TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Khái quát về nước thải sinh hoạt
1.1.1 Khái niệm nước thải sinh hoạt
Theo PGS Nguyễn Văn Phước, nước thải sinh hoạt (NTSH) bao gồm nước từ các hoạt động như tắm, giặt, hồ bơi, nhà ăn và nhà vệ sinh NTSH chứa khoảng 58% chất hữu cơ và 42% chất khoáng, với đặc điểm nổi bật là hàm lượng các chất hữu cơ không bền sinh học như carbohydrate, protein, mỡ, chất dinh dưỡng (photphat, nitơ), vi trùng, chất rắn và mùi.
Theo QCVN 14:2008/BTNMT, nước thải sinh hoạt được định nghĩa là nước thải phát sinh từ các hoạt động hàng ngày của con người, bao gồm ăn uống, tắm giặt và vệ sinh cá nhân.
1.1.2 Nguồn gốc phát sinh nước thải sinh hoạt
Nước thải sinh hoạt phát sinh từ các hoạt động hàng ngày như tắm rửa, bài tiết và chế biến thức ăn, với khối lượng phụ thuộc vào quy mô dân số, tiêu chuẩn cấp nước và hệ thống thoát nước Tiêu chuẩn nước thải sinh hoạt ở khu đô thị thường dao động từ 100 - 250 lít/người/ngày đêm cho các nước đang phát triển và 150 - 500 lít/người/ngày đêm cho các nước phát triển Tại Việt Nam, tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt hiện nay từ 120 - 180 lít/người/ngày đêm ở đô thị và 50 - 100 lít/người/ngày đêm ở nông thôn Thông thường, nước thải sinh hoạt chiếm khoảng 80 - 100% tiêu chuẩn nước cấp và được thu gom từ các hộ gia đình, cơ quan, trường học, và khu dân cư Các khu vực trung tâm đô thị có tiêu chuẩn sử dụng nước cao hơn, dẫn đến sự khác biệt về lượng nước thải sinh hoạt tính trên đầu người giữa các khu vực này.
Tại các khu đô thị, hệ thống thoát nước thường được kết nối với các con sông, kênh, rạch Ngược lại, ở các khu vực ngoại thành và nông thôn, hệ thống thoát nước còn thiếu, dẫn đến nước thải thường được xả thẳng ra các mương, rãnh, ao hồ và chủ yếu thoát bằng hình thức tự thấm.
1.1.3 Thành phần và đặc tính nước thải trung tâm thương mại và nhà ở cao cấp
Nước thải là hỗn hợp phức tạp gồm nước và các chất bẩn, chủ yếu phát sinh từ hoạt động của con người tại các trung tâm thương mại và khu nhà ở cao cấp Thành phần chất bẩn trong nước thải bao gồm cặn lắng, chất rắn không lắng và chất hòa tan, với khoảng 50-70% là chất hữu cơ, 30-50% là chất vô cơ và một lượng lớn vi sinh vật Các vi sinh vật này chủ yếu là virus và vi khuẩn gây bệnh như tả, lỵ, thương hàn, bên cạnh đó cũng có các vi khuẩn không gây hại có khả năng phân hủy chất thải.
Các chất hữu cơ Các chất vô cơ
Protein Cacbonhydrat Các chất béo Cát Muối Ion kim loại
Sơ đồ 1 1: Thành phần chất bẩn trong nước thải thành phố
Trong hoạt động hàng ngày của các hộ dân, khách sạn và nhà hàng, nguồn ô nhiễm môi trường chủ yếu đến từ chất thải khu vệ sinh và nước thải nấu ăn Nước thải từ khu vệ sinh có hàm lượng chất hữu cơ cao với BOD 5 dao động từ 200 – 300 mg/l và SS từ 350 – 600 mg/l, đặc biệt có thể lên tới 1000 mg/l sau bể tự hoại Nước thải tại nhà bếp không chỉ chứa hàm lượng chất hữu cơ cao mà còn có lượng dầu mỡ động thực vật đáng kể.
Theo phân tích nước thải sinh hoạt tại các thành phố trong nhiều năm qua của bộ môn cấp thoát nước, bảng 1.1 trình bày thành phần và tính chất của nước thải đô thị.
Nước thải thành phố chứa nhiều loại vi khuẩn gây bệnh, trong đó có Coliform, có thể dẫn đến ung thư và gây hại cho sức khỏe con người.
5 phần như trên, thì nguồn nước thải này sẽ là nguồn gây ô nhi m nghiêm trọng cho môi trường của chính khu vực và cả môi trường xung quanh
Bảng 1 1: Thành phần hóa học điển hình của nước thải thành phố [15]
TT Các chất Đơn vị Mức độ ô nhiễm
2 Chất rắn hòa tan mg/l 700 350 120
3 Chất rắn không tan mg/l 300 150 8
4 Tổng chất rán lơ lửng mg/l 600 350 120
5 Chất rắn lắng được mg/l 12 8 4
7 Lượng oxy hòa tan mg/l 0 - 1 2 – 3 3 – 4
Bảng 1 2: Thành phần và tình chất của nước thải trung tâm thương mại ở thành phố[15]
TT Các chỉ số Nước thải cống chung Nước thải cống riêng
Nước thải trung tâm thương mại tại các thành phố thường gặp vấn đề do hệ thống bể tự hoại bị quá tải, dẫn đến thời gian lưu không đủ để phân hủy các chất hữu cơ như phân, thịt nội tạng động vật và cặn thực phẩm.
Khi chế biến món ăn, nước thải sau bể tự hoại thường chỉ giảm hàm lượng chất ô nhiễm một cách không đáng kể Đặc biệt, không phải tất cả các chất hữu cơ trong nước thải thành phố đều có thể bị phân hủy bởi vi sinh vật, dẫn đến khoảng 20 đến 40% BOD5 vẫn thoát ra khỏi quá trình xử lý sinh học cùng với bùn.
Bảng 1 3:Thành phần nước thải sinh hoạt khu nhà ở cao cấp ở thành phố[15]
Chỉ tiêu Trong khoảng Trung bình
Tổng chất rắn (TS), mg/l 350 – 1.200 720
Chất rắn hòa tan (TDS), mg/l 250 – 850 500
Chất rắn lơ lửng (SS), mg/l 100 – 350 220
Clorua, mg/l 30 – 100 50 Độ kiềm, mg CaCO3/l 50 – 200 100
Bảng 1 4: Các chỉ tiêu đánh giá nước thải sinh hoạt
Các chỉ tiêu Mức độ ô nhiễm
Chất rắn hào tan (mg/l) 120 350 700
Chất rắn không tan (mg/l) 8 150 300
Tổng chất rắn lơ lửng ( mg/l) 120 350 600
Các chất vô cơ trong nước thải chiếm 40 – 42% gồm chủ yếu là cát, đất sét, axit, bazơ vô cơ, dầu khoáng…
Nước thải chứa nhiều loại vi sinh vật như vi khuẩn, virut, rong tảo và trứng giun sán Trong số đó, một số vi sinh vật gây bệnh như coliform, vi khuẩn lỵ và thương hàn có khả năng gây ra dịch bệnh.
1.2 Thực trạng ô nhiễm tại Việt Nam
1.2.1 Hiện trạng ô nhiễm do nước thải sinh hoạt
Quá trình đô thị hoá tại Việt Nam diễn ra nhanh chóng, đặc biệt ở các thành phố lớn như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Hải Phòng và Đà Nẵng, đang phải đối mặt với tình trạng ô nhiễm nước nghiêm trọng Mặc dù số lượng đô thị tăng lên, nhưng cơ sở hạ tầng, đặc biệt là hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt, lại phát triển không đồng bộ Theo thống kê, Hà Nội thải ra trung bình 658.000 m³ nước thải mỗi ngày, trong đó 41% là nước thải sinh hoạt, 57% là nước thải công nghiệp và 2% là nước thải bệnh viện Tuy nhiên, chỉ có 5/31 bệnh viện và 36/400 cơ sở sản xuất có hệ thống xử lý nước thải Phần lớn nước thải không được xử lý đổ vào các sông Tô Lịch và Kim Ngưu, gây ô nhiễm nghiêm trọng cho các khu vực dân cư xung quanh Theo dự án “Phát triển hệ thống sử dụng nước đô thị thích ứng với biến đổi khí hậu”, 10% nước thải đô thị chưa được xử lý, và 36% nước thải chưa qua xử lý cũng đổ ra các hồ Hiện tại, Hà Nội chỉ có khoảng 6 trạm xử lý nước thải hoạt động với tổng công suất hơn 260.000 m³/ngày đêm, trong khi 5 trạm xử lý khác đang được đầu tư xây dựng với công suất gần 400.000 m³/ngày đêm.
1.2.2 Ảnh hưởng tới con người
Theo báo cáo toàn cầu của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) công bố vào đầu năm 2014, Việt Nam ghi nhận hơn 20.000 ca tử vong mỗi năm liên quan đến điều kiện nước sạch và vệ sinh kém.
Bộ Y tế, hơn 80% các bệnh truyền nhi m ở nước ta liên quan đến nguồn nước
Người dân ở cả nông thôn và thành thị đang phải đối mặt với nguy cơ mắc bệnh do môi trường nước đang ngày một ô nhi m trầm trọng
1.2.3 Ảnh hưởng tới môi trường
Nước thải sinh hoạt mang theo các chất độc hại thải ra môi trường, ảnh hưởng lớn nhất là môi trường nước do thành phần trong nước thải như:
Chất rắn lơ lửng (SS): lắng đọng ở nguồn tiếp nhận gây ra điều kiện yếm khí
COD và BOD5 là những chỉ số quan trọng phản ánh sự khoáng hóa và ổn định của chất hữu cơ trong môi trường nước Khi lượng chất hữu cơ tiêu thụ quá lớn, nó gây ra tình trạng thiếu oxy, ảnh hưởng nghiêm trọng đến hệ sinh thái nước Ô nhiễm nghiêm trọng dẫn đến điều kiện yếm khí, trong đó quá trình phân hủy yếm khí tạo ra các sản phẩm như H2S, NH3, và CH4, gây mùi hôi khó chịu và làm giảm pH của nước.
1.3 Các phương pháp xử lý nước thải
Các phương pháp loại bỏ chất rắn có kích thước và tỷ trọng lớn trong nước thải được gọi là phương pháp cơ học Để giữ lại các tạp chất không hòa tan lớn hoặc các chất bẩn lơ lửng, người ta sử dụng song chắn rác hoặc lưới lọc Để tách các chất lơ lửng có tỷ trọng lớn hoặc nhỏ hơn nước, bể lắng là giải pháp hiệu quả.
Các chất lơ lửng nguồn gốc khoáng (chủ yếu là cát) được lắng ở bế lắng cát Các hạt cặn đặc tính hữu cơ được tách ra từ bể lắng
Các phương pháp xử lý nước thải
Các phương pháp loại bỏ chất rắn có kích thước và tỷ trọng lớn trong nước thải được gọi là phương pháp cơ học Để giữ lại các tạp chất không hòa tan lớn hoặc chất bẩn lơ lửng, người ta sử dụng song chắn rác hoặc lưới lọc Để tách biệt các chất lơ lửng có tỷ trọng lớn hoặc nhỏ hơn nước, bể lắng là giải pháp hiệu quả.
Các chất lơ lửng nguồn gốc khoáng (chủ yếu là cát) được lắng ở bế lắng cát Các hạt cặn đặc tính hữu cơ được tách ra từ bể lắng
Các chất cặn nhẹ hơn nước như dầu mỡ và nhựa được tách ra tại bể thu dầu, mỡ, nhựa trong hệ thống xử lý nước thải công nghiệp Để loại bỏ chất thải khỏi các chất huyền phù và phân tán nhỏ, cần sử dụng lưới lọc, vải lọc hoặc lọc qua lớp vật liệu lọc.
Xử lý cơ học là bước chuẩn bị quan trọng cho quá trình xử lý sinh học nước thải Phương pháp này thường được thực hiện qua các thiết bị như song chắn rác, bể lắng cát và bể tách dầu mỡ, giúp tách bỏ các tạp chất thô và đảm bảo hệ thống thoát nước hoạt động hiệu quả Qua xử lý cơ học, khoảng 60% tạp chất không tan trong nước thải sinh hoạt được loại bỏ, mặc dù mức BOD5 chỉ giảm không đáng kể Để nâng cao hiệu quả, việc làm thoáng nước thải trước khi lắng được áp dụng nhằm cải thiện quá trình xử lý.
9 của các công trình cơ học lên đến 75% và BOD5 giảm từ 10 – 15% Một số công trình xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học bao gồm [6]
Nước thải được dẫn vào hệ thống song chắn nhằm giữ lại các cặn bẩn lớn và dạng sợi như giấy, rau cỏ và rác, giúp ngăn ngừa tắc nghẽn cho bơm, ống dẫn và kênh Đây là bước quan trọng để đảm bảo an toàn và điều kiện làm việc thuận lợi cho hệ thống xử lý nước thải Song chắn rác bao gồm các thanh đan được sắp xếp cạnh nhau trong mương dẫn nước, với khoảng cách giữa các thanh gọi là khe hở Hệ thống song chắn rác có thể được phân loại thành nhiều nhóm khác nhau.
- Theo khe hở song chắn phân biệt loại thô (30 – 200 mm), loại trung bình (5 –
25 mm) Đối với nước thải sinh hoạt, khe hở song chắn nhỏ hơn 16 mm thực tế ít được sử dụng
- Theo đặc điểm cấu tạo phân biệt loại cố định và loại di động
- Theo phương pháp lấy rác khỏi song chắn phân biệt loại thủ công và cơ giới + Ưu điểm:
- D dàng lắp đặt, vận hành, thay thế
- Tổn thất thủy lực nhỏ
+ Nhược điểm: Chỉ chắn được rác thô [6]
Bể thu và tách dầu mỡ
Bể thu dầu được lắp đặt tại các khu vực như bãi đỗ xe, cầu rửa ô tô, xe máy, và các cơ sở chứa dầu, nhiên liệu, cũng như nhà giặt tẩy của khách sạn, bệnh viện và các công trình công cộng khác Chức năng chính của bể thu dầu là tiếp nhận nước rửa xe và nước mưa từ khu vực bãi đỗ xe, đảm bảo môi trường sạch sẽ và an toàn.
Bể tách mỡ là thiết bị quan trọng dùng để tách và thu gom mỡ động thực vật cũng như các loại dầu có trong nước thải Thường được lắp đặt trong các bếp ăn của khách sạn, trường học và bệnh viện, bể này được xây dựng bằng gạch, bê tông cốt thép, thép hoặc nhựa composite Vị trí lắp đặt thường nằm bên trong nhà, gần các thiết bị thoát nước hoặc sân gần khu vực bếp ăn, nhằm mục đích tách dầu mỡ trước khi nước thải được xả ra hệ thống bên ngoài.
Lưu lượng và nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải của các khu dân cư và công trình công cộng, bao gồm các nhà máy và xí nghiệp, thường xuyên thay đổi theo thời gian.
Sự hiệu quả trong việc xử lý nước thải phụ thuộc vào các điều kiện hoạt động của hệ thống thoát nước, bao gồm lưu lượng, thành phần và nồng độ chất bẩn Để cải thiện hiệu suất làm sạch, cần điều hòa lưu lượng dòng chảy, và một giải pháp tối ưu là thiết kế bể điều hòa lưu lượng Bể này không chỉ giúp tăng cường hiệu quả của hệ thống xử lý sinh học mà còn hạn chế tình trạng quá tải hoặc dưới tải, đồng thời giảm diện tích cần thiết cho bể sinh học Hơn nữa, việc ức chế quá trình xử lý sinh học sẽ được điều chỉnh phù hợp, giúp duy trì hoạt động hiệu quả của các sinh vật.
Trong thành phần cặn lắng nước thải thương có cát với độ lớn thủy lực μ
Tốc độ 18 mm/s giúp đẩy các phần tử vô cơ lớn, tuy không độc hại nhưng gây cản trở cho hoạt động của các công trình xử lý nước thải, như tích tụ trong bể lắng và bể mêtan, làm giảm dung tích và khó khăn trong việc xả cặn bùn Để đảm bảo sự ổn định cho các công trình xử lý sinh học, cần có các thiết bị hỗ trợ phía trước Cát thường được lưu giữ trong bể từ 2 đến 5 ngày, và các loại bể lắng cát thường dùng cho các trạm xử lý có công suất trên 100 m³/ngày Bể lắng cát chuyển động quay có hiệu quả cao trong việc lắng cát và giảm hàm lượng chất hữu cơ Mặc dù bể lắng cát ngang có cấu tạo đơn giản và được sử dụng phổ biến, trong một số điều kiện nhất định, có thể sử dụng bể lắng cát đứng hoặc thiết bị xiclon Cát từ bể lắng cát tiếp tuyến sẽ được chuyển ra sân phơi để làm khô bằng phương pháp trọng lực trong điều kiện tự nhiên.
Quá trình lắng được sử dụng để tách các chất hữu cơ không tan ở dạng lơ lửng trong nước thải, dựa trên sự khác biệt về trọng lượng của các hạt cặn Đây là một bước quan trọng trong xử lý nước thải, thường được thực hiện theo cách bố trí nối tiếp Quá trình lắng hiệu quả có thể loại bỏ đến 90-95% lượng cặn có trong nước, đặc biệt là sau khi đã trải qua xử lý sinh học.
11 cường quá trình lắng ta có thể thêm vào chất đông tụ sinh học sự lắng của các hạt xảy ra dưới tác dụng của trọng lực
Bể lắng được phân loại dựa trên chức năng và vị trí, bao gồm bể lắng đợt một trước công trình xử lý sinh học và bể lắng đợt hai sau công trình xử lý sinh học Ngoài ra, theo cấu tạo và hướng dòng chảy, bể lắng còn được chia thành bể lắng ngang, bể lắng đứng và bể lắng ly tâm.
Bể lắng ngang hình chữ nhật
Bể lắng ngang có hình chữ nhật và được làm từ nhiều vật liệu như bê tông, bê tông cốt thép, gạch hoặc đất, tùy thuộc vào kích thước và yêu cầu của quá trình lắng cũng như điều kiện kinh tế Trong bể này, dòng nước chảy ngang qua và được chia thành 4 vùng: vùng hoạt động, vùng bùn (vùng lắng đọng), vùng trung gian nơi nước thải và bùn lẫn lộn, và vùng an toàn Tương tự, bể lắng cũng có thể phân chia thành 4 vùng: vùng nước thải vào, vùng lắng đọng hoặc tách, vùng xả nước ra, và vùng bùn.
Bể lắng ngang có chiều sâu từ 1,5 đến 4 m, chiều dài từ 8 đến 12 lần chiều sâu và chiều rộng kênh từ 3 đến 6 m Loại bể này thường được áp dụng cho lưu lượng nước thải trên 15.000 m3/ngày, với hiệu suất lắng đạt 60% Vận tốc dòng chảy của nước thải trong bể lắng không vượt quá 0,01 m/s và thời gian lưu nước dao động từ 1 đến 3 giờ.
+ Ưu điểm: Gọn, có thể làm hố thu cặn ở đầu bể hoặc dọc teo chiều dài cảu bể , hiệu quả xử lý cao
Nhược điểm của hệ thống này bao gồm giá thành cao và sự xuất hiện của nhiều hố thu cặn, gây ra các vùng xoáy làm giảm hiệu quả lắng đọng của các hạt cặn Thêm vào đó, hệ thống này cũng chiếm nhiều diện tích trong quá trình xây dựng.
Bể lắng đứng có hình dạng trụ hoặc hộp với đáy chóp, nơi nước thải được đưa vào qua ống phân phối ở tâm bể với vận tốc khoảng 30 mm/s Nước thải di chuyển theo chiều thẳng đứng từ dưới lên trên đến vách tràn với vận tốc 0,5 – 0,6 m/s và thời gian lưu lại trong bể từ 45 – 120 phút Nước trong được thu vào máng phía trên, trong khi cặn lắng ở phần hình nón phía dưới và được xả ra ngoài bằng bơm hoặc áp lực thủy tĩnh trên 1,5 m Chiều cao vùng lắng từ 4 – 5 m, với góc nghiêng hình nón không nhỏ hơn 50 độ và đường kính từ 4 – 9 m Trong bể, các hạt chuyển động cùng nước với vận tốc W và lắng dưới tác động của trọng lực với vận tốc W1, dẫn đến sự phân tầng của các hạt theo kích thước Hiệu suất lắng của bể đứng thường thấp hơn bể lắng ngang từ 10 – 20%, nhưng bể này có diện tích xây dựng nhỏ và dễ xả bùn cặn.
+ Ưu điểm: Thiết kế gọn, diện tích đất xây dựng không nhiều, thuận tiện cho việc xả bùn hoặc tuần hoàn bùn
+ Nhược điểm: Hiệu của xử lý không cao bằng bể lắng ngang, chi phí xây dựng tốn kém, hiều suất xử lý không cao [6]