NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO BẰNG CÔNG NGHỆ ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO

Đất ngập nước nhân tạo được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực xử lý nước thải ở các nước trên thế giới như một giải pháp thân thiện với môi trường bằng công nghệ sinh thái,

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HỒ CHÍ MINH

KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HỒ CHÍ MINH

KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN



ĐỖ VĂN TUYỆN

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI HEO BẰNG CÔNG NGHỆ ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Ngành: Kỹ thuật môi trường

Người hướng dẫn: TS PHAN VĂN MINH

Thành phố Hồ Chí Minh

Tháng 07/2010

LỜI CẢM ƠN

Luận Văn “Nghiên Cứu Xử Lý Nước Thải chăn nuôi heo bằng Công Nghệ

Constructed Wetland” được hoàn thành bên cạnh sự cố gắng và nỗ lực của bản thân

còn có sự giúp đỡ của thầy cô, gia đình, và bạn bè Vì vậy, em xin gửi lời cảm ơn

chân thành đến:

 Các thầy cô khoa Môi trường và Tài nguyên đã giảng dạy và truyền đạt kiến

thức giúp em vững vàng hòan thành luận văn này

 Thầy TS Phan Văn Minh, KS Nguyễn Công Mạnh đã hướng dẫn tận tình

giúp em hoàn thành đề tài này

 Anh Phan Thái Sơn và gia đình đã giúp đỡ em trong quá trình vận hành mô

hình

 Các thầy cô, anh chị trong Trung Tâm Công Nghệ Và Quản Lý Môi Trường

& Tài Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ em trong quá trình phân

tích

 Xin chân thành cảm ơn tất cả các bạn bè luôn động viên, ủng hộ trong suốt

thời gian học tập và thực hiện luận văn

 Con xin chân thành cảm ơn ba mẹ và gia đình luôn là chỗ dựa vững chãi, ủng

hộ con trong suốt quá trình học tập

Xin chân thành cảm ơn!

TP.Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 07 năm 2010

Đỗ Văn Tuyện

TÓM TẮT KHOÁ LUẬN

Đề tài “Nghiên Cứu Xử Lý Nước Thải chăn nuôi heo bằng Công Nghệ Đất Ngập Nước nhân tạo” được tiến hành tại ấp Hoà Lân, xã Thuận Giao, huyện Thuận

An, Bình Dương , thời gian từ 31/05 đến 05/07/2010

 Hiệu suất xử lý COD cuả hệ thống là 90.7% đối với hệ thống sậy, lục bình; 89.1 % đối với hệ thống vetiver, lục bình

 Hiệu suất xử lý BOD5 cuả hệ thống là 93.6% đối với hệ thống sậy, lục bình; 92.8 % đối với hệ thống vetiver, lục bình

 Hiệu suất xử lý SS cuả hệ thống là 98 % đối với hệ thống sậy, lục bình; 96,5 % đối với hệ thống vetiver, lục bình

 Hiệu suất xử lý Ptổng cuả hệ thống là 88.5% đối với hệ thống sậy, lục bình; 82.2 % đối với hệ thống vetiver, lục bình

 Hiệu suất xử lý Ntổng cuả hệ thống là 83% đối với hệ thống sậy, lục bình; 68.2 % đối với hệ thống vetiver, lục bình

 pH thay đổi không đáng kể khi đi qua hệ thống

 Hiệu suất xử lý Coliform cuả hệ thống là 96.1% đối với hệ thống sậy, lục bình; 98.2 % đối với hệ thống vetiver, lục bình Hiệu suất xử lý Feacal coliform cuả

hệ thống là 97 % đối với hệ thống sậy, lục bình; 95.1 % đối với hệ thống vetiver, lục bình

=> Hiệu suất xử lý cuả hệ thống sậy, lục bình cao hơn hiệu suất xử lý cuả vetiver, lục bình

TRƯỜNG ĐH NÔNG LÂM TP HCM

KHOA MÔI TRƯỜNG & TÀI NGUYÊN

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

-o0o -

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

-o0o - PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KLTN

Họ và tên sinh viên: Đỗ Văn Tuyện MSSV: 06127149

2 Nội dung của khóa luận:

 Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải chăn nuôi của mô hình Đất ngập nước

dòng chảy ngang

 So sánh hiệu quả xử lý cuả 2 nghiệm thức: nghiệm thức 1 (Sậy, lục bình) và

nghiệm thức 2 (Vectiver, lục bình)

3.Thời gian thực hiện: từ 31/05 đến 05/07/2010

4 Giáo viên hướng dẫn: TS Phan Văn Minh, KS Nguyễn Công Mạnh

Nội dung và yêu cầu khóa luận tốt nghiệp được thông qua Khoa và Bộ môn

Ngày … tháng … năm …… Ngày … tháng … năm …

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN I TÓM TẮT KHOÁ LUẬN II PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ KHOÁ LUẬN III MỤC LỤC IV DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT V DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC VI DANH SÁCH HÌNH VII

1 MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu khoá luận 2

1.3 Nội dung khoá luận 2

1.4 Phương pháp thực hiện 2

1.5 Đối tượng và phạm vi đề tài 2

1.6 Ý nghĩa nghiên cứu 3

2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

2.1 Tính chất nước thải chăn nuôi heo và một số quy trình xử lý 4

2.1.1 Nước thải chăn nuôi heo 4

2.1.2 Một số quy trình công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi heo 5

2.2 Tổng quan Constructed Wetland (Đất ngập nước nhân tạo) 7

2.2.1 Khái niệm 7

2.2.2 Phân loại 7

2.2.3 Cơ chế xử lý nước thải trong Constructed Wetland 10

2.2.4 Ưu - nhược điểm: 10

2.2.5 Tình hình nghiên cứu - ứng dụng ĐNN nhân tạo trên thế giới và Việt Nam 11 2.3 Thực vật sử dụng trong Constructed Wetland: 14

2.3.1 Tổng quan về Sậy: 14

2.3.2 Tổng quan về Vectiver: 16

2.3.3 Lục bình 19

2.4.1 Quá trình chuyển hóa Nitơ: 19

2.4.2 Quá trình chuyển hóa phosphore: 22

3 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24

3.1 Nội dung nghiên cứu 24

3.2 Phương pháp nghiên cứu 24

3.2.1 Vật liệu thí nghiệm 24

3.2.2.Phương pháp thí nghiệm 24

3.2.3 Phương pháp thu mẫu và phân tích mẫu 27

4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29

4.1 Kết quả xử lý COD 29

4.2 Kết quả xử lý BOD 30

4.3 Kết quả xử lý SS 32

4.4 Kết quả xử lý Phospho tổng 32

4.5 Kết quả xử lý Nitơ tổng: 33

4.6 Sự thay đổi pH trước và sau xử lý: 34

4.7 Sự loại bỏ vi khuẩn gây bệnh 35

5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 36

5.1 Kết luận 36

5.2 Kiến nghị 36

PHỤ LỤC 38

TÀI LIỆU THAM KHẢO 56

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ĐNN Đất ngập nước

CW Constructed wetland (Đất ngập nước nhân tạo) COD Chemical oxygen demand (Nhu cầu oxi hóa học)

BOD5 Biological oxygen demand (Nhu cầu oxy sinh học)

DO Dissolved oxygen demand (lượng oxy hoà tan) FWS Free water surface (Đất ngập nước có dòng chảy tự do

trên bề mặt ) SSF Subsurface Flow Constructed wetland (Đất ngập nước

có dòng chảy ngầm) HSF Horizontal subsurface flow (ĐNN với dòng chảy ngang

dưới mặt đất) VSF Vertical subsurface flow (ĐNN dòng chảy thẳng đứng)

DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC

Phụ lục 1 HÌNH ẢNH MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM 38

Phụ lục 2 HSF XLNT CHĂN NUÔI HEO 39

Phụ lục 3 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH BOD 40

Phụ lục 4 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH COD 43

Phụ lục 5 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH SS 47

Phụ lục 6 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH NITƠ TỔNG 49

Phụ lục 7 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH PHOSPHATE 51

Phụ lục 8 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH PHOSPHO TỔNG 54

DANH SÁCH HÌNH

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình xử lý nước thải nuôi heo hộ gia đình 5

Hình 2.2 Sơ đồ quy trình xử lý nước thải nuôi heo công nghiệp 6

Hình 2.3 Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải tại Xí nghiệp lợn giống Đông Á - Dĩ An - Bình Dương 6

Hình 2.4 Mô hình Constructed Wetland chảy trên bề mặt 8

Hình 2.5 Mô hình Constructed Wetland dòng chảy ngang 9

Hình 2.6 Mô hình Constructed Wetland dòng chảy đứng 10

Hình 2.7 Hình ảnh cây sậy 14

Hình 2.8 Bụi cỏ Vetiver 16

Hình 2.9 Quá trình ANAMMOX 22

Hình 3.1 Cấu taọ hệ thống ĐNN dòng chảy ngang 26

Hình 3.2 Sơ đồ hệ thống thí nghiệm 27

Hình 4.1 Biểu đồ hiệu suất xử lý COD của mô hình 29

Hình 4.2 Biểu đồ hiệu suất xử lý BOD của mô hình 31

Hình 4.3 Biểu đồ hiệu suất xử lý SS của mô hình 32

Hình 4.4 Biểu đồ hiệu suất xử lý PTổng của mô hình 33

Hình 4.5 Biểu đồ hiệu suất xử lý NTổng của mô hình 34

Một trong những giải pháp giúp xử lý nước thải chăn nuôi heo phù hợp và có hiệu quả là ứng dụng phương pháp sinh học kỵ khí Trong quá trình sinh học kỵ khí hoạt động phân hủy các hợp chất cao phân tử như protein, glucid, lipid… của vi khuẩn kỵ khí sẽ tạo ra sản phẩm cuối cùng là khí sinh học với thành phần chủ yếu là khí methane (60-70%) và khí carbonic (20-30%) có thể sử dụng làm nhiên liệu

Tuy nhiên, nước thải chăn nuôi heo sau xử lý kỵ khí còn chứa một lượng COD, BOD, Nitơ, phosphore khá lớn Nếu không được xử lý tiếp mà xả thải trực tiếp vào thủy vực thì nó sẽ tác động xấu đến môi trường nước (gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa, làm chết động vật, thực vật thủy sinh…) Ngoài ra, trong nước thải chăn nuôi heo còn phát hiện thấy có nhiều loại ký sinh trùng, vi trùng có khả năng

gây bệnh cho người như Samonella, Leptospira, Clostridium, Bacillus, Fasciolosis, Buski, Brucella… Do đó, để bảo vệ nguồn nước, cần phải có thêm một hệ thống xử

lý bậc cao hơn trước khi xả thải ra các nguồn nước tiếp nhận

Hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng trong công nghệ xử

lý nước thải bậc cao Đất ngập nước nhân tạo được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực xử lý nước thải ở các nước trên thế giới như một giải pháp thân thiện với môi trường bằng công nghệ sinh thái, đạt hiệu suất cao, chi phí thấp; đồng thời góp phần làm tăng giá trị đa dạng sinh học, cải tạo cảnh quan môi trường Tại Việt Nam, phương pháp này còn khá mới mẻ, chưa được ứng dụng phổ biến Việc sử dụng các loài thực vật thuỷ sinh (vectiver, sậy, lục bình) góp phần làm tăng hiệu quả xử lý nitơ, phospho-nguyên nhân gây ra hiện tượng phú dưỡng hoá Xuất phát

từ những cơ sở trên, sinh viên chọn đề tài: “Nghiên Cứu Xử Lý Nước Thải chăn nuôi heo bằng Công Nghệ Đất Ngập Nước nhân tạo”

1.2 Mục tiêu khoá luận

 Xác định hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi heo bằng công nghệ đất ngập nước nhân tạo dòng chảy ngang tương ứng với thời gian lưu nước 4 ngày

 Xác định loài thực vật thuỷ sinh phù hợp với hệ thống, có khả năng xử lý tốt các chất gây ô nhiễm môi trường

1.3 Nội dung khoá luận

 Khảo sát nước thải chăn nuôi

 Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải chăn nuôi của mô hình đất ngập nước dòng chảy ngang Theo dõi các chỉ tiêu pH, COD, BOD, SS, nitơ tổng, phospho tổng, Coliform, Feacal Coliform

 So sánh hiệu quả xử lý của Sậy và Vectiver

1.4 Phương pháp thực hiện

 Thu thập tài liệu từ nhiều nguồn (sách, internet)

 Xây dựng và vận hành mô hình để thu thập các thông số kỹ thuật nhằm giải quyết các mục tiêu đã đặt ra trong luận văn

 Các số liệu thu thập được tổng hợp và xử lý số liệu bằng phần mềm Microsoft Office Excel 2003

1.5 Đối tượng và phạm vi đề tài

 Loại nước thải: Nước thải chăn nuôi heo đã qua xử lý kỵ khí (hầm biogas)

 Quy mô: Đề tài thực hiện trên mô hình thí nghiệm Nghiên cứu hiệu quả xử

lý pH, COD, BOD, SS, N tổng , P tổng, Coliform, Feacal Coliform

1.6 Ý nghĩa nghiên cứu

1.6.1 Ý nghĩa khoa học

Công nghệ này đã được ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới, góp phần xử lý ô nhiễm môi trường Tuy nhiên ở Việt Nam, công nghệ này còn khá mới mẻ Constructed wetland là một công nghệ thuộc loại công nghệ sinh thái (ecology), do

đó với những khu vực có điều kiện khí hậu khác nhau sẽ cho ra những kết quả có tính đối chiếu; góp phần làm tăng thêm hiểu biết về công nghệ này

1.5.2 Ý nghĩa kinh tế – xã hội

Đây là công nghệ sinh thái, đạt hiệu suất cao, chi phí xử lý thấp; đồng thời góp phần làm tăng giá trị đa dạng sinh học, cải tạo cảnh quan môi trường Nó phù hợp với vùng nông thôn có diện tích đất rộng, góp phần bảo vệ môi trường và cuộc sống

Chương 2

TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 Tính chất nước thải chăn nuôi heo và một số quy trình xử lý

2.1.1 Nước thải chăn nuôi heo

Nước thải chăn nuôi heo bao gồm phân và nước tiểu Đó là những chất còn

lại từ thức ăn sau khi heo sử dụng trong quá trình đồng hóa Khối lượng phân và

nước tiểu thải ra mỗi ngày phụ thuộc vào độ tuổi, khẩu phần và trọng lượng của mỗi

heo nuôi Khối lượng nước thải và nồng độ các hợp phần trong nước thải chăn nuôi

heo sẽ rất khác nhau, tùy thuộc quy mô đàn heo nuôi, lượng nước dùng để tắm heo,

vệ sinh chuồng trại và cách thức thu dọn chất thải…

Bảng 2.1 Thành phần, tính chất hóa lý, vi sinh của nước thải nuôi heo

Nguồn: Huỳnh Tấn Long, 2010

Hợp phần của nước thải chăn nuôi heo gồm protit, lipid và hydratecarbon

cùng các dẫn xuất của chúng, hầu hết là các chất hữu cơ dễ phân huỷ (chiếm khoảng

70-80%), còn lại là chất hòa tan khác như urea, ammonium, phospho và nhiều loại

muối vô cơ khác… được heo thải ra qua phân và nước tiểu Hàm lượng N, P trong

phân và nước tiểu của heo cao Do đó, nước thải chăn nuôi heo được đánh giá là

một trong những loại nước thải có khả năng gây ô nhiễm môi trường khá nghiêm

trọng Hàm lượng các hợp chất nitơ, phospho và lưu huỳnh cao trong nước thải

thường gây ra hiện tượng phú dưỡng thủy vực khi tiếp nhận trực tiếp nước thải chăn

nuôi heo không qua xử lý hoặc đã qua xử lý mà chưa đạt tiêu chẩn xả thải

130.2 26.9

Nguồn: Trung tâm Công Nghệ và Quản Lý Môi Trường, ĐH Nông Lâm

Bảng 2.2 Một số chỉ tiêu nước thải chăn nuôi heo sau khi qua hầm biogas

2.1.2 Một số quy trình công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi heo

2.1.2.1 Quy trình xử lý nước thải chăn nuôi heo quy mô hộ gia đình

Quy trình sử dụng các thiết bị xử lý kỵ khí tốc độ thấp như bể lên men tạo

khí biogas kiểu Trung Quốc, Ấn Độ, Việt Nam, hoặc dùng túi nhựa PE Phương

pháp này nhằm xây dựng kỹ thuật xử lý kỵ khí nước thải chăn nuôi heo trong hộ gia

đình với số đầu heo không nhiều, nhỏ hơn 400 con

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình xử lý nước thải nuôi heo hộ gia đình

2.1.3.2 Quy trình xử lý nước thải chăn nuôi heo quy mô công nghiệp

Quy trình này được xây dựng với thiết bị tương đối hoàn chỉnh, đồng bộ

nhằm áp dụng trong các xí nghiệp nuôi heo mang tính chất công nghiệp

Công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi công nghiệp có quy trình như sau:

Hồ thực vật Nguồn tiếp nhận

gia đình

Bể biogas Nước thải

a) Xử lý cơ học: Lắng tách chất rắn

b) Xử lý sinh học: Bắt đầu bằng sinh học kỵ khí UASB, tiếp theo là sinh học hiếu khí (aeroten) hoặc hồ thực vật thủy sinh với lục bình, bèo cái, bèo cám, rong c) Khử trùng trước khi thải ra môi trường

Hình 2.2Sơ đồ quy trình xử lý nước thải nuôi heo công nghiệp

 Công nghệ xử lý nước thải nuôi heo ở Xí nghiệp lợn giống Đông Á - Dĩ An - Bình Dương với công suất hoạt động150 m3/ngày

Nguồn: Ngô Kế Sương, Lê Công Nhất Phương, 2005

Hình 2.3 Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải tại Xí nghiệp lợn giống Đông Á - Dĩ An

- Bình Dương

Hệ thống hoạt động tốt, tương đối ổn định với kết quả đạt được như sau: COD

= 82,4 mg/L, BOD5 = 43,9 mg/L, N-NH4= 8,4 mg/L; SS= 47,3 mg/L, tổng P = 3,7 mg/L Hệ thống xử lý nước thải chăn nuôi heo cần qua 3 giai đoạn chính:

+ Giai đoạn I: Tách chất thải rắn (phân) bằng phương pháp cơ học, đây là nguồn

Ủ phân sinh học

Bể lắng

Hồ thực vật thủy sinh Nguồn tiếp nhận

Các bể hiếu khí

Các bể kỵ khí (UASB)

Các bể điều hòa tách phân

Hồ thực vật thủy sinh

nguyên liệu để sản xuất phân vi sinh (compost) rất tốt

+ Giai đoạn II: Xử lý các hợp chất hữu cơ (COD, BOD, tổng photpho và một phần tổng nitơ…) bằng phương pháp sinh học kỵ khí và thiếu khí (có hoặc không có giá thể) Trong giai đoạn này thu được sản phẩm biogas là nguồn nguyên liệu có thể dùng vào nhiều mục đích khác nhau trong cuộc sống và bùn hữu cơ dùng cho sản xuất phân vi sinh

+ Giai đoạn III: Là công đoạn xử lý N-NH4, tổng photpho

2.2 Tổng quan Đất Ngập Nước nhân tạo (Constructed Wetland)

2.2.1 Khái niệm

Theo Công ước RAMSAR thì "Đất ngập nước bao gồm: những vùng đầm lầy, đầm lầy than bùn, những vực nước bất kể là tự nhiên hay nhân tạo, những vùng ngập nước tạm thời hay thường xuyên, những vực nước đứng hay chảy, là nước ngọt, nước lợ hay nước mặn, kể cả những vực nước biển có độ sâu không quá 6m khi triều thấp"

Đất ngập nước nhân tạo là công nghệ xử lý sinh thái (ecology), được xây dựng nhằm khắc phục những nhược điểm của đất ngập nước tự nhiên mà vẫn có được những ưu điểm của đất ngập nước tự nhiên

Constructed Wetland (Đất ngập nước nhân taọ) là một thủy vực nông với một

số loại vật liệu lọc (chất nền), thường là cát, đá hoặc sỏi, và trồng thực vật thủy sinh chịu được điều kiện môi trường bão hòa Nước thải cần xử lý được đưa vào thủy vực chảy trên bề mặt hoặc thông qua các lớp giá thể, và được đưa ra khỏi thủy vực thông qua hệ thống thu nước

Constructed Wetland bao gồm năm thành phần chính: Thủy vực, lớp giá thể, thực vật, lớp lót, hệ thống đường ống vào/ra

2.2.2 Phân loại

a Đất ngập nước có dòng chảy tự do trên bề mặt (Free water surface -

FWS): Những hệ thống này thường là thủy vực chứa nước hoặc các kênh dẫn nước, với lớp lót bên dưới để ngăn sự rò rỉ nước, đất hoặc các lớp vật liệu lọc thích hợp khác hỗ trợ cho thực vật nổi lên Lớp nước nông, tốc độ dòng chảy chậm, sự có mặt của thân cây quyết định dòng chảy và đặc biệt trong các mương dài và hẹp, bảo đảm điều kiện dòng chảy nhỏ

Trong hệ thống đất ngập nước có dòng chảy tự do trên bề mặt, chất hữu cơ

được loại bỏ do dòng chảy chậm, lắng, lọc, oxy hoá, hấp phụ (Kadlec và Knight, 1996) Nitơ được loại bỏ bởi sự hấp thu của cây trồng, quá trình nitrat hoá/phản nitrat, bay hơi và trao đổi ion, nhưng loại bỏ hiệu quả nhất là bằng quá trình nitrat hoá/phản nitrat (Vymazal, 2001; US EPA, 2000) Phospho được loại bỏ nhờ sự hấp thụ, hấp phụ, kết tuả và lắng cùng các ion Al3+, Fe3+ và Ca2+ (Vymazal et al., 1998)

Hình 2.4 Mô hình Constructed Wetland chảy trên bề mặt

b Đất ngập nước có dòng chảy ngầm (Subsurface Flow Constructed wetland –

SSF)

Hệ thống này có cấu tạo khá đơn giản: ngăn phân phối nước, hệ thống phân phối nước và hệ thống thu nước Dưới đáy có lớp chống thấm là lớp đất sét tự nhiên hay nhân tạo, hoặc một lớp vải nhựa chống thấm… Bên trên là lớp vật liệu lọc, chiều cao phụ thuộc vào loại rễ cây trồng

Phân hủy chất thải xảy ra trong lớp vật liệu, do các VSV bám trên bề mặt vật liệu và rễ cây Nước thải sau khi phân phối vào sẽ thấm qua lớp vật liệu lọc và vùng rễ của thực vật trồng trong đó, qua đó các vi sinh vật sống trong vật liệu lọc và sống bám vào hệ thống rễ của cây trồng thì các chất hữu cơ sẽ được tiêu thụ phục

vụ cho hoạt động sống của chúng và đồng thời cũng được cây hấp thụ một phần Hệ thống rễ của thực vật thuỷ sinh cũng đóng vai trò qua trọng trong xử lí nước thải qua việc hấp thụ chất dinh dưỡng trong nước thải cũng như chất giữ lại trong quá trình lọc, cung cấp oxy tạo ra các quá trình phân huỷ hiếu khí bên trong vật liệu

Đất ngập nước có dòng chảy ngầm bao gồm 2 hệ thống:

 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 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 các vùng hiếu khí, hiếm khí và kị khí Các vùng hiếu khí ở xung quanh rễ và bầu rễ, nơi lọc O2 vào trong bề mặt Khi nước thải chảy qua rễ, nó được làm sạch bởi sự phân hủy sinh học của vi sinh vật bởi các quá trình hóa sinh

Hình 2.5 Mô hình Constructed Wetland dòng chảy ngang (Vymazal, 1997)

 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 bậc 2 cho nước thải

đã qua xử lý bậc 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 Hệ thống này có nhiều ưu điểm như có chế độ oxy trong lớp vật liệu tốt hơn, cho phép nâng cao hiệu suất quá trình phân huỷ sinh học các chất hữu cơ, xử lý được chất dinh dưỡng như Nitơ nhờ quá trình nitrat – khử nitrat, loại bỏ vi sinh, tốn ít diện tích nhất trong các loại bãi lọc, hiệu suất xử lý cao… Tuy nhiên nhược điểm của loại này là cần có chênh lệch về gradient dòng chảy từ sau bể

tự hoại đến nguồn tiếp nhận, nếu không phải dùng bơm cưỡng bức, do vậy phải lựa chọn điều kiện địa hình thích hợp mới có thể áp dụng được

Hình 2.6 Mô hình Constructed Wetland dòng chảy đứng (Cooper, 1996) 2.2.3 Cơ chế xử lý nước thải trong Constructed Wetland

Các hệ thống đất ngập nước loại bỏ được nhiều chất gây ô nhiễm bao gồm: các chất hữu cơ, các chất rắn lơ lửng, nitơ, photpho, kim loại nặng và các vi sinh vật gây bệnh Các chất được loại bỏ khỏi nước thải trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua các quá trình vật lý, hóa học và sinh học

 Vật lý: Lắng do trọng lực: Các hạt được lọc cơ học khi nước chảy qua lớp lọc, qua tầng rễ; Lực hấp dẫn giữa các phần tử; Sự bay hơi NH3 từ nước thải

 Hóa học: Tạo thành các hợp chất; Hấp phụ trên bề mặt lớp lọc và bề mặt thực vật; phân hủy hoặc biến đổi của các hợp chất kém bền bởi các tác nhân như tia

tử ngoại, oxy hóa

 Sinh học: Các chất hữu cơ hòa tan được phân hủy bởi các vi sinh vật đáy và

vi sinh vật bám dính trên thực vật Có sự nitrat hóa và phản nitrat hóa do tác động của vi sinh vật; Dưới các điều kiện thích hợp, một khối lượng đáng kể các chất ô nhiễm sẽ được thực vật hấp thụ; Sự phân hủy tự nhiên của các chất hữu cơ trong môi trường

2.2.4 Ưu - nhược điểm:

a.Ưu điểm:

 Nhu cầu năng lượng thấp (thực vật sử dụng năng lượng mặt trời)

 Dễ xây dựng và bảo dưỡng, chi phí vận hành và bảo dưỡng thấp

 Có thể sử dụng nguyên vật liệu địa phương (đá, cát …)

 Chịu được thay đổi tải trọng

 Có giá trị thẩm mỹ và sinh học, ít gây mùi hôi làm ảnh hưởng đến môi trường

 Sinh khối thực vật có thể ứng dụng vào nhiều mục đích: làm phân bón cải tạo đất; nguyên liệu sản xuất giấy và bột giấy, làm hương liệu…

b Nhược điểm:

 Yêu cầu diện tích lớn hơn so với hệ thống thông thường

 Thời gian xử lý chậm, hiệu quả xử lý không ổn định khi gặp điều kiện bất lợi

 Thành phần sinh học trong hệ thống nhạy cảm với các chất độc hóa học như thuốc trừ sâu, hoá chất …

2.2.5 Tình hình nghiên cứu - ứng dụng ĐNN nhân tạo trên thế giới và Việt Nam

2.2.5.1 Thế giới:

 Người mở đầu cho việc sử dụng công nghệ đất ngập nước trong xử lý nước thải là Kathe Seidel vào đầu những năm 1950 tại Đức Công trình này được mở rộng vào những năm 1960 cho các dòng thải khác nhau, bao gồm nước thải phenol (Seidel,1965, 1966), nước thải nhà máy sữa (Seidel, 1976), và nước thải chăn nuôi (Seidel, 1961)…

 Năm 1968, đất ngập nước dòng chảy bề mặt đã được xây dựng ở Hungary gần Keszthely để bảo vệ chất lượng nước của hồ Balaton và xử lý nước thải của thị

xã (Lakatos, 1998)

 Năm 1973, Hệ thống FWS được xây dựng với diện tích 8.5 ha tại Martinez, California tạo môi trường sống cho động vật hoang dã và cho mục đích xả thải (James và Bogart, 1989)

 Xây dựng những vùng đất ngập nước được chú ý nhiều hơn ở Châu Âu: Trong những năm 1980, ĐNN dòng chảy ngang và trong những năm 1990 với dòng chảy thẳng đứng và sự kết hợp các dòng chảy (Cooper et al., 1996; Vymazal et al., 1998)

 Tại Bắc Mỹ, từ giữa năm 1967, nghiên cứu sử dụng đầm phá ven biển để tái chế và tái sử dụng nước thải đô thị (Odum, 1985) Sau đó là các nghiên cứu chuyên

sâu sử dụng đất ngập nước nhân tạo để xử lý nước thải tại một vùng khí hậu lạnh (Kadlec et al., 1975; Kadlec và Tilton, 1979) Sau đó đất ngập nước nhân tạo đã được sử dụng tại Bắc Mỹ với nhiều loại nước thải bao gồm nước thải đô thị, công nghiệp và nông nghiệp (Kadlec và Knight, 1996; Kadlec, 2003)

 Taị Châu Á, trong thập niên 1970 và thập niên 1980 nhiều thí nghiệm với lục bình đã được tiến hành để xử lý các loại nước thải, như: nước thải nhà máy sữa, sản xuất dầu cọ, chưng cất, sản xuất cao su tự nhiên, thuộc da, dệt may, điện, bột giấy, sản xuất giấy, sản xuất thuốc trừ sâu và nước thải chứa kim loại nặng (Abassi, 1987)

 Đến nay đất ngập nước nhân tạo được ứng dụng rộng rãi trên thế giới Đã có một số quốc gia ban hành hướng dẫn xây dựng đất ngập nước: ở Châu Âu, hướng dẫn quốc gia đầu tiên được xuất bản ở Đức vào năm 1989 (ATV H 262, 1989), hướng dẫn ở châu Âu (Cooper, 1990) Ở một số nước, như Đan Mạch, các hướng dẫn đã được ban hành cho các loại đất ngập nước nhân tạo (dòng chảy ngang, dòng chảy thẳng đứng) (Bộ môi trường và năng lượng, 1999, 2003a, 2003b; Brix và Johansen, 2004) Tại Hoa Kỳ, sách hướng dẫn thiết kế xây dựng đất ngập nước để

xử lý nước thải đô thị được ban hành bởi Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ năm

1988 (US EPA, 1988), năm 2000 (US EPA, 2000) Tại Úc, Hướng dẫn xây dựng vùng đất ngập nước dòng chảy bề mặt xử lý nước thải đô thị được ban hành trong năm 2000 (QDNR, 2000)

1952 Nghiên cứu XL nước thải phenol (Seidel, 1955, 1965a, 1966)

1956 Nghiên cứu xử lý nước thải chăn nuôi (Seidel, 1961)

1956 Nghiên cứu xử lý nước thải nhà máy sữa (Seidel, 1976)

1973 Nghiên cứu xử lý nước thải ngành dệt (Widyanto, 1975)

1975 Xây dựng XLNT nhà máy lọc dầu (Litchfield và Schatz, 1989)

1978 Xây dựng xử lý nước thải nhà máy dệt (Kickuth, 1982a)

1981 Nghiên cứu loại bỏ kim loại nặng (Gersberg et al., 1984)

1981 Nghiên cứu nước thải thuộc da (Prasad et al., 1983)

1982 Nghiên cứu XLNT nhà máy đường (Yeoh, 1983)

1982 Nghiên cứu XLNT công nghiệp chế biến cao su (John, 1984)

1983 Xây dựng XLNT công nghiệp chế biến cao su (John, 1984)

1983 Nghiên cứu nước thải nhà máy giấy (Allender, 1984; Thut, 1989, 1990a)

1985 Xây dựng xử lý nước thải chăn nuôi bò sữa (Brix và Schierup, 1989a)

1985 Nghiên cứu XLNT chế biến hải sản (Guida và Kugelman, 1989)

1986 Nghiên cứu nước thải ngành công nghiệp tinh bột khoai tây (De Zeeuw et

al., 1990)

1988 Xây dựng xử lý nước thải chăn nuôi (Hammer, 1989b; Hammer, 1992)

1992 Xây dựng XLNT chế biến củ cải đường nước thải chế biến (Anderson,

1993)

1994 Xây dựng xử lý nước thải giết mổ (Vymazal, 1998)

1998 Xây dựng xử lý nước thải nuôi cá hồi (Comeau et al, 2001)

2000 Nghiên cứu XLNT nhà máy chế biến thép (Yang et al, 2002)

2001 Nghiên cứu xử lý nước thải Nhà máy bia (Kalibbala et al, 2002)

Nguồn: Vymazal, 2008: Wastewater Treatment in Constructed Wetlands with Horizontal Sub-Surface Flow

Bảng 2.2 Một số nghiên cứu và ứng dụng ĐNN xử lý nước thải trên thế giới 2.2.5.2 Việt Nam:

 Nghiên cứu khả năng xử lí nước thải sinh hoạt và nước thải từ các ao nuôi cá nước ngọt bằng đất ngập nước kiến tạo (Lê Anh Tuấn) Nghiên cứu trong ba năm của Khoa Công nghệ, trường Đại học Cần thơ cho thấy đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm đã loại trừ hầu hết các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt và ao nuôi cá Chất lượng nước đầu ra xuống mức cho phép thải trở lại nguồn theo tiêu chuẩn Việt Nam hoặc có thể tái sử dụng trong nuôi cá và sinh hoạt

 Hệ thống đất ngập nước để xử lý nước thải cho nhà máy chế biến cà phê ở Khe Sanh, hệ thống đất ngập nước ở Thành phố Việt Trì

 Năm 2005, mô hình đất ngập nước nhân tạo đã được xây dựng tại xã Minh Nông_ Bến Giót_Tp Việt Trì, để nghiên cứu khả năng xử lí đối với nước thải sinh hoạt pha nước thải công nghiệp

 Xử lí nước thải sinh hoạt bằng wetland dòng chảy thẳng đứng trong điều kiện của Việt Nam của Trung Tâm Kĩ Thuật Môi Trường và Khu Công Nghiệp, trường Đại Học Xây Dựng Hà Nội

 Xử lí phân bùn bằng wetland, ĐH Xây Dựng Hà Nội

 Nghiên cứu ứng dụng công nghệ wetland để xử lí nước thải ở làng giấy Phong Khê của ĐH Khoa Học Tự Nhiên_ ĐH Quốc Gia Hà Nội (Nguyễn Thị Loan, 2007)

2.3 Thực vật sử dụng trong Constructed Wetland:

Theo Gs.TSKH Nguyễn Nghĩa Thìn (Bộ môn Thực vật, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội) thì Việt Nam có đến 34 loại cây có thể sử dụng để làm sạch môi trường nước Các loài cây này hoàn toàn dễ kiếm tìm ngoài tự nhiên và chúng cũng có sức sống khá mạnh mẽ Thực vật trồng trong bãi lọc thường là các loại thực vật thuỷ sinh lưu niên, thân thảo, thân xốp, rễ chùm, sống nổi trên mặt nước, ngập hẳn trong nước, hay trồng trong nước nhưng thân cây nhô lên trên mặt nước như: cỏ nến, sậy, thuỷ trúc, mai nước, vectiver, phát lộc, Cói, Bấc, Lách

Trong phạm vi đề tài nghiên cứu các loài thực vật thủy sinh là sậy, vectiver,

và lục bình

2.3.1 Tổng quan về Sậy:

2.3.1.1 Giới thiệu:

Hình 2.7 Hình ảnh cây sậy

Sậy là một loài cây lớn thuộc họ Poacea, chi Phragmites Sậy có nguồn gốc

ở những vùng đất lầy ở cả khu vực nhiệt đới và ôn đới của thế giới Sậy được tìm thấy ở Bắc Mĩ từ 3000 năm trước

2.3.1.2 Phân loại:

Phổ biến gồm 4 loại:

 Cây sậy thông thường (danh pháp khoa học: Phragmites australis Cav.)

 Cây sậy núi (danh pháp khoa học: Arundo donax L.)

 Cây sậy Miến Điện (danh pháp khoa học: Neyraudia reynaudiana)

 Cây sậy gai (danh pháp khoa học: Sparganium eurycarpum)

Loại Phragmites australis được tìm thấy khá phổ biến ở Việt Nam Do vậy,

trong phạm vi đề tài chỉ nghiên cứu loại này

2.3.1.3 Một số đặc điểm của sậy:

a Đặc điểm hình thái:

 Thân: Thân mọc thẳng, khỏe, rỗng, thân cây mọc đứng cao từ 2-6 m

 Lá: Cứng , dài từ 20-50 cm và bản rộng 2-3 cm

 Rễ: Rễ dài, chắc khỏe, xếp như vảy cá, có đốt, rễ lan rộng trên bề mặt

 Hoa: Hoa có dạng chùy có màu tía sẫm mọc dày dặc, dài 20-50 cm

b Đặc điểm sinh lý

Loài này chịu được pH khá cao, chịu được lạnh và cỏ dại

Thành phần hóa học của cây sậy gồm: 11,4% protein; 2,3% chất béo; 42,1% Hydrat cacbon; 31,1% chất xơ;10,8% tro và còn lại là chất khô (Duke, J.A 1998)

c Đặc điểm sinh thái

Sậy phát triển mạnh ở môi trường ngập nước và có nhiều ánh sáng Mọc ở ven rừng, ven sông suối, rừng thưa Cây có khả năng hấp thụ kim loại nặng như crôm, niken, đồng, kẽm

 Hình thức sinh sản

 Từ hạt: từ hạt sậy được nảy mầm và phát triển

 Từ thân: chúng có thể phát triển thành cây mới từ một đoạn thân hoặc rễ

Nó phát triển theo chiều ngang từ gốc lên

2.3.1.4 Ứng dụng của sậy:

 Sậy được phát hiện ứng dụng xử lý nước thải từ những năm 60

 Làm thức ăn chất lượng cho gia súc

 Làm bột giấy, vật liệu cách nhiệt

Phạm Hồng Đức Phước và Dương Văn Chín (2001), Ở Việt Nam có hai loài

cỏ Vetiver được sử dụng là: Vetiveria zizanioides phân bố rất rộng trong các vùng nhiệt đới và Vetiveria nemoralis chỉ giới hạn ở vùng Đông Nam Á Đặc biệt Vetiverria zizanioides có nhiều đặc điểm và ứng dụng tốt hơn Vetiverria nemoralis Do vậy trong phạm vi đề tài nghiên cứu về Vetiverria zizanioides Vetiveria zizanioides, thuộc họ Graminea (Poaceae), tông Andropogoneae, tên chi

Vetiveria bắt nguồn từ Vetiver

2.3.2.2 Một số đặc tính của Vectiver:

a Đặc tính hình thái của cỏ Vetiver (Vetiverria zizanioides)

 Cỏ Vetiver giống như một bụi sả to, mọc thẳng đứng, thân xếp vào nhau tạo thành khóm dày đặc, vững chắc, chiều cao có thể tới 3m Cỏ Vetiver thường mọc thành từng cụm

 Thân lá mọc thẳng đứng, cứng, chịu được điều kiện ngập lũ cao trung bình 1-1,5m, phiến lá tương đối cứng, lá dài từ 40-90cm, rộng 4-10mm, lá nhẵn, mép lá

nhám

Cụm hoa là chùy tận cùng, thẳng, dài 20-30cm, cuống chung lớn, phân nhánh nhiều Bông nhỏ không cuống, là loại lưỡng tính, hình dẹt, bông rất nhỏ, bông có cuống là bông đực

 Quả hơi dẹt

 Bộ rễ xốp, dày đặc, chắc, mọc rất nhanh và rất nhiều về số lượng, rễ có thể

ăn sâu xuống đất từ 3-5 mét, do đó có thể ngăn cản sự xói mòn cũng như khống chế

sự dịch chuyển vật chất trên mặt đất, đồng thời giữ cho cây sống được qua thời kỳ hạn hán

 Cỏ Vetiver không bò lan và thân rễ đan xéo nhau, khi trồng gần nhau thì cỏ Vetiver tạo thành một hàng hàng rào chắn phù sa và phân tán dòng chảy rất hiệu quả

 Phát triển tốt trong vùng đầm lầy ngang mực nước biển cho đến vùng núi cao 2600m so với mặt biển, vùng có lượng mưa trung bình năm cực thấp khoảng 200mm hoặc rất cao khoảng 3000mm

 Mọc và phát triển lại rất nhanh sau khi bị ảnh hưởng của hạn hán, sương muối, nước mặn, các hóa chất và độc chất trong đất

 Chịu được ngưỡng biến động cao của pH đất từ 3-10,5

 Sống và phát triển tốt trong đất nghèo dinh dưỡng, đất nhiễm phèn, ngập mặn, đất bị nhiễm kim loại nặng như Al, As, Cd, Cr, Cu, Pb, Hg, Ni, Se, Zn…

d Hệ vi sinh vật trên cây

 Có khá nhiều vi sinh vật đất được phát hiện xung quanh bộ rễ cỏ Vetiver mà

vi khuẩn và nấm là tiêu biểu Các vi sinh vật xâm nhập vào mặt trên rễ, tạo thành những đường dẫn truyền dinh dưỡng Vi sinh vật gắn liền với rễ cỏ Vetiver là các vi khuẩn cố định đạm, vi khuẩn hòa tan, các nấm rễ và các vi khuẩn phân giải cellulose…, sản xuất chất dinh dưỡng cho sự sinh trưởng phát triển và thúc đẩy các hormones sinh trưởng thực vật tác động trực tiếp lên Vetiver

 Vi khuẩn cố định đạm: Hiện diện ở bề mặt rễ, trong các gian bào hoặc trong các tế bào rễ đã chết, nó có vai trò quan trọng trong việc cung cấp đạm cho cỏ Vetiver, sản xuất enzyme chuyển hóa N tự do thành N sinh học dưới dạng N-amonia cho cây hấp thu

 Vi khuẩn điều hòa sự sinh trưởng cây: Chất điều hòa sinh trưởng là những chất hữu cơ ảnh hưởng đến quá trình sinh lý của cây trồng ở nồng độ rất thấp, chất điều hòa sinh trưởng cũng bao gồm những chất chuyển hóa từ vi khuẩn Nhiều

hormone thực vật được sản xuất từ các vi khuẩn cố định đạm như: Azotobacter, Azospillum, Bacilus và pseudomonas góp phần thúc đẩy sự phát triển và sự tái sinh

của bộ rễ, đồng thời giúp cho cây kháng được bệnh hại

 Vi khuẩn hòa tan lân: Bacilus và Pseudomonas có khả năng chuyển hóa lân

không hòa tan thành dạng hòa tan bằng cách chiết ra acid hữu cơ như acid formic, propionic, lactic, glycolic, fumaric, succinic Các acid này làm giảm pH và thúc đẩy

sự phân giải phosphate

2.3.2.3 Ứng dụng của Vectiver:

- Vetiver có thể làm giảm sự suy thoái và ô nhiễm ở những vùng sau như chôn lấp chất thải đô thị, chất thải công nghiệp; phục hồi đất, ngăn chặn sự lan tràn của các chất ô nhiễm; phục hồi đất tại các hầm mỏ sau khai thác và cải tạo chất thải hầm mỏ; lọc nước ô nhiễm thải ra từ sông, suối, kênh do nước thải ra từ các ngành sản xuất, công nghiệp…

Vectiver được trồng chống sạt lở, xói mòn đất do ảnh hưởng của dòng chảy của các con sông, kênh rạch và mưa hàng năm

Rễ cỏ Vetiver chứa một hàm lượng cao tinh dầu thực vật, hàng năm trên một hecta cỏ Vetiver có thể thu được từ 20-30 tấn rễ thơm dùng để chưng cất tinh dầu, làm nhang thơm, dầu gội đầu, nước hoa… Tinh dầu của cỏ Vetiver rất quý vì giữ được mùi thơm rất lâu, giá trị rất cao trên thị trường mỹ phẩm Các công thức tinh dầu cỏ Vetiver như: -Vetivone, - Vetivone, khusimone, khusitone

Ngoài ra sau khi thu hoạch cỏ vetiver có thể dùng để lợp nhà, trồng nấm, nguyên liệu thô làm đồ mỹ nghệ, vật liệu ủ gốc giữ ẩm cho cây trồng, nguyên liệu thô cho quá trình chế biến các sản phẩm công nghiệp

2.3.3 Lục bình:

Lục bình (danh pháp khoa học: Eichhornia crassipes) là 1 loại thực vật thuỷ sinh thân thảo, sống nổi theo dòng nước, thuộc về chi Eichhornia của họ Pontederiaceae Một số ứng dụng cuả lục bình:

 Lục bình được sử dụng làm thức ăn cho gia súc, dùng ủ nấm rơm, làm phân chuồng

 Luc bình có thể được sử dụng làm đồ thủ công mỹ nghệ

 Ngoài ra lục bình còn có tác dụng hấp thụ những kim loại nặng (như chì, thủy ngân và strontium), hấp thu nitrat, phosphat và vì thế có thể dùng để xử lý ô nhiễm môi trường

2.4 Quá trình chuyển hoá nitơ, phospho trong Constructed wetland:

2.4.1 Quá trình chuyển hóa Nitơ:

2.4.1.1 Sự amon hóa urea:

Urea chiếm khoảng 2,2% trong nước tiểu, thành phần Nitrogen chiếm

khoảng 46,6% trong urea Để amon hoá urea đầu tiên các vi khuẩn tiết ra enzyme

urease biến urea thành carbonate ammonium rồi sau đó biến thành NH3 , NH4+, CO2

chúng ưa pH trung tính hoặc hơi kiềm

2.4.1.2 Sự amon hóa protein:

Quá trình khoáng hóa protein thành NH4+ trải qua các giai đoạn sau:

Protein  amino acid  khử amin thành NH4+

Có hai quá trình khoáng hóa protein thành NH4+ là quá trình khử và quá trình oxy hóa

• Quá trình oxy hóa

R — CH — COOH + 1/2 O2  R — CO — COOH + NH4+ |

NH2

• Quá trình khử

R — CH — COOH + 2H R — CH — COOH + NH4+ |

NH2

Các sinh vật có khả năng amon hóa protein là:Bacillus, Mesentrius, Bacillus Subtilis, Pseudomonas fluourescens, Clostridium sporogenes

Quá trình nitrate hóa: quá trình này gồm 2 giai đoạn: quá trình biến NH3 thành

NO2- được thực hiện bởi nhóm vi khuẩn nitrosomonas và quá trình chuyển NO2thành NO3- bởi nhóm nitrobacter

-2.4.1.3 Quá trình nitrite hóa :

Các vi khuẩn oxy hóa nitrite hóa qua trung gian NH2OH

2NH4+ + O2  2NH2OH + 2H+

NH4+ + O2  NO2- + 2H+ + H2O + 2,75Kj

Các vi khuẩn thực hiện việc này đều là những vi khuẩn hiếu khí như Nitrosomonas eropaea, Nitrosomonas oligocarbogenes, Nitrosospiara, Nitrosococcus

2.4.1.4 Quá trình nitrate hóa:

Được thực hiện bởi vi khuẩn hiếu khí Nitrobacter chúng có khả năng oxy hóa

NO2- thành NO3- và tạo năng lượng

NO2- +1/2 O2  NO3- + năng lượng

Các vi khuẩn thực hiện quá trình này là các loài tự dưỡng hiếu khí Nitrobacter agilis, Nitrobacter uinugradski và các vi khuẩn khác như Nitrospira, Nitrococcus hoặc là các vi khuẩn dị dưỡng hiếu khí Pseudomonas, Corynebacterium Nhiệt độ

tối ưu cho quá trình này là 300C

2.4.1.5 Quá trình phản nitrate

Có hai cơ chế song song trong quá trình khử nitrate đó là cơ chế đồng hóa và

cơ chế dị hóa

 Quá trình đồng hóa (Assimilative denitrification): Trong quá trình này,

nitrate được vi sinh vật và thực vật hấp thu chuyển chúng thành nitrite, sau đó là ammonia

Ammonia sẽ được dùng để tổng hợp proteion và acid nucleic Sự khử nitrate được thực hiện bởi nhiều enzyme nitrate reductase Sự hiện diện của oxy không ảnh hưởng gì đến hoạt động của enzyme này Vi khuẩn đồng hóa là Pseudomonas

aeruginosa

 Quá trình phản nitrate dị hóa (dissimilatory denitrification): đây là hô hấp hiếm khí trong đó nitrate đóng vai trò chất nhận điện tử cuối cùng, nitrate bị khử thành nitrous oxide (N2O) và N2 , trong đó N2 là sản phẩm chính của quá trình Các vi sinh vật tham gia vào quá trình phản nitrate là những vi sinh vật tự dưỡng hay dị dưỡng hiếu khí

Khi môi trường không có oxy thì chúng chuyển qua hô hấp yếm khí sử dụng nitrate làm chất nhận điện tử

NO3-  NO2-  NO-  N2O  N2

Các sinh vật tham gia trong quá trình này rất đa dạng thuộc nhiều chi như: Pseudomonas, Bacillus, Hyphomicrobium, Agrobacterium, Propioni bacterium,

Như vậy, để quá trình khử nitrogen xảy ra hiệu quả thì ta phải duy trì tình trạng hiếu khí trên bề mặt và tình trạng kỵ khí tầng dưới để kết hợp hiệu quả cho quá trình nitrate và phản nitrate

2.4.1.6 Quá trình ANAMMOX:

ANAMMOX (Anaerobic Ammonium Oxidation ): Là phản ứng oxy hóa kỵ

khí ammonia với chủng vi khuẩn chủ yếu của quá trình là Planctomycetables với 3 nhóm: Scalindua, Brocadia anammoxidans và Kuenenia stuttgartiensis, chuyển hóa

lượng nitrit sinh ra sẽ oxy hoá lượng ammonium còn lại trong điều kiện kỵ khí để

tạo thành nitơ nguyên tử nhờ nhóm vi khuẩn Anammox

2.4.2 Quá trình chuyển hóa phosphore:

Trong nước thải có các dạng phosphore chủ yếu như Orthophosphate (PO43-) các polyphosphate và các hợp chất phosphore hữu cơ Đầu tiên các hợp chất phosphore này được một nhóm vi sinh vật phân hủy thành các dạng hợp chất vô cơ khó tan và dễ tan

 Quá trình khoáng hóa lân hữu cơ: sự chuyển hóa các hợp chất phosphore hữu cơ thành muối của H3PO4 được thực hiện bởi nhóm vi sinh vật phân hủy hợp chất hữu cơ

Những vi sinh vật này có khả năng tiết ra enzyme phosphatase làm xúc tác cho quá trình phân giải

Nudeoproteit  Nucleic  Acid Nucleic  H3PO4

Leucitin  Glyxerophotphate  H3PO4

Nhóm vi khuẩn có khả năng thực hiện quá trình này đều thuộc 2 chi: Bacillus

và Pseudomonas như: Bacillus Megatherium, Bacillus Mycoides

 Quá trình biến lân vô cơ khó tan thành dạng dễ tan

Đa số các vi sinh vật có khả năng phân giản lân vô cơ đều sinh CO2 trong quá trình sống, CO2 sẽ phản ứng với H2O tạo H2CO3, H2CO3 sẽ phản ứng với phosphate không tan tạo thành phosphate dễ tan theo phương trình sau:

Ca3(PO4)2 + 4 H2CO3  Ca(H2PO4)2 + 2Ca(HCO3)2

Dạng không tan dạng dễ tan dạng dễ tan

Các dạng dễ tan này được cây trồng hấp thụ Ngoài ra các vi khuẩn nitrate hóa cũng có khả năng phân giải lân vô cơ do nó có khả năng chuyển NH3 thành NO2- rồi NO3-, NO3- sẽ phản ứng với H+ tạo thành HNO3, HNO3 sẽ phản ứng với phosphate khó tan tạo thành dạng dễ tan

Ca(PO4)2 + 4HNO3  Ca(H2PO4)2 + 2Ca(NO3)2

Các vi khuẩn sulphate cũng có khả năng phân hủy phosphate khó tan do sự tạo thành H2SO4 trong quá trình sống

Ca3(PO4)2 + 2H2SO4  Ca(H2PO4)2 + 2CaSO4

Các loài có khả năng phân hủy mạnh là Bacillus Megatherium, Bacillus Mycodes, Pseudomonas, Vadiobacter, Pseudomonas Gracilis Hầu hết chúng là vi

khuẩn hiếu khí và trong quá trình phân giải chúng đều làm giảm pH của môi trường Như vậy quá trình loại bỏ phosphate được diễn ra tốt thì phải duy trì tình trạng hiếu khí để các vi khuẩn hiếu khí có điều kiện tổng hợp polyphosphate trong tề bào hoặc thủy phân nó thành dạng lân dễ tan để cây có thể hấp thu, pH của quá trình nên duy trì từ 5 – 7

Chương 3

NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Nội dung nghiên cứu

 Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải chăn nuôi của mô hình

 So sánh hiệu quả xử lý của hai hệ thống: hệ thống 1 (Sậy, lục bình) và hệ thống 2 (Vectiver, lục bình)

 Phân tích các chỉ tiêu pH, COD, BOD, SS, nitơ tổng, phospho tổng, Coliform, Feacal Coliform

3.2 Phương pháp nghiên cứu

3.2.1 Vật liệu thí nghiệm

 8 bể plastic (1x1x1m), có thể tích 1000 L

 3 máy bơm định lượng (Simon vanstaltic pump, 72_310_230, USA, 2009)

 Vật liệu tạo giá thể lọc: đá các loại (4x6cm và1x2 cm), đá mi hạt lớn (0.5cm), cát xây dựng có kích cỡ hạt lớn

 Thực vật thủy sinh: sậy (Phragnites sp.) và cỏ vertiver (Vectiverria zizanioides), lục bình

 Sậy được thu thập tại bãi sậy gần cầu Sài Gòn (Chọn những cây sậy trưởng thành, thân chắc khoẻ đường kính khoảng 0.5 -1 cm; cắt thành đoạn từ 40 – 50cm, cắt bỏ hết lá)

 Cỏ vectiver được thu thập từ vườn thực nghiệm thuộc Trung tâm nghiên cứu và chuyển giao khoa học công nghệ, ĐH Nông Lâm TP.HCM

 Lục bình được thu ngẫu nhiên bên ngoài, với trạng thái cây đang phát triển tốt và đồng đều

 Nguồn nước thải chăn nuôi heo đã được lấy sau bể biogas

3.2.2.Phương pháp thí nghiệm

3.2.2.1 Giai đoạn tiền thí nghiệm:Mục đích của giai đoạn này là dưỡng cỏ sao

cho cỏ phát triển ổn định và hoàn thiện về độ dài rễ, có nhiều chồi khỏe, đủ điều kiện để đưa vào thí nghiệm