôi bèo được sử dụng làm mẫu đối chứng Các chỉ tiêu được phân tích theo thời gian cho đến ngày thứ 17

Thùng 1

Nuôi bèo

V = 120lít

Thùng 4 Không bèo

V = 120lít

Thùng 2 Nuôi bèo

V = 120lít

Thùng 3 Nuôi bèo

V = 120lít

Kết quả thí nghiệm cho thấy trong hai đợt thí nghiệm trong các thùng có nuôi bèo chỉ cần 7 đến 9 ngày đã xử lý được 120 lít nước thải đạt tiêu chuẩn loại A TCVN 5942 - 1995

Bảng 2.4 Kết quả xử lý Nitơ và Phốt pho trong nước thải sông Tô Lịch

(mg/l)

Đầu ra (mg/l)

Hiệu quả

xử lý (%)

Mẫu đối chứng (mg/l)

Mô hình này được thực hiện liên tục theo thời gian chia làm các giai đoạn khác nhau với công suất xử lý 20l/ngày và 60l/ngày, tiến hành song song đồng thời với cả mô hình trồng cây (một loại cây và hỗn hợp với nhiều loại cây) và không trồng cây để so sánh đánh giá hiệu quả xử lý

Kết quả thực nghiệm cho thấy hàm lượng COD trong nước thải đầu vào trung bình là 214 mg/l, qua các giai đoạn thí nghiệm kết quả đầu ra luôn đạt mức A

theo tiêu chuẩn 5945 - 1995 Hàm lượng SS trong nước thải đầu ra đạt từ 5,4  8,0 mg/l Tổng Nitơ giảm từ 37  62%, hàm lượng tổng Phốt pho giảm 73% tương ứng 1,5  1,7 mg/l đạt tiêu chuẩn loại A

Hình 2.13 Xử lý NTSH bằng bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy thẳng đứng

Bể lọc trồng cây có hiệu suất xử lý cao hơn so với bể lọc không trồng cây Với bãi lọc ngầm trồng cây có dòng chảy thẳng đứng sử dụng vật liệu sỏi hoặc gạch

xử nước thải sau bể tự hoại, hay trồng các loại thực vật nước dễ kiếm, phổ biến ở Việt Nam như cỏ nến, thủy trúc, sậy… cho hiệu quả xử lý cao, đạt tiêu chuẩn xả ra môi trường hay tái sử dụng lại nước thải Đây là công nghệ phù hợp với điều kiện của Việt Nam, nhất là cho quy mô hộ, nhóm hộ gia đình, các điểm du lịch, các trang trại và làng nghề…