Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải sinh hoạt trường Đại học Xây dựng Miền Tây

Nghiên cứu mô hình xử lý nước thải sinh hoạt trường Đại học Xây dựng Miền Tây MỤC LỤC i LỜI CẢM ƠN iii TÓM LƯỢC iv ABSTRACT v DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT vi DANH SÁCH BẢNG vii DANH SÁCH HÌNH viii MỞ ĐẦU 1 Chương 1. LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 3 1.1. VAI TRÒ CỦA NƯỚC TRONG TỰ NHIÊN 3 1.2. Ô NHIỄM NƯỚC 3 1.2.1. Khái niệm 3 1.2.2. Các nguyên nhân gây ô nhiễm 3 1.2.3. Các thông số đánh giá chất lượng nước 4 1.3. TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT 8 1.3.1. Khái niệm về nước thải sinh hoạt 8 1.3.2. Thành phần và tính chất của nước thải sinh hoạt 9 1.4. CÁNH ĐỒNG LỌC 10 1.5. BỂ BÙN HOẠT TÍNH 15 11 1.6. THỰC VẬT THỦY SINH TRONG BÃI LỌC TRỒNG CÂY 15 1.6.1. Các loại thực vật thủy sinh chính 15 1.6.2. Cơ chế loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước thải của thực vật thủy sinh 19 1.7. CÂY CẢI XOONG 22 1.8. MỘT SỐ NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 24 Chương 2. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26 2.1. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 26 2.1.1. Mục tiêu nghiên cứu 26 2.1.2. Nội dung nghiên cứu 26 2.1.3. Phạm vi nghiên cứu 26 2.2. ĐỊA ĐIỂM VÀ THỜI GIAN NGHIÊN CỨU 26 2.3. PHƯƠNG TIỆN VÀ VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU 26 2.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27 2.4.1. Bố trí thí nghiệm 27 2.4.2. Xây dựng mô hình 29 2.4.3. Phương pháp tiến hành 29 2.4.4. Các chỉ tiêu phân tích 29 2.4.5. Các phương pháp thu và bảo quản mẫu 29 2.4.6. Các phương pháp phân tích mẫu 30 2.4.7. Phương pháp xử lý số liệu 31 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 32 3.1. Thành phần và tính chất của nước thải (đầu vào) 32 3.2. Hiệu quả xử lý nước thải của hệ thống 33 3.2.1. pH 34 3.2.2. EC 34 3.2.3. DO 35 3.2.4. Nhiệt độ 36 3.2.5. BOD5 37 3.2.6. COD 38 3.2.7. Tổng đạm 39 3.2.8. Tổng lân 40 3.2.9. Coliform 41 Chương 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 43 4.1. KẾT LUẬN 43 4.2. KIẾN NGHỊ 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 PHỤ LỤC 47 Phụ lục 1. Kích thước mô hình 47 Phụ lục 2. Một số hình ảnh hoạt động của nghiên cứu 47

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM LƯỢC iv

ABSTRACT v

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT vi

DANH SÁCH BẢNG vii

DANH SÁCH HÌNH viii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 3

1.1 VAI TRÒ CỦA NƯỚC TRONG TỰ NHIÊN 3

1.2 Ô NHIỄM NƯỚC 3

1.2.1 Khái niệm 3

1.2.2 Các nguyên nhân gây ô nhiễm 3

1.2.3 Các thông số đánh giá chất lượng nước 4

1.3 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT 8

1.3.1 Khái niệm về nước thải sinh hoạt 8

1.3.2 Thành phần và tính chất của nước thải sinh hoạt 9

1.4 CÁNH ĐỒNG LỌC 10

1.5 BỂ BÙN HOẠT TÍNH [15] 11

1.6 THỰC VẬT THỦY SINH TRONG BÃI LỌC TRỒNG CÂY 15

1.6.1 Các loại thực vật thủy sinh chính 15

1.6.2 Cơ chế loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước thải của thực vật thủy sinh 19

1.7 CÂY CẢI XOONG 22

1.8 MỘT SỐ NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 24

Chương 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26

2.1 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 26

2.1.1 Mục tiêu nghiên cứu 26

2.1.2 Nội dung nghiên cứu 26

2.1.3 Phạm vi nghiên cứu 26

2.2 ĐỊA ĐIỂM VÀ THỜI GIAN NGHIÊN CỨU 26

2.3 PHƯƠNG TIỆN VÀ VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU 26

2.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27

2.4.1 Bố trí thí nghiệm 27

2.4.2 Xây dựng mô hình 29

2.4.3 Phương pháp tiến hành 29

2.4.4 Các chỉ tiêu phân tích 29

2.4.5 Các phương pháp thu và bảo quản mẫu 29

2.4.6 Các phương pháp phân tích mẫu 30

2.4.7 Phương pháp xử lý số liệu 31

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 32

3.1 Thành phần và tính chất của nước thải (đầu vào) 32

3.2 Hiệu quả xử lý nước thải của hệ thống 33

3.2.1 pH 34

3.2.2 EC 34

3.2.3 DO 35

3.2.4 Nhiệt độ 36

3.2.5 BOD5 37

3.2.6 COD 38

3.2.7 Tổng đạm 39

3.2.8 Tổng lân 40

3.2.9 Coliform 41

Chương 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 43

4.1 KẾT LUẬN 43

4.2 KIẾN NGHỊ 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 44

PHỤ LỤC 47

Phụ lục 1 Kích thước mô hình 47

Phụ lục 2 Một số hình ảnh hoạt động của nghiên cứu 47

đã nhiệt tình hỗ trợ và giúp nhóm tác giả hoàn thành đề tài.

Cuối cùng xin cảm ơn các Thầy cô trong khoa Kỹ thuật Hạ tầng đô thị đã nhiệttình đóng góp ý kiến để nhóm tác giả hoàn thành đề tài này

NHÓM TÁC GIẢ

TÓM LƯỢC

Đề tài “Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt bằng bể bùn hoạt tính hiếu khí cógiá thể kết hợp với bãi lọc trồng cây” được tiến hành tại khu B Trường Đại học Xâydụng Miền Tây Mục tiêu của nghiên cứu (1) Đề xuất mô hình xử lý nước thải sinhhoạt phù hợp, đáp ứng được tiêu chuẩn xả thải ra môi trường để thiết kế hệ thống xử

lý nước thải cho Trường theo đề án thành lập Trường; (2) Mô hình để phục vụ chocông tác giảng dạy ngành kỹ thuật môi trường; (3) Làm tài tham khảo cho sinh viênchuyên ngành kỹ thuật môi trường và cấp thoát nước; (4) Làm tài liệu tham khảo chocán bộ kỹ thuật làm việc trong lĩnh vực môi trường nghiên cứu và ứng dụng Nghiêncứu được tiến hành bố trí với 02 nghiệm thức và 03 lần lặp lại cho mỗi nghiệm thức.Kết quả chỉ tiêu của nước thải đầu ra của cả hai nghiệm thức với lưu lượng nạp 80lít/ngày thì điều đạt tiêu chuẩn xả thải ra môi trường nguồn loại A (QCVN 14-MT:2008/BTNMT) Hiệu quả xử lý của nghiệm thức 1 và nghiệm thức 2 lần lượt làBOD5 85,98%, 87,88%; COD 86,19%, 88,42%; TN 94,62%, 95,27%; TP 64,57%,77,14%; coliform 82,16%, 96,4% Tóm lại cả hai mô hình xử lý trên đều đạt nguồnloại A (QCVN 14-MT:2008/BTNMT) nên có thể đề xuất ứng dụng cho xử lý nướcthải sinh hoạt sau bể tự hoại Nhưng để tiếp kiệm chi phí chúng ta chỉ cần sử dụng môhình 1 (nghiệm thức 1) để đề xuất cho xử lý nước thải sinh hoạt sau bể tự hoại củacủa Đại học xây dựng Miền Tây hay cho các địa phương tỉnh Vĩnh Long trong tươnglai

Study on title "The treating domestic wastewater system by aerobic activatedsludge tank with tree filtration grounds" was conducted at Zone B of Mien TayConstruction University The aim of this study (1) Propose an appropriate domesticwastewater treatment model; (2) Model to serve for the teaching of environmentalengineering; (3) As a reference for students majoring of environmental engineeringand Water Supply and Sanitation Engineering; (4) As a reference for technical staffworking in the field of research and applied environment The study was conductedwith two treatments and three replicates The result of this system with a loadingcapacity of 80 liters/day fit the discharge standard into the source environment(QCVN 14-MT: 2015/BTNMT) Efficiency of treatment 1 and treatment 2 wereBOD5 85.98%, 87.88%; COD 86.19%, 88.42%; TN 94.62%, 95.27%; TP 64.57%,77.14%; coliform 82.16%, 96.4%, respectively In summary, both of the abovetreatment models have reached class A sources (QCVN 14-MT: 2015/BTNMT), sothey can be applied for treatment of domestic wastewater after septic tanks But inorder to save costs, we only need to use model 1 (treatment 1) to propose treatmentfor domestic wastewater after the septic tank of the Mien Tây construction University

or for places of Vinh Long province in the future

Nhu cầu oxy sinh hoá (Biochemical Oxygen Demand)

Bộ Tài nguyên Môi trườngNhu cầu oxy hoá học (Chemical Oxygen Demand)Oxy hoà tan (Dissolved Oxygen)

Đại học Xây dựng

Độ dẫn điện (Electrical Conductivity)

Quy chuẩn Việt NamTổng nitơ (Total Nitrogen)Tổng phospho (Total Phosphorus)Tổng chất rắn lơ lửng (Total Suspended Solids)Chất rắn lơ lửng (Suspended Solids)

Vi sinh vật

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1.1 Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt [17] 9

Bảng 1.2 Tính chất nước thải sinh hoạt sau bể tự hoại trường ĐHXD Miền Tây 9 Bảng 1.3 Một số thực vật thủy sinh tiêu biểu [11] 18

Bảng 1.4 Vai trò của thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải [11] 19

Bảng 3.1 Kết quả phân tích thành phần và tính chất của nước thải sinh hoạt 32

Bảng 3.2 Kết quả phân tích pH theo thời gian 34

Bảng 3.3 Kết quả phân tích EC theo thời gian 34

Bảng 3.4 Kết quả phân tích DO theo thời gian 35

Bảng 3.5 Kết quả phân tích nhiệt độ theo thời gian 36

Bảng 3.6 Kết quả phân tích BOD 5 theo thời gian 37

Bảng 3.7 Kết quả phân tích COD theo thời gian 38

Bảng 3.8 Kết quả phân tích tổng đạm (TN) theo thời gian 39

Bảng 3.9 Kết quả phân tích tổng lân (TP) theo thời gian 40

Bảng 3.10 Kết quả phân tích coliform theo thời gian 41

DANH SÁCH HÌNH

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí (a, b, c) 13

Hình 1.2 Mối quan hệ cộng sinh giữa thực vật thủy sinh và vi sinh vật 20

Hình 1.3 Chuyển hoá các hợp chất nitơ trong xử lý sinh học 21

Hình 1.4 Cải xoong 23

Hình 2.1 Sơ đồ mô hình bố trí thí nghiệm (nghiệm thức 1) 27

Hình 2.2 Sơ đồ mô hình bố trí thí nghiệm (nghiệm thức 2) 28

Hình 3.1 Biểu đồ hiệu quả loại bỏ EC theo thời gian 35

Hình 3.2 Biểu đồ hiệu quả làm tăng DO theo thời gian 36

Hình 3.3 Biểu đồ hiệu quả loại bỏ BOD 5 theo thời gian 37

Hình 3.4 Biểu đồ hiệu quả loại bỏ COD theo thời gian 39

Hình 3.5 Biểu đồ hiệu quả loại bỏ tổng đạm theo thời gian 40

Hình 3.6 Biểu đồ hiệu quả loại bỏ tổng lân theo thời gian 41

Hình 3.7 Biểu đồ hiệu quả loại bỏ coliform theo thời gian 42

MỞ ĐẦU

Nước là yếu tố cơ bản không thể thiếu trong việc duy trì sự sống và mọi hoạtđộng của con người Nhu cầu sử dụng nước sạch ngày càng tăng do sự gia tăng vềdân số và các hoạt động phát triển kinh tế - xã hội Tuy nhiên, tài nguyên nước là hữuhạn, tình trạng khan hiếm nước xảy ra ngày càng trầm trọng trên thế giới mà nguyênnhân chủ yếu là biến đổi khí hậu và ô nhiễm môi trường nước

Việt Nam luôn khẳng định “nước là tài nguyên đặc biệt quan trọng, là thànhphần thiết yếu của sự sống và môi trường, quyết định sự tồn tại, phát triển bền vữngcủa đất nước” và vì vậy, Chính phủ Việt Nam luôn chú trọng đến các giải pháp bảo

vệ, khai thác và sử dụng hợp lý tài nguyên nước Mặc dù các cấp, các ngành đã cónhiều cố gắng trong việc thực hiện chính sách và pháp luật về bảo vệ môi trường,nhưng tình trạng ô nhiễm nước vẫn còn là vấn đề rất đáng lo ngại Phần lớn nước thảisinh hoạt ở các hộ gia đình, bệnh viện, khách sạn, cơ quan trường học trong đô thị,ven đô và nông thôn đều chưa được xử lý đúng quy cách Nước thải sinh hoạt, đặcbiệt là nước thải sinh hoạt từ các nhà vệ sinh chỉ mới được xử lý sơ bộ tại các bể tựhoại, chất lượng chưa đạt theo Quy chuẩn mà lại được xả ra môi trường đây là nguồngây ô nhiễm môi trường, lan truyền bệnh tật, ảnh hưởng đến sức khỏe của con ngườitrong cộng đồng Kết quả phân tích nước thải sinh hoạt sau bể tự hoại ở Bảng 1.2 chothấy các chỉ tiêu chủ yếu ảnh hưởng đến chất lượng nước như BOD5, TSS, TN vàtổng coliform đều vượt Quy chuẩn xả thải ra môi trường (Cột A, QCVN 14-MT:2008/BTNMT) Do đó nếu không được xử lý trước khi xả ra môi trường là gây ônhiễm môi trường nghiệm trọng Nước bị ô nhiễm nitrát có thể gây ra mối đe dọa chosức khỏe cộng đồng, chẳng hạn như gây ung thư [1], các mô thần kinh và tổn thươngnhận thức [2] Nitrát là một chất có đặc tính ổn định và độ hòa tan trong nước cao, do

đó làm thế nào để loại bỏ nitơ nitrát trong nước một cách hiệu quả và kinh tế đã trởthành một vấn đề Nếu nước chứa NH3 sẽ ảnh hưởng tới cá và các sinh vật hoặc hàmlượng nitrát trong nước cao có thể gây độc hại với người, vì khi vào cơ thể trong điềukiện thích hợp, ở hệ tiêu hóa chúng sẽ chuyển thành nitrít kết hợp với hồng cầu tạothành chất không vận chuyển oxy, gây bệnh xanh xao thiếu máu Vì vậy, việc nghiêncứu và xây dựng hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt đạt chuẩn là một trong những vấn

đề cấp thiết nhất

Hiện nay đã có nhiều nghiên cứu về xử lý nước thải sinh hoạt như: Phạm

Khánh Huy và cộng sự [3] Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng mô hình hồ

thủy sinh nuôi bèo lục bình Trần Thị Việt Nga và cộng sự [4] Nghiên cứu xử lý nước thải đô thị bằng phương pháp sinh học kết hợp màng vi lọc Phạm Hương Quỳnh [5] Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng giá thể vi sinh di động Tuy nhiên, để tìm

ra một công nghệ xử lý nước thải tốt nhất vừa đạt quy chuẩn xả thải ra môi trường,

vừa ôn định và kinh tế là rất khó Từ những lý do trên mà đề tài “Hệ thống xử lý

nước thải sinh hoạt bằng bể bùn hoạt tính hiếu khí có giá thể kết hợp với bãi lọc trồng cây” được thực hiện.

Chương 1 LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU

1.1 VAI TRÒ CỦA NƯỚC TRONG TỰ NHIÊN

Nước bao phủ hơn 70% bề mặt trái đất, hầu hết (hơn 79%) tồn tại ở đại dương,phần rất nhỏ là nước ngọt nhưng không thể đáp ứng hết các nhu cầu sử dụng của conngười Bởi vì, 75% nước ngọt tồn tại ở dạng băng, nhìn chung nước sông ngòi và cáckhu vực nước ngọt ước tính khoảng 0,02% Trên hành tinh chúng ta, nước tồn tại ởdạng nước ngầm và nước thổ nhưỡng chiếm khoảng 0,58%, lượng nước tồn tại ở thểhơi trong khí quyển khoảng 0,001% và chỉ có 0,6% lượng nước sạch sử dụng cho conngười [6]

Nước đóng vai trò rất quan trọng trong việc điều hòa khí hậu và cho sự sốngtrên Trái Đất Nước tham gia vào quá trình tái sinh thế giới hữu cơ Nguồn gốc của sựhình thành và tích luỹ chất hữu cơ sơ sinh là hiện tượng quang hợp được thực hiệndưới tác dụng của năng lượng mặt trời với sự góp phần của nước và không khí Trongquá trình trao đổi chất, nước có vai trò trung tâm Những phản ứng lý, hoá học diễn ravới sự tham gia bắt buộc của nước Nước là dung môi của rất nhiều chất và đóng vaitrò dẫn đường cho các muối đi vào cơ thể [7]

1.2 Ô NHIỄM NƯỚC

1.2.1 Khái niệm

Ô nhiễm nguồn nước là sự biến đổi tính chất vật lý, tính chất hóa học và thànhphần sinh học của nước không phù hợp với tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật cho phép,gây ảnh hưởng xấu đến con người và sinh vật [8]

Sự ô nhiễm nước là hiện tượng những yếu tố bên trong và bên ngoài môitrường nước tác động vào môi trường nước làm thay đổi tính chất tự nhiên của nước.Khi vượt quá giới hạn nào đó, sẽ có ảnh hưởng xấu đến sinh vật và môi trường sốngxung quanh [9]

1.2.2 Các nguyên nhân gây ô nhiễm

- Tự nhiên: Là do mưa, tuyết tan, gió bão, lũ lụt,…Nước mưa rơi xuống mặtđất, mái nhà, đường phố đô thị, khu công nghiệp, kéo theo các chất bẩn xuống sông,

hồ, hoặc các sản phẩm của hoạt động sống của sinh vật, kể cả các xác chết của chúng

- Nhân tạo: Chủ yếu do hoạt động sống của con người nước thải ra từ các vùngdân cư, khu công nghiệp, hoạt động giao thông vận tải, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ vàphân bón trong nông nghiệp,… vào môi trường nước

1.2.3 Các thông số đánh giá chất lượng nước

Những thông số quan trọng cần được xác định khi đánh giá hoặc so sánh chấtlượng nước hay mức độ nước bị ô nhiễm như sau:

1.2.3.1 Chỉ tiêu pH

Chỉ tiêu pH của các loại nước có ảnh hưởng rất lớn đến các quá trình sinh họcxảy ra trong nước (quá trình trao đổi chất, quá trình sinh sản và phát triển của vi sinhvật, động vật và thực vật), ảnh hưởng tới các quá trình vật lý xảy ra trong môi trườngnước (quá trình chuyển màu, quá trình chuyển trạng thái rắn, lỏng khí của vật chất,quá trình hòa tan, kết lắng của vật chất) ảnh hưởng rất mạnh đến tất cả các phản ứnghóa học xảy ra trong môi trường nước

Chỉ tiêu pH của môi trường có ý nghĩa rất lớn tới sự phát triển của vi sinh vật.Các ion H+ và OH- là 2 ion hoạt động lớn nhất trong tất cả các ion, những biến đổi dùnhỏ nồng độ của chúng cũng có ảnh hưởng mạnh mẽ đến vi sinh vật Vì vậy việc xácđịnh pH ban đầu và việc duy trì pH trong quá trình nuôi cấy vi sinh vật là rất quantrọng Độ pH của môi trường không những ảnh hưởng mạnh mẽ đến sinh trưởng màcòn tác động sâu sắc đến các quá trình trao đổi chất của vi sinh vật Giới hạn pH hoạtđộng của vi sinh vật trong khoảng 4 ÷ 10 Đa số vi khuẩn sinh trưởng tốt nhất ở pHtrung tính, các vi khuẩn nitrát hóa, vi khuẩn phân giải urê lại ưa môi trường hơi kiềm[10]

Ảnh hưởng pH của môi trường lên hoạt động sống của vi sinh vật có thể là dokết quả tác động qua lại giữa ion H+ và enzim (kể cả các pecmeaza) chứa trong màngchất nguyên sinh và thành tế bào

Chỉ tiêu pH của nước thải có ý nghĩa quan trọng trong quá trình xử lý, cáccông trình xử lý nước thải áp dụng các quy trình sinh học làm việc tốt khi pH nằmtrong giới hạn từ 7  7,6 Như chúng ta đã biết môi trường thuận lợi nhất để vi khuẩnphát triển là môi trường có pH từ 7  8, các nhóm vi khuẩn khác nhau có giới hạn pHhoạt động khác nhau [11]

Tóm lại, việc đo pH rất cần thiết để điều khiển quá trình lý học, hóa học vàsinh học như đã trình bày ở trên, đồng thời giá trị pH còn cho ta biết thực trạng trước

và sau khi bị tác động tự nhiên, nhân tạo của nước tự nhiên và nước bị ô nhiễm, hoặcdùng thông số này để so sánh các loại nước khác nhau Thông số này được xác địnhbằng những máy đo pH

1.2.3.2 Nhiệt độ

Hoạt động sống của vi khuẩn nói riêng và vi sinh vật nói chung gắn liền vớicác phản ứng hóa học Các phản ứng này xảy ra nhanh hay chậm hoặc xảy ra haykhông lại phụ thuộc vào nhiệt độ Do đó nhiệt độ có ảnh hưởng rất lớn tới quá trìnhsống của vi sinh vật Tế bào của vi sinh vật thu được nhiệt chủ yếu từ môi trường bênngoài, một phần cũng do cơ thể thải ra qua quá trình trao đổi chất [12]

Mỗi loại vi sinh vật chỉ có thể sống và phát triển trong một giới hạn nhiệt độxác định Đa số các loại vi sinh vật có thể sống và phát triển tốt ở nhiệt độ từ 20 

40oC [13]

1.2.3.3 Oxy hòa tan - DO (mg/L)

Nồng độ oxy hòa tan có trong nước chủ yếu do sự quang hợp của tảo, lượngtảo trong ao nhiều thì oxy sẽ tăng cao, tuy nhiên nếu tăng quá mức thì nồng độ oxy sẽgiảm do nhu cầu cần oxy để phân hủy chất hữu cơ tăng Do đó, oxy hoà tan rất quantrọng đối với đời sống của thủy sinh vật đặc biệt là cá, tôm, nếu thiếu oxy quá mức thìsinh vật sẽ chết hàng loạt

Bên cạnh đó oxy hoà tan trong nước cũng tham gia vào quá trình trao đổi chất,duy trì năng lượng cho quá trình phát triển, sinh sản và tái sản xuất cho các vi sinh vậtsống dưới nước Nồng độ oxy hoà tan trong nước giúp ta đánh giá chất lượng nước[14]

Một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của nước là hàm lượng oxy hoà tan,

vì oxy không thể thiếu được đối với tất cả các sinh vật sống trên cạn cũng như dướinước Oxy duy trì quá trình trao đổi chất, sinh ra năng lượng cho sự sinh trưởng, sinhsản và tái sản xuất cho các sinh vật sống dưới nước

Hàm lượng oxy hòa tan trong nước tự nhiên và nước thải, phụ thuộc vào mức

độ ô nhiễm của chất hữu cơ, vào hoạt động của thủy sinh vật, các hoạt động hóa sinh,hóa học và vật lý của nước Trong môi trường nước ô nhiễm, oxy được dùng nhiềucho quá trình hóa sinh và hóa học phân hủy các chất ô nhiễm trong nước, chính vì thếgây nên hiện tượng thiếu oxy trầm trọng

Hàm lượng oxy hoà tan giúp ta đánh giá được chất lượng nguồn nước Khi DOthấp có nghĩa là nước có nhiều chất hữu cơ, nhu cầu oxy hóa tăng nên tiêu thụ nhiềuoxy trong nước Khi DO cao chứng tỏ nước có nhiều rong tảo tham gia quá trìnhquang hợp giải phóng oxy

Các nguồn nước mặt (ao, hồ, sông, ) có mặt thoáng tiếp xúc trực tiếp vớikhông khí nên thường có hàm lượng oxy hòa tan cao Quá trình hô hấp của các loàithủy sinh vật cũng làm thay đổi hàm lượng oxy hòa tan của nước mặt

Trong nước có hàm lượng oxy hòa tan cao, hoạt động của các vi sinh vật hiếukhí được đẩy mạnh, phân hủy chất hữu cơ diễn ra nhanh và tạo ra các sản phẩm cuốicùng ít độc hại

Nitơ hữu cơ + O2 → NO3-.Photpho hữu cơ → PO4-.Ngược lại nồng độ oxy hòa tan thấp thì việc phân hủy chất hữu cơ do vi sinhvật yếm khí thực hiện và sản phẩm tạo ra có mùi hôi và độc:

Nitơ hữu cơ + O2 → NH3

Photpho hữu cơ → PH3.

1.2.3.4 Nhu cầu oxy sinh hóa – BOD (mg/L)

Là lượng oxy cần thiết cho vi khuẩn sống và hoạt động để oxy hóa các chấthữu cơ có trong nước thải

Nhu cầu oxy sinh hóa là chỉ tiêu quan trọng và tiêu dùng để chỉ mức độ nhiễmbẩn của nước thải bằng các chất hữu cơ Trị số BOD đo được cho phép tính toánlượng oxy hòa tan cần thiết để cấp cho các phản ứng sinh hóa của vi khuẩn diễn ratrong quá trình phân hủy hiếu khí các chất hữu cơ có trong nước thải

Có thể mô tả sơ lược việc xác định trị số BOD như sau: Lấy mẫu nước đã bãohòa oxy, đo lượng oxy hòa tan ban đầu trong mẫu (mg), cho 1 lượng nhất định nướcthải vào mẫu khuấy đều thành dung dịch rồi đưa vào tủ nuôi cấy ở nhiệt độ 20 oC, sau

5 ngày, đưa mẫu ra và đo lượng oxy hòa tan còn lại trong mẫu (mg) Lấy hiệu số giữalượng oxy ban đầu và lượng oxy còn lại trong mẫu sau 5 ngày (mg) chia cho thể tíchlượng nước thải cho vào mẫu (L) sẽ được trị số BOD5 biểu thị bằng (mg/L) Thựcnghiệm chỉ ra rằng muốn phân hủy hoàn toàn (> 99,2%) chất hữu cơ có trong nướcthải trong điều kiện hiếu khí tự nhiên, phải để mẫu trong tủ nuôi cấy ở 20 oC trong 20ngày Lượng oxy đã tiêu thụ sau 20 ngày gọi là BOD20 (mg/L) Đối với nước thải sinhhoạt BOD5 thường lấy bằng (0,68 - 0,7) BOD20 [15]

Theo Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về nước thải sinh hoạt QCVN MT:2008/BTNMT giá trị tối đa cho phép của các thông số ô nhiễm trong nước thảisinh hoạt khi thải ra môi trường, BOD5 ≤ 30 (nguồn loại A)

14-1.2.3.5 Nhu cầu oxy hóa học - COD (mg/L)

Là lượng oxy cần thiết để oxy hóa hoàn toàn chất hữu cơ và một phần nhỏ cácchất hữu cơ dễ bị oxy hóa có trong nước thải

Chỉ tiêu nhu cầu oxy hóa BOD5 không đủ để phản ánh khả năng oxy hóa cácchất hữu cơ khó bị oxy hóa và các chất vô cơ có thể bị oxy hóa có trong nước thải,nhất là nước thải công nghiệp Vì vậy, cần phải xác định nhu cầu oxy hóa học (COD)

để oxy hóa hoàn toàn các chất bẩn có trong nước thải Việc xác định COD có thểđược tính hành bằng cách cho chất oxy hóa mạnh vào mẫu nước thải ở điều kiệndung dịch có tính axít Trị số COD luôn luôn lớn hơn trị số BOD5 và tỷ số COD trênBOD luôn thay đổi tùy thuộc vào tính chất của nước thải Tỷ số COD : BOD càngnhỏ thì xử lý sinh học càng dễ [15]

Chỉ số này được dùng rộng rãi để biểu thị hàm lượng chất hữu cơ trong nướcthải và mức ô nhiễm nước tự nhiên COD được định nghĩa là lượng oxy cần thiết choquá trình oxy hóa hóa học các chất hữu cơ có trong nước thành CO2 và H2O

Theo Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về nước thải sinh hoạt QCVN MT:2008/BTNMT giá trị tối đa cho phép của các thông số ô nhiễm trong nước thảisinh hoạt khi thải ra môi trường, COD ≤ 75 (nguồn loại A)

14-1.2.3.6 Tổng đạm - TN (mg/L)

Hợp chất nitơ trong nước tự nhiên là nguồn dinh dưỡng cho các thực vật.Trong nước nitơ có thể tồn tại ở các dạng chính sau:

- Các hợp chất hữu cơ ở dạng protein hay các hợp chất phân rã

- Amoniac và các muối amôn như: NH4OH, NH4NO3, (NH4)2SO4,

- Các hợp chất dưới dạng nitrít NO2-, nitrát NO3-

- Nitơ tự do

Trong nước có thể xảy ra quá trình biến đổi oxy hóa:

Khi phân tích hàm lượng nitơ trong nước ta thấy:

- Nếu nước chứa hầu hết các hợp chất hữu cơ chứa nitơ, amoniac và NH4OHthì chứng tỏ nước mới bị ô nhiễm, NH3 trong nước sẽ ảnh hưởng tới cá và các sinhvật

- Nếu nước chứa chủ yếu là các hợp chất nitơ ở dạng nitrít (NO2-) là nước đã bị

ô nhiễm một thời gian dài hơn

- Nếu nước chứa chủ yếu là các hợp chất nitơ ở dạng nitrát (NO3-) chứng tỏ làquá trình oxy hóa đã kết thúc Tuy vậy, các nitrát (NO3-) chỉ bền ở điều kiện hiếu khí.Trong điều kiện yếm khí chúng nhanh chóng bị khử thành nitơ tự do tách ra khỏinước, loại trừ sự phát triển của tảo và các loại thực vật khác sống dưới nước Nhưnghàm lượng nitrát trong nước khá cao có thể gây độc hại với người, vì khi vào cơ thểtrong điều kiện thích hợp, ở hệ tiêu hóa chúng sẽ chuyển thành nitrít kết hợp với hồngcầu tạo thành chất không vận chuyển oxy, gây bệnh xanh xao thiếu máu

Nitơ và phospho là những nguyên tố chủ yếu và cần thiết cho các sinh vậtnguyên sinh và thực vật phát triển Chúng được biết tới như những chất dinh dưỡnghoặc kích thích sinh học Nitơ tồn tại ở các dạng chủ yếu sau:

Nitơ hữu cơ, nitơ amoniac (N-NH3), nitơ nitrít (N-NO2), nitơ nitrát (N-NO3) vànitơ tự do Vì nitơ là nguyên tố xây dựng tế bào tổng hợp protein nên số liệu về chỉ sốnitơ sẽ rất cần thiết để xác định khả năng xử lý một loại nước thải nào đó bằng cácquá trình sinh học

Chỉ tiêu về hàm lượng nitơ trong nước cũng được xem như là chất chỉ thị tìnhtrạng ô nhiễm của nước vì NH3 là sản phẩm phân hủy các chất chứa protein, xác bãđộng thực vật phù du, sản phẩm bài tiết của động vật hay từ phân bón vô cơ hữu cơ

NH3 được hình thành sẽ hòa tan trong nước tạo thành ion NH4+ Tỉ lệ NH3 và NH4+

Vi khuẩn nitromonasOxy hóa

Vi khuẩn nitrobacterOxy hóa

Khử nitrátKhử nitrít

trong nước phụ thuộc vào nhiệt độ và pH của nước Nước có pH trung tính hay acidthì trong nước chủ yếu tồn tại NH4+ và ngược lại.

Nếu hàm lượng NH4+ trong nước quá thấp thì thực vật thủy sinh không thểphát triển được

NO3- là sản phẩm của quá trình nitrát hoá hay từ nước mưa NO3- là dạng đạmhấp thu dễ dàng nhất, không độc hại đối với thủy sinh vật

Theo Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về nước thải sinh hoạt QCVN MT:2008/BTNMT giá trị tối đa cho phép của các thông số ô nhiễm trong nước thảisinh hoạt khi thải ra môi trường, NO3- (theo N) ≤ 30 mg/L (nguồn loại A)

nổ tảo, làm ảnh hưởng đến chất lượng nguồn nước Ngoài ra, ô nhiễm phosphate hữu

cơ còn gây sự thiếu hụt oxy trầm trọng trong nước (để oxy hóa một hoàn toàn 1mgPhospho hữu cơ cần 160mg oxy)

Phospho tồn tại nhiều trong nước có thể gây nên hiện tượng phú dưỡng làm ônhiễm môi trường nước

Theo Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về nước thải sinh hoạt QCVN MT:2008/BTNMT giá trị tối đa cho phép của các thông số ô nhiễm trong nước thảisinh hoạt khi thải ra môi trường, PO43- (theo P) ≤ 6 mg/L (nguồn loại A)

14-1.3 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI SINH HOẠT

1.3.1 Khái niệm về nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt là nước thải từ các hộ dân cư, các khu thương mại hay các

cơ quan hành chính Nước thải này bao gồm nước tắm giặt, nấu nướng Nước thải này

có lưu lượng biến thiên theo giờ trong ngày, theo thời tiết, theo các thiết bị sử dụngnước và khả năng cấp nước sinh hoạt của cộng đồng đó [11]

Nước thải sinh hoạt là nước cấp, nước thiên nhiên sau khi phục vụ đời sốngcon người như ăn uống, tắm giặt, vệ sinh, giải trí, sản xuất hàng hóa, chăn nuôi,… vànước mưa bị nhiễm bẩn các chất hữu cơ và vô cơ thải ra các hệ thống thu gom và cácnguồn tiếp nhận [16]

1.3.2 Thành phần và tính chất của nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt chứa 50 ÷ 60% chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học, ngoài

ra còn có cả các thành phần vô cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh rất nguy hiểm

Chất hữu cơ chứa trong nước thải sinh hoạt bao gồm các hợp chất như: protein (40 ÷50%); hydratcacbon (40 ÷ 50%) gồm tinh bột, đường và xenlulo; và các chất béo (5 ÷10%) Nồng độ chất hữu cơ trong nước thải sinh hoạt dao động trong khoảng 150 ÷450mg/L theo trọng lượng khô Có khoảng 20 ÷ 40% chất hữu cơ khó phân hủy sinhhọc [17].

Bảng 1.1 Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt [17]

Bảng 1.2 Tính chất nước thải sinh hoạt sau bể tự hoại trường ĐHXD Miền Tây

STT Chỉ tiêu phân tích Đơn vị Kết quả phân

tích

QCVN 14:2008/BTN

Thành phần và tính chất của nước thải sinh hoạt phụ thuộc vào mức độ hoànthiện thiết bị, tình trạng làm việc của mạng lưới, tập quán sinh hoạt và mức sống xãhội của người dân,…

Kết quả phân tích nước thải sinh hoạt sau bể tự hoại ở Bảng 1.2 cho thấy cácchỉ tiêu chủ yếu ảnh hưởng đến chất lượng nước như BOD5, TSS, TN và tổngcoliform đều vượt Quy chuẩn xả thải ra môi trường (Cột A, QCVN 14-MT:2008/BTNMT) Do đó nếu không được xử lý trước khi xả ra môi trường sẽ gây ônhiễm môi trường nghiệm trọng Nước bị ô nhiễm nitrát có thể gây ra mối đe dọa chosức khỏe cộng đồng, chẳng hạn như gây ung thư [1], các mô thần kinh và tổn thươngnhận thức [2] Nitrát là một chất có đặc tính ổn định và độ hòa tan trong nước cao, do

đó làm thế nào để loại bỏ nitơ nitrát trong nước một cách hiệu quả và kinh tế đã trởthành một vấn đề Nếu nước chứa NH3 sẽ ảnh hưởng tới cá và các sinh vật hoặc hàmlượng nitrát trong nước cao có thể gây độc hại với người, vì khi vào cơ thể trong điềukiện thích hợp, ở hệ tiêu hóa chúng sẽ chuyển thành nitrít kết hợp với hồng cầu tạothành chất không vận chuyển oxy, gây bệnh xanh xao thiếu máu

1.4 CÁNH ĐỒNG LỌC

Nước thải có khả năng tự làm sạch qua quá trình thấm rút qua đất cát như làmột phương thức xử lý tự lọc sinh học và hóa lý, được gọi tổng quát là là xử lý nướcthải qua đất Bằng cách xả nước thải sau khi xử lý sơ bộ qua một hào lọc ngầm haymột cánh đồng tưới hay bãi lọc có diện tích tương đối rộng, các chất cặn lơ lửng trongnước sẽ bị giữ lại ở tầng đất mặt Nhờ có oxy và vi khuẩn háo khí mà các hạt chất bẩn

đó được oxy hóa và nước được làm sạch thấm xuống mặt đất Điều kiện quan trọngtrong phương pháp này là phải có lớp đất cát khá đủ dày để lọc, chiều dày tối thiểukhoảng 0,2 ÷ 0,5 m Thực tế cho thấy khả năng xử lý nước thải hữu hiệu diễn ra ở độsâu 1,5m từ mặt đất Sử dụng phương pháp lọc nước thải theo chu kỳ Chu kỳ lọcđược thay đổi bằng chu kỳ thông thoáng với lớp vật liệu lọc Ngoài ra, lượng nướcnày có thể sử dụng để tăng độ ẩm trong lớp thổ nhưỡng và cung cấp một phần dưỡngchất cho cây trồng [18]

Dẫn đến trong bể aeroten lượng bùn hoạt tính tăng dần lên, sau đó được tách ratại bể lắng đợt 2, một phần được quay trở lại đầu bể aeroten để tham gia xử lý nướcthải theo chu trình mới Quá trình cứ tiếp diễn đến khi chất thải cuối cùng không thể

là thức ăn của các vi sinh vật được nữa

Nếu trong nước thải đậm đặc chất hữu cơ khó phân hủy, cần có thời gian đểchuyển hóa thì phần bùn hoạt tính tuần hoàn phải được tách riêng và sục khí oxy chochúng tiêu hóa thức ăn đã hấp thụ Quá trình này gọi là tái sinh bùn hoạt tính Nhưvậy quá trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính bao gồm các giai đoạn sau:

+ Khuấy trộn tạo điều kiện tiếp xúc nước thải với bùn hoạt tính

+ Cung cấp oxy để vi khuẩn và vi sinh vật oxy hóa chất hữu cơ

+ Tách bùn hoạt tính ra khỏi nước thải

+ Tái sinh bùn hoạt tính tuần hoàn và đưa chúng về bể aeroten

Yêu cầu chung về vận hành:

+ Các bể aeroten phải đảm bảo bề mặt tiếp xúc lớn giữa không khí, nước thải

và bùn

+ Không khí được cấp vào nước thải bằng sục khí Lượng không khí cấp vào

bể với cường độ khí nén là 5 m3/m2.h (Quy phạm từ 3 – 8 m3/m2.h) để đảm bảo vậntốc xoay từ 0,25 – 0,3 m/s

+ Nước thải đưa vào DO ≥ 2mg/L, SS ≤ 150mg/L, pH = 6,5 ÷ 9, nhiệt độ 6 ÷

300C, độc tố: giới hạn cho phép, khoáng hòa tan: đầy đủ, BOD (chất hữu cơ dễ bịphân hủy), nồng độ các chất dinh dưỡng khác: đảm bảo

Phân loại bể aeroten:

+ Theo chế độ thủy động lực có: Bể aeroten đẩy, khuấy trộn, trung gian

+ Theo phương pháp tái sinh bùn hoạt tính: Loại có tái sinh tách riêng, loạikhông có tái sinh tách riêng

+ Theo tải lượng bùn: Loại tải trọng cao, trung bình, thấp

+ Theo số bậc: 1 bậc, 2 bậc, nhiều bậc

+ Theo chiều dẫn nước thải vào: Xuôi chiều, ngược chiều

Trong bể bùn hoạt tính hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng, quátrình phân hủy xảy ra khi nước thải tiếp xúc với bùn trong điều kiện sục khí liên tục.Việc sục khí nhằm đảm bảo các yêu cầu cung cấp đủ lượng oxy một cách liên tục vàduy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng Nồng độ oxy hòa tan trong nước ra khỏi bểlắng đợt 2 không được nhỏ hơn 2 mg/L Tốc độ sử dụng oxy hòa tan trong bể bùnhoạt tính phụ thuộc vào:

- Tỷ số giữa lượng thức ăn (chất hữu cơ có trong nước thải) và lượng vi sinhvật: tỷ lệ F/M

- Nhiệt độ.

- Tốc độ sinh trưởng và hoạt độ sinh lý của vi sinh vật

- Nồng độ sản phẩm độc tích tụ trong quá trình trao đổi chất

- Lượng các chất cấu tạo tế bào

- Hàm lượng oxy hòa tan

Để thiết kế và vận hành hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí một cách hiệu quả cầnphải hiểu rõ vai trò quan trọng của quần thể vi sinh vật Các vi sinh vật này sẽ phânhủy các chất hữu cơ có trong nước thải và thu năng lượng để chuyển hóa thành tế bàomới, chỉ một phần chất hữu cơ bị oxy hóa hoàn toàn thành CO2, H2O, NO3-, SO42-,…Một cách tổng quát, vi sinh vật tồn tại trong hệ thống bùn hoạt tính bao gồm:

Pseudomonas, Zoogloea, Achromobacter, Flacobacterium, Nocardia, Bdellovibrio, Mycobacterium và hai loại vi khuẩn nitrate hóa Nitrosomonas và Nitrobacter Thêm

vào đó, nhiều loại vi khuẩn dạng sợi như: Sphaerotilus, Beggiatoa, Thiothrix,

Lecicothrix và Geotrichum cũng tồn tại.

Yêu cầu chung khi vận hành hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí là nước thải đưavào hệ thống cần có hàm lượng SS không vượt quá 150 mg/L, hàm lượng sản phẩmdầu mỏ không quá 25 mg/L, pH = 6,5 – 8,5, nhiệt độ 60C < t0C < 370C Một số sơ

đồ hệ thống bùn hoạt tính sinh trưởng lơ lửng được trình bày trong Hình 1.1

a Quá trình bùn hoạt tính hiếu khí cổ điển với dòng chảy nút

Bể lắng

Máy thổi khí

Bể lắng

b Quá trình bùn hoạt tính hiếu khí khuấy trộn hoàn toàn.

c Sơ đồ bể aerotank nạp theo bậc

Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống bùn hoạt tính hiếu khí (a, b, c)

* Đặc điểm và nguyên lý làm việc của bể aerotank:

Bể aerotank – bể phản ứng sinh học hiếu khí là công trình làm bằng bê tông,

bê tông cốt thép hình chữ nhật hay hình tròn Nước thải chảy suốt qua suốt chiều dàicủa bể và được sục khí, khuấy đảo nhằm tăng cường lượng oxy hòa tan và tăng cườngquá trình oxy hóa chất bẩn hữu cơ có trong nước

Bùn hoạt tính là loại bùn xốp chứa nhiều vi sinh có khả năng oxy hóa vàkhoáng hóa các chất hữu cơ chứa trong nước thải

Để giữ cho bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng và để đảm bảo oxy dùng cho quátrình oxy hóa các hợp chất hữu cơ thì phải luôn luôn đảm bảo việc thoáng gió Sốlượng bùn tuần hoàn và số lượng không khí cần cấp lấy phụ thuộc vào độ ẩm và mức

độ cần yêu cầu của xử lý nước thải

Thời gian lưu nước trong bể aerotank không lâu quá 12 giờ (thường 4 – 8h).Nước thải với bùn hoạt tính sau khi qua bể aerotank cho qua bể lắng Tại đâybùn lắng sẽ được tuần hoàn một phần sang bể aerotank, phần khác dẫn về bể chứabùn

* Quá trình oxy hóa các chất bẩn hữu cơ xảy ra trong aerotank qua ba giaiđoạn:

Giai đoạn 1: Tốc độ oxy hóa bằng tốc độ tiêu thụ oxy Ở giai đoạn này bùnhoạt tính hình thành và phát triển Hàm lượng oxy cần cho vi sinh vật sinh trưởng,đặc biệt thời gian đầu tiên thức ăn dinh dưỡng trong nước thải rất phong phú, lượngsinh khối trong thời gian này rất ít Sau khi vi sinh vật thích nghi với môi trường,chúng sinh trưởng rất mạnh theo cấp số nhân Vì vậy, lượng tiêu thụ tăng cao dần

Giai đoạn 2: Vi sinh vật phát triển ổn định và tốc độ tiêu thụ oxy cũng ở mứcgần như ít thay đổi Chính ở giai đoạn này các chất bẩn hữu cơ bị phân hủy nhiềunhất Hoạt lực enzyme của bùn hoạt tính trong giai đoạn này cũng đạt tới mức cực đại

và kéo dài trong một thời gian tiếp theo Điểm cực đại của enzyme oxy hóa của bùnhoạt tính thường đạt ở thời điểm sau khi lượng bùn hoạt tính tới mức ổn định Qua

xử lýBùn tuần hoàn

Bùn thải

Bể lắng

các thông số hoạt động của aerotank cho thấy ở giai đoạn thứ nhất tốc độ tiêu thụ oxyrất cao, có khi cao gấp 3 lần ở giai đoạn 2

Giai đoạn 3: Sau một thời gian khá dài tốc độ oxy hóa cầm chừng và có chiềuhướng giảm, lại thấy tốc độ tiêu thụ oxy hóa tăng lên Đây là giai đoạn nitrat hóa cácmuối amon

Sau cùng, nhu cầu oxy lại giảm và cần phải kết thúc quá trình làm việc củaaerotank Ở đây cần lưu ý rằng, sau khi oxy hóa được 80 – 95% BOD trong nướcthải, nếu không khuấy đảo hoặc thổi khí, bùn hoạt tính sẽ lắng xuống đáy, cần phảilấy bùn cần ra khỏi nước Nếu không kịp thời tách bùn nước sẽ bị ô nhiễm thứ cấp,nghĩa là sinh khối vi sinh vật trong bùn (chiếm tới 70% khối lượng bùn) sẽ bị tựphân Tế bào vi khuẩn có hàm lượng protein rất cao (60-80% so với chất khô), ngoài

ra còn có các hợp chất chứa chất béo, hydratcacbon, chất khoáng…khi bị tự phân hủy

sẽ làm ô nhiễm nguồn nước

1.6 THỰC VẬT THỦY SINH TRONG BÃI LỌC TRỒNG CÂY

Kể từ khi xuất hiện sự sống trên trái đất, vật chất trong thiên nhiên đượcchuyển hóa theo một chuỗi mắc xích chuyển hóa mới: Chuỗi chuyển hóa vật chấttrong cơ thể các sinh vật

Chuỗi chuyển hóa này được gọi là chuỗi thực phẩm, trong đó thực vật đượccoi như giới sinh vật quan trọng nhất tạo ra những chất hữu cơ từ những chất vô cơnhờ ánh sáng mặt trời Khối lượng các chất hữu cơ được tạo nên quá trình quang hợpnày rất lớn Nếu không có thực vật, quá trình tạo ra chất hữu cơ coi như không tồn tại

và như vậy hệ sinh thái sẽ mất cân bằng [16]

Thực vật thủy sinh là các loài thực vật sinh trưởng trong môi trường nước, nó

có thể gây nên một số bất lợi cho con người do việc phát triển nhanh và phân bố rộngcủa chúng Tuy nhiên lợi dụng chúng để xử lý nước thải, làm phân compost, thức ăncho người, gia súc có thể làm giảm thiểu các bất lợi gây ra bởi chúng mà còn thuthêm được lợi nhuận

1.6.1 Các loại thực vật thủy sinh chính

Tuy không đa dạng như thực vật phát triển trên cạn, nhưng thực vật thủy sinhcũng phát triển rất phong phú ở nhiều khu vực trên trái đất Để tồn tại được trong môitrường nước khác nhau đòi hỏi mỗi loài thực vật phải có sự tiến hóa và tính thích nghirất cao Chính do sự tiến hóa và tính thích nghi này mà các loài thực vật thủy sinh cónhững đặc điểm riêng, khác với thực vật trên cạn

Thực vật sống trên cạn nếu thiếu nước hoặc không có nước sẽ hạn chế sự pháttriển, thậm chí sẽ bị tiêu diệt Đặc điểm này đối với thực vật thủy sinh càng trở nên dễnhận biết Trong trường hợp quá nhiều nước, thực vật sống trên cạn sẽ bị thối rễ vàcũng sẽ chết Trong khi đó, nhiều loài thực vật thủy sinh chỉ có thể sống ngập trongmôi trường nước Tùy theo điều kiện cụ thể mà hình thành nên các nhóm thực vật

thủy sinh Một điểm khác cũng cần lưu ý rằng, không phải tất cả các loài thực vậtthủy sinh đều có thể sử dụng để xử lý môi trường nước Chỉ có ít trong số thực vậtthủy sinh mới có những tính chất phù hợp cho việc xử lý môi trường nước ô nhiễm.

Thực vật thủy sinh được sử dụng để xử lý nước ô nhiễm được chia ra làm 3nhóm lớn [16]

1.6.1.1 Nhóm thực vật thủy sinh sống chìm (sống ngập nước)

Những thực vật sống trong lòng nước (phát triển dưới bề mặt nước) được gọi

là thực vật thủy sinh sống ngập nước Đặc điểm quan trọng của các loài thực vật thủysinh ngập nước là chúng tiến hành quang hợp hay các quá trình trao đổi chất hoàntoàn trong lòng nước

Khi thực vật thủy sinh sống hẳn trong lòng nước, có rất nhiều quá trình xảy rakhông giống như thực vật sống trên cạn Những quá trình đó bao gồm:

* Thứ nhất:

Ánh sáng mặt trời không trực tiếp tác động vào diệp lục có ở lá mà ánh sángmặt trời đi qua một lớp nước Một phần năng lượng của ánh sáng mất đi do sự hấpthụ bởi các chất hữu cơ có trong nước Chính vì thế, phần lớn những thực vật thủysinh sống ngập nước bắt buộc phải thích nghi với điều kiện ánh sáng kiểu này Mặtkhác, ánh sáng mặt trời chỉ có thể đâm xuyên vào nước với mức chiều sâu nhất định.Quá mức độ đó, tác động của ánh sáng sẽ yếu dần đến lúc bị triệt tiêu Điều đó chothấy một thực tế là các loài thực vật ngập nước chỉ có thể sống ở một khoảng chiềusâu nhất định của nước Không có ánh sáng mặt trời xuyên qua thì không có thực vậtphát triển Như vậy, ánh sáng mặt trời đâm xuyên qua vào nước phụ thuộc vào haiyếu tố:

+ Độ đục của nước

+ Chiều sâu của nước

Ánh sáng mặt trời có tác dụng tốt nhất ở chiều sâu của nước là 50 cm trở lại.Chính vì thế, chúng ta thấy phần lớn các thực vật ngập nước phát triển nhiều ở chiềusâu này (tính từ bề mặt nước)

* Thứ hai:

Khí CO2 trong nước không nhiều như CO2 có trong không khí Khả năng CO2

có trong nước thường từ những nguồn sau:

+ Từ quá trình hô hấp của VSV

+ Từ quá trình phản ứng hóa học

+ Từ quá trình hòa tan của không khí

Các quá trình hô hấp thải CO2 thường xảy ra trong điều kiện thiếu oxy Cácphản ứng hóa học chỉ xảy ra trong môi trường nước chứa nhiều cacbonat Khả năng

hòa tan CO2 từ không khí rất hạn chế Chúng chỉ xảy ra ở bề mặt nước và khả năngnày thường giới hạn ở độ dày của nước khoảng 20 cm kể từ bề mặt nước Chính vìnhững hạn chế này mà các loài thực vật thủy sinh thường phải thích nghi hết sứcmạnh với môi trường thiếu CO2 Do đó các loài thực vật thủy sinh này không hiệuquả trong việc làm sạch các chất thải.

lơ lửng trong lòng nước hút chất dinh dưỡng trong nước

Do đó các loài thực vật thủy sinh này không hiệu quả trong việc làm sạch cácchất thải

1.6.1.2 Nhóm thực vật thủy sinh sống trôi nổi

Thực vật này phát triển rất nhiều ở các nước nằm trong vùng nhiệt đới Cácloại thực vật này phát triển trên bề mặt nước, bao gồm hai phần, phần lá và thân mềmnổi trên bề mặt nước Đây là phần nhận ánh sáng mặt trời trực tiếp Phần dưới nước là

rễ, rễ các loài thực vật này là rễ chùm Chúng phát triển trong lòng môi trường nước,nhận các chất dinh dưỡng trong nước và chuyển lên lá, thực hiện các quá trình quanghợp Các loài thực vật trôi nổi phát triển và sinh sản rất mạnh, nhiều khi chúng gây ranhững vấn nạn sinh khối

Nhóm thực vật này bao gồm ba loại sau: Bèo lục bình, bèo tấm, rau diếp nước.Những loại thực vật này nổi trên mặt nước và chúng thường chuyển động trên bề mặtnước theo gió thổi và theo sóng nước hay dòng chảy của nước

Khi thực vật loại này chuyển động sẽ kéo theo rễ của chúng quét trong lòngnước, các chất dinh dưỡng sẽ thường xuyên tiếp xúc với rễ và được hấp thụ qua rễ.Mặt khác, rễ của các loài thực vật này như những giá thể rất tuyệt vời để VSV bámvào đó, phân hủy hay tiến hành quá trình vơ cơ hóa các chất hữu cơ có trong nướcthải So với thực vật ngập nước, thực vật trôi nổi có khả năng xử lý các chất ô nhiễmrất cao

Ở nhiều nước nhiệt đới, các loài thực vật trôi nổi này, đặc biệt là loài lục bìnhphát triển rất nhanh ở các dòng sông Một mặt, lục bình làm giảm khả năng gây ônhiễm của nước, mặt khác chúng làm tắc nghẽn dòng chảy và gây ra hiện tượng ùntắc lưu thông

1.6.1.3 Nhóm thực vật thủy sinh sống nổi

Đây là loài thực vật có rễ bám vào đất và một phần thân ngập trong nước Mộtphần thân và toàn bộ lá của chúng lại nhô hẳn trên bề mặt nước Phần rễ bám vào đấtngập trong nước, nhận các chất dinh dưỡng có trong đất, chuyển chúng lên lá trênmặt nước để tiến hành quá trình quang hợp Thuộc các nhóm này là các loại cỏ nước

và các loài lúa nước Việc làm sạch môi trường nước đối với các loài thực vật này chủyếu ở phần lắng ở đáy lưu vực nước Những chất lơ lửng thường ít hoặc không đượcchuyển hóa Các loại thân cỏ thuộc nhóm này bao gồm: Cỏ đuôi mèo, sậy, cỏ lõi bấc

Các loài thực vật thủy sinh trong quá trình phát triển phụ thuộc vào các điềukiện môi trường nước như sau:

- Nhiệt độ

- Ánh sáng

- Chất dinh dưỡng và cơ chất có trong nước

- pH của nước

- Các chất khí hòa tan trong nước

- Độ mặn (hàm lượng muối) có trong nước

- Các chất độc hại có trong nước

- Dòng chảy của nước

- Sinh thái của nước

Bảng 1.3 Một số thực vật thủy sinh tiêu biểu [11]

Thủy sinh thực vật sống

chìm

Hydrilla Hydrilla verticillata

Water milfoil Myriophyllum spicatum

Thủy sinh thực vật sống

trôi nổi

Bèo tai tượng Pistia stratiotes

Bảng 1.4 Vai trò của thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải [11]

Làm giảm ảnh hưởng của gió lên bề mặt

xử lýLàm giảm sự trao đổi giữa nước và khíquyển

Chuyển oxy từ lá xuống rễ

1.6.2 Cơ chế loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước thải của thực vật thủy sinh

Các loài thực vật thủy sinh thường rất nhạy cảm với pH, chất độc, nồng độ cácchất hữu cơ cao Do đó, trong nước thải chứa nhiều độc tố pH quá kiềm hay quá axitđều ảnh hưởng rất xấu đến sự phát triển của chúng

Ngoài ra, sự phát triển của các loài thực vật thủy sinh tuy nhanh hơn các loàithực vật khác nhưng lại chậm hơn các loài VSV Do đó, nếu so sánh khả năng chuyểnhóa vật chất hóa học có trong nước thải giữa thực vật và VSV thì thực vật thườngchậm hơn rất nhiều Sở dĩ có hiện tượng này là vì ngoài tốc độ sinh trưởng và sinhsản của VSV cao hơn thực vật ra, còn một đặc điểm rất quan trọng khác là tốc độchuyển hóa vật chất một ngày đêm của VSV rất cao Chúng có thể chuyển hóa lượngvật chất gấp hàng ngàn lần khối lượng của chúng Trong khi đó, thực vật chuyển hóalượng vật chất so với khối lượng của chúng thường không cao

Tuy nhiên, các loài thực vật thủy sinh có những ưu điểm rất đặc biệt mà ởVSV không có được, đó là khả năng hấp thụ các kim loại nặng, khả năng ổn định sinhkhối trong điều kiện tự nhiên, khả năng cộng sinh trong môi trường nước và mức độ

dễ dàng trong thu nhận sinh khối thực vật cũng như khả năng sử dụng sinh khối nàytrong nhiều mục đích khác nhau

Theo Lê Hoàng Việt [11], thực vật thủy sinh có thể loại bỏ các chất ô nhiễmtrong nước thải theo các cơ chế sau:

- BOD: Vai trò chính của việc loại bỏ chất hữu cơ là do hoạt động của vi sinhvật, việc hấp thu của thực vật thủy sinh không đáng kể nhưng các thực vật thủy sinhtạo giá bám cho các vi sinh vật thực hiện vai trò của mình

Trong xử lý nước thải, các cặn lắng được phân hủy bởi các vi sinh vật yếmkhí Các chất rắn lơ lửng hoặc hữu cơ hoà tan được loại đi bởi các hoạt động của vi

sinh vật sống lơ lửng trong nước, sống bám vào bùn đáy, sống bám vào thân và rễ củathực vật thủy sinh [19] Như vậy thực vật thủy sinh tạo giá bám để vi sinh vật pháttriển và phân huỷ các chất hữu cơ có trong nước tạo thành chất thực vật thủy sinh dễhấp thu, tăng sinh khối, chất hữu cơ trong nước giảm.Với cơ chế này hiệu quả khửBOD rất cao, có thể đạt 95% [20].

(1) Tạo giá bám cho VSV sống và phát triển.

(2) Nguồn cung cấp oxy cho VSV phân hủy hiếu khí các chất hữu cơ.

Hình 1.2 Mối quan hệ cộng sinh giữa thực vật thủy sinh và vi sinh vật

- Nitơ: Nitơ được loại bỏ bởi các cơ chế sau:

+ Bị hấp thụ bởi thực vật

+ Sự bay hơi của amoniắc

+ Quá trình nitrát hóa và khử nitrát của vi sinh vật

Trong đó, quá trình nitrát hóa và khử nitrát của vi sinh vật đóng vai trò quantrọng trong việc khử nitơ Thực vật cung cấp giá bám cho các vi khuẩn nitrát hóa Đểquá trình này xảy ra tốt thì DO phải ở mức 0,6 ÷ 1,0 mg/L Do đó, độ sâu mà quátrình nitrát hóa có thể xảy ra quan hệ mật thiết với lưu lượng nạp BOD và tốc độchuyển hóa oxy vào nước Quá trình khử nitrát hóa diễn ra trong điều kiện thiếu khí(anoxic) và quá trình này cần phải cung cấp thêm nguồn cacbon cho các vi sinh vậttổng hợp các tế bào của nó và pH phải duy trì ở mức trung tính Tốc độ khử phụthuộc vào:

+ Điều kiện môi trường như: nguồn cacbon, pH, nhiệt độ

+ Diện tích bề mặt của lớp trầm tích dưới đáy ao

+ Khả năng phóng thích N2 tạo ra bởi quá trình khử nitrát vào khí quyển(không bị thực vật giữ lại ở bên dưới lớp thực vật)

(2)

(

các chất hữu cơ

Chất mới TVTS

dễ hấp thu và chuyển hóa

Vi sinh vật

Thực vật

thủy

sinh

(1)

Hình 1.3 Chuyển hoá các hợp chất nitơ trong xử lý sinh học

Qua sơ đồ trên cho thấy NH4 được tạo thành trong quá trình amôn hoá nhờ rấtnhiều loài vi sinh vật, được các loài vi khuẩn sử dụng làm nguồn N dinh dưỡng, đồnghoá để xây dựng tế bào mới, tảo và các thực vật nổi khác cũng dùng nguồn nitơ nàycùng với CO2 và P để tiến hành quang hợp Ngoài ra, lượng NH4+ dư không đượcdùng hết cho việc xây dựng tế bào sẽ được vi khuẩn Nitrosomonas chuyển thànhnitrít (NO2-) và từ nitrít chuyển thành nitrát (NO3-) nhờ vi khuẩn nitrobacter, sau đónhờ các vi khuẩn phản nitrát hoá chuyển thành nitơ phân tử (N2) bay vào không khí

- Chất rắn: Các hạt keo hay các chất rắn không lắng được sẽ bị loại bỏ mộtphần do các cơ chế sau: Các hạt keo bị loại bỏ bởi quá trình hoạt động của vi sinh vật

và bởi sự va chạm và kết dính với các chất rắn khác (bởi nội lực và chuyển độngBrown) Các chất rắn nổi bám vào bề mặt các thực vật và bị phân hủy bởi các hoạtđộng của vi sinh vật hiếu khí Các chất rắn lắng được sẽ lắng xuống đáy ao và bị phânhủy bởi vi sinh vật yếu khí

- Phospho: Phospho trong nước thải được khử đi do các thực vật thủy sinh hấpthu vào cơ thể hay là bị hấp phụ hay kết tủa Trong đó cơ chế khử phospho bằng hiệntượng kết tủa và hấp phụ góp phần quan trọng nhất Tuy nhiên, hiệu suất của quátrình này khó thể tiên đoán được Quá trình hấp phụ và kết tủa phụ thuộc vào các

Nitơ phân tử (N2)

Nitơ hữu cơ (Protein, peptit, axit amin,…), urê

Nitơ trong thành phần tế bào vi khuẩn

Cacbon hữu cơ

Anoxic (thiếu khí)

Tự phân

Nitrat

hoá