Báo cáo khoa học xử lý nước thải bằng kỹ thuật tưới ngầm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM – TP HỒ CHÍ MINH X‘W BÁO CÁO KHOA HỌC ĐỀ TÀI CẤP BỘ Tên đề tài XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT BẰNG KỸ THUẬT TƯỚI NGẦM Mã số: B2002-21-27 Chủ nhiệm đề tài: ThS Lê Quốc Tuấn TP Hồ Chí Minh 10 - 2004 XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT BẰNG KỸ THUẬT TƯỚI NGẦM I ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày quốc gia giới, nguồn nước trở nên vấn đề cấp bách Các ngồn nước sông, suối, nước ngầm dần trở nên ô nhiễm phát triển nông nghiệp, công nghiệp gia tăng dân số Các chuyên gia môi trường phát triển áp triển biện pháp xử lý nước thải nhằm tái sử dụng chúng cho hoạt động sản xuất sinh hoạt người Trong phương pháp xử lý nước thải áp dụng từ trước đến biện pháp sinh học có vai trò quan trọng đạt hiệu kinh tế cao, phù hợp với xu phát triển tự nhiên bền vững Mô hình tưới ngầm (thoát nươc ngầm) hệ thống sinh học ứng dụng rộng rãi giới Một số vùng khô, thiếu nước mô hình xem nhân tố sống cho việc tái tạo nguồn nước ngầm nước tưới tiêu cho nông nghiệp Kỹ thuật tưới ngầm không đơn giản chuyển đổi hệ thống đất ngập nước mà tăng cường phì nhiêu cho vùng đất nông nghiệp Mục đích hệ thống tăng suất trồng tăng độ màu mỡ cho vùng đất nông nghiệp khô hạn, vùng đất nông nghiệp bò ngập nước Sự kết hợp hệ thống thực vật phân bố bề mặt hệ thống góp phần lớn việc nâng cao hiệu suất xử lý Các vi sinh vật hệ thống nước thải đóng vai trò quan trọng việc phân hủy chuyển hóa chất hữu cơ, nitrogen, phosphore Thực vật bề mặt đóng vai trò hấp thu chất thải phân hủy chuyển hóa, nhiều hợp chất vô có chứa nitrogen phosphore Một loài thực vật áp dụng cho nghiên cứu cỏ vetiver Cỏ vetiver với đặc tính sinh lý, sinh thái khả thích ứng đòa hình, có khả hấp thụ cao hàm lượng N, P kim loại nặng Tại Việt Nam điều kiện đòa lý tự nhiên đặc biệt cho phát triển khu xử lý sinh học ứng dụng thực vật bậc cao ứng dụng vetiver xử lý nước thải vấn đề hoàn toàn Trên sở này, thực hiệân đề tài: “Xử lý nước thải sinh hoạt kỹ thuật tưới ngầm” điều kiện thí nghiệm với mô hình xử lý nước thải sinh hoạt xây dựng vườn sinh thái khoa Công Nghệ Môi Trường trường ĐH Nông Lâm – TPHCM II TỔNG QUAN Xử lý nước thải kỹ thuật tưới ngầm Xử lý nước thải kỹ thuật tưới ngầm việc dẫn nước qua hệ thống ống phân phối đất phân tán nước thải đất Qua trình phân phối thấm ngầm nước thải xử lý kết hợp trình vật lý, hóa học sinh học Một vài trình vật lý nhằm loại bỏ chất lơ lững Các trình tương tự các trình loại bỏ chất rắn lơ lững khác loại thải vi sinh vật tạo thành từ trình sinh học loại thải chất kết lắng tạo thành từ xử lý hóa học [9] Sự cần thiết cho hệ tưới ngầm nhân tạo Nước thừa vùng đất có rễ kìm hãm phát triển thực vật Năng suất sinh học giảm cách nhanh chóng vùng đất có hệ thống thoát nước chậm, nhiều trường hợp gây nên tình trạng ứ nước, thực vật tất nhiên chết thiếu oxy vùng rễ Hệ thống thoát ngầm nhân tạo cần thiết cho cánh đồng thoát nước để cung cấp khí chất dinh dưỡng cho vùng rễ Thoát ngầm xem phương thức quản lý nước quan trọng phần quan trọng hệ thống sản xuất nông nghiệp hiệu Sự cung cấp lương thực suất vùng đất nông nghiệp trì tăng cường hệ thống thoát ngầm áp dụng cho vùng đất bò ảnh hưởng dư thừa nước Lợi ích nông nghiệp, môi trường kinh tế xã hội kỹ thuật tưới ngầm Lợi ích kỹ thuật tưới ngầm kiểm soát nước thừa tích lũy muối thừa vùng rễ (Fausey cộng sự, 1987) Lợi ích môi trường kinh tế xã hội kết hợp với kiểm soát mầm bệnh sức khỏe cộng đồng phải coi trọng Một lợi ích mặt môi trường kỹ thuật tưới ngầm tác động tích cực lên việc tăng cường sức khỏe cho người, thực vật động vật nuôi Thoát nước cho vùng đất ẩm, đầm lầy làm giảm vùng đẻ trứng muỗi có nghóa làm giảm vật truyền bệnh sốt rét, bệnh vàng da Những lợi ích tưới ngầm tóm tắt sau: - Tưới ngầm làm tăng hoạt tính vi sinh vật có ích tăng độ màu mỡ đất - Có thất thoát bề mặt xói mòn đất - Năng suất trồng tăng việc quản lý nước cải thiện khả hấp thu chất dinh dưỡng tăng - Giá trò đất suất tăng - Tăng thu nhập giảm rủi ro - Duy trì khoáng chất cần thiết cho thông khí cho vùng rễ Kỹ thuật tưới ngầm chất lượng nước Mục đích việc quản lý tưới tiêu nông nghiệp trì cân khoáng chất vùng rễ vùng khô hạn cân nước vùng đất ẩm Nước tưới ngầm từ vùng khác có tính chất khác Nước có chất lượng thấp nên tách khỏ nước có chất lượng cao Nếu nước tưới ngầm không thích hợp cho việc sử dụng lại, nên thải vào vùng nước có chất lượng nước thấp Nước tưới ngầm mặt vùng đất khô hạn sử dụng cho việc tưới tiêu Ở vùng đất ẩm, hầu tưới ngầm tái sử dụng Khối lượng chất lượng nước tưới ngầm quản lý, thay đổi theo tốc độ dòng chảy, nồng độ chất cần xác đònh [8] Chất lượng nước tưới ngầm xác đònh mối tương quan với tính chất vật lý, hóa học sinh học Nó không khác so với loại nước cấp khác sử dụng cho vài mục đích tùy thuộc vào biến động chất lượng Nước tưới ngầm bề mặt mặt từ hệ thống canh tác có tưới tiêu thường so sánh với chất lượng nước cấp [7] Nước tưới ngầm chảy qua lớp đất mang theo chúng lượng lớn chất hòa tan chất rắn lơ lững bao gồm muối, hợp chất hữu hạt đất Để tái sử dụng an toàn thải đòi hỏi phải hiểu biết đặc tính nước tưới ngầm liên kết đặc tính với nhu cầu bảo vệ môi trường cho khu vực tái sử dụng hoặc loại thải [8] Đầu hai loại nước tưới ngầm mặt mặt có chứa chất có khả gây ô nhiễm Cho nên thường sử dụng cho mục đích khác nhằm giảm nhẹ tác động Nhiều loại thuốc trừ sâu có nước tưới ngầm Điều khó để đánh giá tác động chúng lên chất lượng nước Những nghiên cứu gần San Joaquin, California cho thấy dòng chảy bề mặt mang theo thuốc trừ sâu gây độc cho thủy sinh vật (Foe Connor, 1991; Connor cộng sự, 1993; Di Giorgio cộng sự, 1995) Các vấn đề thuốc trừ sâu trình canh tác, thiết kế bỏ qua chức hệ thống tưới ngầm [7] Nồng độ thuốc trừ sâu nước tưới ngầm mặt thấp hoạt động lọc đất Những khảo sát gần tiến hành nước tưới ngầm mặt cho thấy chúng chứa thuốc trừ sâu, phát lượng nhỏ thuốc trừ sâu nước ngầm California (Califonia Department of Pesticide Regulation, 1994) [7] Nồng độ cao vi lượng vô đất nước ngầm mối hiểm họa môi trường di chuyển qua hệ thống tưới tiêu tưới ngầm Chúng tập trung nước tưới ngầm loại thải nồng độ cao môi trường nồng độ thấp tích lũy sinh học chuỗi thức ăn Những vi lïng nguy hại đến nông nghiệp, động vật hoang dã, nước uống sức khỏe người Kỹ thuật tưới ngầm làm hạn chế phân tán độc tố vi lượng có nước đất trình tích lũy sinh học diễn mạnh hệ thống xử lý áp dụng cho vùng đất Quá trình làm giảm đáng kể vi lượng mang độc tính cao mảng nước ngầm [9] Về dưỡng chất nước tưới ngầm, có hai thành phần dinh dưỡng nước tưới ngầm N P Cả hai dưỡng chất quan trọng nước mặt Nitrogen hai dạng ammonium nitrate Dạng dạng ammonium chiếm ưu tưới ngầm bề mặt Dạng thường xuất phát từ hợp chất hữu từ cánh đồng tiêu chuẩn để đánh giá cho hệ thống tưới ngầm bề mặt Ammonia hấp thu hạt sét điện tích dương chúng Nó bay Nitrate chiếm ưu nước tưới ngầm mặt tiêu để đánh giá hiệu hệ thống tưới ngầm mặt Nồng độ nitrate cao tưới ngầm mặt xuất phát từ số nguồn: tích lũy đòa chất, phân hủy hợp chất hữu tự nhiên thấm sâu nitrate kết trình bón phân Nitrogen dạng nitrate nitrite vận chuyển dạng hòa tan Tỉ lệ chúng biến động nước tưới ngầm phụ thuộc vào dạng áp dụng tưới ngầm Nitrite độc, dạng trung gian nitrogen nên thường diện với nồng độ thấp nước [12] Nước tưới ngầm nông nghiệp chứa phosphore hai dạng vô hữu Hầu hết phosphore tưới ngầm mặt dạng hữu Rất phosphore tìm thấy nước tưới ngầm mặt hấp thu mạnh vùng đất khô hạn (Johnston cộng sự, 1965; MacKenzie Viets, 1974) vùng đất ẩm (Madramootoo cộng sự, 1992) [10] Kỹ thuật tưới ngầm góp phần bảo vệ để sử dụng hiệu nguồn nước Nước tái sử dụng sử dụng cho phát triển nông nghiệp phải bền vững mặt môi trường Hiểu biết nhu cầu chất lượng lượng nước dòng hạ lưu giúp phát triển phương pháp giảm thải Nhu cầu phải xem xét nước uống, nước cấp cho cho sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, giải trí thủy sản [8] Ứng dụng kỹ thuật tưới ngầm để xử lý nước thải Kỹ thuật tưới ngầm tổng hợp trình xử lý hóa học, lý học sinh học Trong sinh học đóng vai trò quan trọng chủ yếu xem công cụ thiết yếu để loại thải hai loại chất ô nhiễm hữu vô Xử lý sinh học liên quan đến việc sử dụng vi khuẩn tác nhân gây phản ứng chuyển hóa loại thải thành phần ô nhiễm hợp chất hữu cơ, dưỡng chất vi lượng Các phản ứng sinh học liên quan chia làm dạng tùy thuộc vào sử dụng oxy vi khuẩn Trong hệ thống hiếu khí, O2 cung cấp sử dụng vi khuẩn để oxi hóa hợp chất hữu thành nước CO2, oxi hóa khử hợp chất trước chúng thải môi trường Hệ thống hiếu khí thường không gây mùi Trong hệ thống hiếu khí, oxy chất nhận điện tử nguồn carbon thường chất cho điện tử phản ứng hóa sinh Trong hệ thống kỵ khí, diện oxy vi khuẩn sử dụng hợp chất khác thay oxy phân tử để thực trình chuyển hóa [6] Các loại phản ứng sinh học chia thành dạng: tăng cường chất rắn lơ lững tăng cường dính bám Trong hệ thống tăng cường chất rắn lơ lững, vi khuẩn phát triển trì dạng lơ lững trộn lẫn chất lỏng Trong hệ thống tăng cường dính bám, vi khuẩn phát triển lớp màng mỏng sinh học (gọi biofilm) giám bám, plastic cát Cả hai trình tồn đồng thời hệ kỹ thuật tưới ngầm chúng có hỗ trợ tương hỗ lẫn làm cho trình xử lý nước thải xảy hiệu [6] Với mật độ số lượng dân đông đảo thành phố, việc xây dựng nhà máy xử lý nước thải cho toàn nguồn nước thải thành phố khó khăn tốn Nhưng việc xử lý nước thải vệ sinh sinh hoạt người dân dễ dàng so với việc xử lý loại nước thải khác nước thải công nghiệp Ngoài nước thải vệ sinh tiềm chất đạm tốt cho Từ nhận thấy sau không tập trung nước thải sinh hoạt nước thải vệ sinh cụm dân cư nhỏ lại thành cụm xử lý nhỏ với phương tiện xử lý đơn giản, dễ làm, dễ bảo quản dễ vận hành sữa chữa có hiệu cao Kỹ thuật tưới ngầm hệ thống tập trung nước thải sinh hoạt vệ sinh lại, sử dụng biện pháp lọc tự nhiên đễ giảm bớt vi sinh vật đường ruột có hại, đồng thời tận dụng thời gian lưu nước phân giải hợp chất urea thành NO3- mà hấp thụ Nước sau qua hệ thống không thải thẳng sông sử dụng vào mục đích khác tưới cây, hồ cá Tìm hiểu số tính chất cỏ vetiver Đặc tính hình thái: vetiver trông giống bụi sả to, mọc thẳng đứng, thân xếp sát vào tạo thành khóm dày đặt, vững chắc, đạt chiều cao 3m điều kiện thuận lợi, khó ngã đổ Vào tháng mùa đông mùa khô, vetiver trạng thái nghỉ cứng, gắn chặt với chồi Điều chứng tỏ tiếp tục giữ đất trạng thái nghỉ chí chết Vetiver có sức sống cao, lớp bùn dày phủ chặt thân chồi mọc vươn lên bề mặt lớp đất bồi [5] Đặc tính sinh lý: vetiver thuộc nhóm thực vật C4, sử dụng CO2 hiệu theo đường quang hợp bình thường Hầu hết thực vật C4 sử dụng nước, yếu tố giúp phát triển điều kiện khô hạn Thêm vào sinh trưởng tốt cố đònh CO2 với tốc độ cao, chí khí khổng đóng cục bò áp lực môi trường Có thể nói cỏ vetiver có khả chòu đựng điều kiện khắc nghiệt môi trường tốt so với trồng khác Đặc tính sinh thái: vetiver thích ứng rộng điều kiện khí hậu, đất đai, đòa hình khắc nghiệt, chòu đựng thích nghi nhanh với thay đổi môi trường Chòu hạn hán nhiều tháng, sống điều kiện ngập lũ đến 45 ngày biên độ nhiệt từ – 100C đến 600C Phát triển tốt từ vùng đầm lầy ngang mực nước biển vùng núi cao 2600m; vùng có lượng mưa trung bình thấp 200mm cao 3000mm Mọc nhanh lại sau chòu ảnh hưởng hạn hán, sương muối, nước mặt hóa chất, độc chất đất, mọc lại sau bò gia súc ăn phần thân bò cháy rụi thân Chòu ngưỡng pH rộng từ – 10.5 Vẫn sống chòu đất nghèo ding dưỡng, đất nhiễm phèn, ngập mặn, đất nhiễm độc kim loại nặng As, Cd, Cr, Cu, Zn, Pb, Hg, …Có thể hạn chế phát triển tảo [13] Công dụng ứng dụng cỏ vetiver : Yếu tố cấu thành nên hêï thống vetiver việc dùng cỏ vetiver ứng dụng nông nghiệp nông nghiệp, với việc sử dụng cỏ khô làm sảm phẩm thủ công, mái lợp nhà, môi trường trồng nấm, thức ăn gia súc, sẩn phẩm công nghiệp, thảo dược…Chính đặc tính đa đa dụng, cỏ Vetiver ứng dụng nhiều lónh vực [5]: - Kỹ thuậât – xanh: kỹ thuật dùng thực vật, chủ yếu trồng, để làm đất nhiễm độc lọc nước ô nhiễm Cỏ vetiver phát hiệu ứng dụng : Cải tạo đất, phục hồi đất nước bò ô nhiễm, ngăn ngừa làm giảm tác hại thiên nhiên - Cải tạo: sử dụng phương pháp giới sinh học để phục hồi đất xấu bò thoái tượng tự nhiên trình canh tác - Phục hồi: Đây biện pháp dùng phương pháp giới sinh học để phục hồi đất nước bò ô nhiễm Vetiver làm giảm suy thoái ô nhiễm vùng sau chôn lấp chất thải đô thò, chất thải công nghiệp; phục hồi đất, ngăn chặn lan tràn chất ô nhiễm; phục hồi đất hầm mỏ sau khai thác cải tạo chất thải hầm mỏ; lọc nước ô nhiễm thải từ sông, suối, kênh… sản phẩm thải từ ngành sản xuất, công nghiệp… Ngoài sau thu hoạch cỏ vetiver dùng để lợp nhà, trồng nấm, nguyên liệu thô làm đồ mỹ nghệ, vật liệu ủ gốc giữ ẩm cho trồng, nguyên liệu thô cho trình chế biến sản phẩm công nghiệp Thành phần vi sinh vật tham gia trình xử lý nước thải trình sinh học diễn hệ thống Thành phần vi sinh vật tham gia trình xử lí nước thải: Vi sinh vật xâm nhập vào nước từ đất, phân, nước tiểu, ….Số lượng chủng loại vi sinh vật nước phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chất hữu hoà tan nước, chất độc, pH môi trường ….Trong nước có nhiều loại vi sinh vật : vi khuẩn, nấm men, nấm mốc, xoắn thể, xạ khuẩn, virus, thực khuẩn thể, chủ yếu vi khuẩn 7.1 Hệ vi sinh vật Đất đai vùng khí hậu nhiệt đới phần lớn đất có nguồn gốc từ lớp đá mẹ cổ, vốn nghèo dinh dưỡng, đất bò acid bò nhiễm độc, cỏ vetiver tồn phát triển bình thường mà không cần bổ sung thêm phân đạm hay lân Theo nghiên cứu có nhiều vi sinh vật đất phát quanh hệ rễ vetiver, vi khuẩn nấm tiêu biểu Các vi sinh vật xâm nhập vào mặt rễ, tạo thành nguồn dẫn truyền dinh dưỡng nối đất với cây, rễ tiết polysaccharide chất hữu hoà tan giúp cho chuyển hoá sinh học đất thích nghi Vi sinh vật gắn liền với rễ vetiver vi khuẩn cố đònh đạm, vi khuẩn hoà tan lân, nấm rễ vi khuẩn phân giải Hiệu xuất xử lý nước thải sau trồng cỏ vetiver Sau thời gian ổn đònh hệ thống, cỏ vetiver đủ lớn để phủ toàn bề mặt mô hình, vận hành hệ thống xử lý đánh giá hiệu xử lý nước thải mô hình qua tiêu nước thải đầu vào đầu hệ thống Chỉ tiêu nitrogen Chỉ tiêu nitrogen theo dõi thời gian 60 ngày, xác đònh hàm lượng nitrogen đầu vào đầu mô hình Số liệu tổng kết tính thời gian ngày Kết thể qua bảng đồ thò Bảng 4: Kết phân tích nitrogen Thời gian (ngày thứ) Nitrogen (mg/l) Đầu vào Đầu RQ % loại thaûi 14.32 1.43 12.89 90.01 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 11.03 7.89 5.95 6.32 16.38 11.03 9.47 12.34 9.28 13.78 15.02 13.08 3.1 2.14 1.5 1.23 2.61 3.27 1.78 2.67 1.98 2.72 1.89 1.26 7.93 5.75 4.45 5.09 13.77 7.76 7.69 9.67 7.3 11.06 13.13 11.82 71.89 72.88 74.79 80.54 84.07 70.35 81.2 78.36 78.66 80.26 87.42 90.37 27 Đầu vào Đầu Hàm lượng nitrogen (mg/l) 18 16 14 12 10 0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Thời gian (ngày thứ) Đồ thò 4: Sự biến thiên nồng độ nitrogen đầu vào đầu theo thời gian vận hành Qua bảng đồ thò cho thấy hàm lượng nitrogen đầu sau qua mô hình xử lý giảm lượng đáng kể có biến động tuyến tính với hàm lượng nước thải đầu vào, hiệu xử lý đạt đến 90.37% Chỉ tiêu phosphore Chỉ tiêu phosphore theo dõi thời gian 60 ngày với số liệu tổng kết tính thời gian ngày Kết phân tích thể qua bảng đồ thò 28 Bảng 5: Kết phân tích phosphore mô hình Thời gian (ngày thứ) Phosphore (mg/l) Đầu vào Đầu RQ % loại thải 0.46 0.21 0.25 54.35 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 2.11 2.52 0.93 1.39 0.74 0.67 1.63 4.26 3.92 3.66 2.83 2.76 1.06 0.89 0.25 0.24 0.14 0.09 0.24 1.04 0.84 1.02 0.53 0.61 1.05 1.63 0.68 1.15 0.6 0.58 1.39 3.22 3.08 2.64 2.3 2.15 49.76 64.68 73.12 82.73 81.08 86.57 85.28 75.59 78.57 72.13 81.27 77.9 Đầu vào Đầu Hàm lượng phosphore (mg/l) 4.5 3.5 2.5 1.5 0.5 0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Thời gian (ngày thứ) Đồ thò 5: Sự biến thiên nồng độ phosphore đầu vào đầu theo thời gian vận hành 29 Qua bảng đồ thò cho thấy biến động hàm lượng phosphore đầu vào không ổn đònh hiệu xử lý phosphore hệ thống cao, cao 86.57% Chứng tỏ hệ thống xử lý phosphore hiệu Nồng độ phosphore đầu đạt tiêu chuẩn cho phép Chỉ tiêu COD Tiến hành phân tích tiêu COD đầu vào đầu mô hình thời gian 60 ngày Kết phân tích COD thể qua bảng đồ thò Bảng 6: Kết phân tích COD mô hình Thời gian (ngày thứ) 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 COD (mg/l) Đầu vaøo 112.45 437.89 312.16 209.67 265.9 153.25 161.42 127.36 258.83 165.85 165.81 204.49 276.37 Đầu RQ % loại thải 12.03 125.07 58.3 32.12 23.74 24.85 26.89 26.94 45.92 28.47 32.68 45.96 31.84 100.42 312.82 253.86 177.55 242.16 128.4 134.53 100.42 212.91 137.38 133.13 158.53 244.53 89.3 71.44 81.32 84.68 91.07 83.78 83.34 78.85 82.26 82.83 80.29 77.52 88.48 30 Đầu vào Đầu 500 Hàm lượng COD (mg/l) 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Thời gian (ngày thứ) Đồ thò 6: Sự biến thiên COD nước thải đầu vào đầu mô hình theo thời gian vận hành Qua bảng đồ thò cho thấy hàm lượng COD đầu vào đầu có chênh lệch đáng kể Điều chứng tỏ hệ thống không xử lý lượng nitrogen phosphore mà phân giải chất hữu hiệu Điều thể qua hàm lượng COD đầu Sau trình xử lý hệ thống nồng độ COD nước thải đầu khỏi hệ thống đạt tiêu chuẩn nguồn thải loại A (COD