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

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

M ụ c tiêu c ủa đề tài

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

- Ứng dụng mô hình phần mềm Subwet 2.0 để mô phỏng và đánh giá hiệu quả xử lý NRR của bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang;

- Thiết kế mô hình bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang để xử lý NRR với công suất 20m 3 /ngày đêm.

Đối tượ ng, ph ạ m vi nghiên c ứ u

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

* Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu tập trung vào bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang

- Thu thập thông tin, tài liệu đã được công bố, các số liệu tổng hợp, tổng kết của các cơ quan có chức năng về môi trường

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

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

- Phương pháp mô hình: Ứng dụng phần mềm Subwet 2.0 để mô phỏng hiệu quả xửlý nước rỉ rác theo mô hình thiết kế.

Ý nghĩa khoa họ c và th ự c ti ễ n c ủa đề tài

Đề tài nghiên cứu này cung cấp cơ sở khoa học cho việc đề xuất công nghệ phù hợp nhằm xử lý hiệu quả nước rác chứa các hợp chất hữu cơ như BOD5, NH4+, NO3-, N hữu cơ và tổng P.

Nghiên cứu này giúp xây dựng bãi lọc trồng cây, tạo dòng chảy ngang để xử lý nước rác, đảm bảo đạt tiêu chuẩn QCVN 25:2009/BTNMT cột B2 trước khi thải ra môi trường.

TỔ NG QUAN

T ổ ng quan v ề nướ c r ỉ rác

1.1.1 Khái niệm nước rỉ rác

Nước rỉ rác (NRR) từ bãi chôn lấp (BCL) là chất lỏng được hình thành khi nước thấm qua các lớp chất thải rắn (CTR), mang theo các chất hòa tan và chất lơ lửng.

1.1.2 Quá trình hình thành NRR

Hình 1.1: Mô hình cân bằng nước [17]

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

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

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

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

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

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

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

NRR tại các bô rác chủ yếu hình thành từ hai nguồn chính: độ ẩm của rác và quá trình phân hủy sinh học các hợp chất hữu cơ, dẫn đến sự hình thành nước.

Lượng nước có sẵn trong bãi rác là rất hạn chế so với các nguồn khác, do đó, nước từ các khu vực xung quanh cần được thu gom qua hệ thống thoát nước Hệ thống này không chỉ bảo vệ khu vực chôn lấp khỏi xói mòn trong quá trình hoạt động mà còn giúp tiêu thoát lượng nước thừa, ngăn ngừa việc hình thành nước rác Mặc dù không thể ngăn chặn nước mưa chảy vào ô rác, nhưng việc trồng lại thảm thực vật sau khi bãi rác đóng cửa có thể hạn chế lượng nước mưa thẩm thấu vào ô rác Nước rác thường tích tụ ở đáy bãi rác.

1.1.3 Các đặc trưng của nước rác

1.1.3.1 Tính chất lý học, hóa học của nước rác a/ Tính chất lý học

pH là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý sinh học, với giá trị pH tối ưu cho quá trình xử lý yếm khí nằm trong khoảng 7-8, trong khi đó, pH tối ưu cho quá trình xử lý hiếu khí là từ 6,5 đến 8,5.

Nước rác có độ màu rất cao, dao động từ 6.900 đến 8.600 Pt/Co, với hàm lượng cặn lơ lửng từ 200 đến 1.000 mg/l Độ màu và độ đục của nước rác chủ yếu do các hợp chất hữu cơ như axit humic, axit fuvic và lignin gây ra Ngoài ra, một số chất vô cơ như muối, oxit và hydroxit kim loại (như sắt, mangan, đồng) cũng góp phần tạo màu cho nước rác, tồn tại dưới dạng keo lơ lửng và hòa tan trong nước.

- Mùi: Nước rác cò mùi đặc trưng khó chịu của các chất gây mùi là sản phẩm của quá trình phân hủy các chất hữu cơ: NH3, H2S, mecaptan, phenol…

Độ kiềm là chỉ số phản ánh khả năng tiếp nhận proton của môi trường nước, và nó chủ yếu được hình thành từ các gốc muối của axit vô cơ yếu.

Các dạng tồn tại của muối như H2CO3, H2SiO3, và H3PO4 phụ thuộc vào pH của môi trường Trong quá trình phân hủy yếm khí rác thải, các axit yếu này hình thành do các phản ứng sinh hóa dưới tác dụng của vi sinh vật Đặc biệt, độ kiềm của nước rác rất cao, dao động từ 100 đến 10.000 mg CaCO3/l.

Các chất hữu cơ trong nước rác hình thành từ quá trình hòa tan các thành phần trong rác và là sản phẩm của quá trình phân hủy Nồng độ chất hữu cơ được xác định qua các chỉ số như BOD5, COD và TOC.

- Các chất vô cơ: Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ , Cl - , SO4 2-… có nồng độ tương đối lớn: Na + từ 200-2500mg/l, K + từ 200-1000mg/l, Ca 2+ và Cl - trong khoảng 200-

Nồng độ các ion như Mg 2+ (50-1500mg/l) và SO4 2- (50-1000mg/l) trong nước rác có ảnh hưởng đến hoạt động của vi sinh vật, trong khi hàm lượng Ca 2+ và Mg 2+ quyết định độ cứng của nước Ngoài ra, nước rác cũng có thể chứa các kim loại nặng như Fe, Mn, Pb, Zn, Cd, Cr, Hg, xuất phát từ sự hòa tan các thành phần hoặc quá trình ăn mòn Nồng độ kim loại nặng phụ thuộc vào các yếu tố như pH, lưu lượng và nồng độ các tác nhân tạo phức, với xu hướng là khi pH tăng thì độ tan của kim loại giảm.

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

Nitơ hữu cơ và amoni được sinh ra từ quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ chứa nitơ như protein và axit amin Nồng độ nitơ hữu cơ và amoni trong nước rác ở các bãi chôn lấp mới có thể đạt tới 800mg/l, trong khi ở các bãi rác cũ chỉ dao động từ 80-120mg/l Bên cạnh đó, hàm lượng nitrat tương đối thấp (5-40mg/l) cho thấy một phần nitơ vẫn còn bị oxi hóa thành nitrat.

Photpho trong nước rác tồn tại dưới dạng photpho hữu cơ, orthophotphat (PO4 3-, HPO4 3-, H2PO4 3-) và polyphotphat (Na3(PO4)6), với nồng độ tương đối thấp so với amoni, chỉ từ 5-100mg/l cho nước rác mới và 5-10mg/l cho nước rác cũ Về mặt vi sinh vật, thông tin còn hạn chế so với các thành phần hóa học khác Nước rác chứa một lượng lớn vi sinh vật từ các bãi chôn lấp chất thải đô thị, và thành phần vi sinh vật này thay đổi theo từng giai đoạn phân hủy, với mỗi giai đoạn có các chủng vi sinh vật đặc trưng, ảnh hưởng đến tính chất của nước rác.

Hàm lượng vi khuẩn trong nước rác, bao gồm tổng coliform và fecal streptococci, biến đổi đáng kể theo tuổi bãi rác và thành phần hóa học của nước rác.

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

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

BCL mới và lâu năm [6]

Bãi m ới (dưới 2 năm) Bãi lâu năm

Tổng chất rắn lơ lửng 200 – 2.000 500 100 – 400

Othophotpho 4 – 80 20 4 – 8 Đồ kiềm theo CaCO3 1.000 – 20.900 3.000 200 – 1.000 pH 4,5 – 7,5 6 6,6 – 9 Độ cứng theo CaCO3 300 – 25.000 3.500 200 – 500

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

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

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

STT Thông số Nồng độ tối đa cho phép (mg/l)

Cột A xác định nồng độ tối đa cho phép của các thông số ô nhiễm trong nước thải của BCL CTR khi thải ra các nguồn nước phục vụ cho mục đích cấp nước sinh hoạt.

Cột B1 quy định nồng độ tối đa cho phép của các thông số ô nhiễm trong nước thải của BCL CTR, áp dụng cho các hoạt động trước ngày 01 tháng 01 năm 2010 Quy định này được thiết lập khi xả nước thải vào các nguồn nước không phục vụ cho mục đích cấp nước sinh hoạt.

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

Các công ngh ệ x ử lý NRR hi ệ n nay

Tùy thuộc vào lưu lượng, thành phần và tính chất của từng loại nước rác (NRR), cần lựa chọn các phương pháp xử lý phù hợp Để xử lý nước rác hiệu quả, có thể áp dụng một số phương pháp xử lý khác nhau.

- Phương pháp hóa học, lý – hóa học

- Kết hợp các phương pháp khác nhau…

Phương pháp cơ học là quá trình xử lý sơ bộ nước rác, bao gồm các công trình và thiết bị như song chắn rác, lưới chắn rác, lưới lọc bể lắng, và bể lọc với cát thạch anh để tách các chất không hòa tan Ngoài ra, bể tuyển nổi cũng được sử dụng để loại bỏ các chất lơ lửng không tan và dầu mỡ Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, tiết kiệm chi phí và hiệu quả trong việc xử lý chất lơ lửng cao, thường là bước đầu tiên trước khi tiến hành xử lý sinh học và hóa học.

Nhược điểm: Phương pháp cơ học chỉ hiệu quảđối với các chất không tan, không tạo được kết tủa đối với các chất lơ lửng

NRR chứa nhiều hợp chất hữu cơ khó phân hủy và kim loại nặng độc hại, do đó cần sử dụng hóa chất để tạo ra phản ứng hóa học, kết hợp với các phương pháp cơ học như hóa rắn, lắng, và hấp phụ bằng carbon hoạt tính Ozon hóa cũng được áp dụng để giảm COD, độ màu, cặn lơ lửng và kim loại nặng có trong NRR.

- Hiệu quả xử lý cao

- Không gian xử lý không lớn

- Dễ sử dụng và quản lý

Nhược điểm: Chi phí hóa chất cao và thường tạo ra các sản phẩm phụđộc hại (chủ yếu là do sự có mặt của một số hóa chất)

Phương pháp sinh học được chia thành các loại:

Xử lý hiếu khí là quá trình oxy hóa hoặc khử chất ô nhiễm bằng các vi sinh vật hiếu khí Quy trình này thường được thực hiện trong các hệ thống như bể hiếu khí với bùn hoạt tính, màng lọc sinh học và đĩa quay sinh học, nhằm nâng cao hiệu quả xử lý nước thải.

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

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

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

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

- Thân thiện với môi trường;

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

- Thường không gây ô nhiễm thứ cấp

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

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

Thành phần NRR rất phức tạp, và việc xử lý NRR gặp khó khăn nếu rác không được phân loại trước khi chôn lấp Để đảm bảo tiêu chuẩn xả ra nguồn tiếp nhận, thường phải áp dụng kết hợp nhiều phương pháp, bao gồm phương pháp cơ học, lý - hóa và sinh học.

Công ngh ệ x ử lý NRR b ằ ng bãi l ọ c tr ồ ng cây

Hệ sinh thái bãi lọc trồng cây trong tự nhiên đóng vai trò thiết yếu trong việc làm sạch nguồn nước Những hệ sinh thái này không chỉ hỗ trợ quá trình lọc nước mà còn góp phần duy trì sự cân bằng sinh thái.

Bãi lọc trồng cây là hệ thống xử lý nước sử dụng các quá trình tự nhiên, mang lại công nghệ sinh thái hiện đại Công nghệ này khắc phục nhược điểm của đất ngập nước tự nhiên, đồng thời giữ lại những ưu điểm của chúng Nghiên cứu cho thấy bãi lọc trồng cây hoạt động hiệu quả hơn so với đất ngập nước tự nhiên cùng diện tích, nhờ vào độ dốc hợp lý và chế độ thủy lực được kiểm soát Độ tin cậy của bãi lọc nhân tạo được nâng cao nhờ vào khả năng quản lý thực vật và các thành phần khác trong hệ thống.

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

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

- Hiệu quả xử lý cao và ổn định;

- Tuổi thọ công trình cao;

- Thân thiện với môi trường;

- Có khả năng giải phóng oxy và lấy đi đioxit cacbon nên góp phần làm giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính;

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

1.3.2 Phân loại bãi lọc trồng cây

Các hệ thống bãi lọc có sự khác biệt về dạng dòng chảy, môi trường và loại thực vật được trồng Bãi lọc trồng cây có thể được phân loại thành hai loại chính: bãi lọc ngập nước trồng cây và bãi lọc trồng cây theo dòng chảy ngang và dòng chảy đứng.

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

Bãi lọc kiểu này mô phỏng các đầm lầy tự nhiên, với hệ thống ngập nước trồng các loại cây thủy sinh sống nổi Độ sâu của đất khoảng 20-30 cm cho phép rễ cây bám vào, trong khi độ sâu của nước từ 20-40 cm Ngoài các cây trồng, có thể xuất hiện các cây thủy sinh tự nhiên khác Cây không được thu hoạch sinh khối, và các mảnh vụn hữu cơ từ cây cung cấp chất hữu cơ cần thiết cho quá trình khử nitơ.

Bãi lọc ngập nước trồng cây có hiệu quả cao trong việc phân hủy chất hữu cơ nhờ vào vi sinh vật Các chất rắn lơ lửng được lắng và lọc bởi cây thủy sinh mọc dày đặc Quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa giúp loại bỏ nitơ, trong khi amonia có thể bay hơi khi pH cao do quang hợp của tảo Tuy nhiên, việc loại bỏ photpho hạn chế do điều kiện tiếp xúc với đất không đủ Ngoài ra, cây cũng hấp thụ đáng kể các chất khoáng.

Bãi lọc ngập nước trồng cây đang trở nên phổ biến ở Bắc Mỹ và Úc, trong khi châu Âu, đặc biệt là Thụy Điển và Đan Mạch, cũng đang chú ý đến công nghệ này để xử lý nitơ từ nguồn ô nhiễm phân tán Ngoài ra, công nghệ này còn được áp dụng để xử lý nước thải đô thị.

1.3.2.2 Bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang

Cây được trồng trên nền đất sỏi đá, nơi nước chảy ngầm theo chiều ngang từ đầu vào đến đầu ra Nước ô nhiễm được đưa vào, sau đó chảy qua lớp vật liệu lọc dưới đất có rễ cây, giúp làm sạch nước trước khi thải ra ngoài.

Hệ thống lọc loại bỏ các chất bẩn thông qua sự phân hủy của vi sinh vật và các quá trình lý-hóa diễn ra ở vùng hiếu khí nhờ oxy từ hệ rễ, cũng như ở vùng kỵ khí.

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

Kiểu bãi lọc này, được thiết kế bởi Kathe Seidel vào những năm 50 tại Đức, ban đầu sử dụng vật liệu thô làm giá thể cho hệ rễ Năm 1960, Reinhold Kickuth đã đề xuất sử dụng môi trường đất có thành phần sét cao, đặt tên cho hệ thống này là “phương pháp vùng rễ” Đến đầu thập kỷ 80, công nghệ này đã được áp dụng rộng rãi tại Đan Mạch.

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

Vào cuối những năm 80, hệ thống lọc nước đã được phát triển tại nhiều quốc gia như Úc và Anh, và đến năm 1990, nó đã lan rộng ra hầu hết các nước châu Âu, Nam Mỹ, châu Á và châu Phi Trong quá trình này, vật liệu lọc bằng đất đã được thay thế bằng các vật liệu thô, hiện nay phổ biến nhất là đá rửa sạch có kích thước từ 10 đến 20 cm.

Bãi lọc dòng chảy ngang đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra chất nền cho rễ và vùng rễ, cung cấp nơi bám cho vi sinh vật Nó giúp giải phóng oxy từ rễ vào vùng rễ, hấp thụ các chất khoáng và giảm thiểu tác động của nhiệt độ thấp trong mùa đông.

Trên toàn cầu, bãi lọc dòng chảy ngang được ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải sinh hoạt, nước thải đô thị, nước thải công nghiệp, nước rỉ rác (NRR) và nhiều lĩnh vực khác.

1.3.2.3 Bãi lọc trồng cây dòng chảy thẳng đứng

Bãi lọc dòng chảy thẳng đứng, lần đầu tiên được Seidel đề xuất, nhằm xử lý nước đầu ra của các hầm tự hoại kỵ khí, nhưng việc áp dụng ban đầu chậm do chi phí vận hành cao liên quan đến việc bơm nước lên bề mặt Hệ thống lọc này cho phép oxy từ không khí thâm nhập sâu, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nitrat hóa, trong khi không hỗ trợ cho phản nitrat hóa, từ đó nâng cao hiệu quả phân hủy chất hữu cơ và loại bỏ các chất rắn lơ lửng.

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

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

1.3.3 Cơ chế của quá trình xử lý NRR bằng bãi lọc trồng cây Để thiết kế, xây dựng, vận hành mô hình bãi lọc trồng cây được chính xác, đạt hiệu quả cao, việc nắm rõ cơ chế XLNT của bãi lọc trồng cây là hết sức cần thiết Các cơ chế đó bao gồm lắng, kết tủa, hấp phụ hóa học, trao đổi chất của vi sinh vật và sự hấp thụ của thực vật Các chất ô nhiễm có thểđược loại bỏ nhờ nhiều cơ chếđồng thời trong hệ thống [21]

1.3.3.1 Loại bỏ các chất hữu cơ

Trong hệ thống bãi lọc trồng cây, các hợp chất hữu cơ được loại bỏ chủ yếu thông qua cơ chế hấp phụ, phân hủy bởi vi sinh vật (VSV) và sự hấp thụ của thực vật.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨ U

KẾ T QU Ả NGHIÊN C Ứ U