Nghiên cứu những đóng góp của bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp bãi lọc ngầm dòng chảy ngang trồng cây môn nước trong xử lý nước rỉ rác

Đề tài “Nghiên cứu những đóng góp của bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp bãi lọc ngầm dòng chảy ngang trồng cây môn nước trong xử lý nước rỉ rác” được thực hiện nhằm góp phần phát triển

1   

MỞ ĐẦU

1 Giới thiệu

Hiện nay, dân số ngày một gia tăng đồng nghĩa với đó là lượng rác thải tăng một cách đột biến Mỗi năm, lượng chất thải rắn tăng từ 10%-15% Dù các bãi chôn lấp đã “gồng mình” gánh đỡ nhưng với lượng rác thải quá nhiều như hiện nay, các biện pháp xử lý tỏ ra chưa hữu hiệu TP.HCM đang đối mặt với nhiều thách thức từ rác thải

Bên cạnh đó, ngoài lượng rác thải thì nước rỉ rác phát sinh từ quá trình chôn lấp đã và đang trở thành vấn đề quan tâm hàng đầu Lượng nước rỉ rác mang hàm lượng ô nhiễm rất cao, nếu không được xử lý đúng mức thì nó có thể xâm nhập vào môi trường đất sau đó đi vào các mạch nước ngầm làm ô nhiễm nguồn nước ngầm

và có thể làm biến đổi đặc tính của đất, chính vì thế mà vấn đề xử lý nước rác rò rỉ

từ các bãi chôn lấp cũng phần nào trở nên vô cùng cấp thiết

Ở Châu Âu và các nước công nghiệp người ta đã quan tâm đến vấn đề xử lý rác và nước rác rò rỉ từ lâu Còn ở Việt Nam, vấn đề xử lý nước rác rò rỉ mới được quan tâm gần đây Hiện nay, ở thành phố Hồ Chí Minh phần lớn rác thải được thu gom và chôn lấp tại bãi rác Phước Hiệp – Củ Chi Trong khi đó với quá trình đô thị hoá và phát triển hiện nay thì lượng rác thải từ sinh hoạt cũng như sản xuất tăng lên

mà vấn đề xử lý chưa đưa ra được phương pháp hữu hiệu nhất Thành phần nước rác rò rỉ rất phức tạp trong đó ô nhiễm chất hữu cơ là chủ yếu, bên cạnh còn ô nhiễm chất vô cơ Thật khó có thể tối ưu hoá phương pháp xử lý nước rác rò rỉ vì đặc tính của nước rác rất phức tạp và bị thay đổi theo thời gian

2 Tính cấp thiết của đề tài

Vấn đế rác sinh hoạt hiện nay đã và đang trở thành mối nhức nhối đối với các bãi rác Ngoài sự quá tải về lượng rác sinh hoạt phát sinh thì lượng nước rỉ rác

phát sinh từ quá trình chôn lấp trở nên càng đáng lưu tâm hơn

Một trong những xu hướng xử lý nước thải với chi phí thấp hiện nay đó là ứng dụng các quá trình làm sạch tự nhiên của hệ sinh thái ngập nước Phương pháp này sử dụng quy trình công nghệ đơn giản với chi phí xây dựng, vận hành thấp, tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường Hơn nữa, nước ta có hệ thực vật ngập nước phong phú nên việc áp dụng công nghệ xử lý này là hoàn toàn khả thi

Đề tài “Nghiên cứu những đóng góp của bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp bãi lọc ngầm dòng chảy ngang trồng cây môn nước trong xử lý nước rỉ rác” được thực hiện nhằm góp phần phát triển công nghệ xử lý nước thải theo hướng tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường, phù hợp với điều kiện kinh tế - xã hội ở nước ta trong giai đoạn hiện nay

3 Mục tiêu nghiên cứu

Thiết kế bãi lọc ngầm dòng chảy thẳng đứng từ trên xuống:

Bể 1: Bể lọc ngầm trồng cây dòng chảy đứng

Bể 3 : Bề lọc ngầm không trồng cây dòng chảy đứng

Thiết kế bãi lọc ngầm dòng chảy ngang :

Bể 2: bãi lọc ngầm dòng chảy ngang trồng cây

Nghiên cứu hiệu suất xử lý của bãi lọc thông qua các chỉ tiêu: BOD5, COD,

N – NH4, pH, N – tổng

So sánh hiệu suất xử lý của bể 1, bể 2 và bể 3, hiệu suất xử lý khi kết hợp giữa các bể

3   

4 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

Đề tài tiến hành nghiên cứu hiệu suất của bãi lọc ngầm dòng chảy đứng và dòng chảy ngang trồng cây môn nước đối với việc xử lý nước rỉ rác

Thực vật được nghiên cứu trong đề tài là cây môn nước (Colocasia esculenta)

5 Ý nghĩa của đề tài

Góp phần phát triển công nghệ xử lý rỉ rác theo hướng bền vững và thân thiện với môi trường.Tạo cơ sở khoa học cho các nghiên cứu khả năng sử dụng hệ thực vật ngập nước phong phú ở miền Nam trong việc xử lý các loại nước thải khác nhau

6 Phương pháp nguyên cứu

6.1 Phương pháp luận

Thông thường lượng nước rỉ rác từ các bể rác chưa qua xử lý mà đi thẳng ra môi trường gây ô nhiễm nguồn nước ngầm, nước mặt, đất, không khí, và ảnh hưởng đến sinh vật và sức khỏe của con người Lượng nước rĩ rác đó chính là mối đe dọa nghiêm trọng đến hệ sinh thái môi trường tự nhiên Vì vậy phát triển kinh tế phải đi đôi với bảo vệ môi trường là điều kiện cần và đủ

Đặc thù nước thải rỉ rác thể hiện ở các thông số ô nhiễm như pH, chất hữu

cơ, Nitơ, Phospho và kim loại nặng (Mn, Fe, Mg, Cu, Zn, Ca) Do vậy, hầu hết các qui trình xử lý nước thải rỉ rác tập trung xử lý các thành phần ô nhiễm này nên bao gồm các công đoạn xử lý như sau: hệ thống tách rác, xử lý hóa lý, xử lý sinh học (yếm khí và hiếu khí) Đây là quy trình công nghệ truyền thống và gần như các bãi chôn lấp đều đã áp dụng quy trình công nghệ này

Việc sử dụng bãi lọc ngầm trồng cây trong quá trình xử lý nước thải sẽ giúp lọc và thực vật sẽ sử dụng các chất hữu cơ trong nước thải.Thực vật sẽ tích tụ một lượng chất hữu cơ như C, N, P và tăng sinh khối Để quá trình xử lý đạt hiệu quả tốt

nhất thì sinh khối thực vật chỉ ở mức cố định nên thực vật cần được loại bớt Thực

vật bị loại bớt là nguồn nguyên liệu dồi dào chất dinh dưỡng cho quá trình ủ phân

compost làm phân bón hay sản xuất thức ăn Do đó cần phải xác định sinh khối và dinh dưỡng tối ưu của thực vật

6.2 Phương pháp nguyên cứu cụ thể

Phương pháp phân tích tổng hợp: thu thập các tài liệu như tiêu chuẩn, các phương pháp xử lý nước rỉ rác từ đó chọn lọc so sánh và rút ra ý tưởng cho riêng mình

Phương pháp chuyên gia: tham vấn ý kiến của thầy cô hướng dẫn, thầy cô trong khoa, các chuyên gia trong ngành môi trường và xử lý nước thải

Phương pháp khảo sát, lấy mẫu, đo đạc và quan trắc:

- Thực địa tại bãi rác Trảng Dài và lấy mẫu hiện trường tại bể thu gom của hệ thống xử lý nước thải tập trung của bãi rác

- Lấy mẫu cây môn nước tại các khu vực kênh thuộc quận Gò Vấp – thành phố Hồ Chí Minh

- Mẫu đầu vào, mẫu sau xử lý ở các bể được lấy mẫu phân tích theo QCVN 25:2009/BTNMT

Phương pháp phân tích hóa, lý của nước thải: Các chỉ tiêu phân tích (pH, BOD, COD, tổng N và N-NH4) phương pháp kiểm nghiệm theo các TCVN hướng dẫn

Phương pháp tính toán lựa chọn: tính toán lựa chọn mô hình xử lý tối ưu, sau

đó chọn ra mô hình xử lý hợp lý và hiệu quả

5   

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO, ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI VÀ ĐẶC ĐIỂM

CHUNG CỦA NƯỚC RỈ RÁC

1 Đất ngập nước nhân tạo và các loại bãi lọc trồng cây xử lý nước thải

1.1 Đất ngập nước nhân tạo

Hệ thống đất ngập nước nhân tạo (Constructed Wetland) là hệ thống kỹ thuật

được thiết kế nhằm dựa vào quá trình tự nhiên liên quan đến thực vật ngập nước, đất và hệ vi sinh vật kèm theo để hỗ trợ quá trình xử lý nước thải Thuật ngữ

constructed đồng nghĩa với nhân tạo (manmade, engineered hay artificial).[9]

Hệ thống đất ngập nước nhân tạo tận dụng các quá trình tự nhiên nhưng trong điều kiện có thể kiểm soát và khống chế Cho phép thiết lập các thiết bị xử lý, thành phần tác chất xác định rõ ràng, loại thực vật ngập nước, chế độ dòng chảy và lưu lượng dòng chảy Bên cạnh đó, hệ thống đất ngập nước nhân tạo còn có thêm một số ưu điểm mà đất ngập nước tự nhiên không có như: lựa chọn vị trí thiết kế, linh động về qui mô và kích thước, thiết kế phù hợp với từng điều kiện và quan trọng nhất là khống chế hướng thủy lực và thời gian lưu

Có nhiều định nghĩa về đất ngập nước nhân tạo, vì vậy cần hiểu rõ để có một khái niệm chung nhất (theo Hammer, 1992):

• Restored wetland: vùng đất trước đây tồn tại hệ sinh thái đất ngập nước tự

nhiên nhưng bị thay đổi, loại bỏ các loài động thực vật điển hình và sử dụng cho mục đích khác Những khu vực này sau đó được biến đổi thành đất ngập úng, nghèo nàn động thực vật để phục vụ cuộc sống, điều tiết lũ, giải trí, giải trí và các chức năng khác

• Created wetland: ban đầu là vùng đất thoát nước tốt là môi trường sống

thuận lợi cho động thực vật cạn nhưng bị biến đổi để thiết lập điều kiện thủy văn cần thiết tạo thành vùng thoát nước kém nghèo nàn động thực vật để phục cuộc sống, điều tiết lũ, giải trí, giáo dục và các chức năng khác

1.2 Các loại bãi lọc trồng cây xử lý nước thải

Đất ngập nước nhân tạo có thể được phân loại theo các thông số khác nhau nhưng hai tiêu chẩn quan trọng nhất là:

• Chế độ dòng chảy (chảy ngầm hay chảy mặt)

• Loại thực vật

Các loại đất ngập nước nhân tạo khác nhau có thể kết hợp thành đất ngập nước kết hợp hay có những sự cải tiến nhằm khai thác các điểm tối ưu đặc trưng của các hệ thống khác nhau

ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO

Dòng chảy mặt (FWS) Dòng chảy ngầm (SSF)

Dòng

chảy

ngang

Dòng chảy đứng

Thực vật chìm

Thực vật trôi ổ

Thực vật nổi

7   

mục giới hạn tốc độ dòng chảy, đặc biệt trong các kênh nước dài hẹp đảm bảo điều kiện dòng chảy nút (theo Reed cùng cộng sự, 1988) Một trong những mục đích thiết kế là tạo điều kiện tiếp xúc giữa nước thải với bề mặt phản ứng sinh học (theo Kadlec và Knight, 1996).[9]

Bảng 1.1: Ưu điểm và khuyết điểm của hệ thống đất ngập nước dòng chảy mặt

Ưu điểm Khuyết điểm

- Tạo vẻ mỹ quan

- Hiệu quả xử lý BOD và SS cao,

giảm vi sinh vật gây bệnh

- Tận dụng các vật liệu có sẵn

- Không đòi hỏi kỹ thuật cao

- Chi phí đầu tư và vận hành thấp

- Tận thu được sinh khối thực vật sau

- Yêu cầu diện tích lớn

- Chịu ảnh hưởng thời tiết

1.2.1.1 Hệ thống dòng chảy mặt trồng thực vật trôi nổi (FWS wetland with

free-floating plants)

Đất ngập nước nhân tạo với thực vật nổi gồm một hay nhiều bề mặt nông, trong đó thực vật nổi lên trên bề mặt Có sự khác biệt rõ ràng giữa đất ngập nước nhân tạo và hồ ổn định nước thải là độ sâu nông và sự hiện diện của thực vật thủy

sinh thay vì tảo (theo Kadlec cùng cộng sự,2000).[9]

Hình 1.2: Sơ đồ mô tả đất ngập nước nhân tạo trồng thực vật trôi nổi

(theo Vymazal, 2001)

Chất hữu cơ được loại bỏ nhờ quá trình trao đổi chất của vi sinh vật gắn kết hay vi sinh vật tự do Hệ thống rễ của thực vật trôi nổi cung cấp tiết diện rộng cho

vi sinh sinh vật gắn kết, do đó tăng khả năng phân hủy chất hữu cơ Để đảm bảo điều kiện tiếp xúc thuận lợi giữa vi sinh vật và nước thải, hệ thống được thiết kế với

bể phản ứng nông và tốc độ dòng chảy chậm Sinh khối thực vật trên bề mặt hạn chế sự nhiễu loạn và xáo động do gió thúc đẩy quá trình loại bỏ SS nhờ lắng trọng lực

Chất dinh dưỡng được loại bỏ trong hệ thống đất ngập nước nhân tạo dòng chảy mặt trồng thực vật trôi nổi khá phức tạp hơn quá trình hấp thụ đơn thuần ở thực vật Nitơ được loại bỏ nhờ cơ chế hấp thụ của thực vật Các vi sinh vật nitrat hóa gắn kết vào rễ, nơi chúng tiếp nhận oxy Đồng thời, quá trình nitrat hóa cũng xảy ra ở cột nước khi DO trong nước đủ cho vi sinh vật hoạt động Điều kiện này thường được tạo thành khi mật độ thực vật thấp hay chỉ bao phủ một phần bề mặt Khi mật độ thực vật tăng, sự khuếch tán oxy vào nước bị giới hạn, do đó làm giảm DO nước Đồng thời cũng hạn chế sự phát triển của tảo bằng cách giới hạn ánh sáng đi vào cột nước tạo vùng kỵ khí và điều kiện thuận lợi để nitrat hóa, quá trình này có thể diễn ra ở tầng đáy nếu đầy đủ nguồn cacbon hữu cơ

Phospho được loại bỏ nhờ sự đồng hóa của vi sinh vật, kết tủa với cation hóa trị II và III hay bị hấp thụ trên bề mặt sét hoặc hợp chất hữu cơ

1.2.1.2 Hệ thống dòng chảy mặt trồng cây trong nước với thân nhô lên trên

mặt nước (FWS wetland with emergent macrophytes)

Đất ngập nước nhân tạo dòng chảy mặt trồng cây thủy sinh thân nhô lên mặt nước điển hình gồm một bể nông kín hay chuỗi các bể, chứa 20-30 cm lớp đất chứa

rễ, với mực nước 20-40 cm Nhóm thực vật này với mật độ dày có thể bao phủ phần lớn bề mặt, đến 50%

Dòng chảy được đưa vào mô hình được đưa vào mô hình theo một đường thẳng gồm đầu vào, bờ cao dẫn dòng và tiếp xúc các thành phần của đất ngập nước đến một hay nhiều đầu ra Mực nước nông, tốc độ dòng vào nhỏ đồng thời sự hiện

9   

diện của thân cây và lớp thảm mục góp phần giới hạn tốc độ dòng chảy, đặc biệt là khi dòng dịch chuyển theo kênh dẫn dài, hẹp đảm bảo điều kiện dòng nút kín, liên

tục (theo Reed và cộng sự, 1988) Một trong những mục đích thiết kế theo cách này

là tạo bề mặt tiếp xúc nước thải với bề mặt hoạt động sinh học (theo Kadlec và Knight, 1996).[9]

Hình 1.3: Hệ thống dòng chảy mặt trồng cây trong nước với thân nhô lên trên mặt

nước theo Vymazal, 2001)

Loại đất ngập nước này hoạt động như một hệ thống xử lý sinh học với diện tích bề mặt lớn, dòng vào chứa các chất ô nhiễm dạng hạt và hòa tan, dịch chuyển chậm và lan truyền trong diện tích lớn gồm bề mặt nước nông và thực vật thủy sinh Quá trình loại bỏ SS là quá trình vật lý diễn ra tương đối nhanh Các cơ chế loại bỏ

SS gồm: lắng đọng, kết tủa và dính bám bề mặt rể

Các hạt lớn nhất và nặng nhất sẽ lắng đọng ngay khu vực đầu vào hệ thống, trong khi các hạt nhỏ và nhẹ hơn sẽ lắng đọng sau khi đã di chuyển vào hệ thống đất ngập nước Thực vật thủy sinh tại đây có vai trò thúc đẩy quá trình lắng đọng bằng cách giảm xáo trộn tại cột nước và hạn chế quá trình tái lơ lửng của các hạt ở lớp vừa lắng đọng Quá trình trầm tích và tái lơ lửng là hai quá trình đối lập nhau phụ thuộc vào sự chảy rối và cân bằng (bị chi phối bởi quá trình xáo trộn của cột nước) tại mặt phân giới nước – trầm tích

Kết tủa là quá trình mà qua đó các hạt kết bông một cách tự nhiên Mức độ kết tủa phụ thuộc vào sự cân bằng giữa ái lực giữa các hạt (khống chế bởi đặc tính hóa học bề mặt) và lực cắt trên các hạt Đồng thời, lực cắt trong cột nước thường có liên quan đến độ xáo trộn và chảy rối

Hạt có kích thước nhỏ nhất như keo sét không thể kết tụ đến mức độ có khả năng lắng trong thời gian lưu nước cho phép trong đất ngập nước nhân tạo Cơ chế loại bỏ duy nhất đối với các hạt này là dính bám trên các bề mặt bên trong cột nước Các chất hữu cơ có thể lắng đọng được loại bỏ nhanh chóng ra khỏi hệ thống đất ngập nước nhân tạo trồng thực vật thủy sinh thân nhô lên mặt nước và quá trình phân hủy và lọc Sự phát triển vi sinh vật dính bám và lơ lửng hỗ trợ cho quá trình loại bỏ chất hữu cơ hòa tan có thể phân hủy hiếu khí hay kỵ khí Phương thức phân hủy cacbon được xác định bởi sự cân bằng giữa nguồn cung cấp oxy và cacbon được tải nạp Oxy được bổ sung vào cột nước đất ngập nước nhân tạo bằng quá trình khuếch tán qua bề mặt nước thoáng khí và thông qua quá trình quang hợp của thực vật trong cột nước như thực vật bám rễ và thực vật đáy

Hệ thống đất ngập nước dòng chảy mặt thường phải có các vùng thoáng khí, đặc biệt ở gần bề mặt nhờ quá trình khuếch tán và vùng kỵ khí, yếm khí ở khu vực trầm tích đáy Đối với hệ thống này, vùng hiếm khí có thể di chuyển lên gần bề mặt nước Quá trình phân hủy sinh khối có thể cung cấp nguồn cacbon cho quá trình khử nitơ, đồng thời phân hủy có thể cạnh tranh nguồn cung cấp oxy với quá trình nitrat hóa Nhiệt độ thấp có thể thúc đẩy oxy hòa tan trong nước nhưng hoạt động của vi sinh vật tương đối yếu (theo Kadlec và Knight, 1996) Quá trình loại bỏ nitơ hiệu quả nhất trong đất ngập nước nhân tạo dòng chảy mặt là nitrat hóa/khử nitrat

NH3 bị oxy hóa bởi vi sinh vật nitrat hóa trong vùng hiếu khí và nitrat được chuyển thành nitơ tự do hay oxit nitơ trong vùng kỵ khí nhờ vi sinh vật phản nitrat Khi có

sự phát triển của sinh vật phù du và tảo bám rễ trong đất ngập nước dòng chảy mặt

và pH cao sẽ thuận lợi cho việc bay hơi NH3

11   

Hệ sinh thái đất ngập nước nhân tạo dòng chảy mặt có khả năng loại bỏ phospho một cách ổn định nhưng ở tốc độ thấp Quá trình loại bỏ phospho diễn ra theo các cơ chế: hấp thụ, tạo phức và kết tủa Tuy nhiên, kết tủa với ion nhôm, sắt

và canxi khá giới hạn và mức độ tiếp xúc trong cột nước và đất tương đối thấp Một lượng đáng kể nitơ và phospho được tích trữ ở tầng thảm mục, mặc dù quá trình hấp thụ của tảo và vi sinh vật diễn ra mạnh nhưng thời gian lưu thấp và chất dinh dưỡng

bị đưa trở lại môi trường nước từ các lớp mảnh vụn thực vật

Bên cạnh đó, đất ngập nước loại này còn tạo điều kiện thuận lợi kết hợp các quá trình vật lý, hóa học và sinh học nhằm loại bỏ các vi sinh vật gây bệnh Các tác nhân vật lý bao gồm: lọc cơ học, phơi nhiễm với tia tử ngoại và trầm tích Các yếu

tố hóa học bao gồm: oxy hóa, phơi nhiễm với chất sát khuẩn do một số thực vật đất ngập nước tiết ra và hấp thụ của các chất hữu cơ Các tác động sinh học như: kháng sinh, bắt làm mồi bởi sinh vật đơn bào và giun, tấn công bởi vi khuẩn và virus phân

hủy cũng như là quá trình chết tự nhiên (Gerberg cùng cộng sự, 1989).[9]

1.2.1.3 Hệ thống đất ngập nước dòng chảy mặt trồng thực vật chìm (System

with submerged macrophytes)

Thực vật chìm có các cơ quan quang hợp chìm hẳn trong nước Tuy nhiên, thực vật chìm chỉ phát triển tốt trong khu vực nước đã bị oxy hóa và do đó chúng không thể được sử dụng trong xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học cao (vì vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ sẽ tạo môi trường yếm khí) Không có dẫn chứng cụ thể việc giảm nồng độ oxy tức thời sẽ ảnh hưởng tới sự phân bố của thực vật chìm Tuy nhiên, quá trình tiếp xúc lâu dài với nồng độ oxy thấp sẽ giảm sinh trưởng của thực vật (theo Sahai và Sinha, 1976) Ngoài điều kiện

về oxy, một số yếu tố khác cũng đóng vai trò quan trọng đối với sự phát triển của thực vật chìm như: sunfua, độ đục, trầm tích kỵ khí (theo Best, 1982).[9]

Hình 1.4: Sơ đồ mô tả đất ngập nước trồng thực vật chìm

1.2.2 Hệ thống dòng chảy ngầm

Đất ngập nước nhân tạo dòng chảy ngầm có thể được phân loại dựa vào đường đi của dòng chảy bao gồm dòng chảy ngang và dòng chảy đứng Trong đó, dòng chảy đứng có thể phân ra gồm dòng chảy từ trên xuống và từ dưới lên dựa trên nước thải được đưa vào hệ thống trên bề mặt hay từ dưới đáy

1.2.2.1 Hệ thống dòng chảy ngang (Horizontal Flow System, HF)

Hình 1.5: Sơ đồ mô tả bãi lọc ngầm dòng chảy ngang (theo Le, 2003)

Sơ đồ biểu diễn thiết kế đặc trưng cho bãi lọc ngầm dòng chảy ngang với nước thải được đưa vào từ một phía, chảy chậm qua môi trường rỗng dưới bề mặt theo hướng ngang của dòng chảy chính và hội tụ tại cấu trúc điều chỉnh mực nước

13   

tại đầu ra trước khi rời khỏi hệ thống Suốt hành trình này, nước thải sẽ đi qua các khu vực hiếu khí, kỵ khí và cả hiếm khí Khu vực hiếu khí tập trung xung quanh rễ

và thân rễ của thực vật thủy sinh, nơi giải phóng khí oxy vào môi trường nền (Brix,1987 và Cooper, 1996).[17]

Ở châu Âu, HF thường được gọi là hệ thống “Red beds”, còn ở Anh gọi là

“Red bed treatment system” do sậy thường được sử dụng trong hệ thống này Ở Mỹ,

hệ thống này được sử dụng với tên gọi “Vegetated Submerged Bed”, nhưng tên gọi này lại là tập hợp các hệ thống trồng thực vật chìm, cho nên tên gọi này ít phổ biến (theo Jan Vymazal và Lenka Kropfelova)

Hợp chất hữu cơ được loại bỏ nhờ quá trình phân hủy hiếu khí cũng như là

kỵ khí do các vi sinh vật dính bám vào bộ phận dưới đất của thực vật (như rễ và thân rễ) và bề mặt vật liệu Oxy cần thiết cho quá trình phân hủy hiếu khí được cung cấp trực tiếp từ không khí thông qua quá trình khuếch tán hay oxy thoát ra từ rễ và thân rễ thực vật Tuy nhiên, nhiều nghiên cứu cho rằng khả năng vận chuyển oxy của lau sậy không đủ để đảm bảo quá trình phân hủy hiếu khí trong vùng rễ, do đó phân hủy kỵ khí và hiếm khí giữ vai trò hết sức quan trọng trong bãi lọc ngầm dòng chảy ngang (theo Brix, 1990; Vymazal và Lenka Kropfelova, 2006)

Sự tồn tại của giao diện ngầm giữa khí và nước làm cho quá trình lắng đọng của hệ thống HF khác nhiều so với hệ thống FWS Sinh khối thực vật và lớp thảm mục trên bề mặt không tiếp xúc được nước thải di chuyển trong các khe hở bên dưới Cho nên, nhiều quá trình xử lý các hạt tập trung ở khe rỗng chứa nước bên dưới, các hạt thường lắng đọng vào các túi chứa nước nhỏ hay là được lọc do dòng chảy chậm trong môi trường kín

Cơ chế loại bỏ nitơ: là các phản ứng nitrat hóa/phản nitrat (Vymazal, 2007) Tuy nhiên, quá trình đo thực nghiệm cho thấy rằng oxy giải phóng từ vùng rễ của bãi lọc ngầm dòng chảy ngang không đủ để quá trình nitrat hóa diễn ra hoàn toàn Đây là nguyên nhân chính làm cho hiệu suất xử lý nitơ ở bãi lọc ngầm dòng chảy

ngang tương đối thấp (Vymazal, 2007) Bay hơi, hấp phụ và sử dụng bởi thực vật không đáng kể trong loại bỏ nitơ của loại bãi lọc này Nguyên nhân chủ yếu đối với

hệ thống HF là do không có bề mặt thoáng và hoạt động của tảo kém Đồng thời với đất hạt mịn giúp cho quá trình loại bỏ nitơ bằng quá trình hấp thụ tốt hơn đất hạt thô

do hiệu suất trao đổi ion tốt hơn (theo Geller cùng cộng sự, 1990) Tuy nhiên đất hạt mịn không được sử dụng trong hệ thống bãi lọc ngầm dòng chảy ngang do độ dẫn thủy lực kém Do đó, khả năng hấp phụ các vật liệu sử dụng phổ biến như sỏi kích thước trung, đá nhuyễn khá kém Hàm lượng nitơ do thực vật hấp thụ cũng như tăng cường thu hoạch cũng không ảnh hưởng nhiều tới hiệu quả xử lý nitơ

Phospho được loại bỏ chủ yếu nhờ phản ứng trao đổi ligand, trong đó phospho sẽ thay thế nước hoặc nhóm hydroxyl khỏi bề mặt của oxit sắt và nhôm ngậm nước Tuy nhiên, vật liệu dùng trong bãi lọc ngầm dòng chảy ngang không chứa lượng lớn nhôm, sắt hay canxi Do đó, hiệu suất xử lý phospho tương đối thấp, các nghiên cứu cho thấy hàm lượng nitơ và phospho loại bỏ thông qua thực vật định

ký chiếm tỷ lệ tương đối thấp Xử lý phospho do cơ chế hấp thụ của thực vật khá giới hạn ở khu vực hàn đới và ôn đới do chế độ thu hoạch không cho phép thu hoạch suốt thời gian thực vật thủy sinh chưa gặt có chất dinh dưỡng tối đa vào mùa

hè Tuy nhiên, cơ chế này lại đóng vai trò khá quan trọng trong xử lý các chất dinh dưỡng ở khu vực nhiệt đới và cận nhiệt đới, vì sinh trưởng theo mùa và sự di chuyển chất dinh dưỡng giữa bộ phân phía trên và phía dưới đất không đáng kể

Cơ chế loại bỏ vi sinh thông qua tổng hợp các yếu tố vật lý, hóa học và sinh học (theo Pundsack cùng cộng sự, 2001) Các yếu tố vật lý bao gồm chủ yếu là lọc

và hấp thụ Các yếu tố hóa học và sinh học như oxy hóa, phơi nhiễm các hóa chất diệt vi sinh tiết ra từ thực vật thủy sinh, hoạt động kháng khuẩn của dịch tiết ra từ rễ hay bị sử dụng làm con mồi bởi giun và sinh vật đơn bào, hoạt động của vi khuẩn

và virus phân hủy, lưu giữa trên màng sinh học và quá trình chết tự nhiên (theo Neori cùng cộng sự, 2007) [17]

15   

Bảng 1.2: Ưu điểm và khuyết điểm của bãi lọc ngầm dòng chảy ngang

Ưu điểm Khuyết điểm

- Cần diện tích ít hơn so với FWS

- Hiệu quả xử lý BOD, SS và vi sinh vật gây

- Chi phí đầu tư ban đầu

- Quá trình chuyển hóa chất

ô nhiễm diễn ra chậm

- Chịu sự chi phối của điều kiện khí hậu địa phương

1.2.2.2 Hệ thống dòng chảy đứng (Vertical Subsurface Flow System)

Dạng cổ điển của bãi lọc ngầm dòng chảy đứng là của Seidel ở Đức trong những thập niên 70 của thế kỷ XX Hệ thống tương tự ở Hà Lan gọi là “Cánh đồng lọc” (theo Greiner và De Jong, 1984) Sau một thời gian bị lãng quên, đến những thập niên cuối hệ thống này được cải tiến và phát triển trở lại do nhu cầu tạo các bể nitrat hóa Cấu trúc điển hình của hệ thống bãi lọc ngầm dòng chảy đứng như sau:

Hình 1.6: Cấu trúc điển hình của bãi lọc ngầm dòng chảy thẳng đứng từ trên xuống

(theo Cooper cùng cộng sự, 1996)

Bãi lọc ngầm dòng chảy đứng gồm lớp đáy phẳng là cuội sỏi có kích thước hạt khác nhau bên dưới và lớp cát trên bề mặt trồng cây Bãi lọc ngầm dòng chảy đứng được nạp nước thải không liên tục với lưu lượng lớn nên gây ứ đọng ở bề mặt Nước thải dần dần thấm xuống lớp vật liệu và được thu gom bằng hệ thống thoát nước dưới đáy Nước thoát qua các vật liệu hoàn toàn tự do tạo điều kiện cho không khi tái lấp đầy lớp vật liệu Với loại tải nạp này sẽ giúp cho quá trình trao đổi oxy diễn ra thuận lợi và do đó có khả năng nitrat hóa (theo Cooper cùng cộng

sự, 1996) Sự khuếch tán oxy từ không khí đóng góp cho phần lớn quá trình oxy hóa vật liệu lọc hơn là sự vận chuyển oxy qua hệ thống mô khí của thực vật thủy sinh Vai trò chủ yếu của thực vật trong bãi lọc ngầm dòng chảy đứng là duy trì độ dẫn thủy lực của lớp vật liệu

Những yếu tố quan trọng trong thiết kế bãi lọc ngầm dòng chảy đứng (theo Cooper cùng cộng sự, 2005):

- Tạo nền vật liệu lọc cho phép nước thải thấm qua vật liệu trước lần tải nạp kế tiếp đồng thời giữ nước trong khoảng thời gian vừa đủ để nước thải tiếp xúc với

vi sinh vật phát triển trong môi trường

- Bề mặt tiết diện đủ để giúp quá trình vận chuyển oxy và để vi sinh vật phát triển

Các quá trình xử lý của hệ thống bãi lọc ngầm dòng chảy đứng tương tự như bãi lọc ngầm dòng chảy ngang Tuy nhiên, trong lớp vật liệu của hệ thống bãi lọc ngầm dòng chảy đứng hiếu khí hơn là lớp vật liệu dòng chảy ngang, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nitrat hóa cũng như là loại bỏ BOD Mặt khác, hệ thống dòng chảy đứng ít diễn ra quá trình phản nitrat Riêng đối với SS thì hiệu suất xử lý kém hơn Với phospho, hiệu quá xử lý phụ thuộc vào loại vật liệu lọc được sử dụng

có thể gắn kết phosphate vào vật liệu (Apatite, Calcite, hạt xỉ lò hơi hay quặng sắt)

17   

Bãi lọc ngầm dòng chảy đứng khá hiệu quả trong việc xử lý hợp chất hữu cơ (COD và BOD) và SS Hiệu suất loại bỏ N-NH3 khá cao so với hệ thống FWS và

HF nhờ điều kiện oxy hóa tốt của lớp vật liệu lọc do chế độ tải nạp không liên tục Tuy nhiên, hiệu quả xử lý nitơ tổng tương đương với hệ thống FWS và HF do ít khả năng diễn ra quá trình phản nitrat Tương tư với phospho, hiệu suất xử lý phospho như FWS và HF, có thể nâng cao hiệu quả xử lý bằng cách sử dụng các vật liệu lọc

có khả năng hấp phụ cao

Nhiều nghiên cứu cho thấy việc sử dụng bãi lọc ngầm dòng chảy ngang để

xử lý nước rỉ rác hay một số loại nước thải có nồng độ chất hữu cơ cao đạt hiệu suất khá cao Theo báo cáo của Rafidah (2003) thì khả năng loại bỏ ô nhiễm của bãi lọc ngầm dòng chảy đứng là BOD (98%), COD (95%), Fe (95%), Zn (90%), Mn (91%) Và so sánh những chỉ tiêu ứng này đối với FWS sẽ thấy được khả năng xử

lý của bãi lọc ngầm dòng chảy đứng tốt hơn khá nhiều BOD (74.07%), COD (62.2%), Fe (89%), Zn (90%), Mn (89%) (Song cùng cộng sự, 2006)

Vào thế kỷ thứ XIX, hệ thống đất ngập nước dòng chảy đứng tuần hoàn được phát triển khá rộng rãi Hệ thống này gồm bơm nước thải tới và lui giữa hai hồ cạnh nhau, nghĩa là mỗi hồ một phần được thoát nước ra và một phần tải nạp vào trong một chu kỳ, thiết kế này giúp kiểm soát độ thoáng khí và phơi nhiễm màng sinh học đối với oxy không khí Hệ thống này được áp dụng thành công trong xử lý nước thải sinh hoạt, công nghiệp cũng như nông nghiệp (theo Behrends cùng cộng sự, 2001)

Bảng 1.3: Ưu điểm và khuyết điểm của bãi lọc ngầm dòng chảy đứng

Ưu điểm Khuyết điểm

ƒ Không thu hút muỗi như hệ thống

dòng chảy mặt

ƒ Ít tắc nghẽn hơn so với bãi lọc ngầm

ƒ Yêu cầu kỹ thuật cao, đặc biệt là hệ thống phân phối nước khá phức tạp

dòng chảy ngang

ƒ Yêu cầu diện tích ít hơn FSW và HF

ƒ Hiệu quả xử lý BOD, SS và vi sinh

vật khá cao, đặc biệt là kim loại nặng

ƒ Tận dụng được vật liệu sẵn có

ƒ Chi phí vận hành thấp

ƒ Tận thu được sinh khối thực vật sau

xử lý

ƒ Chi phí đầu tư ban đầu

ƒ Quá trình chuyển hóa chất ô nhiễm diễn ra chậm so với các phương pháp dùng vi sinh

ƒ Chịu sự chi phối, ảnh hưởng của điều kiện khí hậu

1.3.Thực vật đất ngập nước

Bên cạnh việc lựa chọn loại hình đất ngập nước nhân tạo để xử lý nước thải thì lựa chọn thực vật trồng trong đất ngập nước nhân tạo là một công việc khá quan trọng Nó quyết định một phần sự thành công của hệ thống xử lý nước thải loại bãi lọc Ở Việt Nam, một đất nước có khí hậu cận nhiệt đới với rất nhiều sông hồ, và cả những hệ sinh thái ngập nước phong phú, chính điều này đã nói lên được phần nào

về sự đa dạng về chủng loại thực vật đất ngập nước cũng như về số lượng của chúng Đặc biệt ở khu vực Nam bộ thì thực vật ngập nước tồn tại và sống được ở nhiều nơi với những điều kiện khắc nghiệt Nhìn chung, thực vật đất ngập nước phong phú mấy thì cũng được chia thành ba loại như sau: thực vật trôi nổi tự do (Floating), thực vật chìm trong nước (Submerged), thực vật ngập nước có thân nhô lên trên mặt nước (Emergent)

19   

Hình 1.7: Các loại thực vật ngập nước

1.3 1.Thực vật thân nổi trên mặt nước (Emergent)

Thực vật thân nổi trên mặt nước là thực vật chiếm ưu thế trong hệ thống đất ngập nước, chúng phát triển mạnh ở độ sâu 0.5 – 1.5 m Nhìn chung, nhóm thực vật này có thân và lá tiếp xúc với không khí cùng với hệ thống rễ lan rộng (theo Brix và Schierup, 1989) Đặc biệt, thân và lá tiếp xúc không khí của thực vật thân nổi có đặc điểm hình thái và vật lý tương tự như thực vật trên cạn Vách tế bào với cấu trúc cellulose dày giúp thân cây vững chắc

Hệ thống rễ của nhóm thực vật thân nổi phát triển trong bùn yếm khí thường xuyên nên phải nhận oxy từ các cơ quan tiếp xúc với không khí để sinh trưởng Tương tự, lá non lúc còn dưới nước có khả năng hô hấp yếm khí trong một thời gian ngắn cho đến khi tiếp xúc với môi trường không khí bên trên, bởi nồng độ oxy trong nước rất thấp Khi lá non đủ lớn, nổi trên mặt nước và tiếp xúc với không khí, thì các kênh dẫn khí và lỗ rỗng bên trong tế bào sẽ tăng dần kích thước, nhằm thúc đẩy quá trình trao đổi khí giữa các mô rễ và môi trường khí bên trên Về mặt hình thái nhóm thực vật này có khả năng thích nghi với môi trường ngập nước là nhờ khoảng không chứa khí bên trong đủ lớn giúp cho sự vận chuyển oxy đến rễ và thân rễ

Đồng thời, một phần lượng oxy thoát vào môi trường xung quanh thân rễ, tạo điều kiện oxy hóa trong môi trường yếm khí, thúc đẩy quá trình phân hủy chất hữu cơ và phát triển của vi sinh vật nitrat hóa (Brix và Schierup, 1989)

Ví dụ một số loài thực vật thân nổi như Acorus calamus, Typha spp (Cỏ nến), Canna Generalis(Ngãi hoa), Cyperus Alternifolius (Thủy trúc) …

lá chỉ gồm ít lớp tế bào và gia tăng số lượng lục lạp trong mô biểu bì (theo Wetzel, 2001)

21   

Hình 1.9: Rong đuôi chó (Ceratophyllum submersum)

Cơ chế hấp thụ phospho: tốc độ hấp thu phospho tỷ lệ thuận và phụ thuộc vào nồng độ trong nước Hàm lượng lớn phospho (khoảng vài mg/L) được đồng hóa nhanh cho đến khi nồng độ trong nước giảm xuống khoảng 10µg/L Tuy nhiên, trong các nghiên cứu trên thực vật này rất khó phân biệt được giữa lượng phospho chủ yếu bị hấp thụ hay gắn kết bởi thực vật bám quanh rễ hay do hấp thụ của thực vật chìm (theo Wetzel, 2001)

Cơ chế hấp thụ nitơ: tốc độ hấp thụ nitrat bởi lá của một vài loại thực vật chìm tương đối thấp so với tốc độ hấp thu ammoniac, đặc biệt ở pH cao (Madsen

và Baattrup – Pedersen, 1995)

Đa số thực vật chìm chủ yếu sử dụng CO2 làm nguồn carbon, tuy nhiên một

số loài còn có khả năng sử dụng HCO3- ngay trong điều kiện tự nhiên (Maberly và Spence, 1989)

Ví dụ một số loài thực vật chìm như: Cacomba caroliniana, Ceretophyllum spp, Najas spp, Potamogeton spp…

1.3.3 Thực vật trôi nổi

Hiện nay, có nhiều vấn đề xung quanh về loại thực vật trôi nổi này Có ý kiến cho rằng thực vật trôi nổi tự do và thực vật nổi bám rễ thân chìm trong nước nên được phân ra thành hai nhóm khác nhau Nhưng trong đề tài này, tạm thời sẽ xếp chúng vào chung nhóm thực vật trôi nổi

23   

Hình 1.11: Bèo tấm (Lemnaceae)

Chúng phân bố giới hạn ở những khu vực nước tĩnh, ít biến động và dòng chảy chậm Nguồn cung cấp dinh dưỡng cho chúng hấp thụ hoàn toàn từ nước, hầu hết loài thực vật này thường được tìm thấy ở những vùng nước giàu muối hòa tan (theo Wetzel, 2001)

Thực vật trôi nổi tự do có ít mô lignin Tính cứng cáp và trôi nổi của lá là nhờ sức trương của tế bào sống và mô thịt lá xốp phát triển (gồm 70% khí toàn thể tích) Tất cả các thực vật trôi nổi dạng khóm hình thành bộ rễ tự nhiên, rễ nhánh và lông biểu bì phát triển tốt, chẳng hạn như hệ thống rễ của lục bình chiếm khoảng 20-50% sinh khối cây (theo Wetzel, 2001)

1.3.3.2 Thực vật nổi bám rễ

Thực vật bám rễ là nhóm cây hạt kín phát triển trên lớp trầm tích đáy ở độ sâu mực nước khoảng 0.5-3m Cơ quan sinh sản của nhóm thực vật này thường nổi trên mặt nước Còn lá thì nổi lơ lửng trên mặt nước với cuống lá dài và dẻo dai Khả năng thích nghi với tác động ở bề mặt dòng chảy (gió và dòng chảy) của thực vật nổi bám rễ hình thành dựa trên hình thái và cấu trúc lá bao gồm lá hướng hình khiên, khỏe, dai, bầu và có bề mặt không thấm nước Mặc dù có các đặc tính thích

nghi này nhưng đa phần nhóm thực vật này chỉ phân bố ở những khu vực ít dòng chảy Nhìn chung thực vật lá nổi có vòng đời rất ngắn, chỉ khoảng 30 ngày

Hình 1.12: Sen (Nelumbo nucifera)

1.4 Đặc trưng của nước rỉ rác

Rác thải được thu gom từ các địa điểm theo một quy trình nhất định và sau

đó được vận chuyện đến bãi chôn lấp hay nhà máy xử lý rác thải Tùy theo đối với từng loại rác thải đặc trưng sẽ có cách xử lý khác nhau và hợp lý

1.4.1 Đặc điểm chung về bãi chôn lấp

Rác thải đô thị bao gồm các các loại rác thải sinh hoạt, công nghiệp và các công sở, đặc biệt là chất thải bệnh viện là nhóm chất thải rắn phổ biến nhất và có xu thế tăng đều cùng sự phát triển của công nghiệp và đời sống Lượng rác thải được thu gom chủ yếu được xử lý bằng kỹ thuật chôn lấp Kỹ thuật chôn lấp là kỹ thuật

cổ điển nhưng với điều kiện vật chất kỹ thuật ở nước ta thì nó trở nên khá phù hợp

vì công nghệ đơn giản không đòi hỏi đầu tư lớn Tuy nhiên, công nghệ chôn lấp đòi hỏi xây dựng bãi, ô chôn lấp chống thấm đúng quy cách, ngoài ra nước rỉ rác phải được thu gom và xử lý để bảo vệ nguồn nước ngầm cũng như nước mặt Bãi chôn lấp chất thải rắn là phương pháp kinh tế nhất và chấp nhận được về mặt kinh tế ở

25   

nhiều nước trên thế giới Quản lý bãi chôn lấp bao gồm việc quy hoạch, thiết kế, vận hành, đóng bãi và kiểm soát bãi chôn lấp

Nhìn chung rác thải được đưa về bãi chôn lấp chưa qua phân loại Các loại nguồn rác thải có khả năng mang theo các hợp chất độc hại như là: các vật liệu sơn, pin thải, thuốc trừ sâu, các hóa chất và rác thải công nghiệp độc hại … có thể mang theo các kim loại nặng và các hợp chất hữu cơ, vô cơ độc hại

Một bãi chôn lấp chất thải rắn hợp vệ sinh cần phải có các đặc tính kỹ thuật

để ngăn chặn được sự lan truyền của các hợp chất độc hai ra môi trường xung quanh Các vật liệu tự nhiên hoặc tổng hợp thường được dùng để lót đáy và thành của bãi để ngăn cản sự xâm nhập của nước rỉ rác vào nguồn nước ngầm và nước mặt xung quanh Có nhiều bãi chôn lấp chất thải rắn trên thế giới sử dụng lót đáy bằng lớp đất sét nén chặt dày khoảng 50cm Cũng có nhiều trường hợp sử dụng lót đáy bằng những tấm nhựa tổng hợp mỏng Tuy nhiên, bất kì lớp lót nào thì cũng bị phá hỏng bởi nước rỉ rác Các tấm lót bằng vật liệu tổng hợp có thể bị phá rách, đặc biệt là trường hợp lắp ráp không đúng quy trình, hoặc có thể mất dần tính năng lót theo thời gian Để tăng cường tính chống chịu nước rác của lớp lót, người ta thường

sử dụng tăng cường nhiều lớp hoặc kết hợp sử dụng vừa vật liệu tự nhiên vừa vật liệu tổng hợp, gọi là lớp lót tổng hợp Để tối thiếu hóa lượng nước rác, sau mỗi ngày đổ rác thải vào bãi chôn lấp phải dùng vật liệu che phủ để che phủ kín bãi Khi bãi đóng cửa, một lớp phủ cuối cùng phải được dùng để phủ kín toàn bộ bãi chôn lấp

Bước đầu tiên xây dựng bãi chôn lấp liên qua đến công tác chuẩn bị tại hiện trường Mạng lưới thoát nước đang có phải thay đổi theo hướng đưa toàn bộ lượng nước mưa và nước mặt ra ngoài khu vực dự kiến xây dựng bãi chôn lấp Việc vạch tuyến lại mạng lưới thoát nước càng đặc biệt quan trọng đối với các vùng thung lũng hẹp có độ dốc cao hoặc các vùng khe núi

Đáy của bãi chôn lấp được thiết kế có độ dốc để thoát nước rỉ rác và lớp lót đáy phải có khả năng chịu thấm Hệ thống thu gom nước rò rỉ được ngay trên lớp đáy của bãi chôn lấp Các rãnh thoát khí có thể được lắp đặt ở đáy của bãi chôn lấp, đặc biệt là các bãi chôn lấp mới có các hợp chất hữu cơ bay hơi

Hình 1.13: Sơ đồ chung của bãi chôn lấp chất thải rắn hợp vệ sinh

Quản lý và xử lý nước rỉ rác là một yếu tố quyết định cho việc thiết kế và vận hành bãi chôn lấp chất thải rắn an toàn Sự phân hủy tự nhiên của rác thải, kết hợp với quá trình thấm của nước mưa kéo theo vô số các hợp chất độc hại chảy xuống lớp đáy của bãi chôn lấp Khí hậu càng ô nhiễm, rủi ro gây ô nhiễm từ bãi chôn lấp cho nguồn nước mặt mặt và nước ngầm càng cao Trên thực tế, cấu trúc địa chất và địa lý cũng có ảnh hưởng rất lớn đến việc lan truyền của nước rác ra môi trường

1.4.2 Quá trình hình thành nước rác

Để xác định lượng nước rác hình thành trong bãi chôn lấp cần phải xem xét các thành phần tham gia vào nước rác Nước rác hay còn gọi là nước rò rỉ rác được tạo thành từ nước mưa, nước bề mặt, nước ngầm ngấm vào bãi rác Nước thấm qua các lớp rác của các ô chôn lấp kéo theo các chất bẩn, chất ô nhiễm có sẵn trong rác hoặc tạo thành do các phản ứng, quá trình hoạt động…chảy vào tầng đất dưới bãi

27   

chôn lấp Nước rò rỉ rác xuất hiện khi nước chảy vào các ô chôn lấp và sau đó nước

có thể thấm vào rác theo một số cách sau đây:

ƒ Nước sẵn có hoặc tự hình thành khi có sự phân hủy các chất hữu cơ có sẵn trong bãi chôn lấp

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

ƒ Nước từ các khu vực chảy qua có thể thấm xuống các ô chôn rác

ƒ Nước mưa rơi xuống khu vực chôn lấp rác trước khi trước khi được phủ đất

và trước khi ô rác được đóng lại

ƒ Nước mưa rơi xuống khu vực bãi chôn lấp sau khi ô rác đầy

Lượng nước đi ra khỏi bãi chôn lấp bao gồm:

ƒ Bốc hơi từ bề mặt bãi rác

ƒ Ngấm xuống tầng nước ngầm

ƒ Tạo thành dòng chảy, chảy vào các dòng nước mặt

Hình 1.14: Sự hình thành nước rỉ rác (Bagghi, 1994)

Lượng nước rác tạo ra được tính bằng tổng lượng nước đi vào bãi chôn lấp trừ đi lượng nước tham gia vào các phản ứng hóa học, lượng nước bay hơi, lượng nước bị giữ lại trong lớp rác Theo tài liệu của Công ty Môi Trường Đô Thị Thành phố Hồ Chí Minh, lượng rác thải bình quân ngày đêm là khoảng 6000 tấn, trong đó

có khoảng 35 tấn chất thủy nguy hại

1.4.3 Đặc trưng của nước rác rò rỉ

Trong quá trình chôn lấp, theo thời gian nước rác liên tục được sinh ra do độ

ẩm tự nhiên của rác, do nước mưa, do các quá trình hóa – sinh…làm các chất thải phân hủy tạo ra một lượng nước rác lớn rò rỉ với nồng độ các chất ô nhiễm hữu cơ cao

Nước rỉ rác là một loại chất lỏng sinh ra từ quá trình phân hủy vi sinh đối với các chất hữu cơ có trong rác thấm qua các lớp rác của ô chôn lấp và kéo theo các chất bẩn dạng lơ lửng, keo và tan từ chất thải rắn Do rác thải có nguồn gốc khác nhau nên đặc trưng của nước rò rỉ phụ thuộc vào nguồn gốc loại rác thải, thành phần rác thải, mùa, điều kiện tự nhiên, khí hậu của khu vực bãi chôn lấp cũng như thời gian lưu trữ nước rác

Thành phần nước rỉ rác khá phức tạp và phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau song nước rác gồm hai phần chính: các chất hữu cơ và các chất vô cơ Trong

đó, sự ô nhiễm của nước rỉ rác chủ yếu là do ô nhiễm các chất hữu cơ

1.4.3.1 Các chất hữu cơ

Phần lớn các chất hữu cơ trong nước rỉ rác là các chất có phân tử lượng lớn như: acid humic (mùn), acid fluvic, các loại tạp chất hữu cơ có nguồn gốc nhân tạo… Các chất hữu cơ này là nguyên nhân gây mùi, gây màu trong nước và đó cũng

là nguyên nhân chính gây nên chỉ số COD rất cao trong nước rỉ rác

Theo nghiên cứu ở Nhật Bản, người ta đã phát hiện ra 190 hợp chất hữu cơ khác nhau có mặt trong nước rỉ rác Trong đó các hợp chất có khối lượng lớn và

29   

quan trọng như: phospho hữu cơ; 1,4 đioxan; phtalat; và bisphenol có mặt ở nồng

độ cao mà chúng có thể có nguồn gốc từ các chất phụ gia trong plastic Tổng hàm lượng carbon hữu cơ cao, trong đó phenol và dẫn xuất của nó là thành phần chính trong hợp chất hữu cơ Ngoài ra còn có một số chất thải độc hại dùng trong công nghiệp, đây là nguồn chính gây ra độc tính của nước rỉ rác

Nitơ tồn tại trong nước rỉ rác dưới các dạng khác nhau như: nitrat, nitrit, amoni và các dạng hữu cơ Quá trình chôn lấp thực chất là quá trình vi sinh yếm khí Do vậy, trong nước rác rò rỉ nitơ chủ yếu tồn tại ở dạng NH4+ Nồng độ của chúng cũng thay đổi theo thời gian lưu của nước rác, với nước rỉ rác của bãi rác già nồng độ amoni thường cao

Theo nhiều nghiên cứu, nồng độ nitơ trong nước rác tồn tại ở dạng amoni và dạng hữu cơ (TKN) có giá trị khác nhau Chẳng hạn TKN có giá trị 10-800 mg/L (Tchobanoglous và cộng sự, 1993), 50-500 mg/L (Holh và cộng sự, 1992), nồng độ trung bình N-NH4 là 965 mg/L (Wolh và cộng sự, 1992) Điều đó chứng tỏ N-NH4

chiếm một lượng lớn trong tổng lượng nitơ có trong nước rỉ rác

Phospho tồn tại trong nước rỉ rác dưới dạng orthophotphat, polyphotphat và các loại hợp chất hữu cơ khác Chúng có nguồn gốc từ các chất tẩy rửa và các phế thải nông nghiệp Tuy nhiên, nồng độ của chúng thường không cao trong nước rỉ rác và vấn đề xử lý chúng cũng ít được quan tâm Thành phần của nước rác thay đổi theo các giai đoạn khác nhau của quá trình phân hủy sinh học Sau giai đoạn hiếu

khí ngắn (một vài tuần), tiếp đến là giai đoạn phân hủy: giai đoạn phân hủy yếm khí tùy tiện tạo ra acid và giai đoạn phân hủy yếm khí tuyệt đối tạo ra khí metan (CH4) Trong giai đoạn tạo acid các hợp chất đơn giản được hình thành như các acid béo, amino acid và cacboxylic acid Giai đoạn acid có thể kéo dài vài năm sau khi chôn lấp, đặc trưng của nước rỉ rác giai đoạn này là:

ƒ Nồng độ các acid béo dễ bay hơi

ƒ Nồng độ các acid béo dễ bay hơi thấp

ƒ pH trung tính hoặc kiềm tính

31   

Bảng 1.4: Các số liệu tiêu biểu về thành phần và tính chất nước rỉ rác ở bãi chôn

lấp mới và lâu năm 

Nguồn : Tchobanoglous et al, 1993

Xét về khía cạnh môi trường, nước rỉ rác bao gồm ba nhóm gây ô nhiễm chính sau đây:

33   

Bảng 1.5 : Đặc trưng thành phần nước rỉ rác trong giai đoạn phân hủy`

Giai đoạn tao mêtan

(trung bình 6,1)

7,5-9,0 (trung bình 8,0)

BOD5 mg/L

4.000-40.000 (trung bình 13.000)

(trung bình 180)

COD mg/L

6.000-60.000 (trung bình 13.000)

50-5.000 (trung bình 1.250)

0,1-30 (trung bình 6)

(trung bình 500)

10-420 (trung bình 80)

(trung bình 1.200)

20-600 (trung bình 60)

Mg mg/L 50-1.150

(trung bình 470)

40-350 (trung bình 180)

(trung bình 780)

3-280 (trung bình 15)

(trung bình 0,5)

0,03-45 (trung bình 0,7)

(trung bình 5)

0,03-4 (trung bình 0,6)

Cl mg/L

100-5.000 (trung bình 2.100)

Na mg/L

50-4.000 (trung bình 1.350)

K mg/L

10-2.500 (trung bình 1.100)

Pb mg/L

8-1.020 (trung bình 90)

Cd mg/L

0,5-140 (trung bình 6)

35   

I Thủy phân và pha acid hóa

II Pha ban đầu phát sinh metan

III Pha ổn định metan

IV Pha giảm nhẹ

V Pha cuối

Hình 1.15 : Sự biến đổi BOD 5 và COD theo thời gian (McBean, E.A., 1999)

1.5 Cây môn nước

Tên khoa học : (Colocasia esculenta)

Tên thông thường : Môn nước (miền Nam), cây ráy (miền Bắc)

Đặc điểm và sự thích nghi của cây môn nước : có màu xanh tươi, cây mọc ở ruộng hay dựa vào bờ nước, có củ, đây là loài thực vật thân mềm, có chiều cao tối

đa khoảng 1.5 m lá láng, phiến không thấm nước vì lông mịn như nhung, mo vàng, buồng nở thơm mùi đu đủ Noãn sào đính phôi trắc mô, nhiều tiểu noãn, phì quả chín màu vàng Việc tăng trưởng của cây thuận lợi ở nơi có đầy đủ ánh sáng mặt trời tuy nhiên cây vẫn có thể chịu đựng được dưới một số nơi có bóng tối Đặc biệt cây có thể trồng ngập chìm trong nước Cây sống được cả trên cạn và dưới nước Môn nước xuất hiện phổ biến ở những nơi có dòng nước chứa nhiều chất hữu cơ [7]

Phân Bố Địa Lý Và Sinh Thái: thích hợp ở các khu vực nhiệt đới gió mùa, các ao hồ, kênh rạch mà nước ít bị xáo trộn

Cây môn nước sống thích nghi tốt với những môi trường nước có hàm lượng chất hữu cơ cao

Ứng dụng của cây môn nước: Cây môn nước thường được sử dụng làm thức

ăn chăn nuôi, thực phẩm, cảnh quan

1.6 Ứng dụng đất ngập nước nhân tạo trong xử lý nước thải

1.6.1 Trên thế giới

Đề tài “Nghiên cứu khả năng loại bỏ các chất dinh dưỡng trong nước thải chăn nuôi bằng bãi lọc ngầm dòng chảy thẳng đứng ở Brazil” của nhóm tác giả Sezerino PH, Reginatto V, Santos MA, Kayser K, Kunst S, Philippi LS và Soares

HM (2003) triển khai tại bang Santa Catarina, nơi có hoạt động chăn nuôi heo phát triển nhất khu vực Nam Mỹ Hệ thống xử lý tại đây xử lý chất hữu cơ khá hiệu quả nhưng nồng độ N và P còn khá cao Do đó, nhóm tác giả tiến hành xử lý nước thải sau hệ thống bằng bãi lọc ngầm dòng chảy thẳng đứng trồng cây cỏ nến Thí nghiệm tiến hành ở trang trại nuôi 45000 con gia súc Kết quả cho thấy hiệu quả xử

lý COD 33%, N 45%, P 45% với tốc độ tải nạp 1.36g/m2/ngày

37   

Đề tài “Nghiên cứu về hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt bằng bãi lọc ngầm

dòng chảy ngang” của Song và cộng sự (2006) ở Malaysia đã cho thấy được hiệu

suất xử lý các chất dinh dưỡng trong nước khá tốt : SS (71.8%), BOD5 (70.4%), COD (62.2%), tổng coliform (99.7%) và fecal coliform (99.6%)

Một nghiên cứu khác của Thien (2005) tại Malaysia về : Xử lý nước rỉ rác bằng FWS với thực vật là cây lục bình Nước rỉ rác ở đây được pha loãng lần lượt là 50% và 100% Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả xử lý BOD (74.07%), Fe (100%)

1.6.2 Việt Nam

Đề tài “Xử lý nước thải bằng lục bình” (2003) của nhóm tác giả Lê Hoàng Việt và Nguyễn Xuân Hoàng triển khai nhằm đánh giá hiệu quả xử lý của lục bình đối với nước thải chăn nuôi thô và sau biogas Kết quả nghiên cứu cho thấy, lục bình có năng xuất sinh khối lớn và khả năng xử lý nước thải chăn nuôi hiệu quả Khối lượng lục bình tươi được sản xuất có thể lên tới 470 – 488 tấn/ha/năm ở ao nước thải thô và 627 tấn/ha/năm ở ao nước thải sau biogas Đồng thời tải lượng nạp chất hữu cơ thấp (5.2 – 7.1 kg/ha/năm) nước thải sau khi xử lý đạt tiêu chuẩn nước thải loại A (theo QCVN 25 – 2009/BTNMT)

Đề tài “Xử lý nước thải các ao nuôi cá nước ngọt bằng đất ngập nước kiến tạo” của Lê Tuấn Anh – Đại học Cần Thơ đã loại trừ hầu hết các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt và ao nuôi cá một cách có ý nghĩa Chất lượng nước đầu ra xuống mức cho phép thải trở lại nguồn theo tiêu chuẩn Việt Nam hoặc có thể tái sử dụng trong nuôi cá và sinh hoạt Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất xử lý BOD (85.65%), COD (89.27%), TKN (85.50%), TSS (96.77%), Ecoli (99.96%)

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1.Thời gian và địa điểm thí nghiệm

Mô hình thí nghiệm được tiến hành từ 9/08/2013 đến 25/08/2013 được đặt tại nhà thuộc quận Gò Vấp, thành Phố Hồ Chí Minh và mô hình được đặt ngoài trời gần giống với điều kiện thực tế trong môi trường tự nhiên

Cây môn nước được chọn từ lưu vực Sông Sài Gòn gần nhà Mô hình chạy thử nghiệm từ ngày 01/9/2013 đến 20/9/2013 và giai đoạn thí nghiệm của mô hình được tiến hành từ ngày 21/09 đến 12/11/2013

Trong giai đoạn chạy thử nghiệm nước rỉ rác được pha loãng 6 lần và sau đó nước rỉ rác khi lấy về sẽ được pha loãng 3 lần do nồng độ BOD, COD cũng như các chỉ tiêu khác quá cao so với tiêu chuẩn cho phép Vì vậy, cần phải pha loãng để thích hợp cho việc chạy mô hình  

2.2 Nội dung nghiên cứu

2.2.1 Thiết kế mô hình pilot

Thiết kế ba mô hình pilot của bãi lọc ngầm trồng cây:

• Bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy thẳng đứng (dựa trên nghiên cứu của Cooper cùng cộng sự, 1996)

Cấu trúc bãi lọc ngầm dòng chảy đứng được sử dụng trong mô hình : bãi lọc ngầm dòng chảy đứng sử dụng trong mô hình với chiều rộng bể dài 80 cm, chiều dài bể 100 cm với tổng chiều cao là 120 cm Trong đó gồm 4 lớp : lớp 1có bề dày 15cm (đá đường kính 30 – 60 mm), lớp 2 có bề dày 15 cm (sỏi đường kính 12-15mm), lớp 3 có bề dày 20 cm (đá dăm đường kính cỡ 6mm), lớp 4 có bề dày 30cm (cát mịn) Bãi lọc được thiết kế với ba ống nhựa cứng, đục lỗ, đặt vuông góc đáy bể

và đặt bên trong bể đi xuyên qua các lớp vật liệu và đầu trên cùng cao hơn mặt bể