Nguyễn Văn Thành Nam Học viên thực hiện: Cao Thị Mỹ Tiên Lớp: DH16NN61 Ngày sinh:15/05/1998 Nơi sinh: Tiền Giang Tên đề tài: Đánh giá khả năng xử lý nitơ trong nước thải chăn nuôi sau bi
TỔNG QUAN
Ô nhiễm nitơ trong nước thải chăn nuôi và chu trình nitơ
1.1.1 Ô nhiễm nitơ trong nước thải chăn nuôi
Ngành chăn nuôi tại Việt Nam đóng một vai trò quan trọng trong nông nghiệp
Nó chiếm 28% giá trị sản xuất nông nghiệp [5] và là một trong những phân ngành nông nghiệp tăng trưởng nhanh nhất
Tại Việt Nam, diện tích đất xả thải tại các cơ sở chăn nuôi lợn thường rất nhỏ, đặc biệt là tại các cơ sở chăn nuôi lợn thương phẩm ở miền bắc (34m 2 ) Theo báo cáo, khoảng 30% các trại lợn thực hiện tách riêng việc thu gom chất thải rắn và lỏng, và khoảng 60% số trại này thực hiện xử lý chất thải theo dạng hỗn hợp Có khoảng 35,5% các cơ sở chăn nuôi lợn được báo cáo là tích trữ chất thải của lợn mà không xử lý và khoảng 40% số chất thải của lợn được xả thẳng trực tiếp vào môi trường không qua xử lý [3]
Nước thải từ chuồng trại chăn nuôi chứa một lượng chất rắn không tan lớn: phân, rác rưởi, bùn đất, thức ăn thừa rơi vãi, các hợp chất hữu cơ chứa nitơ, photpho được chiết ra từ các chất thải rắn khi gặp nước Nồng độ các tạp chất trong nước thải chuồng trại cao hơn từ 50 - 150 lần so với mức độ ô nhiễm của nước thải đô thị, nồng độ hợp chất nitơ (TKN) nằm trong khoảng 1500 - 15200 mg N/l, của photpho từ 70 - 1750 mg P/l [11, 12]
Nước thải chuồng trại của các loài nuôi khác nhau có độ ô nhiễm khác nhau vì các thành phần dinh dưỡng trong phân khác nhau [13, 14]
Nồng độ hợp chất nitơ, photpho tăng dần theo thời gian lưu giữ nước thải do lượng chất hữu cơ có khả năng sinh huỷ rất lớn (BOD: 2300 - 49.000 mg/l), trong thời gian lưu giữ chúng bị phân huỷ yếm khí tạo ra khí metan và carbonic trong khi hợp chất nitơ, photpho hầu như không biến động, trong khi đó các vi sinh bị chết cũng tiếp tục phân huỷ thải ra hợp chất nitơ, photpho
Khi nồng độ nitơ cao sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa Hiện tượng phú dưỡng là một khái niệm dùng để chỉ một nguồn nước, trong đó có quá trình phát triển ồ ạt của thủy thực vật mà trước tiên là các loài vi tảo Trong giai đoạn tảo phát triển, nguồn
5 nước giàu oxy, pH cao do quá trình quang hợp áp đảo quá trình hô hấp của thực vật, và ngược lại Trong giai đoạn tảo chết, phân hủy, nguồn nước sẽ bị cạn kiệt oxy, pH thường là thấp và bị ô nhiễm bởi các chất từ quá trình phân hủy yếm khí có tính khử (hóa học) cao, độc, có mùi hôi Nó sẽ gây ngộ độc cho thủy động vật, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và mất cảm quan môi trường
Trong môi trường nước, sự chuyển hóa của hợp chất nitơ có những nét đặc trưng riêng Hợp chất nitơ ít có sẵn trong nguồn nước, chủ yếu là do chất thải từ các hoạt động của con người dưới dạng hợp chất hữu cơ chứa nitơ (axit amin, protein, urin ) các chất này dễ dàng bị thủy phân (phản ứng với nước) tạo thành amoniac
Trong điều kiện nước chảy, amoniac sẽ chuyển hóa hoặc dịch chuyển theo một trong ba phương thức:
- Đóng vai trò chất dinh dưỡng cho tảo và các loại thủy thực vật có rễ để tạo ra sinh khối
- Bay hơi vào không khí dưới dạng khí amoniac nếu áp suất riêng của nó trong không khí thấp hơn mức bão hòa (hầu như luôn tồn tại) Mức độ bay hơi trước hết phụ thuộc vào pH của môi trường Amoniac là một bazơ yếu có cường độ bazơ là 9,25 Tại pH = 9,25 thì 50% nồng độ tồn tại ở dạng trung hòa (NH3) có khả năng bay hơi và 50% tồn tại ở dạng ion amoni (NH4 + ) không bay hơi Tại pH = 7,2 tỉ lệ nồng độ giữa dạng ion và trung hòa là 100/1, ngược lại tại pH = 11,25 thì tỉ lệ trên là 1/100 pH cao là điều kiện cần để amoniac trong nước tồn tại ở dạng bay hơi Sục khí và nhiệt độ cao thúc đẩy amoniac bốc hơi (giải hấp thụ)
- Sự có mặt của amoniac trong nước gây ra nhu cầu tiêu thụ oxy do nitơ (nitrogeneous oxygen demand, NOD), tức là lượng oxy cần thiết để oxy hóa amoniac thành nitrit (do vi khuẩn Nitrosomonas) và tiếp tục thành nitrat (vi khuẩn Nitrobacter) Để oxy hóa 1 g amoniac cần 4,5 g oxy Quá trình oxy hóa amoniac phụ thuộc trực tiếp vào mật độ của chủng vi sinh Nitrifier và nồng độ oxy tan trong nước.Trong các dòng chảy (sông, suối, mương ) có lớp nước nông quá trình oxy hóa diễn ra mạnh hơn so với các nguồn nước sâu
Mức độ sinh trưởng và phát triển của chủng loại vi sinh Nitrifier (oxy hóa amoniac) thấp nên mật độ phân tán của chúng trong nước cũng thấp, hiệu quả oxy hóa amoniac không cao Vi sinh Nitrifier thường tập hợp lại thành màng bám vào đất đá ven bờ và cũng chính ở các địa điểm đó hàm lượng oxy cục bộ cũng cao hơn giá trị trung bình của nguồn nước Vì lý do đó nên tốc độ oxy hóa amoniac phụ thuộc vào tỉ lệ giữa diện tích tiếp xúc và thể tích của dòng chảy, các nguồn chảy nông tạo điều kiện tốt hơn cho quá trình so với dòng chảy sâu Mặt khác lớp nước trên bề mặt cũng có nhiệt độ thường cao hơn so với dưới lớp nước sâu
Trong các nguồn nước lặng (ao, hồ, đập ) sự biến động của hợp chất nitơ, photpho luôn liên quan đến tảo và gây ra hiện tượng phú dưỡng Amoniac và nitrat được tảo, thực vật hấp thu tạo thành protein, khi chết bị phân hủy thành amoniac từ nguồn thực vật và vi sinh vật
Vi sinh vật sử dụng amoniac để xây dựng tế bào, một phần tế bào bị chết (phân hủy nội sinh) tiết ra amoniac và một phần tạo ra lượng sinh khối thực Loại vi sinh tự dưỡng thực hiện phản ứng oxy hóa amoniac với oxy để sản xuất năng lượng cho mục đích hoạt động sống, sinh trưởng và phát triển Quá trình oxy hóa tới nitrit và nitrat gọi là quá trình nitrat hóa Loại vi sinh tùy nghi, dị dưỡng khử nitrit và nitrat với chất hữu cơ (chất cho điện tử) và tạo thành khí nitơ Khí nitơ là sản phẩm cuối của quá trình xử lý nitơ bằng phương pháp sinh học.
Một số công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi
1.2.1 Phương pháp xử lý cơ học
Phương pháp xử cơ học nhằm mục đích tách các chất rắn không hòa tan, những chất rắn có kích thước lớn như phân, thức ăn …; loại bỏ cặn nặng có thể có như sỏi, cát, trước khi đưa vào xử lý chuyên sâu [15] Những công trình xử lí cơ học bao gồm:
Song chắn rác nhằm giữ lại rác ở trước song chắn Song làm bằng kim loại thường gặp là sắt, có hình tròn hoặc vuông ( Sắt tròn có Ф 8 - 10 mm ), thanh nọ cách thanh
7 kia 1 khoảng 60 – 100 mm để chắn vật thô và 10 – 25 mm để chắn vật có kích thước nhỏ hơn, đặt nghiên theo dòng chảy 1 góc chảy 60 - 750
Song chắn rác có thể đặt cố định hoặc di động
Sau chắn rác có thể loại bỏ các tạp chất rắn có kích thước nhỏ hơn, mịn hơn có thể đặt kèm lưới lọc Các vật thải dược giữ trên bề mặt lọc, phải cào lấy ra khỏi làm tắc dòng chảy
Nước thải đi tiếp vào hồ thu nhận để tập trung lại đưa vào bể điều hòa Bể điều hòa nhằm khắc phục và ổn định lưu lượng Bể điều hòa dòng thải có thể làm giảm đáng kể dao động thành phần nước thải đi vào các công đoạn phía sau, ngăn ngừa hiện tượng lắng cặn ở bể sinh ra mùi khó chịu Có 2 loại bể điều hòa: bể điều hòa lưu lượng và bể điều hòa lưu lượng, chất lượng
Hình 1 1 Song chắn rác Hình 1.1 Song chắn rác Hình 1.1 Song chắn rác Hình 1 1 Song chắn rác
Dựa vào nguyên lí trọng lực, dòng nước thải được cho chảy qua “bẫy cát” Bẫy cát là các loại hố, giếng, bể, … cho nước thải chạy vào theo nhiều cách khác nhau: theo tiếp tuyến, theo dòng ngang, theo dòng từ trên xuống hoặc tỏa ra xung quanh, v.v…Nước thải chảy qua bể lắng dưới tác dụng của trọng lực, cát sẽ lắng xuống đáy và kéo theo một phần chất đông tụ Các loại bể lắng cát thông dụng là bể lắng cát ngang Thường thiết kế hai ngăn, một ngăn cho nước đi qua, một ngăn cào cát sỏi lắng, hai ngăn này làm việc luân phiên
Hình 1 3 Bể lắng cát Hình 1.2 Song chắn rác Hình 1 2 Song chắn rác
Ngoài lắng cát, sỏi, trong quá trình xử lý cần lắng các loại hạt dạng lơ lửng, các loại bùn (kể cả bùn hoạt tính), … nhằm làm nước trong Nguyên lý hoạt động của các loại bể này đều dựa trên trọng lực
Dựa vào chức năng và vị trí có thể chia bể lắng thành các loại: bể lắng sơ cấp và bể lắng thứ cấp Bể lắng sơ cấp: được đặt trước bể phản ứng sinh học, dùng để tách các chất rắn, chất bẩn lơ lửng không hòa tan Bể lắng thứ cấp: được đặt sau bể phản ứng sinh học, dùng lắng các cặn vi sinh để làm trong nước trước khi thải ra nguồn tiếp nhận
Dựa vào chiều dòng chảy của nước trong bể, bể lắng được chia thành các loại thường sử dụng: bể lắng ngang, bể lắng đứng và bể lắng li tâm Bể lắng ngang là bể có hình chữ nhật, nước thải chuyển động theo phương ngang từ đầu bể đến cuối bể và dẫn tới các giai đoạn xử lí tiếp theo, bể lắng ngang có hố thu cặn ở đầu bể và nước trong được thu vào máng ở cuối bể Bể lắng ngang được ứng dụng khi lưu lượng nước thải lớn hơn 15.000 m3/ngày, hiệu quả lắng 60%
Hình 1 4 Bản vẽ kĩ thuật bể lắng ngang
Bể lắng đứng có dạng hình tròn hoặc hình chữ nhật ở mặt trên, đáy hình nón hoặc chóp cụt, nước thải được dẫn vào ống trung tâm ở giữa và chuyển động từ dưới lên
10 theo phương thẳng đứng, vận tốc nước chuyển động đi lên phải nhỏ hơn vận tốc của vật chất lắng, nước sạch được thu ở phía trên còn cặn lắng xuống đáy và được đưa ra ngoài Hiệu quả lắng thấp hơn bể lắng ngang khoảng 10 - 20%
Bể lắng li tâm có tiết diện hình tròn, đáy dạng nón,có thanh gạt thu bùn, bể có máng phân phối nước ở trung tâm, nước từ ngoài được từ dưới đáy bể qua máng phân phối, dàn quay nước chuyển động từ thành bể vào trung tâm, sau một thời gian cặn lắng rơi xuống đáy bể, sử dụng thanh gạt bùn gạt cặn đưa vào ống tháo cặn thải ra ngoài đồng thời nước trong sau khi lắng được đưa ra ngoài ở phía trên bể Hiệu quả lắng khoảng 60% và có thể tăng hiệu suất bằng cách tăng vận tốc lắng nhờ châm chất keo tụ, đông tụ
Hình 1 5 Bản vẽ kĩ thuật bể lắng đứng
Hình 1 6 Bể lắng li tâm
Ngoài ra còn một số bể lắng như: bể lắng vách nghiên, bể lắng Lamella kết hợp với bể phản ứng và bể lắng bùn cặn
Lọc được sử dụng trong xử lý nước thải để tách các tạp chất phân tán nhỏ trong nước mà bể không lắng được Trong các loại phin lọc thường có loại phin lọc dùng vật liệu lọc dạng tấm và loại hạt.Vật liệu lọc dạng tấm có thể làm bằng tấm thép có đục lỗ hoặc lưới bằng thép không gỉ, nhôm, niken, đồng thau… và các loại vải khác nhau ( thủy tinh, amiang, bông, len, sợi tổng hợp Vật liệu lọc dạng hạt là cát thạch anh, than gầy (anthracit), than cốc, sỏi, đá nghiển, thậm chí cà than nâu, than bùn, than gỗ Đặc tính quan trọng của lớp hạt lọc là độ xốp và bề mặt riêng Quá trình lọc có thể xảy ra dưới tác dụng của áp suất thùy tĩnh của cột chất lỏng hoặc áp suất cao trước vách vật liệu lọc hoặc chân không sau lớp lọc
Các phin lọc làm việc sẽ tách các phẩn tử tạp chất phân tán hoặc lơ lửng khó lắng khỏi nước Sau thời gian sử dụng cần được rửa phin lọc, loại bỏ chất bẩn bám trên màng bằng cách rửa ngược
Các loại thiết bị thường dùng như: lọc nhanh, lọc chậm, lọc kín, lọc hở, lọc ép khung bản, lọc quay chân không, các máy vi lọc hiện đại
1.2.2 Phương pháp hóa lí và hóa học
Cơ sở của phương pháp hóa học là các phản ứng hóa học, các quá trình hóa lí diễn ra giữa chất bẩn và hóa chất cho thêm vào Các phương pháp hóa học là oxi hóa, trung hòa, đông keo tụ Thông thường các quá trình keo tụ thường đi kèm theo quá trình trung hòa hoặc các hiện tượng vật lý khác
Nước thải thường có giá trị pH khác nhau Muốn nước thải được xử lý tốt bằng phương pháp sinh học phải tiến hành trung hòa pH về vùng 6,6 – 7,6 Trung hòa còn tránh hiện tượng xâm thực công trình thoát nước và tránh quá trình sinh hóa ở các công trình xử lý và trong sông hồ không bị phá hoại
Công nghệ đất ngập nước kiến tạo xử lý nước thải chăn nuôi
1.3.1 Công nghệ đất ngập nước kiến tạo xử lý nước thải Đất ngập nước kiến tạo được định nghĩa là một hệ thống công trình xử lý nước thải được kiến thiết và tạo dựng mô phỏng có điều chỉnh theo tính chất của đất ngập nước tự nhiên với cây trồng chọn lọc
21 Đất ngập nước kiến tạo được xây dựng cho mục đích chính là xử lý nước thải, các mục tiêu khác như điều tiết lũ, bổ cập nước ngầm, điều hòa khí hậu, khai thác nguyên liệu thô, tạo môi trường tự nhiên cho các động vật hoang dã chỉ là các mục tiêu phụ Các chất ô nhiễm của nước thải, có thể từ mưa chảy tràn trên sườn dốc, nước thải sinh hoạt, nước thải từ sản xuất dân dụng hoặc công nghiệp,… khi qua đất ngập nước kiến tạo sẽ bị giữ lại bởi chất nền (đất, cát, sạn sỏi, ) và cây trồng, cuối cùng nước sẽ trở nên sạch hơn
Có 3 đặc điểm để đánh giá và phân loại đất ngập nước: nguồn nước, thực vật và đất
Nguồn nước hiện diện trong vùng đất ngập nước có thể ở: Vùng trũng chứa nước, vùng trũng chứa nước ngầm đổ vào, vùng dòng chảy trên sườn dốc, vùng đất ngập lũ
Thực vật ở đất ngập nước còn có thể phân loại dựa vào sự quan sát hình dạng của chúng:
Thực vật có thân lá, cành, hoa, trái vượt trên mặt nước (Emergent plants) Điển hình là các cây cỏ đuôi mèo (Cattails), cây cói (Rushes), cây thủy trúc (Umbrella plant - Cyperus alternifolius)
Thực vật có lá trải rộng nổi trên mặt nước, thân và rễ dưới mặt nước Hoa và trái vượt trên mặt nước (Floating plants) Điển hình như cây hoa súng (water lily), bèo tấm (duckweed)
Thực vật ngập chìm hoàn toàn dưới mặt nước (Submergent plants) Điển hình như các loài rong, tảo
Cây bụi (Shrubs) đầu thấp, cho thân gỗ mềm với nhiều cành nhỏ
Cây thân gỗ cao có thể hơn 5 mét, có thể một thân hoặc một thân nhiều nhánh Điển hình như các loại tràm, đước, bần, mắm, Nhóm các cây này thường tạo nên một quần thể thực vật đất ngập nước rộng lớn dạng rừng cây
Trong các hệ thống đất ngập nước xử lý nước thải, thực vật là yếu tố quan trọng tham gia vào quá trình xử lý các chất ô nhiễm Vai trò quan trọng thứ nhất của thực vật ở khu đất ngập nước đối với việc xử lý nước thải là các tác động lý học của nó Các phần cơ thể của thực vật làm ổn định bề mặt của khu đất ngập nước, giảm vận
22 tốc dòng chảy, làm tăng khả năng lắng và giữ lại các chất rắn của nước thải trong khu đất ngập nước nhân tạo, tăng thời gian tiếp xúc giữa thực vật và nước thải, do đó, gia tăng khả năng hấp thụ đạm [24]
Vai trò thứ hai của thực vật là ảnh hưởng tính thấm của đất, khi chúng ta nhổ cây sẽ tạo nên những lỗ rỗng lớn làm tăng sự thẩm thấu của nước và gia tăng tác động qua lại giữa nước thải và thực vật
Vai trò thứ ba là việc phóng thích các chất hữu cơ: thực vật có khả năng phóng thích môt lượng lớn các chất hữu cơ thông qua rễ của chúng Lượng chất hữu cơ mà thực vật phóng thích có thể lên đến 25% lượng carbon cho quá trình khử nitrate của các vi sinh vật [25] Khi các phần cơ thể chết của thực vật bị hoại sinh, đây cũng sẽ là một nguồn carbon lâu dài cho các vi sinh vật
Vai trò thứ tư là thực vật tạo một diện tích bề mặt lớn để cho vi khuẩn bám, phát triển thành các màng sinh học (biofilm) và tham gia vào quá trình phân hủy các chất ô nhiễm
Vai trò thứ năm là việc tạo nên một môi trường hiếu khí trong đất: các thực vật vận chuyển oxy từ khí khổng trong lá, thân xuống vùng rễ cung cấp oxy cho các quá trình phân hủy hiếu khí của các vi sinh vật ở đây [26]
Vai trò thứ sáu là tạo cảnh quan: đất ngập nước tạo môi trường sinh sống cho các sinh vật hoang dã, do đó, nó sẽ tao được vẻ mỹ quan cho khu vực xử lý
Có bốn điều kiện để đất trở nên yếm khí ở khu đất ngập nước là: Đất phải bị bão hòa đến điểm không thể tiếp nhập oxygen trong không khí Đất phải chứa các nguồn hữu cơ có thể bị oxy hóa hoặc phân hủy được Đất phải có chứa một số quần thể vi khuẩn hô hấp để có thể oxy hóa chất hữu cơ Nước trong đất phải bị ứ đọng hoặc di chuyển chậm
Có hai kiểu hệ thống xử lý nước bằng đất ngập nước kiến tạo cơ bản, đó là hệ thống đất ngập nước kiến tạo chảy mặt tự do (Free water surface Constructed Wetlands - FWSCWs) và hệ thống đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm (Subsurface Flow Constructed Wetlands - SFCWs) Hai kiểu phân biệt cơ bản này lại được phân chia theo nhiều kiểu khác nhau theo chức năng xử lý của loại thực vật được trồng và
ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu
Loài thực vật được nghiên cứu: sậy và bồn bồn được lấy tại vùng đất ngập nước thuộc huyện Cần Giờ
Nguồn nước nghiên cứu: nước thải chăn nuôi heo sau biogas tại một hộ gia đình thuộc huyện Củ Chi.
Nội dung nghiên cứu
15/03/2020 - 31/03/2020: Xây dựng tổng quan tài liệu và tính toán sơ bộ và thiết kế mô hình thí nghiệm
01/04/2020 - 30/06/2020: Theo dõi, đánh giá quá trình xử lý nitơ của mô hình đất ngập nước lai hợp
01/07/2020 – 20/07/2020: Xử lý số liệu và viết báo cáo khóa luận
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp khảo sát: Tham khảo các tài liệu, bài báo khoa học… và khảo sát thực tế tại các cơ sở…
Phương pháp thực nghiệm: Tính toán số liệu,thiết kế và vận hành mô hình thí nghiệm
Phương pháp phân tích mẫu: COD, BOD5, N tổng, Amoni, Nitrate
• COD (mg/l): Phân tích bằng chuẩn độ theo Standard Methods for the Examination of Water & Wastewater: 20 th Edition – 5220 C Closed Reflux, Titrimetrix Method
• BOD5 (mg/l): Phân tích tại Trung tâm công nghệ xử lý môi trường – Bộ tư lệnh Hóa học theo TCVN 6001-1:2008
• N tổng (mg/l): Phương pháp phân tích Persulfate (so màu) Sử dụng máy đo quang HACH DR-900
- Cho gói bột Vario TN Persulfate vào ống nghiệm TN Hydroxide
- Cho 0,5 ml mẫu nước trắng và mẫu nước thải vào ống nghiệm và lắc đều
- Đun ở nhiệt độ 100°C, 30 phút Chờ cho nguội bớt
- Cho gói Vario TN Reagent A và lắc đều khoảng 15 lần
- Cho gói Vario TN Reagent B vào và lắc đều khoảng 15 lần
- Hút 2 ml dung dịch trong ống TN Hydroxide HR cho vào ống nghiệm TN Acid
- Chờ phản ứng 5 phút, cho vào máy đo quang đo và ghi nhận kết quả
• Amoni (NH4 +) (mg/l): Phương pháp phân tích Salicylate (so màu) Sử dụng máy đo quang HACH DR-900
Hình 2 Máy đo quang HACH DR-900
Hình 2 Máy đo quang HACH DR-900 Hình 2 1 Máy đo quang HACH DR-900 Hình 2.1 Máy đo quang HACH DR-900
- Cho 0,1 mL mẫu nước trắng và mẫu nước thải vào ống nghiệm
- Cho gói bột Ammonia Salicylate Reagent vào ông nghiệm
- Cho thêm gói bột Ammonia Cyanurate Reagent vào và lắc đều
- Chờ phản ứng 20 phút, đo bằng máy đo quang và ghi nhận kết quả
Phương pháp thống kê: Sử dụng phần mềm Excel để xử lý số liệu
Phương pháp đánh giá và so sánh: Nhận xét các chỉ số của nước đầu ra so với nước thải đầu vào Đánh giá hiệu quả xử lý của hệ thống
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Tính toán, thiết kế mô hình thí nghiệm
Tính toán kích thước các bể xử lý theo UN-HABITAT, 2008 Constructed Wetlands Manual:
Diện tích bề mặt của các bể xử lý được tính theo công thức:
Ah – Diện tích bề mặt của hệ thống (m 2 )
Qd – Lưu lượng trung bình của nước thải (m 3 /ngày đêm)
Ci – Nồng độ BOD đầu vào (mg/l)
Ce – Nồng độ BOD đầu ra (mg/l)
KBOD – Hằng số phân hủy BOD (Phụ thuộc vào nhiệt độ), được xác định theo từ biểu thức KTdn, trong đó:
T – Nhiệt độ của hệ thống d – Độ sâu của cột nước trong hệ thống đất ngập nước n – Độ xốp của lớp vật liệu đệm trong hệ thống
KBOD phụ thuộc vào nhiệt độ và tốc độ suy giảm BOD, thường tăng khoảng 10% mỗi ºC, ngoài ra, cũng có những nghiên cứu cho thấy KBOD tăng theo tuổi của hệ thống Đối với hệ đất ngập nước dòng chảy ngang, với chiều sâu cột nước là 40 cm, độ xốp vật liệu đệm 40%, giá trị của K20 thường được lấy bằng 1,1 (ngày -1 ) Đối với hệ đất ngập nước dòng chảy đứng, với chiều sâu cột nước là 70 cm, độ xốp vật liệu đệm 40%, giá trị của K20 thường được lấy bằng 1,1 (ngày -1 )
- Xác định các thông số tính toán diện tích bề mặt của các bể xử lý:
+ Tổng lượng nước cần xử lý trong 1 ngày là: 0,24 m 3
+ Nồng độ BOD đầu vào: Xác định sơ bộ là 650 (mg/l)
+ Nồng độ BOD đầu ra: Đối với mô hình dòng chảy đứng (Bể VF): 130 mg/l Đối với bể lọc ngầm dòng chảy ngang (Bể HF): 50 mg/l
- Thông số vật liệu đệm trong bể: Đối với bể lọc ngầm dòng chảy đứng (Bể VF): Chiều cao của lớp nước thải trong bể là 75 cm; độ xốp vật liệu 40% Đối với bể lọc ngầm dòng chảy ngang (Bể HF): Chiều cao của lớp nước thải trong bể là 55 cm; độ xốp vật liệu 40%
- Nhiệt độ làm việc của hệ thống: 30 o C
- Tính kích thước Mô hình dòng chảy chảy đứng:
Diện tích bề mặt của Bể chảy đứng: 1,17 m 2
- Tính kích thước Mô hình dòng chảy ngang:
Diện tích bề mặt của Mô hình dòng chảy ngang: 1,53 m 2
- Mô hình dòng chảy đứng: Đáy bể lọc đổ lớp đá lót 40-60 (mm) dày 15 cm; Lớp đá 10-20 (mm) dày 5 cm; lớp lọc là lớp cát trộn đá mi 1-4 (mm) dày 75cm; bề mặt phủ lớp đá 10-20 (mm) dày 10 cm
Kích thước mô hình: Dài×Rộng×Cao = 1,2 (m) × 1,0 (m) × 1,2 (m) Diện tích bề mặt: 1,2 m 2
- Bể lọc ngầm dòng chảy ngang: Hai đầu bể lọc sẽ là lớp vật liệu đá 40 - 80 (mm), có bề dày 400-500 (mm); phần giữa bể lọc là lớp đá mi 1- 4 (mm) dày 60cm, đá 10 - 20 (mm) dày 10 cm phủ bên trên
Kích thước mô hình: Dài×Rộng×Cao = 2,8 (m) × 0,6 (m) × 0,6 (m) Diện tích bề mặt: 1,68 m 2
Sử dụng thực vật thủy sinh là bồn bồn và sây trồng trong các mô hình xử lý Hệ thống xử lý bao gồm mô hình dòng chảy đứng kết nối với mô hình dòng chảy ngang tương ứng với 02 loại thực vật khác nhau
Sơ đồ vận hành của mô hình như sau:
NT01 – Nước thải sau biogas (Đầu vào hệ thống)
B1 – Bể chảy đứng trồng bồn bồn
S1 – Bể chảy đứng trồng sậy
B2 – Bể chảy ngang trồng bồn bồn
S2 – Bể chảy ngang trồng sậy
Kết quả
3.2.1 Hiệu quả xử lý COD, BOD
* Hiệu quả xử lý COD ĐVT: mg/l
DÒNG CHẢY ĐỨNG DÒNG CHẢY NGANG
BỂ 01 SẬY BỒN BỒN SẬY BỒN BỒN
Ký hiệu mẫu NT01- S1- BB1- S2- BB2-
Ngăn thu nước bể chảy đứng
1 Bể chảy đứng Bể chảy ngang ngang Nước thải vào
Ngăn thu nước bể chảy ngang
Bảng 3 1 Kết quả theo dõi hàm lượng COD của nước thải trong hệ thống xử lý
Hình 3 1 Biểu đồ biểu diễn hiệu suất xử lý COD trong các mô hình
* Hiệu quả xử lý BOD 5 của mô hình ĐVT: mg/l
STT ĐẦU VÀO DÒNG CHẢY ĐỨNG DÒNG CHẢY NGANG
BỂ 01 SẬY BỒN BỒN SẬY BỒN BỒN
Ký hiệu mẫu NT01- S1- BB1- S2- BB2-
Bảng 3 2 Kết quả theo dõi hàm lượng BOD5 của nước thải trong hệ thống xử lý
Hiệu quả xử lý COD
Hình 3 2 Biểu đồ biểu diễn hiệu suất xử lý BOD5 của các mô hình
- Hàm lượng COD, BOD5 trong nước thải đầu vào có sự dao động khá lớn, có thể do ảnh hưởng của nước mưa và do lượng chất lượng thức ăn thay đổi theo từng ngày
- Các bể đều có khả năng xử lý tốt COD, BOD5 trong nước thải Trong đó hiệu suất xử lý của các bể chảy đứng, chảy ngang có chứa bồn bồn là thấp hơn cả, tuy nhiên hàm lượng BOD5 trong nước đầu ra đều nằm dưới ngưỡng 100mg/l (đạt tiêu chuẩn loại B theo QCVN 62-MT2016/BTNMT)
Hiệu quả xử lý BOD
3.2.2 Kết quả đo pH, DO của nước thải trong hệ thống xử lý
STT ĐẦU VÀO DÒNG CHẢY ĐỨNG DÒNG CHẢY NGANG
BỂ 01 SẬY BỒN BỒN SẬY BỒN BỒN
Ký hiệu mẫu NT01- S1- BB1- S2- BB2-
Bảng 3 3 Kết quả theo dõi độ pH trong nước thải
Hình 3 3 Biểu đồ biểu diễn sự thay đổi pH trong hệ thống xử lý pH của nước thải không thay đổi nhiều trong quá trình xử lý Sự thay đổi của pH có thể là do quá trình nitrate hóa và khử nitrate xảy ra trong hệ thống, trong đó quá trình nitrate hóa có xu hướng làm giảm pH và ngược lại, quá trình khử nitrate sẽ làm tăng pH của nước thải
Sự thay đổi pH trong hệ thống xử lý
STT ĐẦU VÀO DÒNG CHẢY ĐỨNG DÒNG CHẢY NGANG
BỂ 01 SẬY BỒN BỒN SẬY BỒN BỒN
Ký hiệu mẫu NT01- S1- BB1- S2- BB2-
Bảng 3 4 Kết quả theo dõi nồng độ oxy hòa tan trong nước thải
Hàm lượng Oxy hòa tan (DO) trong nước thải tăng lên sau khi đi qua hệ thống dòng chảy đứng và giảm đi sau khi qua hệ thống dòng chảy ngang Các cơ chế cung cấp oxy trong hệ thống đất ngập nước khá phức tạp, bao gồm quá trình giải phóng oxy từ thực vật, hấp thu oxy từ không khí vào trong nước thải… Tuy nhiên việc cung cấp oxy của thực vật vào nước thải ở vùng đất ngập nước chưa được giải thích một cách chắn chắc Mặc dù chắc chắn rằng có hiện tượng vận chuyển oxy xảy ra ở tốc độ nhỏ, nhưng lượng oxy được chuyển đến vượt quá yêu cầu hô hấp của thực vật lại không được chứng minh rõ ràng Lawson (1985) đã xác định lượng oxy có thể có từ rễ của sậy lên tới 4,3 g/m 2 ngày, số liệu của Armstrong (1990) là 5 -12 g/m 2 ngày, Gries (1990) là 1-2 g/m 2 ngày, Wu (2000) đã ước tính lượng oxy cung cấp bởi sậy là khoảng 0,04 g/m 2 ngày, so với 0,60 g/m 2 ngày của Spartina pectinate (Cỏ dại thảo nguyên) Rõ ràng là nhu cầu oxy trong bộ rễ là một yếu tố quan trọng quyết định lượng oxy được cung cấp cho vùng rễ đó, với nhu cầu cao làm tăng lượng oxy được cung cấp Một số nghiên cứu cho thấy, thực vật phát triển trong điều kiện thiếu oxy
39 có thể thay đổi cấu trúc rễ của chúng, tạo ra ít rễ nhỏ hơn và rễ lớn hơn, có lẽ là một biện pháp bảo vệ chống lại nguồn cung cấp oxy lớn mà rễ nhỏ yêu cầu Các kết quả đo lường trực tiếp đã chỉ ra rằng, các thực vật sống nổi không đóng góp quá trình chuyển oxy ngoại vi ở mức độ đáng kể nào, mặc dù chúng cung cấp oxy đến vùng rễ để tự bảo vệ và tiến hành hô hấp (Kadlec và cs., 2009)
3.2.3 Hiệu suất xử lý Nitơ của mô hình
* Khả năng xử lý Amoni ĐVT: mg/l
STT ĐẦU VÀO DÒNG CHẢY ĐỨNG DÒNG CHẢY NGANG
BỂ 01 SẬY BỒN BỒN SẬY BỒN BỒN
Ký hiệu mẫu NT01- S1- BB1- S2- BB2-
Bảng 3 5 Kết quả theo dõi hàm lượng Amoni của nước thải
Hình 3 4 Biểu đồ biểu diễn hiệu quả xử lý amoni trong mô hình
Nguồn nước đầu vào là nước thải sau quá trình kỵ khí, do đó hàm lượng amoni khá lớn Trong mô hình đất ngập nước kiến tạo dòng chảy đứng, nước thải di chuyển từ trên xuống dưới, chảy qua lớp vật liệu đệm và tiếp xúc với không khí bên trong hệ thống, chính vì vậy quá trình sẽ xảy ra quá trình nitrat hóa và một phần amoni trong nước thải sẽ được chuyển thành nitrat Trong khi đó, vì ít có điều kiện tiếp xúc với không khí, nên hiệu quả loại bỏ amoni trong hệ thống dòng chảy ngang là tương đối thấp
Sự thay đổi hàm lượng amoni trong mô hình
* Hiệu suất xử lý Nitrate ĐVT: mg/l
Ngày tháng ĐẦU VÀO DÒNG CHẢY ĐỨNG DÒNG CHẢY NGANG
Ký hiệu mẫu NT01- S1- BB1- S2- BB2-
Bảng 3 6 Kết quả theo dõi hàm lượng nitrate của nước thải
Hình 3 5 Biểu đồ biểu diễn sự thay đổi hàm lượng nitrate trong hệ thống xử lý
Sự thay đổi hàm lượng nitrate trong mô hình
Nước thải sau biogas thường có hàm lượng nitrat không đáng kể Do quá trình nitrat hóa trong các bể chảy đứng, nên sau bể chảy đứng, hàm lượng nitrat trong nước thải sẽ tăng lên Nước thải tại đầu vào của bể chảy ngang thường có một lượng oxy vẫn tồn tại sau bể chảy đứng, tuy nhiên trong quá trình di chuyển trong bể chảy ngang, nước thải hầu như không tiếp xúc với không khí, do vậy quá trình diễn ra trong bể chảy ngang bao gồm hiếu khí – thiếu khí – kỵ khị Chính vì điều này, việc loại bỏ nitơ trong nước thải sẽ được thực hiện triệt để hơn
* Khả năng xử lý Nitơ tổng ĐVT: mg/l
STT ĐẦU VÀO DÒNG CHẢY ĐỨNG
BỂ 01 SẬY BỒN BỒN SẬY BỒN BỒN
Ký hiệu mẫu NT01- S1- BB1- S2- BB2-
Bảng 3 7 Kết quả theo dõi hàm lượng nitơ của nước thải trong hệ thống xử lý
Hình 3 6 Biểu đồ biểu diễn hiệu quả xử lý nitơ tổng của mô hình
- Việc loại bỏ nitơ trong nước thải của hệ thống xử lý bằng đất ngập nước bao gồm một số quá trình như: bay hơi amoniac, amoni hóa, nitrat hóa, khử nitrat, cố định, hấp thụ thực vật và vi sinh vật, hấp thụ amoniac, lằng đọng nitơ hữu cơ …
- Với điều kiện pH trong nước thải từ 6,0-8,0; sẽ không có quá trình bay hơi ammoniac xảy ra, do đó trong trường hợp này, quá trình loại bỏ nitơ chủ yếu là do sự hấp thụ của thực vật cũng như sự phân hủy, tích lũy của vi sinh vật trong hệ thống
- Trong hệ thống đất ngập nước, khi đi qua các bể dòng chảy đứng và dòng chảy ngang sẽ có quá trình chuyển hóa amoni bị nitrat hóa sau đó khử nitrat thành nitơ tự do bay lên, đồng thời thực vật hấp thụ nitơ, vi sinh vật sử dụng nitơ trng quá trình sinh trưởng, phát triển và tạo ra năng lượng
- Khi đi qua các bể xử lý dòng chảy đứng, nước thải tiếp xúc với oxy trong lớp đệm nên sẽ xảy ra quá trình chuyển hóa amoni thành nitrat, do đó hàm lượng amoni sau các bể này đều giảm, đồng thời hàm lượng nitrat trong nước thải sẽ tăng lên Do mô hình được vận hành theo mẻ, nước thải được làm đầy trong bể, sau đó được bơm toàn bộ qua hệ thống khác trước khi cho lượng nước thải vào, nên tại đây sẽ diễn ra cả quá trình hiếu khí và thiếu khí Với cách vận hành như vậy, song song với quá
Sự thay đổi hàm lượng nitơ tổng trong mô hình
44 trình nitrat hóa, tại mô hình dòng chảy đứng có thể sẽ diễn ra quá trình khử nitrat giúp loại bỏ một phần nitơ trong nước thải, mặc dù hàm lượng nitrat có thể tăng lên
