Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải chăn nuôi bằng bãi lọc ngầm trồng cây

Bãi lọc trồng cây Constructed wetland những năm gần đây đã được biết đến trên thế giới như một giải pháp công nghệ xử lý nước thải mức độ xử lý cấp 2 trong điều kiện tự nhiên, đạt hiệu

Số hóa bởi trung tâm học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

- -

NGÔ THỊ TUYẾT NGA

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI BẰNG BÃI LỌC NGẦM

TRỒNG CÂY

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

Thái Nguyên - 2013

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM

- -

NGÔ THỊ TUYẾT NGA

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI BẰNG BÃI LỌC NGẦM

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng: số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa hề bảo vệ một học vị nào

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và thông tin trong luận văn đều được chỉ rõ nguồn gốc

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2013

Người thực hiện luận văn

Ngô Thị Tuyết Nga

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành Luận văn này, tôi đã nhận được sự quan tâm giúp đỡ tận tình của nhiều tập thể và cá nhân Nhân dịp này tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến:

Tập thể các thầy, cô giáo Khoa Tài nguyên và Môi trường, Phòng quản lý đào tạo Sau Đại học, Trường Đại học Nông - Lâm Thái Nguyên đã tận tình giúp

đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành Luận văn

Tôi xin trân trọng cảm ơn TS Dư Ngọc Thành - người đã tận tình hướng

dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận văn

Tôi xin cảm ơn các tập thể, cơ quan, ban, ngành đã tạo điều kiện và giúp

đỡ tôi trong quá trình thu thập tài liệu và nghiên cứu Đặc biệt, tôi xin cảm ơn tập thể lớp Cao học Khoa học Môi trường K19 đã cùng chia sẻ với tôi trong suốt quá trình học tập: Bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu để hoàn thành Luận văn này

Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn tất cả sự giúp đỡ quý báu của các tập thể và cá nhân đã dành cho tôi

Tác giả luận văn

Ngô Thị Tuyết Nga

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH ix

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Mục tiêu nghiên cứu 2

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

4.1.Ý nghĩa khoa học 3

4.2.Ý nghĩa thực tiễn 3

Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU 4

1.1 Tổng quan về chất thải từ chăn nuôi 4

1.1.1 Thành phần và tính chất của chất thải chăn nuôi 4

1.1.1.1 Nguồn phát thải ô nhiễm 4

1.1.1.2 Thành phần rắn từ chất thải chăn nuôi 5

1.1.1.3.Thành phần lỏng từ nước thải chăn nuôi 6

1.1.1.4 Thành phần khí từ chất thải chăn nuôi 9

1.1.2 Hiện trạng ô nhiễm môi trường do chất thải chăn nuôi 9

1.2 Các biện pháp xử lý nước thải chăn nuôi 11

1.2.1 Xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp cơ học và hóa lý 11

1.2.1.1 Xử lý cơ học 11

1.2.1.2 Xử lý hóa lý 11

1.2.2 Xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp sinh học kỵ khí 12

1.2.3 Xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp sinh học hiếu khí 12

1.2.3.1 Các quá trình trong quá trình hiếu khí 12

1.2.3.2 Bể hiếu khí Aerotank 13

1.2.3.3 Lọc sinh học hiếu khí 13

1.2.3.3 Hồ sinh học hiếu khí và hiếu kị khí 14

1.2.3.4 Xử lý nước thải chăn nuôi bằng thuỷ sinh thực vật 15

1.2.4 Các công nghệ thường được sử dụng trong xử lý chất thải chăn nuôi 16

1.2.4.1 Bể Biogas 16

1.2.4.2 Hồ sinh học kị khí 18

1.2.4.3 Lọc sinh học kỵ khí 18

1.2.4.4 Quá trình kỵ khí trong UASB 18

1.2.4.5 Bể EGSB (Expanded Granular Slugde Bed) 19

1.2.4.6 Công nghệ bãi lọc trồng cây 20

1.3 Các nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam về bãi lọc trồng cây 33

1.3.1 Nghiên cứu trên thế giới 33

1.3.2 Nghiên cứu tại Việt Nam 36

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 39

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 39

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 39

2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 39

2.2 Địa điểm và thời gian nghiên cứu 39

2.2.1 Địa điểm nghiên cứu 39

2.2.2 Thời gian nghiên cứu 39

2.3 Nội dung nghiên cứu 39

2.4 Phương pháp nghiên cứu 40

2.4.1 Phương pháp thu thập tài liệu, số liệu thứ cấp 40

2.4.2 Phương pháp thu thập số liệu sơ cấp 40

2.4.2.1 Phương pháp lấy mẫu 40

2.4.2.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm 40

2.4.2.3 Phương pháp phân tích mẫu 44

2.4.2.5 Phương pháp xử lý kết quả thí nghiệm 45

Chương 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 46

3.1 Điều kiện thời tiết khí hậu vùng nghiên cứu 46

3.2 Kết quả nghiên cứu về khả năng xử lý nước thải của các vật liệu lọc 48

3.2.1 Hiệu suất xử lý BOD5 48

3.2.2 Khả năng xử lý COD của các công thức vật liệu lọc 49

3.2.3 Khả năng xử lý T-N của các công thức vật liệu lọc 50

3.2.4 Hiệu suất xử lý lân tổng số: 51

3.2.5 Hiệu suất xử lý TDS: 52

3.2.6 Kết quả xác định một số chỉ tiêu vật lý sau xử lý của các công thức và DO 53

3.3 Xác định ngưỡng chịu tải lượng BOD5 của cây tham gia thí nghiệm 55

3.3.1 Xác định nồng độ BOD5 đầu vào của thí nghiệm 56

3.3.2 Biểu hiện kiểu hình của các loại cây trồng ở các nồng độ khác nhau 56

3.3.3 Tỉ lệ sống của các loại cây ở các nồng độ khác nhau 58

3.3.4.1 Chiều cao và tốc độ tăng trưởng chiều cao của các loại cây 59

3.3.4.2 Số lá của các loại cây qua các nồng độ 63

3.3.4.3 Số rễ và chiều dài rễ của các loại cây 65

3.4 Khả năng xử lý nước thải của các công thức cây trồng 66

3.4.1 Tính chất nước thải sau biogas khi chưa qua xử lý bằng bãi lọc ngầm 66

3.4.2 Hiệu quả của một số công thức sử dụng trong bãi lọc ngầm trồng cây xử lý nước thải sau biogas 67

3.4.2.1 Khả năng xử lý (T- N) của các công thức cây trồng 67

3.4.2.2 Khả năng xử lý (T - P) của các công thức cây trồng 70

3.4.2.3 Hiệu quả xử lý BOD5 của các công thức cây trồng 72

3.4.2.4 Hiệu quả xử lý BOD5 của các công thức cây trồng 74

3.4.2.5 Hiệu quả xử lý tổng chất rắn lơ lửng (TSS) ở các công thức cây trồng 75

3.4.2.6 So sánh hiệu suất xử lý giữa các công thức đối với các chỉ tiêu theo dõi 76

3.4.3 Kết quả đánh giá định tính (cảm quan) 77

3.5 Kết quả nghiên cứu về độ dẫn thủy lực của các công thức vật liệu lọc và tải trọng tối ưu ứng dụng trong công thức vật liệu lọc được sử dụng 78

3.5.1 Độ dẫn thủy lực của các công thức vật liệu lọc 78

3.5.2 Xác định tải trọng thủy lực tối ưu ứng dụng vào các công thức vật liệu lọc được sử dụng: 79

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 85

1 Kết luận 85

2 Đề nghị 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Lượng phân gia súc, gia cầm thải ra hằng ngày tính 5

Bảng 1.2 Lượng chất thải chăn nuôi 1000 kg lợn trong 1 ngày 5

Bảng 1.3 Thành phần hóa học của phân gia súc, gia cầm 6

Bảng 1.4 Lượng nước tiểu thải ra hằng ngày 7

Bảng 1.5 Thành phần hóa học nước tiểu lợn có khối lượng 70 – 100 kg 7

Bảng 1.6 Tính chất thành phần và hàm lượng một số chất trong nước thải chăn nuôi gia súc 8

Bảng 1.7 Một số loại thuỷ sinh vật tiêu biểu 16

Bảng 1.8 Thành phần khí trong hỗn hợp khí Biogas 17

Bảng 1.9 Lượng khí Biogas được sinh ra từ chất thải động vật và các chất thải trong nông nghiệp 17

Bảng 3.1 Bảng số liệu điều kiện thời tiết khí hậu thành phố Thái Nguyên 46

Bảng 3.2 Hiệu suất xử lý BOD5 của các công thức 48

Bảng 3.3 Hiệu suất xử lý COD của các công thức 49

Bảng 3.4 Hiệu suất xử lý T-N 50

Bảng 3.5 Hiệu suất xử lý T-P của các công thức 51

Bảng 3.6 Hiệu suất xử lý TDS của các công thức 52

Bảng 3.7 Kết quả xác định màu sắc, mùi sau xử lý của các công thức 53

Bảng 3.8 Kết quả xác định màu EC và pH sau xử lý của các công thức (mg/l) 54

Bảng 3.9 Lượng nước cần pha tương ứng với các nồng độ cần 56

Bảng 3.10 Sự biểu hiện hình thái màu sắc lá của các loại cây ở các nồng độ BOD5 thử nghiệm 57

Bảng 3.11 Tỷ lệ sống và chết của các loại cây trồng 58

Bảng 3.12 Chiều cao của các loại cây qua các nồng độ nghiên cứu 59

Bảng 3.13 Tốc độ tăng trưởng chiều cao của các loại cây qua các lần đo 62

Bảng 3.14 Số lá qua thời gian theo dõi thí nghiệm (đơn vị: lá) 64

Bảng 3.15 Số rễ và chiều dài của rễ qua thời gian theo dõi thí nghiệm 65

Bảng 3.16 Kết quả phân tích một số chỉ tiêu vật lý, hoá học của nước thải chăn nuôi sau hệ thống Biogas 66

Bảng 3.17 Hàm lượng (T –N) đo ở các công thức cây trồng 67

Bảng 3.18 Hàm lượng (T - P) qua các lần đo ở các công thức cây trồng (mg/l) 70 Bảng 3.19 Hiệu quả xử lý BOD5 bằng bãi lọc trồng cây qua các lần đo 72

Bảng 3.20 Hiệu suất xử lý COD ở các công thức cây trồng 74

Bảng 3.21 Hiệu quả xử lý TSS bằng bãi lọc trồng cây qua các lần đo 75

Bảng 3.22 Hiệu suất xử lý các chỉ tiêu theo dõi 76

Bảng 3.23 Kết quả màu sắc và mùi nước thải trước và sau xử lý 77

Bảng 3.24 Kết quả xác định độ dẫn thủy lực của các vật liệu lọc 78

Bảng 3.25 Hiệu suất xử lý nước thải chăn nuôi của mô hình 80

Bảng 3.26 Hiệu suất xử lý nước thải chăn nuôi của mô hình 81

Bảng 3.27 Hiệu suất xử lý nước thải chăn nuôi của mô hình 82

Bảng 3.28 Kết quả xác định một số chỉ tiêu vật lý sau xử lý của các công thức tải trọng khác nhau 83

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.2 Sơ đồ phản ứng sinh hóa trong điều kiện yếm khí 12

Hình 3.1 Chiều cao của cây trong thời gian thí nghiệm 59

Hình 3.2 Tốc độ tăng trưởng các loại cây theo các giai đoạn 62

Hình 3.3 Hiệu quả xử lý T - N của các công thức 68

Hình 3.4 Hiệu quả xử lý T - P của các công thức 70

Hình 3.5 Hiệu suất xử lý BOD5, COD, TSS, T- N, T- P của các công thức 77

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

TSS Total suspended solids Hàm lượng chất rắn lơ lửng

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Nước là cội nguồn của sự sống, là yếu tố quan trọng hàng đầu cho sự tồn tại và phát triển của con người cũng như sinh vật Tuy nhiên hiện nay, tài nguyên nước đang suy giảm nghiêm trọng cả về số lượng và chất lượng mà nguyên nhân chủ yếu – không ai khác lại là chính con người

Nước thải phát sinh từ mọi hoạt động sống, hoạt động sản xuất của con người Kinh tế phát triển, nhu cầu sử dụng nước ngày một và nước thải là một hệ quả tất yếu Nếu không có biện pháp quản lý và xử lý kịp thời thì ô nhiễm môi trường nước do nước thải chỉ còn là vấn đề thời gian Một trong những nguồn nước thải có tải trọng lớn, ảnh hưởng trực tiếp đến tài nguyên nước là: nước thải chăn nuôi

Cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội, hội nhập kinh nền kinh tế quốc tế, các ngành nghề đều được đẩy mạnh phát triển Ngành chăn nuôi của Việt Nam cũng từng bước đi lên Theo số liệu thống kê 01/10/2008, Việt Nam có gần 2,90 triệu con trâu; 6,34 triệu con bò; 26,701 triệu con lợn; 247,320 triệu con gia cầm; 1,48 triệu con dê, cừu; 121 ngàn con ngựa Với lượng gia súc này ước tính chất thải rắn của đàn vật nuôi nước ta khoảng 80-90 triệu tấn, chất thải lỏng ước tính vài chục tỷ m3; chất thải khí khoảng vài trăm triệu tấn Đây là một trong nguồn thải gây ô nhiễm nguồn nước và không khí và đang trở thành một vấn đề quan tâm của công chúng và các cơ quan quản lý môi trường

Tình trạng ô nhiễm môi trường xung quanh các cơ sở chăn nuôi đã đến mức báo động ở Việt Nam Phần lớn nước thải từ chăn nuôi đều chưa được xử lý hoặc

xử lý nhưng không đúng quy cách nên vẫn gây ô nhiễm đến môi trường Theo kết quả khảo sát đánh giá các loại mô hình khí sinh học của Viện Khoa học và Công nghệ môi trường Đại học Bách Khoa năm 2010 cho biết nước thải từ việc chăn nuôi mặc dù đã được xử lý bằng hầm biogas, bể yếm khí, hồ phủ màng HDPE nhưng nước thải đầu ra xả vào nguồn hầu hết đều chưa đạt được qui

chuẩn môi trường (QCVN 40:2011/BTNMT- Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp) Chỉ tính riêng COD, hiệu quả xử lý của các công trình này đạt 39 - 82%, vượt 2 - 30 lần, tổng N, tổng P, vi khuẩn gây bệnh đều vượt tiêu chuẩn từ 2 - 6 lần Cùng với các thành phần trên nước thải còn phát sinh các chất khí như CO2, NH3, H2S, CH4, N2 tạo nên mùi hôi thối trong khu vực nuôi ảnh hưởng xấu tới môi trường không khí xung quanh, đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước gây bức xúc những người dân

Hiện nay có nhiều biện pháp xử lý nước thải như: cơ học, lý - hoá học, Tuy nhiên việc áp dụng các biện pháp đó tốn kém và có thể gây ô nhiễm thứ sinh

Bãi lọc trồng cây (Constructed wetland) những năm gần đây đã được biết đến

trên thế giới như một giải pháp công nghệ xử lý nước thải mức độ xử lý cấp 2 trong điều kiện tự nhiên, đạt hiệu suất cao, chi phí thấp và ổn định, đồng thời góp phần làm tăng giá trị đa dạng sinh học, cải tạo cảnh quan môi trường của địa phương Mặt khác, Việt Nam là nước nhiệt đới, khí hậu nóng ẩm, rất thích hợp cho sự

phát triển của các loại thực vật thủy sinh Do vậy, tôi lựa chọn đề tài“ Nghiên

cứu khả năng xử lý nước thải chăn nuôi bằng bãi lọc ngầm trồng cây ”

2 Mục đích nghiên cứu

Nâng cao hiệu quả xử lý nước thải nói chung và nước thải chăn nuôi nói riêng bằng công nghệ rẻ tiền, có chi phí xây dựng cũng như vận hành bảo dưỡng thấp, phù hợp với điều kiện Việt Nam, đảm bảo giảm thiểu ô nhiễm môi trường

và cho phép tái sử dụng nước thải sau xử lý trong nông nghiệp

3 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu các công thức vật liệu lọc để tìm ra công thức cho hiệu quả

xử lý tốt nhất

- Xác định độ dẫn thủy lực của một số loại vật liệu lọc và tải trọng thủy lực tối ưu

- Nghiên cứu khả năng kết hợp giữa vật liệu lọc và một số loại cây trồng trong việc sử lý nước thải bằng bãi lọc trồng cây

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

4.1.Ý nghĩa khoa học

Kết quả nghiên cứu sẽ xác định được khả năng xử lý của bãi lọc ngầm trồng cây đối với môi trường nước thải chăn nuôi, các thông số này rất cần thiết để tính toán ra một bãi lọc thực vật hoàn thiện để xử lý nước thải chăn nuôi

4.2.Ý nghĩa thực tiễn

Ngăn ngừa nguy cơ ô nhiễm nguồn nước ngầm, nước mặt từ ngành chăn nuôi, giúp ngành chăn nuôi ngày càng phát triển hơn

Chương 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về chất thải từ chăn nuôi

1.1.1 Thành phần và tính chất của chất thải chăn nuôi

1.1.1.1 Nguồn phát thải ô nhiễm

Chất thải sinh ra do hoạt động chăn nuôi bao gồm chất thải như phân, thức

ăn, ổ lót, xác gia súc, gia cầm chết, nước tiểu, nước rửa chuồng…các chất này là chất dễ phân hủy sinh học do chúng chứa các chất chính như carbohydrate, protein, chất béo Quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ này (nhất là protein trong điều kiện yếm khí) thường sản sinh ra các chất khí có mùi hôi thối như Indol, H2S, NH3) những chất này hấp dẫn các loại côn trùng như ruồi, nhặng tụ tập đến gây mất vệ sinh và làm tăng sự ô nhiễm đối với môi trường [12]

Hàng ngày, gia súc và gia cầm thải ra một lượng phân và nước tiểu rất lớn Khối lượng phân và nước tiểu được thải ra có thể chiếm từ 1,5 – 6% khối lượng

cơ thể gia súc Các chất thải này chứa hàm lượng cao các chất ô nhiễm Theo

Nguyễn Thị Hoa Lý,1994,các chỉ tiêu ô nhiễm trong chất thải của gia súc đều cao

hơn của người theo tỉ lệ tương ứng BOD5 là 5:1, Ntổng là 7:1, TS là 10:1,…[15]

Khối lượng chất thải chăn nuôi tùy thuộc vào giống, độ tuổi, giai đoạn phát triển, khẩu phần thức ăn và thể trọng gia súc và gia cầm Riêng đối với gia súc, lượng phân và nước tiểu tăng nhanh theo quá trình tăng thể trọng Nếu tính trung bình theo khối cơ thể thì lượng phân thải ra mỗi ngày của vật nuôi rất cao, nhất là đối với gia súc cao sản

Bảng 1.1 Lƣợng phân gia súc, gia cầm thải ra hằng ngày tính

trên % khối lƣợng cơ thể

so với khối lƣợng cơ thể

Bảng 1.2 Lƣợng chất thải chăn nuôi 1000 kg lợn trong 1 ngày

Nguồn: ASEA standards

1.1.1.2 Thành phần rắn từ chất thải chăn nuôi

Trong các hệ thống chuồng trại, phân gia súc, gia cầm nói chung thường tồn tại cả ở dạng phân lỏng hay trung gian giữa lỏng và rắn hay tương đối rắn Chúng chứa các chất dinh dưỡng, đặc biệt là các hợp chất giàu nito và phospho,

là nguồn cung cấp thức ăn phong phú cho cây trồng và làm tăng độ màu mỡ của đất Vì vậy, trong thực tế thường dùng phân để bón cho cây trồng, vừa tận dụng được nguồn dinh dưỡng, vừa làm giảm lượng chất thải phát tán trong môi

trường, giảm thiểu ô nhiễm môi trường Theo nghiên cứu của Trương Thanh Cảnh (2010), hàm lượng N tổng số trong phân heo chiếm từ 7,99 – 9,32g/kg

phân Đây là nguồn dinh dưỡng có giá trị, cây trồng dễ hấp thụ và góp phần cải

tạo đất nếu như phân gia súc được sử dụng hợp lý [6] Theo tác giả Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng (1997), thành phần N tổng số, P tổng số của một số

gia súc, gia cầm khác như sau:

Bảng 1.3 Thành phần hóa học của phân gia súc, gia cầm

Loại vật nuôi

Thành phần hóa học (% Loại vật nuôi trọng lƣợng vật nuôi)

Nguồn: Ngô Kế Sương và Nguyễn Lân Dũng, 1997[23]

1.1.1.3.Thành phần lỏng từ nước thải chăn nuôi

- Nước tiểu: Nước tiểu gia súc là sản phẩm bài tiết của con vật, chứa đựng nhiều độc tố, là sản phẩm cặn bã từ quá trình sống của gia súc, khi phát tán vào môi trường có thể chuyển hoá thành các chất ô nhiễm gây tác hại cho con người

và môi trường Số lượng và thành phần nước tiểu thay đổi tuỳ thuộc loại gia súc, gia cầm, tuổi, chế độ dinh dưỡng và điều kiện khí hậu

Bảng 1.4 Lượng nước tiểu thải ra hằng ngày Trọng lượng gia súc Lượng nước tiểu (kg/ngày)

Nguồn: Hill và Toller, 1974

Bảng 1.5 Thành phần hóa học nước tiểu lợn có khối lượng 70 – 100 kg

Nguồn: Trương Thanh Cảnh và ctv,2010[6]

- Nước thải: Nước thải chăn nuôi là hỗn hợp bao gồm cả nước tiểu, nước tắm gia súc, rửa chuồng Nước thải chăn nuôi còn có thể chứa một phần hay toàn

bộ lượng phân được gia súc, gia cầm thải ra Nước thải là dạng chất thải chiếm khối lượng lớn nhất trong chăn nuôi Theo khảo sát của Trương Thanh Cảnh và các ctv (2010) trên gần 1.000 trại chăn nuôi heo qui mô vừa và nhỏ ở một số tỉnh phía Nam cho thấy hầu hết các cơ sở chăn nuôi đều sử dụng một khối lượng lớn nước cho gia súc Cứ 1 kg chất thải chăn nuôi do lợn thải ra được pha thêm với

từ 20 đến 49 kg nước Lượng nước lớn này có nguồn gốc từ các hoạt động tắm cho gia súc hay dùng để rửa chuồng nuôi hành ngày… Việc xử dụng nước tắm

cho gia súc hay rửa chuồng làm tăng lượng nước thải đáng kể, gây khó khăn cho việc thu gom và xử lý nước thải sau này [6]

Theo nghiên cứu của nhiều tác giả (A Kigirov, 1982; G Rheiheinmer, 1985…) trong phân, vi trùng gây bệnh đóng dấu Erysipelothris insidiosa có thể tồn tại 92 ngày, Brucella 74 – 108 ngày, Samonella 6 – 7 tháng, virus lở mồm

long móng trong nước thải là 100 – 120 ngày Riêng các loại vi trùng nha bào

Bacillus antharacis có thể tồn tại đến 10 năm, Bacillus tetani có thể tồn tại 3 – 4 năm Trứng giun sán với các loại điển hình như Fasciola hepatica, Fasciola gigantica, Fasciola buski, Ascarisum, Oesphagostomum sp, Trichocephalus dentatus có thể phát triển đến giai đoạn gây nhiễm sau 6 – 8 ngày và tồn tại 5 – 6 tháng Các vi trùng tồn tại lâu trong nước ở vùng nhiệt đới là Samonella typhi và Samonella paratyphi, E Coli, Shigella, Vibrio comma, gây bệnh dịch tả [38]

1.1.1.4 Thành phần khí từ chất thải chăn nuôi

Chăn nuôi là một ngành sản xuất tạo ra nhiều loại khí thải nhất Theo Hobbs và cộng sự (1995), có tới trên 170 chất khí có thể sinh ra từ chăn nuôi, điển hình là các khí CO2, CH4, NH3, NO2, N2O, NO, H2S, indol, schatol mecaptan…và hàng loạt các khí gây mùi khác Hầu hết các khí thải chăn nuôi có thể gây độc cho gia súc, cho con người và môi trường

Theo Trương Thanh Cảnh (2010), quá trình phân giải chất khí thải gia

súc, gia cầm do vi sinh vật như sau:

NH3 Indol, Schatol, Phenol Protêin

H2S

Axit hữu cơ mạch ngắn

Nguồn: Trương Thanh Cảnh và ctv,2010[6]

Hình 1.1 Các sản phẩm từ quá trình phân huỷ kỵ khí các chất thải chăn nuôi 1.1.2 Hiện trạng ô nhiễm môi trường do chất thải chăn nuôi

Trong những năm gần đây, ngành chăn nuôi lợn phát triển với tốc độ rất nhanh nhưng chủ yếu là tự phát và chưa đáp ứng được các tiêu chuẩn kỹ thuật về chuồng trại và kỹ thuật chăn nuôi Do đó năng suất chăn nuôi thấp và gây ô nhiễm môi trường một cách trầm trọng Ô nhiễm môi trường không những ảnh

Andehyde và Ketone Alcohol

H2O, CO2, hydrocacbon mạch ngắn Cacbohydrat Các Axit hữu cơ

H 2 O, CO 2 và CH 4 Axit béo

Andehyde và Ketone Alcohol

Lipit

hưởng đến sức khỏe vật nuôi, năng suất chăn nuôi mà còn ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe con người và môi trường sống xung quanh Mỗi năm ngành chăn nuôi gia súc gia cầm thải ra khoảng 75-85 triệu tấn phân, với phương thức sử dụng phân chuồng không qua xử lý ổn định và nước thải không qua xử lý xả trực tiếp

ra môi trường gây ô nhiễm nghiêm trọng [5]

Chất thải chăn nuôi tác động đến môi trường và sức khỏe con người trên nhiều khía cạnh: gây ô nhiễm nguồn nước mặt, nước ngầm, môi trường khí, môi trường đất và các sản phẩm nông nghiệp Đây chính là nguyên nhân gây ra nhiều căn bệnh về hô hấp, tiêu hoá, do trong chất thải chứa nhiều VSV gây bệnh, trứng giun Tổ chức y tế thế giới (WHO) đã cảnh báo: nếu không có biện pháp thu gom và xử lý chất thải chăn nuôi một cách thỏa đáng sẽ ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe con người, vật nuôi và gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Đặc biệt

là các virus biến thể từ các dịch bệnh như lở mồm long móng, dịch bệnh tai xanh

ở lợn có thể lây lan nhanh chóng và có thể cướp đi sinh mạng của rất nhiều người [10]

Cho đến nay, chưa có một báo cáo nào đánh giá chi tiết và đầy đủ về ô nhiễm môi trường do ngành chăn nuôi gây ra Theo báo cáo tổng kết của viện chăn nuôi, hầu hết các hộ chăn nuôi đều để nước thải chảy tự do ra môi trường xung quanh gây mùi hôi thối nồng nặc, đặc biệt là vào những ngày oi bức Nồng

độ khí H2S và NH3 cao hơn mức cho phép khoảng 30-40 lần Tổng số VSV và bào tử nấm cũng cao hơn mức cho phép rất nhiều lần Ngoài ra nước thải chăn nuôi còn có chứa Coliform, E.coli, COD , và trứng giun sán cao hơn rất nhiều lần so với tiêu chuẩn cho phép

Ô nhiễm môi trường khu vực trại chăn nuôi do sự phân huỷ các chất hữu cơ có mặt trong phân và nước thải của lợn Sau khi chất thải ra khỏi cơ thể của lợn thì các chất khí đã lập tức bay lên, khí thải chăn nuôi bao gồm hỗn hợp nhiều loại khí trong

đó có trên 40 loại gây mùi, chủ yếu là H2S và NH3 Trong điều kiện kỵ khí cộng với

sự có mặt của vi khuẩn trong phân và nước thải xảy ra quá trình khử các ion

trong những nguyên nhân gây ra các vấn đề về màu và mùi Nồng độ S

tại hố thu nước thải chăn nuôi lợn có thể lên đến 330 mg/l cao hơn rất nhiều so với tiêu chuẩn (theo TCVN 5945-2005 cột C nồng độ sunfua là 1,0mg/l)

Việc kiểm soát chất thải chăn nuôi là một nội dung cấp bách cần được các cấp quản lý, các nhà sản xuất và cộng đồng dân cư bắt buộc quan tâm để: hạn chế ô nhiễm môi trường, bảo vệ sức khỏe của con người, cảnh quan khu dân cư cũng như không kìm hãm sự phát triển của ngành

1.2 Các biện pháp xử lý nước thải chăn nuôi

Đối với nước thải chăn nuôi, có thể áp dụng các phương pháp xử lý sau:

1.2.1.2 Xử lý hóa lý

Sau khi xử lý cơ học, nước thải còn chứa nhiều cặn hữu cơ và vô cơ có kích thước nhỏ, có thể dùng phương pháp keo tụ để loại bỏ chúng Theo nghiên cứu

của Trương Thanh Cảnh (2010) với nước thải chăn nuôi lợn: phương pháp cơ

học và keo tụ có thể tách được 80-90% hàm lượng cặn trong nước thải chăn nuôi lợn Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi chi phí cao không phù hợp với các cơ

sở chăn nuôi Ngoài ra tuyển nổi cũng là một phương pháp để loại bỏ cặn trong nước thải chăn nuôi lợn, tuy nhiên chi phí đầu tư và vận hành cao nên không phù hợp với các cơ sở chăn nuôi [6]

1.2.2 Xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp sinh học kỵ khí

Quá trình phân hủy kỵ khí các hợp chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp, bao gồm hàng trăm phản ứng và hợp chất trung gian, mỗi phản ứng được xúc tác bởi những enzym đặc biệt Sơ đồ biểu diễn tổng quát quá trình xử lý kỵ khí [39]

Nguồn: Viney, 2004[39]

Hình 1.2 Sơ đồ phản ứng sinh hóa trong điều kiện yếm khí

Biện pháp xử lý kỵ khí cho chất lượng nước đầu ra còn chứa nhiều hợp chất

có mùi hôi, vì vậy chúng chỉ được coi là một bước tiền xử lý trong hệ thống xử lý

1.2.3 Xử lý nước thải chăn nuôi bằng phương pháp sinh học hiếu khí

1.2.3.1 Các quá trình trong quá trình hiếu khí

Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp hiếu khí bao gồm 3 giai đoạn:

- Oxy hóa các chất hữu cơ:

- Tổng hợp tế bào mới:

CxHyOz+ O2 + NH3 Enzyme TÕ bµo vi khuÈn (C5H7O2N)+CO2 + H2O - H

- Phân hủy nội bào:

C5H7O2N + O2 Enzyme 5CO2 + 2H2O + NH3 H 1.2.3.2 Bể hiếu khí Aerotank

Hệ thống xử lý bằng bùn hoạt tính được phát minh bởi Arden và Lockett năm 1914 tại Anh Vi khuẩn dính bám lên các bông cặn có trong nước thải và phát triển sinh khối tạo thành bông bùn có hoạt tính phân hủy chất hữu cơ Các bông bùn này được cấp khí cưỡng bức đảm bảo lượng oxy cần thiết cho hoạt động phân hủy và giữ cho bông bùn ở trạng thái lơ lửng Các bông bùn lớn dần lên do hấp phụ các chất rắn lơ lửng, tế bào VSV, động vật nguyên sinh qua đó nước thải được làm sạch

1.2.3.3 Lọc sinh học hiếu khí

Sử dụng hệ VSV dính bám trên các VLL để xử lý các chất hữu cơ trong nước thải Vi sinh vật có thể dính bám lên giá thể vì có nhiều loại VSV có khả năng tiết ra các polyme sinh học giống như keo dính vào giá thể, tạo thành màng Lớp màng này dày lên và có khả năng oxy hóa, hấp phụ: chất hữu cơ, cặn lơ lửng hoặc trứng giun sán

+ Bể lọc nhỏ giọt: vật liệu lọc là sỏi nhẹ, than đường kính hạt 20 - 50

mm Chiều dày lớp vật liệu lọc từ 1,5 - 2,0 m Bể được cấp khí tự nhiên nhờ các cửa thông gió xung quanh bể hoặc cấp khí cưỡng bức Tải trọng của bể lọc sinh học nhỏ giọt thấp 0,1-0,2 kgBOD/m3 VLL, tải trọng thủy lực 1-3m3

nước thải/m2

bề mặt bể.ngày Thông thường hiệu quả xử lý BOD của bể lọc sinh học nhỏ giọt E=75-90% [16]

+ Bể lọc sinh học cao tải: chiều dày lớp vật liệu lọc khoảng 2,0 - 4,0 m Bể

được cấp khí cưỡng bức với lưu lượng 8-12 m3

khí/m3 nước thải Tải trọng của bể lọc sinh học cao tải 0,2-1,5 kgBOD/m3 VLL, tải trọng thủy lực 10-30m3

nước thải/m2 bề mặt bể.ngày Hiệu quả xử lý BOD của bể lọc sinh học cao tải E=60-85% [16]

1.2.3.3 Hồ sinh học hiếu khí và hiếu kị khí

Các quá trình diễn ra trong hồ sinh học tương như quá trình tự làm sạch ở sông

hồ nhưng tốc độ nhanh hơn và hiệu quả cao hơn Trong hồ có thể nuôi trồng thủy thực vật, tảo, vi sinh vật, cá để tăng hiệu quả xử lý Quần thể động thực vật trong

hồ đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình chuyển hóa các hợp chất hữu cơ của nước thải Đầu tiên VSV phân hủy các chất hữu cơ phức tạp thành các chất đơn giản, đồng thời trong quá trình quang hợp chúng lại giải phóng ra oxy cung cấp cho động thực vật Cá bơi khuấy trộn nước có tác dụng tăng sự tiếp xúc của oxy với nước, thúc đẩy sự họat động, phân hủy của vi sinh vật [20]

Căn cứ vào đặc tính tồn tại của các nhóm VSV và cơ chế xử lý mà có thể chia ra các loại hồ: hồ hiếu khí; hồ kỵ khí; hồ tùy tiện [17][19]

* Hồ hiếu khí: Là loại hồ cạn, độ sâu lớp nước trong hồ 0,4-0,8m để cho

ánh sáng mặt trời xâm nhập sâu vào lớp nước Lượng oxy cho các quá trình sinh hóa chủ yếu là oxy trong không khí xâm nhập qua bề mặt và hoạt động quang hợp của thực vật trong nước Tải lượng của hồ khoảng 250-300 kgBOD/ha.ngày; thời gian lưu nước khoảng 3-12 ngày Do độ sâu nhỏ và thời gian lưu nước lớn

do đó hồ hiếu khí có thể kết hợp xử lý nước thải và nuôi trồng thủy sản

Đối với hồ hiếu khí nhân tạo (cung cấp oxy cưỡng bức) thì chiều sâu hồ có thể 2-4,5m; tải lượng 400 kgBOD/ha.ngày; thời gian lưu nước 1-3 ngày

* Hồ hiếu kị khí:: được sử dụng rộng rãi trong XLNT, trong hồ xảy ra

song song hai quá trình: oxy hóa hiếu khí chất hữu cơ và phân hủy methane cặn lắng Chiều sâu của hồ tùy tiện thường lấy 1,0-1,5m Theo chiều sâu của hồ phân

ra thành ba vùng: Lớp nước phía trên có nhiều oxy hòa tan nên quá trình oxy hóa xảy ra ở môi trường hiếu khí; Lớp giữa là lớp trung gian; Lớp dưới cùng quá trình phân hủy các chất hữu cơ ở môi trường yếm khí

Nguồn: Nguyễn Đức Lượng, 2003[17]

Hình 1.3 Các quá trình sinh hóa XLNT trong hồ sinh học

1.2.3.4 Xử lý nước thải chăn nuôi bằng thuỷ sinh thực vật

Trong XLNT, thực vật thủy sinh (TVTS) có vai trò rất quan trọng TVTS tham gia loại bỏ các chất bẩn hữu cơ, chất rắn lơ lửng, nitơ, phốtpho, kim loại nặng

và VSV gây bệnh Trong quá trình XLNT thì sự phối hợp chặt chẽ giữa TVTS và các sinh vật khác (động vật phù du, tảo, vi khuẩn, vi nấm, động vật nguyên sinh, nhuyễn thể, ấu trùng, côn trùng…) có ý nghĩa quan trọng Vi sinh vật tham gia trực tiếp vào quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ và tạo nguyên liệu dinh dưỡng (N,

P và các khoáng chất khác…) cho thực vật sử dụng Đây chính là cơ chế quan trọng

để TVTS loại bỏ các hợp chất vô cơ N, P [3]

* Xử lý nước thải bằng tảo: Tảo có khả năng quang hợp, chúng có tốc độ

sinh trưởng nhanh, chịu được các thay đổi của môi trường, có khả năng phát triển trong nước thải, có giá trị dinh dưỡng cao Do đó người ta đã lợi dụng các đặc điểm này của tảo để: chuyển đổi năng lượng mặt trời và chất dinh dưỡng trong nước thải thành năng lượng sinh khối tảo Thông thường người ta kết hợp việc XLNT với sản xuất và thu hoạch tảo để loại bỏ chất hữu cơ trong nước thải,

* Xử lý bằng thực vật thủy sinh có kích thước lớn: Thực vật thủy sinh

kích thước lớn có thể sử dụng trong xử lý nước thải chia làm 3 nhóm :

- Nhóm nổi: bèo tấm (Lemna minor), bèo Nhật bản (Eichhornia crassipes),

loại này có thân, lá nổi trên mặt nước, chỉ có phần rễ là chìm trong nước

- Nhóm nửa chìm, nửa nổi: sậy (Pharagmites communis), lau (Cirpus lacustris) Loại này có bộ rễ cắm vào đất, bùn còn phần thân chìm trong nước,

phần còn lại và lá ở phía trên Mực nước thích hợp của cây là >1,5m

- Nhóm chìm: rong xương cá (Potamogeton crispus), rong đuôi chó (Littorella umiflora), thực vật loại này chìm hẳn trong nước, rễ của chúng bám

chặt vào bùn đất, còn thân và lá ngập trong nước

Bảng 1.7 Một số loại thuỷ sinh vật tiêu biểu

Thuỷ sinh vật sống chìm

Thuỷ sinh vật sống trôi nổi

Thuỷ sinh thực vật sống nổi

Nguồn: Nguyễn Văn Phước, 2007[20]

1.2.4 Các công nghệ thường được sử dụng trong xử lý chất thải chăn nuôi

Trong bể Biogas các chất hữu cơ được phân hủy một phần, do đó sau Biogas nước thải có hàm lượng chất hữu cơ thấp và ít mùi hơn Bùn cặn trong bể biogas có thể sử dụng để cải tạo đất nông nghiệp Cùng với việc có nguồn năng lượng mới sử dụng, còn góp phần giảm thiểu hiện tượng chặt phá rừng và bảo vệ môi trường Khí Biogas là một nguồn năng lượng có triển vọng trong tương lai đồng thời góp phần bảo vệ môi trường và bảo tồn tài nguyên thiên nhiên [26]

4.500-Tùy thuộc vào thành phần và tính chất nước thải chăn nuôi, thời gian lưu nước, tải trọng chất hữu cơ, nhiệt độ… mà lượng khí sinh ra là khác nhau

Bảng 1.9 Lƣợng khí Biogas đƣợc sinh ra từ chất thải động vật và các chất

thải trong nông nghiệp Động vật

Khí đƣợc sản sinh (l/kg chất thải rắn)

Thực vật

Khí đƣợc sản sinh (l/kg chất thải rắn)

1.2.4.2 Hồ sinh học kị khí

Chiều sâu hồ khoảng 3-5m, lớp nước trong hồ được khuấy đảo nhờ các bọt khí sinh ra từ quá trình kỵ khí ở đáy và các yếu tố khác như gió, chuyển động đối lưu Hiệu quả xử lý của hồ kỵ khí phụ thuộc vào thời gian lưu và tải lượng chất hữu cơ, mối quan hệ giữa hiệu quả xử lý và thời gian lưu được thể hiện qua công thức [1]: E(%) = 1 – 2,4 0,5

Tải trọng BOD của hồ kỵ khí tương đối cao, từ 200-500 kgBOD/ha.ngày Hiệu quả khử BOD từ 50-85% Hàm lượng chất lơ lửng khi ra khỏi hồ 80-160 mg/l [21] 1.2.4.3 Lọc sinh học kỵ khí

Kỹ thuật lọc yếm khí được sử dụng trong thực tế lần đầu tiên vào năm 1969,

kỹ thuật trên phù hợp với nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao Tải lượng chất hữu cơ của bể lọc yếm khí có thể đạt tới 1-20 kgBOD/m3

.ngày đêm [1]

Quá trình lọc kỵ khí dính bám, sử dụng giá thể mang vi sinh như sỏi, đá, vòng nhựa tổng hợp, tấm nhựa, xơ dừa để xử lý nước thải trong điều kiện không có oxy Bể lọc kỵ khí có dòng chảy hướng lên hoặc dòng chảy ngang Nước thải đi qua và tiếp xúc với toàn bộ lớp vật liệu lọc Sinh khối dính bám trên

bề mặt lớp vật liệu lọc cố định do đó sinh khối được giữ lại trong bể với thời gian lâu hơn thời gian lưu nước (thời gian lưu nước là 8h, thời gian lưu bùn có thể lên đến 100 ngày) [11]

Sự phát triển của mô hình động học phân hủy yếm khí hiện chưa đạt tới mức độ cho phép thiết lập các thông số thiết kế cho một hệ xử lý hoặc cần tới quá nhiều các thông số nhưng tính đặc trưng và ổn định của chúng thấp, vì vậy thiết kế hệ lọc yếm khí chủ yếu dựa trên kinh nghiệm hoặc từ kết quả nghiên cứu

từ thí nghiệm pilot [1]

1.2.4.4 Quá trình kỵ khí trong UASB

Hệ thống này được nghiên cứu và ứng dụng bởi Gatze Lettinga và các cộng

sự của trường đại học Wageningen ở Hà Lan từ những năm 1970, nó thích hợp cho việc xử lý nước thải có hàm lượng chất hữu cơ từ thấp tới cao tại các vùng nhiệt đới Trong quá trình xử lý, UASB làm giảm hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải và sinh ra một lượng khí Biogas đáng kể [27]

Nước thải được đưa từ dưới lên qua lớp bùn kỵ khí lơ lửng ở dạng hạt Quá trình sinh hóa diễn ra khi nước thải tiếp xúc với lớp hạt bùn này Khí sinh ra sẽ kéo các bông bùn lên lơ lửng trong bể tạo ra sự khuấy trộn đều giữa bùn và nước Khi lên đến đỉnh các bọt khí sẽ va chạm với các tấm chắn nghiêng, các bọt khí được giái phóng tự do còn bùn được rơi xuống theo trọng lực Tấm chắn được đặt nghiêng trong vùng tách pha để tăng tiết diện, tiết diện dòng chảy tăng

do đó làm giảm tốc độ lắng của pha rắn tại vùng này, bùn được tích tụ trên bề mặt tấm chắn nghiêng khi đủ lớn tách ra và rơi xuống vùng lắng

Nguồn: Nguyễn Việt Anh, 2007[4]

Hình 1.4 Sơ đồ cấu tạo bể UASB

So sánh với các kỹ thuật xử lý yếm khí khác, trên nhiều phương diện cho thấy

kỹ thuật UASB là phương án tốt nhất Thông thường thời gian lưu là 6 ngày cho vùng khí hậu nhiệt đới, chiều cao bể 4-6m, vận tốc nước dâng v = 0,6-0,9 m/h [4]

1.2.4.5 Bể EGSB (Expanded Granular Slugde Bed)

Một trong những yếu tố quan trọng của hệ UASB là dạng tập hợp sinh

khối, sinh khối keo tụ thành hạt bùn: kích thước 1-5mm, khối lượng riêng lớn,

độ bền cơ học cao, tốc độ sa lắng lớn và hoạt tính methane hóa cao Một hệ UASB thông thường không có khả năng tạo ra các hạt bùn có tính chất như trên mặc dù có hiệu quả xử lý cao, chứng tỏ chúng không phải là điều kiện tiên quyết cho hiệu quả xử lý của hệ, chính từ quan điểm trên người ta đã biến thể hệ

進流水分配器

出流水 甲烷氣

V¸ch ng¨n t¸ch khÝ

UASB thành hệ EGSB Năm 1983 Lettinga và cs, đã phát minh ra hệ thống EGSB - Expanded Granular Sludge Bed (lớp bùn hạt mở rộng)

Dòng nước thải đi vào hệ thống theo chiều từ dưới lên, qua một lớp bùn hạt mở rộng, chứa những vi sinh vật kỵ khí để phân huỷ chất hữu cơ chứa trong bùn thải Vận tốc dòng lên của hệ thống có thể đạt trên 9 m/h, cao hơn nhiều hệ thống UASB (0,6 - 0,9m/h) Nước thải ra khỏi hệ thống có thể được tuần hoàn trở lại một phần, do tải lượng của bể EGSB (2-4kgCOD/m3

Đất ngập nước nhân tạo hay bãi lọc trồng cây chính là công nghệ xử lý sinh thái mới, được xây dựng nhằm khắc phục những nhược điểm của bãi đất ngập nước tự nhiên mà vẫn có được những ưu điểm của đất ngập nước tự nhiên Các nghiên cứu cho thấy, bãi lọc nhân tạo trồng cây hoạt động tốt hơn so với đất ngập nước tự nhiên cùng diện tích, nhờ đáy của bãi lọc nhân tạo có độ dốc hợp

lý và chế độ thủy lực được kiểm soát Độ tin cậy trong hoạt động của bãi lọc nhân tạo cũng được nâng cao do thực vật và các thành phần khác trong bãi lọc nhân tạo có thể quản lý được như mong muốn [2]

Bãi lọc ngầm trồng cây gần đây đã được biết đến trên thế giới như một giải pháp công nghệ mới, xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên với hiệu suất cao, chi phí thấp và ổn định, ngày càng được áp dụng rộng rãi Ở Việt Nam, công nghệ trên thực chất còn rất mới

Bãi lọc trồng cây dùng để xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên Với các thông số làm việc khác nhau, bãi lọc trồng cây được sử dụng rộng rãi trong xử lý nhiều loại nước thải Khác với bãi đất ngập nước tự nhiên, thường là nơi tiếp nhận nước thải sau khi xử lý, với chất lượng đã đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn và chúng

chỉ làm nhiệm vụ xử lý bậc cao hơn, bãi lọc trồng cây là một thành phần trong hệ thống các công trình xử lý nước thải sau bể tự hoại hay sau xử lý bậc hai

2 Các loại bãi lọc trồng cây và cấu tạo của chúng

a- Bãi lọc trồng cây ngập nước hay Đất ngập nước dòng chảy bề mặt (surface flow wetland)

Hệ thống này mô phỏng một đầm lầy hay Đất ngập nước tự nhiên Dưới đáy bãi lọc là một lớp đất sét tự nhiên hay nhân tạo, hoặc rải một lớp vải nhựa chống thấm Trên lớp chống thấm là đất hoặc vật liệu phù hợp cho sự phát triển của thực vật có thân nhô lên khỏi mặt nước Dòng nước thải chảy ngang trên bề mặt lớp vật liệu lọc Hình dạng bãi lọc này thường là kênh dài hẹp, vận tốc dòng chảy chậm, thân cây trồng nhô lên trong bãi lọc là những điều kiện cần thiết để tạo nên chế độ thuỷ kiểu dòng chảy đẩy (plug-flow) [14]

b bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm hay bãi lọc ngầm trồng cây hay Đất ngập nước dòng chảy dưới bề mặt (subsurface flow wetland)

Hệ thống này chỉ mới xuất hiện gần đây và được biết đến với các tên gọi khác nhau như lọc ngầm trồng cây (Vegetated submerged bed - VBS), hệ thống

xử lý với vùng rễ (Root zone system), bể lọc với vật liệu sỏi trồng sậy (Rock reed filter) hay bể lọc vi sinh và vật liệu (Microbial rock filter) Cấu tạo của bãi lọc ngầm trồng cây về cơ bản cũng gồm các thành phần tương tự như bãi lọc trồng cây ngập nước nhưng nước thải chảy ngầm trong phần lọc của bãi lọc Lớp lọc, nơi thực vật phát triển trên đó, thường gồm có đất, cát, sỏi, đá dăm và được xếp theo thứ tự từ trên xuống dưới, giữ độ xốp của lớp lọc Dòng chảy có thể có dạng chảy từ dưới lên, từ trên xuống dưới hoặc chảy theo phương nằm ngang Dòng chảy phổ biến nhất ở bãi lọc ngầm là dòng chảy ngang Hầu hết các hệ thống được thiết kế với độ dốc 1% hoặc hơn [14]

Bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy ngang có khả năng xử lý chất hữu cơ

và rắn lơ lửng tốt, nhưng khả năng xử lý các chất dinh dưỡng lại thấp, do điều kiện thiếu oxy, kị khí trong các bãi lọc không cho phép nitrat hoá amoni nên khả

năng xử lý nitơ bị hạn chế Xử lý phốtpho cũng bị hạn chế do các vật liệu lọc được sử dụng (sỏi, đá dăm) có khả năng hấp phụ kém [14]

- Loại này bao gồm cả các loại bãi lọc có dòng chảy nằm ngang hay dòng chảy thẳng đứng từ dưới lên, từ trên xuống

* Các hệ thống với dòng chảy ngang dưới mặt đất (Horizontal subsurface flow - HSF): Hệ thống này được gọi là dòng chảy ngang vì nước thải được đưa

vào và chảy chậm qua tầng lọc xốp dưới bề mặt của nền trên một đường ngang cho tới khi nó tới được nơi dòng chảy ra Trong suốt thời gian này, nước thải sẽ tiếp xúc với một mạng lưới hoạt động của các đới hiếu khí, hiếm khí và kị khí Các đới hiếu khí ở xung quanh rễ và bầu rễ, nơi lọc O2 vào trong bề mặt Khi nước thải chảy qua đới rễ, nó được làm sạch bởi sự phân hủy sinh học của vi sinh vật bởi các quá trình hóa sinh Loại thực vật sử dụng phổ biến trong các hệ thống HSF là cây sậy [7]

* Các hệ thống với dòng chảy thẳng đứng (Vertical subsurface flow - VSF):

Nước thải được đưa vào hệ thống qua ống dẫn trên bề mặt Nước sẽ chảy xuống dưới theo chiều thẳng đứng Ở gần dưới đáy có ống thu nước đã xử lý để đưa ra ngoài Các hệ thống VSF thường xuyên được sử dụng để xử lý lần 2 cho nước thải đã qua xử lý lần 1 Thực nghiệm đã chỉ ra là nó phụ thuộc vào xử lý sơ

bộ như bể lắng, bể tự hoại Hệ thống đất ngập nước cũng có thể được áp dụng như một giai đoạn của xử lý sinh học [14]

Tuy nhiên, trên thực tế mô hình ĐNN nhân tạo được xây dựng theo hai hệ thống: Bãi lọc trồng cây ngập nước (FWS); Bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm hay Bãi lọc ngầm trồng cây, với dòng chảy ngang hay dòng chảy thẳng đứng (SSF) Cách thức phân chia các hệ thống khác nhau nhưng chúng hoạt động theo cùng một cơ chế

3 Cơ chế trong xử lý nước thải bằng bãi lọc trồng cây

Để thiết kế, xây dựng, vận hành bãi lọc trồng cây chính xác, đạt hiệu quả cao, việc nắm rõ cơ chế xử lý nước thải của bãi lọc là hết sức cần thiết Các cơ chế đó bao gồm lắng, kết tủa, hấp phụ hoá học, trao đổi chất của vi sinh vật và sự hấp thụ của thực vật Các chất ô nhiễm có thể được loại bỏ nhờ nhiều cơ chế đồng thời trong bãi lọc

a Loại bỏ các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học

Trong các bãi lọc, phân huỷ sinh học đóng vai trò lớn nhất trong việc loại

bỏ các chất hữu cơ dạng hoà tan hay dạng keo có khả năng phân huỷ sinh học (BOD) có trong nước thải BOD còn lại cùng các chất rắn lắng được sẽ bị loại bỏ nhờ quá trình lắng Cả bãi lọc ngầm trồng cây và bãi lọc trồng cây ngập nước về

cơ bản hoạt động như bể lọc sinh học Tuy nhiên, đối với bãi lọc trồng cây ngập nước, vai trò của các vi sinh vật lơ lửng dọc theo chiều sâu cột nước của bãi lọc đối với việc loại bỏ BOD cũng rất quan trọng Cơ chế loại bỏ BOD trong các màng vi sinh vật bao bọc xung quanh lớp vật liệu lọc tương tự như trong bể lọc sinh học nhỏ giọt Phân hủy sinh học xảy ra khi các chất hữu cơ hoà tan được mang vào lớp màng vi sinh bám trên phần thân ngập nước của thực vật, hệ thống

rễ và những vùng vật liệu lọc xung quanh, nhờ quá trình khuếch tán Vai trò của thực vật trong bãi lọc là:

+ Cung cấp môi trường thích hợp cho vi sinh vật thực hiện quá trình phân hủy sinh học (hiếu khí) cư trú

+ Vận chuyển oxy vào vùng rễ để cung cấp cho quá trình phân hủy sinh học hiếu khí trong lớp vật liệu lọc và bộ rễ

b Loại bỏ chất rắn

- Các chất lắng được loại bỏ dễ dàng nhờ cơ chế lắng trọng lực, vì hệ thống bãi lọc trồng cây có thời gian lưu nước dài Chất rắn không lắng được, chất keo có thể được loại bỏ thông qua cơ chế lọc (nếu có sử dụng cát lọc), lắng và phân hủy sinh học (do sự phát triển của vi sinh vật), hút bám, hấp phụ lên các chất rắn khác

(thực vật, đất, cát, sỏi…) nhờ lực hấp dẫn Van De Waals, chuyển động Brown Đối với sự hút bám trên lớp nền, một thành phần quan trọng của bãi lọc ngầm, Sapkota và Bavor (1994) cho rằng, chất rắn lơ lửng được loại bỏ trước tiên nhờ quá trình lắng và phân hủy sinh học, tương tự như các quá trình xảy ra trong bể sinh học nhỏ giọt [35]

- Các cơ chế xử lý trong hệ thống này phụ thuộc rất nhiều vào kích thước

và tính chất của các chất rắn có trong nước thải và các dạng vật liệu lọc được sử dụng Trong môi trường hợp, thực vật trong bãi lọc không đóng vai trò đáng kể trong việc loại bỏ các chất rắn

- Trong các bãi lọc, sự chuyển hoá của nitơ xảy ra trong các tầng oxy hoá

và khử của bề mặt tiếp xúc giữa rễ và đất, phần ngập nước của thực vật có thân nhô lên khỏi mặt nước Nitơ hữu cơ bị oxy hoá thành NH4+ trong cả hai lớp đất oxy hoá và khử Lớp oxy hoá và phần ngập của thực vật là những nơi chủ yếu xảy

ra quá trình nitrat hóa, tại đây NH4+

chuyển hoá thành NO2- bởi vi khuẩn Nitrosomonas và cuối cùng thành NO3-

bởi vi khuẩn Nitrobacter Ở môi trường nhiệt độ cao hơn, một số NH4+ chuyển sang dạng NH3 và bay hơi vào không khí Nitrat trong tầng khử sẽ bị hụt đi nhờ quá trình khử nitrat, lọc hay do thực vật hấp thụ Tuy nhiên, nitrat được cấp vào từ vùng oxy hoá nhờ hiện tượng khuếch tán

- Đối với bề mặt chung giữa đất và rễ, oxy từ khí quyển khuếch tán vào vùng lá, thân, rễ của các cây trồng trong bãi lọc và tạo nên một lớp giàu oxy

ở vùng hiếu khí, tại đây NH4+ bị oxy hoá thành NO3- Phần NO3- không bị cây trồng hấp thụ sẽ bị khuếch tán vào vùng thiếu khí, và bị khử thành N2 và N2O do quá trình khử nitrat Lượng NH4+

trong vùng rễ được bổ sung nhờ nguồn NH4+

từ vùng thiếu khí khuếch tán vào

d Loại bỏ Phốtpho

- Cơ chế loại bỏ phốtpho trong bãi lọc trồng cây gồm có sự hấp thụ của thực vật, các quá trình đồng hoá của vi khuẩn, sự hấp phụ lên đất, vật liệu lọc (chủ yếu là lên đất sét) và các chất hữu cơ, kết tủa và lắng các ion Ca2+

, Mg2+,

Fe3+, và Mn2+ Khi thời gian lưu nước dài và đất sử dụng có cấu trúc mịn thì các quá trình loại bỏ phốtpho chủ yếu là sự hấp phụ và kết tủa, do điều kiện này tạo

cơ hội tốt cho quá trình hấp phụ phốtpho và các phản ứng trong đất xảy ra

- Tương tự như quá trình loại bỏ nitơ, vai trò của thực vật trong vấn đề loại bỏ phốtpho vẫn còn là vấn đề tranh cãi Dù sao, đây cũng là cơ chế duy nhất đưa hẳn phốtpho ra khỏi hệ thống bãi lọc Các quá trình hấp phụ, kết tủa và lắng chỉ đưa được phốtpho vào đất hay vật liệu lọc Khi lượng phốtpho trong lớp vật liệu vượt quá khả năng chứa thì vật liệu phần vật liệu hay lớp trầm tích đó phải được nạo vét và xả bỏ

e Loại bỏ kim loại nặng

- Khi các kim loại nặng hoà tan trong nước thải chảy vào bãi lọc trồng cây, các cơ chế loại bỏ chúng gồm có:

+ Kết tủa và lắng ở dạng hydrôxit không tan trong vùng hiếu khí, ở dạng sunfit kim loại trong vùng kị khí của lớp vật liệu

+ Hấp phụ lên các kết tủa oxyhydrôxit sắt, Mangan trong vùng hiếu khí + Kết hợp, lẫn với thực vật chết và đất

+ Hấp thụ vào rễ, thân và lá của thực vật trong bãi lọc trồng cây

- Các nghiên cứu chưa chỉ ra được cơ chế nào trong các cơ chế nói trên có vai trò lớn nhất, nhưng nhìn chung có thể nói rằng lượng kim loại được thực vật hấp thụ chỉ chiếm một phần nhất định Các loại thực vật khác nhau có khả năng hấp thụ kim loại nặng rất khác nhau Bên cạnh đó, thực vật đầm lầy cũng ảnh

hưởng gián tiếp đến sự loại bỏ và tích trữ kim loại nặng khi chúng ảnh hưởng tới chế độ thủy lực, cơ chế hoá học lớp trầm tích và hoạt động của vi sinh vật Vật liệu lọc là nơi tích tụ chủ yếu kim loại nặng Khi khả năng chứa các kim loại nặng của chúng đạt tới giới hạn thì cần nạo vét và xả bỏ để loại kim loại nặng ra khỏi bãi lọc

f Loại bỏ các hợp chất hữu cơ

- Các hợp chất hữu cơ được loại bỏ trong các bãi lọc trồng cây chủ yếu nhờ cơ chế bay hơi, hấp phụ, phân hủy bởi các vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn

và nấm), và hấp thụ của thực vật

- Yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất loại bỏ các hợp chất hữu cơ nhờ quá trình bay hơi là hàm số phụ thuộc của trọng lượng phân tử chất ô nhiễm và áp suất riêng phần giữa hai pha khí-nước xác định bởi định luật Henry

- Quá trình phân hủy các chất bẩn hữu cơ chính nhờ các vi khuẩn hiếu khí và

kị khí đã được khẳng định, nhưng quá trình hấp phụ các chất bẩn lên màng vi sinh vật phải xảy ra trước quá trình thích nghi và phân hủy sinh học Các chất bẩn hữu

cơ chính còn có thể được loại bỏ nhờ quá trình hút bám vật lý lên bề mặt các chất rắn lắng được và sau đó là quá trình lắng Quá trình này thường xảy ra ở phần đầu của bãi lọc Các hợp chất hữu cơ cũng bị thực vật hấp thụ (Polprasert và Dan, 1994), tuy nhiên cơ chế này còn chưa được hiểu rõ và phụ thuộc nhiều vào loài thực vật được trồng, cũng như đặc tính của các chất bẩn

g Loại bỏ vi khuẩn và virut

- Cơ chế loại vỏ vi khuẩn, virut trong các bãi lọc trồng cây về bản chất cũng giống như quá trình loại bỏ các vi sinh vật này trong hồ sinh học Vi khuẩn

và virut có trong nước thải được loại bỏ nhờ:

+ Các quá trình vật lý như dính kết và lắng, lọc, hấp phụ

+ Bị tiêu diệt do điều kiện môi trường không thuận lợi trong một thời gian dài

4 Các nguyên lý cơ bản trong bãi lọc ngầm

- SSF với dòng chảy ngang thiếu oxy: Khuếch tán trong lớp lọc từ đó mà

- SSF với dòng chảy thẳng đứng quá trình hiếu khí là chiếm ưu thế:

+ Quá trình khuếch tán và xáo trộn diễn ra từ đó không khí thâm nhập qua

hệ thống phân phối

+ Nước chứa oxy thấm từ trên xuống dưới

- Quá trình lọc phụ thuộc và kích thước hạt, kích thước hạt càng nhỏ thì

diện tích tiếp xúc bề mặt càng lớn và càng hấp phụ nhiều hơn

- Hấp phụ và lắng được tăng cường bởi hàm lượng Fe, Al, và/hoặc Ca cao trong vật liệu lọc

Tóm lại cơ chế loại bỏ các chất thải cơ bản như sau:

+ Lắng, lọc, hấp phụ SS, P, KLN và chất hữu cơ đã bị hấp phụ

+ Màng VSV trong vùng rễ, lớp lọc: phân huỷ dị dưỡng các chất hữu cơ + Trong vùng hiếu khí: Phân huỷ sinh học chất hữu cơ, Nitrat hoá, kết tủa hydroxit sắt và mangan

+ Trong vùng kỵ khí khử nitrat, kết tủa và lắng muối sunphit với các kim loại + Diệt trùng bằng hệ thống: lọc, hấp phụ, cạnh tranh, bức xạ nhiệt độ, pH + Thực vật trong XLNT bằng bãi lọc trồng cây giúp tạo vùng rễ, lỗ xốp, vận chuyển oxy, hấp thụ chất dinh dưỡng, KLN,

5 Sơ lược về một số loại cây trong bãi lọc

Cây trồng được sử dụng trong bãi lọc là những cây dễ tìm kiếm, có khả năng sinh trưởng tốt trong nước, thích nghi tốt với điều kiện môi trường và tạo được vẻ đẹp cảnh quan

a Cây Hoa Bóng Nước

Tên thường gọi: Hoa Bóng Nước hay còn có tên khác là cây Hoa Móng Tay hay cây Nắc Nẻ Tên khoa học: Impatiens balsamina L

Thuộc họ bóng nước BALSAMINACEAE

Loài: I Balsamina

Hoa bóng nước là một cây trồng làm cảnh với hoa đẹp nhiều màu sặc sỡ, trắng, hồng, đỏ, tím và vàng Ngoài ra Hoa Bóng Nước được dùng trong Y học cổ

truyền với tên thuốc là Phượng tiên hoa, thu hái khi chưa có hoa, lá còn xanh chưa bị

úa vàng Dịch chiết từ lá bóng nước với thành phần hóa học chủ yếu là chất axit hydroxybenzoic đã được nghiên cứu dược lý thấy có tác dụng kháng khuẩn rất mạnh

p-b Cây Mon Nước

Tên thường gọi: Cây Mon Nước hay cây Khoai Nước Tên khoa học: Colocasia esculenta Thuộc họ Ráy (Araceae)

Đặc điểm: là một loại thực vật thuộc họ Ráy bản địa bao gồm vùng nhiệt đới châu Á và lan rộng đến miền đông bắc Úc Đây là một loại cây mọc hoang có sức sống mãnh liệt hay mọc ở ruộng hay dựa vào bờ nước, có củ, lá cọng cao 0,3-0,8 m, lá, phiến không thấm nước vì lông mịn như nhung Lá có kích thước đến 40×24,8 cm, mọc từ củ (thân rễ), mặt trên màu xanh lục đậm, mặt dưới nhạt hơn, thông thường có hình oval-tam giác Cuống lá cao 0,8 -1,2 m Cây môn nước được dùng làm thức ăn gia súc ngoài ra còn trồng làm rau ăn, dùng để chữa bệnh

c Cây Chuối Hoa

Tên thường gọi: Cây Chuối Hoa Tên khoa học: Canna hybrids

, sinh thái: Là cây ưa sáng, nhu cầu nước cao, sinh trưởng phát triển nhanh, ưa khí hậu mát ẩm, phù hợp với mô hình đất ướt, với