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
- Ý nghĩa khoa học: Đề tài nghiên cứu là cơ sở đưa ra đề xuất mới cho việc lựa chọn công nghệ phù hợp, xử lý hiệu quảđối với nước rác chứa các hợp chất hữu cơ BOD5, NH4 +, NO3 -, N hữu cơ, tổng P
- Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: Từ kết quả nghiên cứu có thể xây dựng được bãi lọc trồng cây kiến tạo dòng chảy ngang trong việc xử lý nước rác đạt yêu cầu theo QCVN 25:2009/BTNMT cột B2 trước khi thải ra môi trường.
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 các bãi chôn lấp (BCL) có thể được định nghĩa là chất lỏng thấm qua các lớp chất thải rắn (CTR) mang theo các chất hòa tan hoặc các chất lơ lửng [26]
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)
Tuy nhiên, NRR tại các bô rác chủ yếu được hình thành do hai nguồn chính là độẩm của rác và quá trình phân hủy sinh học các hợp chất hữu cơ tạo ra nước
Lượng nước có sẵn trong bãi rác là nhỏ nhất so với các nguồn khác Nước từ những khu vực khác chảy qua BCL cần phải thu gom bằng hệ thống thoát nước Hệ thống thoát nước không chỉ bảo vệ những khu vực chôn lấp rác khỏi bị xói mòn trong thời gian hoạt động mà còn tiêu thoát lượng nước thừa ngấm vào ô rác và tạo ra nước rác Ðối với nước mưa, không có cách nào đểngăn chặn không cho chúng chảy vào ô rác, nhưng có thể hạn chế được lượng nước mưa ngấm vào ô rác bằng cách trồng lại thảm thực vật sau khi bãi rác đã đóng lại NRR thường tích đọng lại ở đáy của bãi rác
1.1.3 Các đặc trưng của nước rác
1.1.3.1 Tính chất lý học, hóa học của nước rác a/ Tính chất lý học
- pH: pH là một trong những thông số quan trọng ảnh hưởng trực tiếp tới hiệu quả của quá trình xử lý sinh học Khoảng giá trị pH tối ưu cho quá trình xử lý yếm khí là 7-8 và quá trình xử lý hiếu khí là 6,5-8,5
- Độ màu, độ đục: Nước rác có độ màu rất cao từ 6.900-8.600 Pt/Co, hàm lượng cặn lơ lửng trong khoảng 200-1000mg/l Độmàu và độ đục của nước rác gây ra bởi các hợp chất hữu cơ có màu như axit humic, axit fuvic, ligin… Một số chất vô cơ như muối, oxit, hydroxit kim loại (sắt, mangan, đồng…) cũng gây ra màu cho nước rác Chúng tồn tại ở dạng keo lơ lửng và hòa tan trong nước rác
- Mùi: Nước rác cò mùi đặc trưng khó chịu của các chất gây mùi là sản phẩm của quá trình phân hủy các chất hữu cơ: NH3, H2S, mecaptan, phenol…
- Độ kiềm: Là đại lượng đặc trưng cho khả năng tiếp nhận proton của môi trường nước Độ kiềm của nước gây ra bởi các gốc muối của axit vô cơ yếu
(H2CO3, H2SiO3, H3PO4), các dạng tồn tại cụ thể của muối phụ thuộc vào pH của môi trường Trong quá trình phân hủy yếm khí rác thải, các axit yếu trên hình thành do các phản ứng sinh hóa dưới tác dụng của vi sinh vật trong đó Độ kiềm của nước rác rất cao nằm trong khoảng 100-10.000mg CaCO3/l b/ Tính chất hóa học
- Các chất hữu cơ: Các chất hữu cơ có trong nước rác là do quá trình hòa tan các thành phần trong rác, là các sản phẩm của quá trình phân hủy rác Nồng độ chất hữu cơ được đặc trưng bởi các chỉ sốnhư BOD5, COD, 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-
3000mg/l, Mg 2+ từ 50-1500mg/l, SO4 2- từ 50-1000mg/l… có ảnh hưởng đến hoạt động của vi sinh vật, hàm lượng Ca 2+ và Mg 2+ quyết định độ cứng của nước rác Các kim loại nặng có thể có trong nước rác như Fe, Mn, Pb, Zn, Cd, Cr, Hg…do sự hòa tan các thành phần trong nước rác hoặc là sản phẩm của các quá trình ăn mòn hay tạo phức Nồng độ của các kim loại nặng phụ thuộc vào đặc trưng của nước rác như pH, lưu lượng và nồng độ của các tác nhân tạo phức Nhìn chung khi pH tăng thì độ tan của kim loại giảm
+ Hợp chất nitơ: Nitơ tồn tại trong nước rác dưới dạng nitơ hữu cơ,
NH3/NH4 +, NO - 2, NO3 -…Nitơ hữu cơ và amoni sinh ra từ quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ chứa nitơ (protein, axitamin) Hàm lượng Nitơ hữu cơ, amoni trong nước rác khá cao ở các BCL mới có thểđạt 800mg/l trong khi ở các bãi rác cũ chỉ là 80-120mg/l Hàm lượng nitrat tương đối thấp (5-40mg/l) chứng tỏ vẫn còn một phần nitơ bị oxi hóa thành nitrat
+ Hợp chất photpho: Photpho tồn tại trong nước dưới dạng photpho hữu cơ, orthophotphat (PO4 3-, HPO4 3-, H2PO4 3-) và polyphotphat (Na3(PO4)6) Nói chung nồng độ photpho trong nước rác là tương đối thấp so với amoni Hàm lượng photpho tổng trong nước rác mới từ 5-100mg/l, nước rác cũ từ 5-10mg/l c/ Tính chất sinh học Đặc trưng về vi sinh vật trong nước rác được biết đến ít hơn so với các thành phần hóa học khác Một sốlượng lớn các vi sinh vật có trong nước rác của các BCL chất thải đô thị Thành phần vi sinh vật có trong nước rác phụ thuộc vào giai đoạn phân hủy xảy ra trong ô chôn lấp Mỗi giai đoạn có các chủng vi sinh vật đặc trưng hoạt động và nước rác mang theo các vi sinh vật có trong rác ra ngoài
Hàm lượng vi khuẩn trong nước rác (tổng coliform, fecal streptococci) thay đổi đột theo tuổi bãi rác và do vậy thay đổi theo thành phần hóa học của nước rác
Các số liệu về thành phần và tính chất NRR của các BCL mới và lâu năm được đưa ra ở bảng 1.1
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 quy định nồng độ tối đa cho phép của các thông số ô nhiễm trong nước thải của BCL CTR khi xả vào các nguồn nước dùng 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 hoạt động trước ngày 01 tháng 01 năm 2010 khi xả vào các nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt;
- Cột B2 quy định nồng độ tối đa cho phép của các thông số ô nhiễm trong nước thải của BCL CTR xây dựng mới kể từngày 01 tháng 01 năm 2010 khi xả vào các nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt
Các công ngh ệ x ử lý NRR hi ệ n nay
Tùy theo đặc điểm: Lưu lượng, thành phần, tính chất của mỗi loại NRR mà lựa chọn các phương pháp xử lý khác nhau Để xử lý nước rác có thể áp dụng những phương pháp sau:
- Phương pháp hóa học, lý – hóa học
- Kết hợp các phương pháp khác nhau…
Phương pháp cơ học là quá trình xửlý sơ bộ, bao gồm các công trình và thiết bị như song chắn rác Lưới chắn rác, lưới lọc bể lắng, bể lọc với vật liệu là cát thạch anh để tách các chất không hòa tan ra khỏi nước rác, nhiều khi người ta còn dùng bể tuyển nổi để tách các chất lơ lửng không tan và dầu mỡ Ưu điểm: Phương pháp cơ học thường đơn giản, rẻ tiền, hiệu quả xử lý chất lơ lửng cao Thông thường phương pháp cơ học chỉ là bước trước khi xử lý sinh học, hóa học
Nhược điểm: Phương pháp cơ học chỉ hiệu quảđối với các chất không tan, không tạo được kết tủa đối với các chất lơ lửng
NRR thường chứa một lượng đáng kể các hợp chất hữu cơ khó phân hủy và một số kim loại nặng mang độc tính cao Do vậy, người ta phải sử dụng các hóa chất để tạo ra các phản ứng hóa học, đồng thời kết hợp với phương phápcơ học, để hóa rắn, lắng, hấp phụ cacbon hoạt tính, ozon hóa để khử COD, độ màu, cặn lơ lửng và nhất là kim loại năng có trong NRR Ưu điểm:
- Hiệu quả xử lý cao
- Không gian xử lý không lớn
- Dễ sử dụng và quản lý
Nhược điểm: Chi phí hóa chất cao và thường tạo ra các sản phẩm 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 oxy hóa hay khử bằng các vi sinh vật hiếu khí, như trong quy trình bể hiếu khi có bùn hoạt tính (bể aeroten), màng lọc sinh học, đĩa quay sinh học…
- Xử lý kỵ khí là xử lý bằng các vi sinh vật kỵ khí như trong các bể biogas;
- Xử lý sinh học trong điều kiện tự nhiên (hay công nghệ sinh thái), thường sử dụng là các cánh đồng tưới, bãi lọc trồng cây Ưu điểm:
- Hiệu quả cao, ổn định về tính sinh học;
- Nguồn nguyên liệu dễ kiếm, hầu như là có sẵn trong tự nhiên;
- Thân thiện với môi trường;
- Chi phí xử lý thấp, ít tốn điện năng và hóa chất;
- Thường không gây ô nhiễm thứ cấp
- Chịu ảnh hưởng nhiều của điều kiện thời tiết: nhiệt độ, ánh sáng, pH, hàm lượng các chất dinh dưỡng, các chất độc hại khác;
- Yêu cầu diện tích khá lớn để xây dựng các công trình
Trên thực tế, thành phần NRR rất phức tạp Nếu trước khi chôn lấp, rác không được phân loại thì xử lý NRR gặp không ít khó khăn Đa sốcác trường hợp phải áp dụng kết hợp nhiều phương pháp mới có thể xửlý đảm bảo tiêu chuẩn xả ra nguồn tiếp nhận Thông thường, để xử lý NRR phải áp dụng phương pháp cơ học, kết hợp với phương pháp xử lý lý – hóa và phương pháp sinh học [20].
Công ngh ệ x ử lý NRR b ằ ng bãi l ọ c tr ồ ng cây
Trong tự nhiên, tồn tài các hệ sinh thái của bãi lọc trồng cây Các hệ sinh thái này đóng vai trò quan trọng trong việc làm sạch nguồn nước
Bãi lọc trồng cây là hệ thống được thiết kế và xây dựng nhằm ứng dụng các quá trình tự nhiên trong việc xửlý nước Bãi lọc trồng cây chính là công nghệ xử lý sinh thái mới, được xây dựng nhằm khắc phục những nhược điểm của đất ngập nước tự nhiên mà vẫn có được những ưu điểm của đất ngập nước tự nhiên Các nghiên cứu cho thấy, bãi lọc trồng cây hoạt động tốt hơn so với đất ngập nước tự nhiên cùng diện tích, nhờ đáy của bãi lọc có độ dốc hợp lý và chếđộ thủy lực được kiểm soát Độ tin cậy trong hoạt động của bãi lọc nhân tạo cũng được nâng cao do thực vật và những thành phần khác trong bãi lọc nhân tạo có thể quản lý được như mong muốn [19] Ưu điểm của bãi lọc trồng cây:
- Chi phí cho đầu tư xây dựng và vận hành thấp;
- Nguồn năng lượng chủ yếu là năng lượng mặt trời;
- Hiệu quả xử lý cao và ổn định;
- Tuổi thọ công trình cao;
- Thân thiện với môi trường;
- Có khả năng giải phóng oxy và lấy đi đioxit cacbon nên góp phần làm giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính;
- Sinh khối của cây có thể sử dụng cho một số lợi ích khác nhau (giấy, phân bón, thức ăn vật nuôi, biogas…)
1.3.2 Phân loại bãi lọc trồng cây
Các hệ thống bãi lọc khác nhau bởi dạng dòng chảy, môi trường và các loại thực vật trồng trong bãi lọc Có thể phân loại bãi lọc trồng cây thành hai loại: bãi lọc ngập nước trồng cây và bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang và bãi lọc trồng cây dòng chảy đứng [17]
1.3.2.1 Bãi lọc ngập nước trồng cây, dòng chảy tự do trên bề mặt
Bãi lọc kiểu này giống như các đầm lầy trong tự nhiên Bãi lọc ngập nước trồng cây có dòng chảy tự do trên bề mặt, được trồng các loại cây thủy sinh sống nổi, thường là các hệ thống chứa nước có độ sâu của đất khoảng 20-30 cm cho rễ cây bám vào và độ sâu của nước khoảng 20-40 cm Ngoài các cây được trồng, có thể có các cây thủy sinh khác mọc tựnhiên Cây thường không được thu hoạch sinh khối và các mảnh vụn hữu cơ của cây cung cấp nguồn chất hữu cơ cho quá trình khử nitơ
Bãi lọc ngập nước trồng cây rất hiệu quả cho việc phân hủy các chất hữu cơ thông qua các vi sinh vật Các chất rắn lơ lửng cũng được lắng và lọc nhờ các cây thủy sinh mọc dày đặc Nitơ được loại bỏ nhờ quá trình nitrat hóa, phản nitrat hóa, và amonia có thểbay hơi khi pH cao do sự quang hợp của tảo Photpho được loại bỏ ít hơn vì điều kiện tiếp xúc với đất bị hạn chế Các chất khoáng cũng được cây hấp thụđáng kể
Bãi lọc ngập nước trồng cây được áp dụng phổ biến ở phía bắc nước Mỹ, nước Úc Tại châu Âu, công nghệ này hiện nay đang được chú ý, đặc biệt là ở Thụy Điển và Đan Mạch, sử dụng để xử lý nitơ từ nguồn ô nhiễm phân tán Công nghệ này cũng được sử dụng để xử lý các nguồn nước thải đô thị
1.3.2.2 Bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang
Cây được trồng trên đất nền là sỏi đá, nước chảy ngầm theo chiều ngang từ đầu vào đến đầu ra Nước ô nhiễm được đưa qua đầu vào, chảy qua lớp vật liệu lọc ngầm phía dưới, có rễ cây, theo chiều ngang, cho đến đầu ra và được thải ra ngoài
Tại hệ thống lọc, các chất bẩn được loại bỏ nhờ sự phân hủy của các vi sinh vật và các quá trình lý-hóa xảy ra tại các vùng hiếu khí có sự tham gia cung cấp oxy của hệ rễ và tại các vùng kỵ khí
Hình 1.2: Mô hình bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang [15]
Kiểu bãi lọc này được phát triển từ những năm 50 của thế kỷ trước tại các nước Đức, do Kathe Seidel thiết kế Lúc đầu, vật liệu lọc là các vật liệu thô làm giá thể cho hệ rễ Năm 1960, Reinhold Kickuth đề xuất sử dụng môi trường đất có thành phần sét cao và gọi hệ thống đó là “phương pháp vùng rễ” Đến những năm đầu của thập kỷ 80, công nghệ này được áp dụng nhiều ở Đan Mạch và vào năm
1987, gần 100 hệ thống lọc kiểu này được đưa vào sử dụng
Vào cuối những năm 80, hệ thống lọc này được phát triển ở nhiều nước khác nhau như Úc, Anh… và đến năm 1990 được mở rộng ra hầu khắp các nước châu Âu, cũng như Nam Mỹ, châu Á và châu Phi Khi đó, vật liệu lọc bằng đất được thay thế bằng các vật liệu thô, đến nay phổ biến là đá được rửa sạch với cỡ 10-20 cm
Vai trò quan trọng của bãi lọc dòng chảy ngang là tạo ra được chất nền là rễ và vùng rễ, là chỗ bám cho các vi sinh vật, giải phóng oxy từ rễ vào vùng rễ, hút các chất khoáng và giảm bớt được ảnh hưởng của điều kiện nhiệt độ thấp vào mùa lạnh
Trên khắp thế giới, bãi lọc dòng chảy ngang thường được sử dụng phổ biến để XLNT sinh hoạt, nước thải đô thị, nước thải công nghiệp, NRR và các lĩnh vực khác
1.3.2.3 Bãi 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 công nghệnày lúc đầu chậm được áp dụng vì đầu tư cho vận hành cao, do phải dùng máy bơm nước lên bề mặt của bãi lọc Đối với hệ thống lọc này, oxy của không khí có thể thâm nhập vào sâu bên trong nên điều kiện môi trường trong bãi lọc rất thuận lợi cho quá trình nitrat hóa, mà không thuận lợi cho quá trình phản nitrat hóa, hiệu quả cho quá trình phân hủy chất hữu cơ và loại bỏ các chất rắn lơ lửng
Hình 1.3: Mô hình bãi 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
Các hợp chất hữu cơ được loại bỏ trong hệ thống bãi lọc trồng cây chủ yếu nhờcơ chế hấp phụ, phân hủy bởi các VSV và hấp thụ của thực vật