đánh giá khả năng xử lý đạm, lân và cân bằng nước của mô hình đất ngập nước nhân tạo xử lý nước thải sau bể tự hoại khoa mt tntn, trồng cây thủy trúc

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ KHOA MÔI TRƢỜNG & TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN ---------- LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC NGÀNH KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG XỬ LÝ ĐẠM, LÂN VÀ CÂN BẰNG NƢỚC CỦA MÔ HÌNH ĐẤT NGẬP NƢỚC NHÂN TẠO XỬ LÝ NƢỚC THẢI SAU BỂ TỰ HOẠI KHOA MT & TNTN, TRỒNG CÂY THỦY TRÚC Cán bộ hƣớng dẫn: Sinh viên thực hiện: NGUYỄN THỊ THU VÂN NGUYỄN QUỐC CHÁNH MSSV: 1100870 Cần Thơ 2013 NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· Cần Thơ, ngày tháng năm 2013 Cán bộ hƣớng dẫn Nguyễn Thị Thu Vân i NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· ····································································································· Cần Thơ, ngày tháng năm 2013 Cán bộ phản biện 1 Cán bộ phản biện 2 Lê Hoàng Việt Phạm Văn Toàn ii LỜI CẢM TẠ Xin trân trọng gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Cô Nguyễn Thị Thu Vân đã dành nhiều thời gian nhiệt tình hƣớng dẫn, động viên tinh thần và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Xin chân thành cám ơn Thầy Lê Hoàng Việt đã tận tình chỉ bảo, hỗ trợ về mặt kỹ thuật trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Để đạt đƣợc kết quả hôm nay, ngoài sự cố gắng của bản thân, còn nhờ nhận đƣợc rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ và động viên từ gia đình, thầy cô và bạn bè. Xin đƣợc gửi lời cảm ơn chân thành đến: Cha, Mẹ đã yêu thƣơng, chăm sóc và hỗ trợ con trong suốt thời gian qua. Quý Thầy, Cô trong Bộ môn Kỹ thuật Môi trƣờng và Khoa Môi trƣờng và Tài nguyên Thiên nhiên đã giảng dạy, giúp đỡ và cung cấp nhiều kiến thức quý báu trong suốt quá trình học tập cũng nhƣ thực hiện đề tài. Tập thể lớp Kỹ thuật Môi trƣờng K36, đặc biệt là các bạn trong nhóm làm luận văn tốt nghiệp học kỳ này đã nhiệt tình giúp đỡ, trao đổi kiến thức và động viên tôi suốt thời gian chuẩn bị mô hình cũng nhƣ trong quá trình thực hiện đề tài. Các anh, chị sinh viên Khoa Môi trƣờng và Tài nguyên Thiên nhiên, các bạn sinh viên lớp Kỹ thuật Môi trƣờng K37 đã nhiệt tình giúp đỡ, khích lệ tôi trong suốt thời gian tiến hành thí nghiệm. Tất cả những ngƣời bạn đã sát cánh và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian qua. iii TÓM TẮT Đề tài được thực hiện trên mô hình đất ngập nước nhân tạo chảy ngầm theo phương ngang trước Khoa Môi trường & Tài nguyên Thiên nhiên để đánh giá khả năng xử lý đạm, lân của mô hình đất ngập nước nhân tạo trồng cây Thủy trúc xử lý nước thải sau bể tự hoại Khoa Môi Trường và Tài nguyên Thiên nhiên. Mô hình được vận hành với hai thời gian lưu 5 ngày và 6 ngày để so sánh khả năng xử lý. Các thông số theo dõi chất lượng nước trước và sau xử lý nhằm đánh giá hiệu suất xử lý của mô hình là COD, và Tổng P được so sánh với QCVN 40:2011/BTNMT, chỉ tiêu pH, SS được đối chiếu với QCVN 14:2008/BTNMT, hàm lượng TKN và NH4+ và được sử dụng để đánh giá khả năng tái sử dụng nước đầu ra cho mục đích tưới tiêu được so sánh với QCVN 40:2011/BTNMT và QCVN 14:2008/BTNMT. Sau 3 tháng thực hiện đề tài, kết quả thu được: Ở thời gian lưu 5 ngày hiệu suất xử lý của toàn bộ mô hình là: trên 92% đối với SS, COD là trên 76%, TKN trên 38%, NH4+ trên 39% và Tổng P là trên 88%. Các chỉ tiêu pH và SS đạt QCVN 14:2008/BTNMT cột A; COD và Tổng P đạt QCVN 40:2011/BTNMT cột A. TKN và NH4+ không đạt QCVN 40:2011/BTNMT và QCVN 14:2008/BTNMT. Ở thời gian lưu 6 ngày hiệu suất xử lý của toàn bô mô hình là trên 95% đối với SS, COD trên 78%, TKN trên 39%, NH4+ trên 40% và Tổng P trên 89%. Các chỉ tiêu pH và SS đạt QCVN 14:2008/BTNMT cột A; COD và Tổng P đạt QCVN 40:2011/BTNMT cột A. Riêng hai chỉ tiêu TKN và NH4+ vẫn không đạt QCVN 40:2011/BTNMT và QCVN 14:2008/BTNMT. Từ ngày 1 đến ngày 70 số thân Thủy trúc ở mô hình A tăng 3,7 lần và mô hình B là 4,2 lần; tổng chiều dài thân của mô hình A tăng 3,7 lần, mô hình B tăng 3,71 lần; sinh khối tươi của thân và lá Thủy trúc tăng đối với mô hình A là 3,79 lần và B là 3,81 lần; Sinh khối tươi của rễ Thủy trúc tăng 3,77 lần đối với mô hình A và mô hình B là 3,8 lần; sinh khối khô của thân và lá Thủy trúc tăng 3,79 lần đối với mô hình A và 3,82 lần đối với mô hình B; Sinh khối khô của rễ Thủy trúc tăng 3,78 lần ở mô hình A và 3,82 lần ở mô hình B. Mặc dù hai chỉ tiêu TKN, NH4+ không đạt QCVN 40:2011/BTNMT và hiệu suất xử lý của mô hình nhìn chung không cao, nhưng hiệu quả xử lý các chỉ tiêu còn lại rất đáng kể. Mặt khác, đất ngập nước nhân tạo có ưu điểm là dễ vận hành, tiết kiệm thiết bị, nhân công, chi phí đầu tư xây dựng thấp hơn các phương pháp khác, ngoài ra, Thủy trúc là nguồn nguyên liệu dễ tìm trong thiên nhiên nên rất phù hợp để áp dụng ở nước ta. Từ khóa: Thủy trúc, đất ngập nước, đạm, lân iv LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận văn này là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình luận văn nào trƣớc đây. Tác giả luận văn Nguyễn Quốc Chánh v MỤC LỤC NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN .............................................................. i NHẬN XÉT CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN ................................................................ ii LỜI CẢM TẠ ............................................................................................................ iii TÓM TẮT.................................................................................................................. iv LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... v MỤC LỤC ................................................................................................................. vi DANH SÁCH BẢNG ................................................................................................. x DANH SÁCH HÌNH ................................................................................................ xii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................. xiv CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU ........................................................................................ 1 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU .................................................................... 3 2.1 NƢỚC THẢI SINH HOẠT.................................................................................. 3 2.1.1 Nguồn gốc nƣớc thải sinh hoạt ...................................................................... 3 2.1.2 Phân loại nƣớc thải sinh hoạt ......................................................................... 4 2.1.3 Đặc tính của nƣớc thải sinh hoạt .................................................................... 5 2.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ NƢỚC THẢI .................................................... 8 2.3 XỬ LÝ NƢỚC THẢI BẰNG ĐẤT NGẬP NƢỚC NHÂN TẠO ....................... 8 2.3.1 Định nghĩa đất ngập nƣớc nhân tạo ............................................................... 8 2.3.2 Phân loại đất ngập nƣớc nhân tạo .................................................................. 8 2.4 CÁC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ Ô NHIỄM TRONG ĐẤT NGẬP NƢỚC NHÂN TẠO .......................................................................................................................... 14 2.4.1 Cơ chế loại bỏ chất rắn lơ lững .................................................................... 14 2.4.2 Cơ chế loại bỏ các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học.................. 14 2.4.3 Cơ chế loại bỏ Nitơ ...................................................................................... 18 2.4.4 Cơ chế loại bỏ phốt pho ............................................................................... 18 2.4.5 Cơ chế loại bỏ kim loại nặng ....................................................................... 19 2.4.6 Cơ chế loại bỏ các mầm bệnh ...................................................................... 20 vi 2.5 ƢU ĐIỂM VÀ NHƢỢC ĐIỂM KHI SỬ DỤNG HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƢỚC NHÂN TẠO TRONG XỬ LÝ NƢỚC THẢI ............................................. 20 2.5.1 Ƣu điểm khi sử dụng hệ thống đất ngập nƣớc nhân tạo trong xử lý nƣớc thải ............................................................................................................................... 20 2.5.2 Nhƣợc điểm khi sử dụng hệ thống đất ngập nƣớc nhân tạo trong xử lý nƣớc thải ......................................................................................................................... 20 2.5.3 So sánh ƣu điểm và nhƣợc điểm của hai kiểu hình đất ngập nƣớc nhân tạo 21 2.6 ĐẤT NGẬP NƢỚC NHÂN TẠO CÓ DÒNG CHẢY NGẦM ......................... 22 2.6.1 Các yếu tố đặc trƣng thiết kế của khu đất ngập nƣớc nhân tạo có dòng chảy ngầm ...................................................................................................................... 22 2.6.2 Các điều kiện vận hành khu đất ngập nƣớc nhân tạo có dòng chảy ngầm .. 23 2.7 CÁC ỨNG DỤNG THỰC TẾ CỦA ĐẤT NGẬP NƢỚC NHÂN TẠO TRONG XỬ LÝ NƢỚC THẢI ............................................................................................... 25 2.7.1 Các ứng dụng của đất ngập nƣớc nhân tạo trong xử lý nƣớc thải ở nƣớc ngoài ...................................................................................................................... 25 2.7.2 Các ứng dụng của đất ngập nƣớc nhân tạo trong xử lý nƣớc thải ở nƣớc ta 27 2.8 THỦY SINH THỰC VẬT & ỨNG DỤNG THỦY SINH THỰC VẬT TRONG XỬ LÝ NƢỚC THẢI ............................................................................................... 28 2.8.1 Sơ lƣợc về thủy sinh thực vật ....................................................................... 28 2.8.2 Phân loại thủy sinh thực vật ......................................................................... 29 2.8.3 Thành phần của thủy sinh thực vật .............................................................. 30 2.8.4 Vai trò của thủy sinh thực vật trong xử lý nƣớc thải ................................... 31 2.9 ƢU ĐIỂM & NHƢỢC ĐIỂM CỦA THỦY SINH THỰC VẬT TRONG XỬ LÝ NƢỚC THẢI ...................................................................................................... 31 2.9.1 Ƣu điểm của thủy sinh thực vật trong xử lý nƣớc thải ................................ 31 2.9.2 Nhƣợc điểm của thủy sinh thực vật trong xử lý nƣớc thải........................... 32 2.10 THỦY TRÚC (Cyperus spp) ............................................................................ 32 2.10.1 Sơ lƣợc về cây Thủy trúc ........................................................................... 32 2.10.2 Đặc điểm chung của cây Thủy trúc ............................................................ 32 vii 2.10.3 Một số nghiên cứu và ứng dụng của Thủy trúc trong xử lý nƣớc thải và đời sống ....................................................................................................................... 33 CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ PHƢƠNG TIỆN THỰC HIỆN .................................................................................................................................. 36 3.1 ĐỊA ĐIỂM VÀ THỜI GIAN THỰC HIỆN ....................................................... 36 3.2 PHƢƠNG PHÁP VÀ PHƢƠNG TIỆN THỰC HIỆN ...................................... 36 3.2.1 Vật liệu thí nghiệm ....................................................................................... 36 3.2.2 Bố trí thí nghiệm .......................................................................................... 37 3.2.3 Phƣơng pháp tiến hành ................................................................................. 39 3.2.4 Các chỉ tiêu theo dõi và cách thu mẫu …………………………………… 41 3.3.5 Phƣơng pháp và phƣơng tiện phân tích các chỉ tiêu .................................... 41 3.3.6 Các công thức tính toán................................................................................ 43 3.3.7 Phƣơng pháp xử lý số liệu............................................................................ 45 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ........................................................... 46 4.1 MÔ HÌNH ĐẤT NGẬP NƢỚC NHÂN TẠO ................................................... 46 4.2 ĐẶC TÍNH CỦA NƢỚC THẢI SAU BỂ TỰ HOẠI ........................................ 46 4.3 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM ĐỊNH HƢỚNG ....................................................... 47 4.3.1 Thí nghiệm 1: Thí nghiệm đƣợc vận hành ở thời gian lƣu 4 ngày .............. 47 4.3.2 Thí nghiệm 2: Thí nghiệm đƣợc vận hành ở thời gian lƣu 5 ngày .............. 48 4.3.3 Thí nghiệm 3: Thí nghiệm đƣợc vận hành ở thời gian lƣu 6 ngày .............. 49 4.4 THÍ NGHIỆM CHÍNH THỨC ........................................................................... 50 4.4.1 Thí nghiệm 4: thí nghiệm đƣợc vận hành ở thời gian lƣu 5 ngày................ 50 4.4.2 Thí nghiệm 5: thí nghiệm đƣợc vận hành ở thời gian lƣu 6 ngày................ 56 4.4.3 Nhận xét chung từ các kết quả đạt đƣợc ở hai thí nghiệm chính thức ......... 63 4.4.4 Sự phát triển của Thủy trúc .......................................................................... 64 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................... 67 5.1 KẾT LUẬN ........................................................................................................ 67 5.2 KIẾN NGHỊ ........................................................................................................ 67 viii TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 68 PHỤ LỤC A ............................................................................................................. 70 PHỤ LỤC B.............................................................................................................. 73 PHỤ LỤC C.............................................................................................................. 89 ix DANH SÁCH BẢNG Bảng Trang 2.1 Tiêu chuẩn cấp nƣớc ở khu vực đô thị và nông thôn ở nƣớc ta 3 2.2 Tiêu chuẩn nƣớc thải sinh hoạt của các khu dân cƣ đô thị 3 2.3 Lƣợng chất bẩn của một ngƣời trong một ngày xả vào hệ thống thoát nƣớc 5 2.4 Đặc tính của nƣớc thải sinh hoạt 6 2.5 Khối lƣợng chất bẩn có trong nƣớc thải sinh hoạt 6 2.6 Nồng độ các chất ô nhiễm trong nƣớc thải sinh hoạt chƣa đƣợc xử lý 7 2.7 Hiệu quả xử lý của hệ thống có dòng chảy ngầm theo phƣơng ngang 13 2.8 Các điều kiện tối ƣu cho quá trình nitrat hóa 17 2.9 So sánh ƣu và nhƣợc điểm của hai kiểu hình đất ngập nƣớc nhân tạo 21 2.10 Đặc điểm của một số loại nguyên liệu dùng trong xây dựng các (SFS) 23 2.11 Các thông số tiêu biểu để thiết kế đất ngập nƣớc chảy ngầm (SFS) 23 2.12 Một số loại thủy sinh thực vật phổ biến 30 2.13 Vai trò của thủy sinh thực vật trong các hệ thống xử lý 31 3.1 Phƣơng pháp phân tích các chỉ tiêu 42 4.1 Các thông của mô hình đất ngập nƣớc 46 4.2 Đặc tính của nƣớc thải sau bể tự hoại 46 4.3 Giá trị COD của thí nghiệm định hƣớng ở thời gian lƣu 4 ngày 47 4.4 Hiệu suất xử lý COD của thí nghiệm định hƣớng ở thời gian lƣu 4 ngày 48 4.5 Giá trị COD ở thí nghiệm định hƣớng ở thời gian lƣu 5 ngày 48 4.6 Hiệu suất xử lý COD của thí nghiệm định hƣớng ở thời gian lƣu 5 ngày 48 x 4.7 Giá trị COD ở thí nghiệm định hƣớng ở thời gian lƣu 6 ngày 49 4.8 Hiệu suất xử lý COD của thí nghiệm định hƣớng ở thời gian lƣu 6 ngày 49 4.9 Cân bằng nƣớc của thí nghiệm chính thức ở thời gian lƣu 5 ngày 50 4.10 Đặc tính nƣớc thải của thí nghiệm chính thức ở nghiệm thức A với thời gian lƣu 5 ngày 51 Đặc tính nƣớc thải của thí nghiệm chính thức ở nghiệm thức B với thời gian lƣu 5 ngày 51 4.12 Cân bằng nƣớc của thí nghiệm chính thức ở thời gian lƣu 6 ngày 57 4.13 Đặc tính nƣớc thải của thí nghiệm chính thức ở nghiệm thức A với thời gian lƣu 6 ngày 58 4.11 4.14 Đặc tính nƣớc thải của thí nghiệm chính thức ở nghiệm thức B với thời gian lƣu 6 ngày 58 xi DANH SÁCH HÌNH Hình Trang 2.1 Sơ đồ xử lý sơ bộ nƣớc thải sinh hoạt trƣớc khi thải ra nguồn tiếp nhận 4 2.2 Phân loại các kiểu đất ngập nƣớc nhân tạo 9 2.3 Đất ngập nƣớc nhân tạo dòng chảy mặt 10 2.4 Hệ thống đất ngập nƣớc nhân tạo chảy ngầm theo phƣơng thẳng đứng 11 2.5 Hệ thống đất ngập nƣớc nhân tạo chảy ngầm theo phƣơng ngang 13 2.6 Cơ chế loại bỏ Nitơ trong hệ thống đất ngập nƣớc 18 2.7 Hệ thống xử lý nƣớc thải “hình bƣờm” trồng cây thủy sinh xử lý nƣớc thải đồng thời tạo cảnh quan 26 2.8 Một số ứng dụng của Thủy trúc trong đời sống 35 3.1 Vị trí lấy mẫu nƣớc thải làm thí nghiêm 36 3.2 Cây Thủy trúc 37 3.3 Mô hình đất ngập nƣớc nhân tạo và đƣờng đi của nƣớc thải trong mô hình 37 3.4 Sơ đồ thí nghiệm 38 3.5 Mô hình đất ngập nƣớc nhân tạo trƣớc khi tiến hành đề tài 39 3.6 Mô hình đất ngập nƣớc khi lấy hết vật liệu lọc 39 3.7 Đá 1 cm x 2 cm sử dụng làm vật liệu lọc trong thí nghiệm 40 3.8 Sơ đồ cân bằng nƣớc trong hệ thống đất ngập nƣớc nhân tạo 44 4.1 Giá trị pH của thí nghiệm chính thức ở thời gian lƣu 5 ngày 52 4.2 Giá trị DO của thí nghiệm chính thức ở thời giab lƣu 5 ngày 52 4.3 Giá trị SS của thí nghiệm chính thức ở thời gian lƣu 5 ngày 53 xii 4.4 Giá trị COD của thí nghiệm chính thức ở thời gian lƣu 5 ngày 53 4.5 Giá trị NH4+ của thí nghiệm chính thức ở thời gian lƣu 5 ngày 54 4.6 Giá trị TKN của thí nghiệm chính thức ở thời gian lƣu 5 ngày 55 4.7 Giá trị Tổng P của thí nghiệm chính thức ở thời gian lƣu 5 ngày 56 4.8 Giá trị pH của thí nghiệm định hƣớng ở thời gian lƣu 6 ngày 59 4.9 Giá trị DO của thí nghiệm chính thức ở thời gian lƣu 6 ngày 59 4.10 Giá trị SS của thí nghiệm chính thức ở thời gian lƣu 6 ngày 60 4.11 Giá trị COD của thí nghiệm chính thức ở thời gian lƣu 6 ngày 61 4.12 Giá trị NH4+ của thí nghiệm chính thức ở thời gian lƣu 6 ngày 61 4.13 Giá trị TKN của thí nghiệm chính thức ở thời gian lƣu 6 ngày 62 4.14 Giá trị TKN của thí nghiệm chính thức ở thời gian lƣu 6 ngày 62 4.15 Sự phát triển số thân và số chồi của Thủy trúc theo thời gian 64 4.16 Sự phát triển chiều dài của Thủy trúc theo thời gian 64 4.17 Sự phát triển sinh khối tƣơi của Thủy trúc theo thời gian 65 4.18 Sự phát triển sinh khối khô của thân và lá Thủy trúc theo thời gian 65 4.19 Sự phát triển sinh khối khô của rễ Thủy trúc theo thời gian 66 xiii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh TiếngViệt BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh hóa COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học CSFW Constructed Subsurface Flow Wetland Đất ngập nƣớc kiến tạo chảy ngầm CFFW Constructed Free surfate Flow Wetland Hệ thống đất ngập nƣớc nhân tạo chảy mặt tự do DO Dissolved Oxygen Oxy hòa tan QCVN - Quy chuẩn Việt Nam SS Suspended Solid Chất rắn lơ lững SFS Subsurface Flow System Đất ngập nƣớc nhân tạo có dòng chảy dọc TKN Total Kjeldahl Nitrogen Tổng Nitơ Kjeldahl Tổng P - Phốt pho tổng số xiv CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU Sự gia tăng dân số cùng với tốc độ đô thị hóa, công nghiệp hóa ngày càng nhanh đã tạo ra một sức ép lớn đến môi trƣờng sống ở nƣớc taHầu hết các sông, hồ ở các thành phố lớn, nơi có dân cƣ đông đúc và nhiều khu công nghiệp điều bị ô nhiễm nặng. Nguyên nhân chính là do lƣợng nƣớc thải sinh hoạt và công nghiệp chƣa đƣợc xử lý tốt mà đổ thẳng vào các ao, hồ, sông, rạch,… Ngoài ra, nhiều nhà máy và cơ sở sản xuất nhƣ các lò mổ và ngay cả bệnh viện cũng không đƣợc trang bị hệ thống xử lý nƣớc thải đạt chuẩn. Hậu quả của tình trạng ô nhiễm nƣớc là tỉ lệ ngƣời chết do các bệnh nhƣ: đau mắt đỏ, tiêu chảy, ung thƣ,… ngày càng tăng lên. Ngoài ra, tình trạng ô nhiễm nƣớc cũng ảnh hƣởng lớn đến đời sống của sinh vật và môi trƣờng sinh thái. Hiện nay, có rất nhiều phƣơng pháp xử lý nƣớc thải khác nhau, tùy thuộc vào từng ngành nghề, loại hình nƣớc thải, nguồn vốn, điều kiện sở tại,… Trƣớc hết là nhóm biện pháp sử dụng khoa học kỹ thuật cao, ƣu điểm của nhóm này là hiệu quả xử lý cao, chỉ cần thời gian ngắn và diện tích nhỏ. Nhƣng ngƣợc lại để ứng dụng đƣợc biện pháp này thì chi phí đầu tƣ cho xây dựng, vận hành, bảo trì,… là rất cao mà không thể nơi nào cũng áp dụng đƣợc. Nhóm còn lại hầu hết là thuộc về biện pháp xử lý sinh học nhƣ xử lý nƣớc thải bằng phƣơng pháp đất ngập nƣớc nhân tạo, bằng ao hồ sinh học, bằng thủy sinh thực vật,… Mặt hạn chế của nhóm này chủ yếu là cần diện tích lớn nhƣng chúng có nhiều ƣu điểm nhƣ sự tận dụng kết hợp của cả ba quá trình sinh, lý, hóa xảy ra trong tự nhiên; dễ vận hành và không cần nhiều chi phí đầu tƣ cho xây dựng vận hành bảo trì,… Với những ƣu điểm đó thì biện pháp xử lý nƣớc thải bằng phƣơng pháp sinh học là rất phù hợp với điều kiện tự nhiên và điều kiện kinh tế - xã hội ở nƣớc ta. Bởi lẽ nƣớc ta hiện tại là một nƣớc đang trên đà phát triển còn gặp nhiều khó khăn về kinh tế cũng nhƣ nguồn nhân lực có trình độ. Do cơ cấu nền kinh tế đang chuyển dần từ nền kinh tế với nông nghiệp là chủ yếu sang công nghiệp và dịch vụ. Với sự chuyển dịch đó thì nhiều cơ sở sản xuất mọc lên chủ yếu là với quy mô vừa và nhỏ, đa số các doanh nghiệp hay cơ sở sản xuất này điều gặp khó khăn về nguồn vốn cho nên phƣơng pháp xử lý bằng sinh học nói chung cũng nhƣ xử lý bằng mô hình đất ngập nƣớc nói riêng rất phù hợp với điều kiện kinh tế của họ. Hiện nay, nƣớc ta đã có nhiều nghiên cứu dùng thủy sinh thực vật để xử lý nƣớc thải nhƣ: dùng Lục Bình, Cỏ Vetiver, Bèo Tai Tƣợng, Bèo Cám, Rau Dừa Nƣớc, Rau Muống, Sậy, Môn Cảnh, Vạn Niên Thanh, Ngãi Hoa,… Các loài thủy sinh thực vật này có nhiều ƣu điểm nổi bậc trong vấn đề xử lý nƣớc thải nhƣ sinh khối tăng nhanh, hiệu quả xử lý chất thải hữu cơ trong nƣớc khá cao. Tuy nhiên, ngoài những ƣu điểm nổi bật thì chúng cũng có một vài khuyết điểm nhƣ: khi tăng trƣởng cực 1 đại sẽ gây tái ô nhiễm thứ cấp; Dễ bị sâu bệnh tấn công, hiệu quả xử lý không cao và hầu hết là cần phải thu hoạch thƣờng xuyên. Trong khi đó Thủy Trúc là loại cây thân và lá cỏ sống lâu năm, có nhiều ƣu điểm vƣợt trội nhƣ: sinh trƣởng và phát triển mạnh, có thể sống trong môi trƣờng khô hạn, ngập úng hay ô nhiễm hữu cơ cao, phân bố rộng khắp và ƣu điểm đƣợc cho là nổi trội nhất ở Thủy Trúc so với những thủy sinh thực vật khác là Thủy Trúc có hình dáng khá đẹp mắt rất phù hợp để nghiên cứu sử dụng cho những mô hình đất ngập nƣớc nhân tạo bỡi lẽ một công trình xử lý nƣớc thải tốt toàn diện không chỉ thiên về xử lý tốt, ít tốn kém mà còn phải mang lại vẽ mỹ quan cho khu vực xử lý, vì thế đề tài “Đánh giá khả năng hấp thu đạm, lân & cân bằng nước của mô hình đất ngập nước nhân tạo xử lý nước thải sau bể tự hoại Khoa Môi trường và Tài nguyên Thiên nhiên trồng cây Thủy trúc” đƣợc tiến hành. Mục tiêu của đề tài: đánh giá khả năng hấp thu đạm, lân trong nƣớc thải sau bể tự hoại Khoa Môi trƣờng và Tài nguyên Thiên nhiên của mô hình đất ngập nƣớc nhân tạo trồng cây Thủy trúc, đồng thời theo dõi cân bằng nƣớc của mô hình. 2 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 NƢỚC THẢI SINH HOẠT 2.1.1 Nguồn gốc nƣớc thải sinh hoạt Nƣớc thải sinh hoạt là nƣớc thải có nguồn gốc phát sinh từ các hộ dân cƣ, các khu thƣơng mại hay các cơ quan hành chính, bao gồm nƣớc tắm giặt, nấu nƣớng,… Loại nƣớc thải này có lƣu lƣợng biến thiên theo giờ trong ngày, theo thời tiết, theo các thiết bị sử dụng nƣớc và khả năng cấp nƣớc sinh hoạt của cộng đồng đó (Lê Hoàng Việt, 2003). Trong nƣớc thải sinh hoạt chứa nhiều chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học, ngoài ra còn có cả thành phần vô cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh rất nguy hiểm (Lâm Minh Triết et. al., 2006). Lƣợng nƣớc thải sinh hoạt của khu dân cƣ đƣợc xác định trên cơ sở nƣớc cấp. Bảng 2.1 Tiêu chuẩn cấp nƣớc ở khu vực đô thị và nông thôn ở nƣớc ta Khu vực Tiêu chuẩn cấp nƣớc (lít/ngƣời/ngày) Đô thị 120 – 180 Nông thôn 50 – 120 (Trịnh Xuân Lai, 2009). Bảng 2.2 Tiêu chuẩn nƣớc thải sinh hoạt của các khu dân cƣ đô thị Đối tƣợng Nƣớc thải sinh hoạt (lít/ngƣời/ngày) Các nƣớc phát triển 100 – 250 Các nƣớc đang phát triển 150 – 500 (Trịnh Xuân Lai, 2009). Lƣợng nƣớc thải sinh hoạt tại các cơ sở dịch vụ, công trình công cộng phụ thuộc vào loại công trình, chức năng, số ngƣời tham gia, phục vụ trong đó. Nƣớc thải sinh hoạt thƣờng chiếm từ 65 đến 80% số lƣợng nƣớc cấp đi qua đồng hồ các hộ dân, cơ quan, bệnh viện, trƣờng học,…; 65% áp dụng cho nơi nóng, khô, nƣớc cấp dùng cho cả việc tƣới cây cỏ (Trịnh Xuân Lai, 2009). Nƣớc thải sinh hoạt có thể đƣợc xử lý sơ bộ bằng bể tự hoại hoặc bãi lọc ngầm trƣớc khi thải ra nguồn tiếp nhận: 3 Nƣớc thải chƣa xử lý Nƣớc thải chƣa xử lý Nƣớc thải Bể tự hoại Bể tự hoại xử lý sơ bộ Cống rãnh Bãi lọc ngầm Hệ thống xử lý nƣớc thải Nƣớc thải đã xử lý Sông rạch Sông rạch Hình 2.1 Sơ đồ xử lý sơ bộ nƣớc thải sinh hoạt trƣớc khi thải ra nguồn tiếp nhận (Lê Hoàng Việt, 2003). 2.1.2 Phân loại nƣớc thải sinh hoạt a. Phân loại theo nguồn gốc hình thành Nƣớc thải sinh hoạt sinh ra từ các hộ gia đình có thể phân ra thành hai loại: Nƣớc thải không chứa phân, nƣớc tiểu và các loại chế phẩm từ các thiết bị vệ sinh nhƣ bồn tắm, chậu giặc, chậu rửa mặt. Loại nƣớc thải này chủ yếu chứa các chất rắn lơ lửng, chất tẩy thƣờng gọi là “nƣớc xám”. Nồng độ chất hữu cơ trong loại nƣớc thải này thấp và thƣờng khó phân hủy sinh học. Loại nƣớc thải này chứa nhiều tạp chất vô cơ. Nƣớc thải chứa phân, nƣớc tiểu từ các khu vệ sinh (toilet) còn gọi là “nƣớc đen”. trong nƣớc thải tồn tại các loại vi khuẩn gây bệnh và dễ gây mùi hôi thối. Nồng độ các chất hữu cơ và dinh dƣỡng nhƣ nitơ, phốt pho trong nƣớc cao. Loại nƣớc thải này gây nguy hại đến sức khỏe và dễ làm nhiễm bẩn nguồn nƣớc mặt. Tuy nhiên chúng thích hợp làm phân bón hoặc tạo khí sinh học (Trần Đức Hạ, 2002). b. Phân loại theo đối tượng thoát nước Dựa theo đối tƣợng thoát nƣớc, ngƣời ta phân chia nƣớc thải sinh hoạt thành hai nhóm: Nƣớc thải sinh ra từ các hộ gia đình, khu dân cƣ. Nƣớc thải sinh ra từ các công trình, dịch vụ, công cộng nhƣ: bệnh viện, khách sạn, trƣờng học, nhà ăn,… Mỗi nhóm nƣớc thải trên có lƣu lƣợng, chế độ xả nƣớc và thành phần tính chất đặc trƣng (Trần Đức Hạ, 2002). 4 c. Phân loại theo đặc điểm hệ thống thoát nước Theo đặc điểm của hệ thống thoát nƣớc sẽ hình thành nên hai loại nƣớc thải: Nƣớc thải hệ thống thoát nƣớc riêng: nƣớc thải từ các thiết bị vệ sinh đƣợc thu gom và vận chuyển về trạm xử lý theo tuyến cống riêng. Nƣớc thải hệ thống thoát nƣớc chung: các loại nƣớc thải sinh hoạt (nƣớc xám và nƣớc đen) cùng với nƣớc mƣa đƣợc thu gom và vận chuyển theo đƣờng cống chung về trạm xử lý. Trong một số trƣờng hợp, nƣớc đen đƣợc xử lý sơ bộ tại chỗ qua các công trình nhƣ bể tách dầu, mỡ, bể tự hoại, sau đó cùng nƣớc xám xả vào tuyến thoát nƣớc chung. Việc phân loại nƣớc thải theo hệ thống thoát nƣớc phu thuộc vào đối tƣợng thoát nƣớc, đặc điểm hệ thống thoát nƣớc và các điều kiện tự nhiên, điều kiện kinh tế xã hội (Trần Đức Hạ, 2002). 2.1.3 Đặc tính của nƣớc thải sinh hoạt Các chỉ tiêu cơ bản đặc trƣng cho thành phần các chất bẩn trong nƣớc thải sinh hoạt là hàm lƣợng cặn lơ lững (SS), nhu cầu oxy sinh hóa (BOD), nồng độ nitơ amoni, số coliform,… lƣợng chất bẩn tính theo chỉ tiêu lơ lửng, BOD5,… do một ngƣời trong một ngày xả vào hệ thống thoát nƣớc sinh hoạt của một số nƣớc đƣợc nêu trong TCVN 7957 – 2008. Bảng 2.3 Lƣợng chất bẩn của một ngƣời trong một ngày xả vào hệ thống thoát nƣớc Chỉ tiêu Chất lơ lững (SS) BOD5 của nƣớc thải chƣa lắng BOD5 của nƣớc thải đã lắng Nitơ ammonia (N-NH4) Giá trị, g/ngƣời.ngày 60 – 65 65 30 – 35 8 Phốt phát (P2O5) 3,3 Clorua (Cl-) 10 Chất hoạt động bề mặt 2 – 2,5 (TCVN 7957:2008). 5 Bảng 2.4 Đặc tính của nƣớc thải sinh hoạt (mg/L) Nồng độ Chỉ tiêu Cao Trung bình Thấp BOD5 400 220 110 COD 1.000 500 250 Đạm hữu cơ 35 15 8 Đạm amoni 50 25 12 Đạm tổng số 85 40 20 Lân tổng số 15 8 4 Tổng số chất rắn 1.200 720 350 Chất rắn lơ lững 350 220 100 (Lê Hoàng Việt, 2000). Theo Trần Đức Hạ (2002) các chất bẩn trong nƣớc thải sinh hoạt có nguồn gốc từ hoat động của con ngƣời. Các thành phần ô nhiễm cần quan tâm trong nƣớc thải sinh hoạt là: Các chất rắn (chủ yếu là chất rắn lơ lửng). Các chất hữu cơ (chủ yếu là các chất phân hủy sinh học). Các chất dinh dƣỡng (các hợp chất của nitơ và phốt pho). Các vi sinh vật gây bệnh. Bảng 2.5 Khối lƣợng chất bẩn có trong nƣớc thải sinh hoạt (g/ngƣời.ngày) Thành phần Cặn lắng Chất rắn không lắng Chất hòa tan Tổng cộng Hữu cơ 30 10 50 90 Vô cơ 10 5 75 90 Tổng cộng 40 15 125 180 (Trần Đức Hạ, 2002). 6 Bảng 2.6 Nồng độ các chất ô nhiễm trong nƣớc thải sinh hoạt chƣa đƣợc xử lý Nồng độ Các chỉ tiêu Nhẹ Trung bình Nặng Chất rắn tổng cộng, mg/L 350 720 1200 Tổng chất rắn hòa tan, mg/L 250 500 850 Cố định (fixed), mg/L 145 300 525 Bay hơi, mg/L 105 200 325 Chất rắn lơ lửng, mg/L 100 220 350 Cố định, mg/L 20 55 75 Bay hơi, mg/L 80 165 275 Chất rắn lắng đƣợc, mg/L 5 10 20 NOS5 (BOD5), mg/L 110 220 400 Tổng cacbon hữu cơ, mg/L 80 160 210 NOH (COD), mg/L 250 500 1000 Tổng nitơ (theo N), mg/L 20 40 85 Hữu cơ 8 15 35 Amonia tự do 12 25 50 Nitrit 0 0 0 Nitrat 0 0 0 Tổng phốt pho (theo P), mg/L 4 8 15 Hữu cơ 1 3 5 Vô cơ 3 5 10 Clorua, mg/L 30 50 100 Sunfat, mg/L 20 30 50 Độ kiềm (theo CaCO3), mg/L 50 100 200 Dầu mỡ, mg/L 50 100 150 106 ÷ 107 107 ÷ 108 108 ÷ 109 400 Coliform No/100, mg/L Chất hữu cơ bay hơi, µg/L (Lâm Minh Triết et. al., 2006). Nhƣ vậy nƣớc thải sinh hoạt của đô thị, các khu dân cƣ và cơ sở dịch vụ, công trình công cộng có khối lƣợng lớn, hàm lƣợng chất bẩn cao, nhiều vi khuẩn gây bệnh là một trong những nguồn gây ô nhiễm chính đối với môi trƣờng nƣớc. 7 2.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ NƢỚC THẢI Dựa vào bản chất của phƣơng pháp xử lý nƣớc thải, ngƣời ta có thể chia chúng thành phƣơng pháp lý học, hóa học và sinh học. Một hệ thống xử lý hoàn chỉnh thƣờng hợp đủ ba thành phần kể trên. Tuy nhiên, tùy theo tính chất của nƣớc thải, mức độ tài chính và yêu cầu xử lý mà ngƣời ta chọn phƣơng pháp xử lý thích hợp (Lê Hoàng Việt, 2000). Trong đó, phƣơng pháp sinh học là phƣơng pháp xử lý thứ cấp đƣợc tiến hành sau giai đoạn xử lý lý học, phƣơng pháp này chủ yếu dựa vào hoạt động phân hủy các chất hữu cơ của vi sinh vật trong điều kiện hiếu khí hay yếm khí. Các quá trình sinh học có thể diễn ra trong các khu vực tự nhiên hoặc các bể đƣợc thiết kế và xây dựng để phục vụ cho việc xử lý nƣớc thải (Mitsch and Gosselink, 2000; Trần Đức Hạ, 2002). 2.3 XỬ LÝ NƢỚC THẢI BẰNG ĐẤT NGẬP NƢỚC NHÂN TẠO 2.3.1 Định nghĩa đất ngập nƣớc nhân tạo Đất ngập nƣớc nhân tạo là một hệ thống đƣợc thiết kế và xây dựng dựa trên mô phỏng các quá trình tự nhiên liên quan đến thảm thực vật ngập nƣớc, đất và sinh vật trong cùng một hệ thống để hỗ trợ cho việc xử lý nƣớc thải. Chúng đƣợc thiết kế để tận dụng lợi thế của nhiều quá trình xảy ra trong vùng đất ngập nƣớc tự nhiên với một môi trƣờng có kiểm soát (Vymazal, 2008). Đất ngập nƣớc nhân tạo đƣợc định nghĩa là một hệ thống công trình xử lý nƣớc thải đƣợc thiết kế và tạo dựng mô phỏng có điều chỉnh theo tính chất của đất ngập nƣớc tự nhiên với cây trồng chọn lọc (Lê Anh Tuấn et. al., 2009). Đất ngập nƣớc nhân tạo đƣợc xây dựng cho mục đích chính là xử lý nƣớc thải. 2.3.2 Phân loại đất ngập nƣớc nhân tạo Các mô hình đất ngập nƣớc nhân tạo ứng dụng trong xử lý nƣớc thải đƣợc thiết kế theo hệ thống dòng chảy của nƣớc đƣợc phân loại nhƣ sau: 8 ĐẤT NGẬP NƢỚC NHÂN TẠO Đất ngập nƣớc nhân tạo chảy mặt Đất ngập nƣớc nhân tạo chảy mặt với cây thân lớn mọc vƣợt trên nƣớc Đất ngập nƣớc nhân tạo chảy mặt với cây thân lớn nổi tự do trên mặt nƣớc Đất ngập nƣớc nhân tạo chảy mặt với cây thân lớn, lá nổi, rễ đáy Đất ngập nƣớc nhân tạo chảy ngầm Đất ngập nƣớc nhân tạo chảy ngầm theo phƣơng ngang Đất ngập nƣớc nhân tạo chảy ngầm theo phƣơng đứng Đất ngập nƣớc nhân tạo chảy mặt với cây thân lớn mọc tự do kiểu kết thảm Đất ngập nƣớc nhân tạo chảy mặt với cây thân lớn mọc chìm trong nƣớc Đất ngập nƣớc nhân tạo xử lý kiểu lai Kết hợp giữa đất ngập nƣớc nhân tạo chảy mặt và chảy ngầm Kết hợp đất ngập nƣớc nhân tạo chảy ngầm theo phƣơng ngang và đứng Hình 2.2 Phân loại các kiểu đất ngập nƣớc nhân tạo (Lê Anh Tuấn et. al., 2009). Có hai kiểu hệ thống xử lý nƣớc thải bằng đất ngập nƣớc nhân tạo cơ bản là: hệ thống đất ngập nƣớc nhân tạo chảy mặt tự do (Constructed Free surface Flow Wetlands – CFFW) và hệ thống đất ngập nƣớc nhân tạo chảy ngầm (Constructed Subsurface Flow Wetlands – CSFW). Hai kiểu phân biệt cơ bản này lại đƣợc phân chia theo nhiều kiểu khác nhau theo chức năng xử lý của loại thực vật đƣợc trồng và đặc điểm dòng chảy. Trong một số trƣờng hơp, một số hệ thống xử lý kiểu lai (hybdrid treatment system), bằng cách kế hợp pha cả hai hệ thống đất ngập nƣớc cơ bản trên (Lê Anh Tuấn et. al., 2009). 9 a. Đất ngập nước nhân tạo chảy mặt Những hệ thống này thƣờng là lƣu vực chứa nƣớc hoặc các kênh dẫn nƣớc, với lớp lót bênh dƣới để ngăn sự rò rỉ nƣớc, đất hoặc các lớp lọc thích hợp khác hỗ trợ cho thực vật nổi. Đất ngập nƣớc nhân tạo chảy mặt thƣờng thích hợp với các loại cây phát triển với độ ngập nƣớc dƣới 0,4 m (Kadlec et. al., 2000). Chiều sâu lớp đất nền trong đất ngập nƣớc nhân tạo chảy mặt thƣờng vào khoảng 0,6 – 1 m, đáy nền đƣợc thiết kế có độ dốc để tối thiểu hóa dòng chảy tràn trên bề mặt. Ngƣời ta phân biệt các dạng đất ngập nƣớc nhân tạo chảy mặt chủ yếu qua loại thực vật thủy sinh trồng trên đó (Lê Anh Tuấn et. al., 2009). Hình 2.3 Đất ngập nƣớc nhân tạo dòng chảy mặt (Gauss Martin, 2008) b. Đất ngập nước nhân tạo chảy ngầm Đất ngập nƣớc nhân tạo chảy ngầm đƣợc thiết kế nhƣ một thủy vực hoặc một kênh dẫn với đáy không thấm hoặc lót đất sét với độ thấm nhỏ để ngăn cản hiện tƣợng thấm ngang và có một chiều sâu các lớp dẫn thấm thích hợp để cây trồng thủy sinh phát triển đƣợc (Lê Anh Tuấn et. al., 2009). Có hai kiểu đất ngập nƣớc nhân tạo chảy ngầm phân loại theo tính chất dòng chảy: 10 Hệ thống đất ngập nước nhân tạo chảy ngầm theo phương thẳng đứng: Hệ thống này có dòng chảy từ trên xuống bao gồm lớp vật liệu lọc sỏi, đá ở tầng đáy và ngay trên là lớp cát có trồng thực vật bậc cao. Vật liệu đá, sỏi có kích thƣớc lớn đƣợc thiết kế nằm ở tầng đáy (20 – 60 mm), lớp vật liệu cát có kích thƣớc nhỏ hơn đƣợc thiết kế ở trên (6 mm). Nƣớc thải đƣợc đƣa vào hệ thống qua hệ thống ống dẫn trên bề mặt. Nƣớc sẽ chảy xuống dƣới thấm qua các lớp vật liệu lọc theo chiều thẳng đứng. Ở gần dƣới đáy có ống thu nƣớc đã xử lý để đƣa ra ngoài. Ở hệ thống này oxy trong không khí khuếch tán từ trên xuống tầng đáy và lƣợng oxy này đóng vai trò quan trọng trong quá trình nitrat hóa. Theo Vymazal (2003) lƣợng oxy khuếch tán cung cấp oxy cho quá trình nitrat hóa nhiều hơn đáng kể so với lƣợng oxy thực vật vận chuyển. Các hệ thống này thƣờng xuyên đƣợc sử dụng để xử lý lần hai cho nƣớc thải đã qua xử lý lần một. Thực nghiệm đã chỉ ra là nó phụ thuộc vào xử lý sơ bộ nhƣ bể lắng, bể tự hoại. Hệ thống đất ngập nƣớc cũng có thể đƣợc áp dụng nhƣ một giai đoạn của xử lý sinh học. Hình 2.4 Hệ thống đất ngập nƣớc nhân tạo chảy ngầm theo phƣơng thẳng đứng (Gauss Martin, 2008). Hệ thống đất ngập nước nhân tạo chảy ngầm theo phương ngang: Kiểu hệ thống này sớm đƣợc phát hiện ở Đức năm 1974 vùng Othfrensen. Hệ thống này còn đƣợc gọi là kểu hệ thống xử lý vùng rễ (root zone method). Hệ thống này đƣợc gọi là dòng chảy ngang vì nƣớc thải đƣợc đƣa vào và chảy chậm qua tầng lọc xốp dƣới bề mặt của nền trên một đƣờng ngang cho tới khi nó tới đƣợc nơi dòng chảy ra. Trong suốt thời gian này, nƣớc thải sẽ tiếp xúc với một mạng lƣới 11 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 oxy vào trong bề mặt. Khi nƣớc thải chảy qua đới rễ, nó đƣợc 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 này là cây Sậy và một số loài khác nhƣ Thủy trúc, Cỏ đuôi mèo,… Đặc điểm nổi bật của hệ thống này là chất hữu cơ trong nƣớc thải bị phân hủy mạnh mẽ trong điều kiện hiếu khí hay yếm khí bởi hệ vi sinh vật sống ở vùng rễ. Oxy cần thiết cho quá trình phân hủy hiếu khí đƣợc cung cấp thông qua quá trình khuếch tán oxy từ khí quyển hay quá trình vận chuyển oxy của hệ thống rễ. Tuy nhiên, lƣợng oxy cung cấp này không đủ cho quá trình phân hủy hiếu khí. Do vậy, trong hệ thống dòng chảy ngầm theo phƣơng ngang còn diễn ra quá trình phân hủy yếm khí, và đây là quá trình phân hủy quan trọng của hệ thống (Vymazal, 2003). Bên cạnh đó, chất rắn lơ lững chƣa đƣợc loại bỏ ở giai đoạn tiền xử lý cũng đƣợc xử lý triệt để trong hệ thống. Nitơ bị loại trừ trong hệ thống do quá trình nitrat hóa, phản nitrat, quá trình hấp thu của thực vật, hấp phụ và quá trình bay hơi (không đóng vai trò quan trọng). Vymazal (2003) cho rằng quá trình nitrat hóa không diễn ra nếu nồng độ oxy hòa tan thấp hơn 0,5 mg/L. Quá trình khử nitrat bị tác động mạnh bởi sự bốc thoát hơi nƣớc. Sự bốc thoát hơi nƣớc diễn ra mạnh mẽ làm tầng rễ kém bão hòa nƣớc vì vậy quá trình hiếu khí chiếm ƣu thế ở tầng rễ. Quá trình khử nitrat phụ thuộc vào nguồn cacbon và thế oxy hóa khử trong hệ thống. Quá trình khử lân diễn ra do sự trao đổi các liên kết, nhóm OH- (hydroxyl đƣợc thay thế bởi nhóm PO43- diễn ra trên bề mặt của các hydroxyt của Al và Fe). Tuy nhiên, lớp vật liệu nền của hệ thống này thƣờng chứa rất ít Al, Fe và Ca do vậy khả năng loại bỏ phốt pho của hệ thống rất thấp. Khả năng hấp thu của thực vật trong hệ thống bị hạn chế do ảnh hƣởng của điều kiện khí hậu lạnh khu vực ôn đới và khu vực lạnh hơn. Tuy nhiên, những vùng nhiệt đới cơ chế hấp thu chất dinh dƣỡng trong nƣớc thải của thực vật diễn ra mạnh mẽ và đặc biệt là vùng cận nhiệt. 12 Hình 2.5 Hệ thống đất ngập nƣớc nhân tạo chảy ngầm theo phƣơng ngang (Gauss Martin, 2008). Bảng 2.7 Hiệu quả xử lý của hệ thống có dòng chảy ngầm theo phƣơng ngang Nồng độ trung bình Đầu vào Đầu ra Hiệu suất (%) BOD5 (mg/L) 108 16 85,2 COD (mg/L) 284 72 TSS (mg/L) 107 TN (mg/L) Tải lƣợng trung bình Đầu vào Đầu ra Hiệu suất (%) BOD5 (kg/ha.d) 39,2 7,6 80,6 74,6 COD (kg/ha.d) 120 34,6 71,2 18,1 83,1 TSS (kg/ha.d) 53,6 11.6 78,4 46,6 26,9 42,3 TN (g/m2.yr) 644 394 38,8 TP (mg/L) 8,74 5,15 41,1 TP (g/m2.yr) 141 96 31,9 N-NH4+ (mg/L) 38,9 20,1 48,3 N-NH4+ (g/m2.yr) 388 255 34,4 N-NO3(mg/L) 4,38 2,87 34,5 N-NO3(g/m2.yr) 98 67 31,6 Thông số Thông số (Vymazal, 2003). 13 2.4 CÁC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ Ô NHIỄM TRONG ĐẤT NGẬP NƢỚC NHÂN TẠO 2.4.1 Cơ chế loại bỏ chất rắn lơ lững a. Ở hệ thống đất ngập nước nhân tạo kiểu chảy mặt Chất rắn ở dạng hạt đƣợc giữ lại trong hệ thống qua sự lắng tự nhiên hay do sự giữ lại các vật chất phân hủy. Bên cạnh đó, oxy sinh ra trong quá trình quang hợp của tảo hay sự hình thành khí methane trong điều kiện yếm khí cũng thúc đẩy sự kết bông và lắng xuống của chất rắn lơ lửng. Trầm tích và vật chất phân hủy ở kích thƣớc hiển vi trong hệ thống dễ bị xáo trộn do hoạt động di chuyển của hệ động vật trong hệ thống: cá, động vật hữu nhũ, chim,… và kết quả của quá trình này làm tăng nồng độ TSS trong hệ thống (IWA specialist group, 2000). b. Ở hệ thống đất ngập nước nhân tạo kiểu chảy ngầm Chất rắn lơ lững trong hệ thống chảy ngầm đƣợc giữ lại trong các tế khổng của đất khi dòng nƣớc chảy qua hay quá trình làm giảm vận tốc dòng chảy khi dòng chảy gặp chƣớng ngại là thân, rễ thực vật trong hệ thống. Ở hệ thống chảy ngầm cũng xuất hiện quá trình làm tăng nồng độ TSS trong điều kiện phân hủy của xác bã động thực vật, sự vỡ vụng của rễ cây, sự phát triển và chất đi của tảo và nấm (IWA specialist group, 2000). c. Cơ chế loại bỏ các chất rắn (SS) Ở các hệ thống xử lý nƣớc thải bằng thủy sinh thực vật, thời gian lƣu tồn của nƣớc thải khá cao, do đó có khả năng loại cặn bã, chất rắn lơ lửng và cả chất rắn nổi. Các hạt keo hay chất rắn không lắng đƣợc sẽ bị loại bỏ một phần bởi quá trình hoạt động của các vi sinh vật, bởi sự va chạm và kết dính với các chất rắn khác. Các chất rắn nổi bám vào bề mặt các thực vật và bị phân hủy bởi hoạt động của vi sinh vật hiếu khí. Các chất rắn lắng đƣợc sẽ lắng xuống đáy ao và bị phân hủy bởi vi sinh vật yếm khí. Nồng độ SS đầu ra phụ thuộc vào vận tốc nƣớc, loại thực vật và thời điểm trong năm, thƣờng rất thấp dƣới 20 mg/L hay 10 mg/L. 2.4.2 Cơ chế loại bỏ các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học Trong các hệ thống đất ngập nƣớc nhân tạo, sự phân hủy sinh học đóng vai trò lớn nhất trong việc loại bỏ chất hữu cơ dạng hòa tan hay dạng keo có khả năng phân hủy sinh học (BOD) trong nƣớc thải. Phân hủy sinh học xảy ra khi các chất hữu cơ hòa tan đƣợc mang vào lớp màng vi sinh bám trên phần thân ngập nƣớc của thực 14 vật, hệ thống rễ và những phần vật liệu lọc xung quanh, nhờ quá trình khuếch tán. Vai trò của thực vật trong hệ thống là: Cung cấp môi trƣờng thích hợp cho vi sinh vật thực hiện quá trình phân hủy sinh học cƣ trú. Vận chuyển oxy và vùng rễ để cung cấp cho quá trình phân hủy sinh học trong bộ rễ. Chất hữu cơ có thể lắng bị phân hủy nhanh chóng do sự lắng xuống phân hủy hay lọc. Sự phát triển của hệ vi sinh vật sống bám vào hợp chất hữu cơ hòa tan thúc đẩy sự phân hủy trong điều kiện hiếu khí hay yếm khí. Lƣợng oxy cần thiết cho quá trình phân hủy đƣợc cung cấp thông qua sự khuếch tán không khí vào vùng rễ hay sự vận chuyển khí từ thân xuống rễ. Trong hệ thống sự hấp thu chất hữu cơ của thực vật không đáng kể so với sự phân hủy của vi sinh vật. Hai nguồn cung cấp cacbon chính cho vi sinh vật trong hệ thống là cacbon hữu cơ trong chất hữu cơ và khí CO2. Ứng với mỗi nguồn cacbon là mỗi nhóm vi sinh vật: vi sinh vật dị dƣỡng (herterotrophs) sử dụng cacbon sinh ra trong quá trình phân hủy vật chất hữu cơ và vi sinh vật tự dƣỡng (autotrophs) sử dụng CO2. Trong hệ thống đất ngập nƣớc xử lý ô nhiễm nhóm vi sinh vật dị dƣỡng đóng vai trò quan trọng vì đầu vào của hệ thống rất giàu chất hữu cơ. Sự phân hủy hiếu khí: Sự phân hủy hiếu khí diễn ra hầu hết các loại nƣớc thải tuy nhiên tốc độ diễn ra chậm do sự giới hạn vi sinh vật trong nƣớc. Quá trình phân hủy chủ yếu diễn ra trên màng sinh học trên bề mặt chất rắn, bao gồm trầm tích, đất, vật chất phân hủy và các bộ phận của thực vật chìm trong nƣớc (IWA specialist group, 2000). Sự phân hủy yếm khí: Sự phân hủy yếm khí diễn ra nhiều giai đoạn với sự tham gia của nhóm vi sinh vật tùy nghi (facultative micro-organism) hay nhóm vi sinh vật dị dƣỡng bắt buộc. Sản phẩm sinh ra ở giai đoạn đầu là axit acetic, axit butyric, axit latic, rƣợu và các khí khác. Axit acetic đƣợc sinh ra chủ yếu trong điều kiện đất hay trầm tích ngập nƣớc. Nhóm vi sinh vật khử sunphate sử dụng axit acetic khi H2SO4 thành H2S. Quá trình hình thành H2S phụ thuộc vào cấu trúc phức tạp của quần xã vi sinh vật tùy nghi đối với chất nền, nó sống thông qua quá trình biến dƣỡng của chúng. Nhóm vi sinh vật sinh khí CH4 hoạt động sau đó và chúng chỉ hoạt động trong khoảng pH = 6,5 ÷ 7,5. Vì vậy nhóm vi sinh vật sinh axit hoạt động mạnh mẽ sẽ làm hệ thống có mùi hôi (IWA specialist group, 2000). 15 2.4.3 Cơ chế loại bỏ Nitơ Nồng độ nitơ là chỉ tiêu quan trọng trong nƣớc thải. Nitơ chủ yếu hiện diện trong vùng đất ngập nƣớc bao gồm nitơ hữu cơ, amoni, amonium, nitrit, nitrat và khí nitơ. Các dạng vô cơ cũng là yếu tố cần thiết cho sự tăng trƣởng của cây trồng trong hệ sinh thái nƣớc ngập, thiếu lƣợng nitơ thì sẽ hạn chế hoặc kiểm soát sự phát triển của sinh khối. Việc loại bỏ nitơ khỏi nƣớc rất quan trọng bởi vì chất độc amoni cao có thể làm chết cá. Nếu liều lƣợng nitrat vƣợt quá mức cho phép có thể gây ra chứng rối loạn máu của trẻ con, làm giảm khả năng vận chuyển oxy trong máu (Lê Anh Tuấn et. al., 2009). Trong hệ thống đất ngập nƣớc, sự chuyển hóa của N2 xảy ra trong các tầng oxy hóa khử của đất, bề mặt tiếp xúc giữa rễ và đất, phần ngập nƣớc của thực vật có thân nhô lên mặt đất. N2 đƣợc loại bỏ trong hệ thống nhờ ba cơ chế sau: Sự bay hơi của NH3. Sự hấp thụ của thực vật. Nitrat hóa/ khử nitrat. Amoni bị oxy hóa bởi vi sinh vật nitrit vùng tiếp xúc với không khí. Nitơ hữu cơ bị khoáng hóa trong quá trình thủy phân bởi nhóm vi sinh vật phân hủy. Nitrat đƣợc chuyển sang khí N2 tự do hay N2O bởi nhóm vi sinh vật khử nitrit vùng thiếu oxy. Oxy cung cấp cho quá trình nitrit hóa khuếch tán từ không khí xuống vùng rễ qua hệ thống rễ thực vật. Thực vật cũng hấp thu nitơ và lƣợng nitơ trả lại cho đất khi chúng chết và bị phân hủy. Bên cạnh đó, quá trình bay hơi của nitơ cũng góp phần vào quá trình loại bỏ nitơ của hệ thống. Quá trình amon hóa (khoáng hóa): Quá trình khoáng hóa là quá trình chuyển nitơ hữu cơ sang dạng N – NH4+. Quá trình khoáng hóa diễn ra nhanh trong điều kiện hiếu khí và chậm dần khi môi trƣờng chuyển sang dạng yếm khí. Quá trình amon hóa phụ thuộc vào nhiệt độ, tỉ lệ C:N, lƣợng chất dinh dƣỡng có sẵn trong hệ thống, các điều kiện vê đất: cấu trúc và sa cấu đất. Giá trị pH thích hợp cho quá trình amon hóa diễn ra là 6,5 ÷ 8,5 (IWA Specialist group, 2000). Quá trình nitrit và nitrat hóa: Quá trình này đƣợc định nghĩa là quá trình oxy hóa sinh học chuyển dạng NH4+ sang dạng NO3- thông qua dạng nitrit NO2-. Vi khuẩn nitrit hóa sử dụng năng lƣợng sinh ra trong quá trình oxy hóa NH4+ thành NO3- và sử dụng CO2 là nguồn cung cấp cacbon cho tế bào. 16 Quá trình nitrit và nitrat hóa diễn ra hai giai đoạn: 2NH4+ + 3O2  2NO2- + 4H+ + 2H2O 2NO2- + O2  NO3NH4+ + 2O2  NO3- + 2H+ + H2O Để quá trình nitrat hóa có thể xảy ra, nồng độ DO phải ở mức 0,6 ÷ 1,0 mg/L; nhiệt độ từ 5 ÷ 40oC; pH từ 5,5 ÷ 9, tốt nhất là 7,5, khi pH < 7 vi khuẩn phát triển chậm lại (Lƣơng Đức Phẩm, 2009). Do đó độ sâu mà quá trình nitrat hóa có thể xảy ra quan hệ mật thiết với lƣu lƣợng nạp BOD và tốc độ chuyển hóa oxy vào nƣớc. Bảng 2.8 Các điều kiện tối ƣu cho quá trình nitrat hóa Điều kiện Thông số thiết kế Khoảng pH cho phép (95% nitrat hóa) 7,2 – 8,4 Nhiệt độ cho phép (95% nitrat hóa) oC 15 – 35 Oxy hòa tan ở lƣu lƣợng tối đa, mg/L >1 Kim loại nặng ức chế quá trình nitrat hóa (Cu, Zn, Cd, Ni, Pb, Cr), mg/L [...]... nước nhân tạo xử lý nước thải sau bể tự hoại Khoa Môi trường và Tài nguyên Thiên nhiên trồng cây Thủy trúc đƣợc tiến hành Mục tiêu của đề tài: đánh giá khả năng hấp thu đạm, lân trong nƣớc thải sau bể tự hoại Khoa Môi trƣờng và Tài nguyên Thiên nhiên của mô hình đất ngập nƣớc nhân tạo trồng cây Thủy trúc, đồng thời theo dõi cân bằng nƣớc của mô hình 2 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 NƢỚC THẢI SINH... chảy của nƣớc đƣợc phân loại nhƣ sau: 8 ĐẤT NGẬP NƢỚC NHÂN TẠO Đất ngập nƣớc nhân tạo chảy mặt Đất ngập nƣớc nhân tạo chảy mặt với cây thân lớn mọc vƣợt trên nƣớc Đất ngập nƣớc nhân tạo chảy mặt với cây thân lớn nổi tự do trên mặt nƣớc Đất ngập nƣớc nhân tạo chảy mặt với cây thân lớn, lá nổi, rễ đáy Đất ngập nƣớc nhân tạo chảy ngầm Đất ngập nƣớc nhân tạo chảy ngầm theo phƣơng ngang Đất ngập nƣớc nhân tạo. .. 2008) Đất ngập nƣớc nhân tạo đƣợc định nghĩa là một hệ thống công trình xử lý nƣớc thải đƣợc thiết kế và tạo dựng mô phỏng có điều chỉnh theo tính chất của đất ngập nƣớc tự nhiên với cây trồng chọn lọc (Lê Anh Tuấn et al., 2009) Đất ngập nƣớc nhân tạo đƣợc xây dựng cho mục đích chính là xử lý nƣớc thải 2.3.2 Phân loại đất ngập nƣớc nhân tạo Các mô hình đất ngập nƣớc nhân tạo ứng dụng trong xử lý nƣớc thải. .. ở Thủy Trúc so với những thủy sinh thực vật khác là Thủy Trúc có hình dáng khá đẹp mắt rất phù hợp để nghiên cứu sử dụng cho những mô hình đất ngập nƣớc nhân tạo bỡi lẽ một công trình xử lý nƣớc thải tốt toàn diện không chỉ thiên về xử lý tốt, ít tốn kém mà còn phải mang lại vẽ mỹ quan cho khu vực xử lý, vì thế đề tài Đánh giá khả năng hấp thu đạm, lân & cân bằng nước của mô hình đất ngập nước nhân. .. chảy ngầm theo phƣơng đứng Đất ngập nƣớc nhân tạo chảy mặt với cây thân lớn mọc tự do kiểu kết thảm Đất ngập nƣớc nhân tạo chảy mặt với cây thân lớn mọc chìm trong nƣớc Đất ngập nƣớc nhân tạo xử lý kiểu lai Kết hợp giữa đất ngập nƣớc nhân tạo chảy mặt và chảy ngầm Kết hợp đất ngập nƣớc nhân tạo chảy ngầm theo phƣơng ngang và đứng Hình 2.2 Phân loại các kiểu đất ngập nƣớc nhân tạo (Lê Anh Tuấn et al.,... đƣợc xử lý sơ bộ bằng bể tự hoại hoặc bãi lọc ngầm trƣớc khi thải ra nguồn tiếp nhận: 3 Nƣớc thải chƣa xử lý Nƣớc thải chƣa xử lý Nƣớc thải Bể tự hoại Bể tự hoại xử lý sơ bộ Cống rãnh Bãi lọc ngầm Hệ thống xử lý nƣớc thải Nƣớc thải đã xử lý Sông rạch Sông rạch Hình 2.1 Sơ đồ xử lý sơ bộ nƣớc thải sinh hoạt trƣớc khi thải ra nguồn tiếp nhận (Lê Hoàng Việt, 2003) 2.1.2 Phân loại nƣớc thải sinh hoạt a Phân... 1995) 2.5.3 So sánh ƣu điểm và nhƣợc điểm của hai kiểu hình đất ngập nƣớc nhân tạo Ƣu điểm và nhƣợc điểm của hai kiểu hình đất ngập nƣớc nhân tạo kiểu chảy ngầm và chảy mặt đƣợc trình bày nhƣ sau: Bảng 2.9 So sánh ƣu và nhƣợc điểm của hai kiểu hình đất ngập nƣớc nhân tạo Đất ngập nƣớc nhân tạo Chảy mặt Ƣu điểm Nhƣợc điểm Chi phí xây dựng, vận hành và quản Cần diện tích lớn lý thấp Hiệu quả loại bỏ nitrogen,... nhân tạo chảy ngầm theo phƣơng thẳng đứng 11 2.5 Hệ thống đất ngập nƣớc nhân tạo chảy ngầm theo phƣơng ngang 13 2.6 Cơ chế loại bỏ Nitơ trong hệ thống đất ngập nƣớc 18 2.7 Hệ thống xử lý nƣớc thải hình bƣờm” trồng cây thủy sinh xử lý nƣớc thải đồng thời tạo cảnh quan 26 2.8 Một số ứng dụng của Thủy trúc trong đời sống 35 3.1 Vị trí lấy mẫu nƣớc thải làm thí nghiêm 36 3.2 Cây Thủy trúc 37 3.3 Mô hình đất. .. Thủy trúc 37 3.3 Mô hình đất ngập nƣớc nhân tạo và đƣờng đi của nƣớc thải trong mô hình 37 3.4 Sơ đồ thí nghiệm 38 3.5 Mô hình đất ngập nƣớc nhân tạo trƣớc khi tiến hành đề tài 39 3.6 Mô hình đất ngập nƣớc khi lấy hết vật liệu lọc 39 3.7 Đá 1 cm x 2 cm sử dụng làm vật liệu lọc trong thí nghiệm 40 3.8 Sơ đồ cân bằng nƣớc trong hệ thống đất ngập nƣớc nhân tạo 44 4.1 Giá trị pH của thí nghiệm chính thức... hai kiểu hệ thống xử lý nƣớc thải bằng đất ngập nƣớc nhân tạo cơ bản là: hệ thống đất ngập nƣớc nhân tạo chảy mặt tự do (Constructed Free surface Flow Wetlands – CFFW) và hệ thống đất ngập nƣớc nhân tạo chảy ngầm (Constructed Subsurface Flow Wetlands – CSFW) Hai kiểu phân biệt cơ bản này lại đƣợc phân chia theo nhiều kiểu khác nhau theo chức năng xử lý của loại thực vật đƣợc trồng và đặc điểm dòng chảy ... mô hình đất ngập nước nhân tạo chảy ngầm theo phương ngang trước Khoa Môi trường & Tài nguyên Thiên nhiên để đánh giá khả xử lý đạm, lân mô hình đất ngập nước nhân tạo trồng Thủy trúc xử lý nước. .. lân & cân nước mô hình đất ngập nước nhân tạo xử lý nước thải sau bể tự hoại Khoa Môi trường Tài nguyên Thiên nhiên trồng Thủy trúc đƣợc tiến hành Mục tiêu đề tài: đánh giá khả hấp thu đạm, lân. .. 36 3.2 Cây Thủy trúc 37 3.3 Mô hình đất ngập nƣớc nhân tạo đƣờng nƣớc thải mô hình 37 3.4 Sơ đồ thí nghiệm 38 3.5 Mô hình đất ngập nƣớc nhân tạo trƣớc tiến hành đề tài 39 3.6 Mô hình đất ngập nƣớc