Đánh giá khả năng xử lý nước thải nuôi tôm của mô hình đất ngập nước nhân tạo dòng chảy đứng bằng cỏ vetiver

Đất ngập nước trồng cây có khả năng khử vi trùng thông qua các quá trình tiêu hủy tự nhiên, bức xạ tử ngoại, thức ăn của các loại vi sinh vật trong hệ thống… Các virus, mầm bệnh được khử

KHOA HÓA

-

NGUYỄN NGỌC TÍN Tên đề tài:

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI NUÔI TÔM CỦA MÔ HÌNH ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO DÒNG

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA HÓA -

Tên đề tài:

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI NUÔI TÔM CỦA MÔ HÌNH ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO DÒNG

CHẢY ĐỨNG BẰNG CỎ VETIVER

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN KHOA HỌC

Sinh viện thực hiện : NGUYỄN NGỌC TÍN Lớp : 14CQM

Giáo viên hướng dẫn : ĐINH VĂN TẠC

Đà Nẵng - 2018

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Ngọc Tín

- Thùng, can nhựa để lấy mẫu

- Loại thực vật có khả năng xử lý nước thải: cây sậy

- Phễu thủy tinh

- Đũa thủy tinh

dòng chảy đứng bằng cây sậy tiến hành kiểm tra khả năng xử lý chất ô nhiễm của mô hình thông qua các chỉ tiêu: pH, NH4+, SS, COD, PO43-

4 Giáo viên hướng dẫn: TS Đinh Văn Tạc

5 Ngày giao đề tài: 1/7/2017

6 Ngày hoàn thành: 23/4/2018

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

Sinh viên đã hoàn thành và nộp báo cáo cho Khoa ngày 24 tháng 4 năm 2018

Kết quả điểm đánh giá:

Ngày….tháng….năm 2018

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

(Ký và ghi rõ họ tên)

và giúp đỡ em tận tình trong suốt quá trình làm khoá luận

Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa hóa - Trường Đại Sư phạm

Đà Nẵng đã giảng dạy nhiều kiến thức, tạo điều kiện giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khoá luận

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn luôn tạo điều kiện quan tâm, giúp đỡ, động viên em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khoá luận tốt nghiệp

Em xin chân thành cảm ơn!

Đà Nẵng, ngày 24 tháng 04 năm 2018

Sinh viên Nguyễn Ngọc Tín

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG i

DANH MỤC HÌNH ii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 3

1.1 Một số khái niệm 3

1.1.1 Khái niệm nước mặt 3

1.1.2 Khái niệm nước thải 3

1.1.3 Nước nuôi tôm [1] 3

1.1.4 Các vấn đề môi trường liên quan đến hoạt động nuôi tôm [3] 4

1.2 Các thông số đánh giá chất lượng nước thải thủy sản [2] 7

1.2.1 Chất rắn 7

1.2.2 Mùi 7

1.2.3 pH 8

1.2.4 Nhu cầu oxy sinh hóa BOD 8

1.2.5 Nhu cầu oxy hóa học COD 8

1.2.6 Oxy hòa tan DO 8

1.2.7 Nitơ 9

1.2.8 Photpho 9

1.3 Tổng quan mô hình đất ngập nước ngầm nhân tạo [4] 9

1.3.1 Khái niệm 9

1.3.2 Giới thiệu về mô hình 9

1.3.3 Phân loại đất ngập nước ngầm nhân tạo 10

1.3.4 Cơ chế xử lý nước thải của đất ngập nước ngầm [4][7][9] 12

1.3.5 Những thuận lợi và khó khăn khi sử dụng hệ thống đất ngập nước nhân tạo để xử lý nước thải 19

1.4 Giới thiệu về cây cỏ vetiver [5] 20

1.4.1 Đặt tính 20

1.4.2 Vai trò 22

1.4.3 Tình hình nghiên cứu [4] 23

1.5 Ứng dụng của mô hình đất ngập nước nhân tạo [4] 25

1.5.1 Tình hình nghiên cứu ở thế giới 25

1.5.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam 25

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27

2.1 Đối tượng nghiên cứu 27

2.2 Nội dung nghiên cứu 27

2.3 Phương pháp nghiên cứu 27

2.3.1 Hóa chất, dụng cụ và thiết bị 27

2.3.2 Các phương pháp nghiên cứu 29

2.3.3 Mô hình thí nghiệm 32

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 35

3.1 Mô hình đất ngập nước kiến tạo 35

3.2 Lấy mẫu nước 37

3.3 Phân tích các chỉ tiêu đầu vào của mẫu nước 38

3.4 Chạy mô hình và Kết quả nghiên phân tích các chỉ tiêu đầu ra 39

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

Bảng 2.1 Hóa chất dùng trong phân tích mẫu nước 27

Bảng 2.2 Một số dụng cụ và thiết bị 28

Bảng 2.3 Quy trình lập đường chuẩn của K2Cr2O7 30

Bảng 2 4 Quy trình lập đường chuẩn 31

Bảng 2 5 Quy trình thiết lập đường chuẩn 32

Bảng 3.1 Bảng ký hiệu mẫu 38

Bảng 3 2 Nồng độ đầu vào của nước nuôi tôm 38

Bảng 3 6 Nồng độ các chất sau thời gian lưu 24 giờ tong mô hình 40

Bảng 3 7 Nồng độ các chất sau thời gian lưu 48 giờ ở mô hình 41

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Sơ dồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm theo chiều ngang 11

Hình 1.2 Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm theo chiều đứng 12

Hình 1.3 Sơ đồ chuyển hóa nitơ trong đất 17

Hình 1.4 Hình ảnh cây cỏ vetiver 22

Hình 2.1 Mô hình dự kiến 33

Hình 3 1 Ống thu nước ra 35

Hình 3 2 Lớp đá 1x2 ở dưới đáy 35

Hình 3 3 Lớp sỏi nhỏ 36

Hình 3 4 Lớp đá mịn 36

Hình 3 5 Lớp cát vàng phía trên cùng 36

Hình 3.6 Mô hình sau khi trồng cỏ vetiver 37

Hình 3.7 Mô hình khi cỏ vetiver phát triển 37

Hình 3 1 Biểu đồ tổng hợp kết quả phân tích pH của vetiver 43

Hình 3 2 Biểu đồ tổng hợp kết quả phân tích COD của vetiver 43

Hình 3 3 Biểu đồ tổng hợp kết quả phân tích SS của vetiver 44

Hình 3 4 Biểu đồ tổng hợp kết quả phân tích PO43- của vetiver 44

Hình 3.5 Biểu đồ tổng hợp kết quả phân tích NH4+ của vetiver 45

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU

Ngày nay, môi trường đang là mối quan tâm lớn của các cấp, các ngành trong nước

và trên thế giới Môi trường ngày càng bị ô nhiễm nặng bởi sự phát triển của các ngành công nghiệp, nông nghiệp, tiểu thủ công nghiệp, thủy sản… Trên thực tế các ngành trên

đã đem lại lợi ích kinh tế to lớn cho con người nhưng nó củng chính là nguyên nhân gây

ô nhiễm môi trường nặng nề Một trong các ngành phải kể đến là ngành thủy sản Ngành thủy sản nước ta hiện nay đã và đang phát triển một cách nhanh chóng với tốc độ khá nhanh, đem lại lợi ích kinh tế khá cao cho sự phát triển của đất nước

Tuy nhiên sự phát triển mạnh mẽ lại kéo theo các tác động môi trường diễn ra ở quy mô ngày càng lớn và hết sức đa dạng, đặc biệt là làm suy giảm chất lượng môi trường nước xung quanh khu vực nuôi trồng Mà lượng nước thải từ ao nuôi là nguồn gốc chủ yếu làm nhiễm bẩn nước Một số kết quả nghiên cứu khoa học cho thấy, chỉ có 17% trọng lượng khô của thức ăn cung cấp cho ao nuôi được chuyển thành sinh khối, phần còn lại được thải ra môi trường dưới dạng phân và chất hữu cơ dư thừa thối rữa vào môi trường Đối với các ao nuôi công nghiệp chất thải trong ao có thể chứa đến trên 45% nitrogen và 22% là các chất hữu cơ khác Các loại chất thải chứa nitơ và phốtpho ở hàm lượng cao có thể gây nên hiện tượng phú dưỡng làm ô nhiễm môi trường nước

Với khả năng gây ô nhiễm cao như vậy nhưng hầu hết nước thải từ các ao nuôi thủy sản đều được xả trực tiếp vào các nguồn tiếp nhận mà không qua giai đoạn xử lý nào Vì vậy đòi hỏi phải có những biện pháp xử lý ô nhiễm của nguồn nước thải kịp thời, đơ giản

và phù hợp với nền kinh tế của đất nước

Xử lý nước thải bằng mô hình đất ngập nước nhân tạo đã và đang được áp dụng tại nhiều nơi trên thế giới với ưu điểm là rẻ tiền, dể vận hành, đồng thời mức độ ô nhiễm xử

lý ô nhiễm cao Mặt khác Việt Nam là một nước nhiệt đới, khí hậu nóng ẩm nên rất thích hợp cho sự phát triển của các mô hình đất ngập nước nhân tạo trồng thực vật thủy sinh Với mong muốn góp phần cải thiện môi trường, đảm bảo sự phát triển bến vững của ngành thủy sản, đề tài: “Đánh giá khả năng xử lý nước thải nuôi tôm của mô hình

đất ngập nước nhân tạo dòng chảy đứng bằng cỏ vetiver ” đã được tôi lựa chon trong quá trình làm khóa luận tốt nghiệp

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Một số khái niệm

1.1.1 Khái niệm nước mặt

Nước mặt là nước phân bố trên mặt đất, nước trong các đại dương, sông, suối, ao

hồ, đầm lầy Đặc điểm của tài nguyên nước mặt là chịu ảnh hưởng lớn từ điều kiện khí hậu và các tác động khác do hoạt động kinh tế của con người; nước mặt dễ bị ô nhiễm

và thành phần hóa lý của nước dễ bị thay đổi; khả năng hồi phục trữ lượng của nước nhanh nhất ở vùng thường có mưa

1.1.2 Khái niệm nước thải

Theo Nghị định số 80/2014/NĐ-CP nước thải là nước đã bị thay đổi đặc điểm, tính chất do sử dụng hoặc do các hoạt động của con người xả vào hệ thống thoát nước hoặc

ra môi trường

1.1.3 Nước nuôi tôm [1]

Nước nuôi tôm chứa nhiều chất hữu cơ, chất rắn lơ lững, H2S, NH3, vi sinh vật, các hợp chất của N, P… được tạo ra từ quá trình phân hủy chất hữu cơ Nitơ và photpho là những nguyên tố chủ yếu trong chất thải bắt nguồn từ thức ăn Việc cho thức ăn quá nhiều, nước không ổn định, thức ăn dễ tan, thức ăn khó hấp thu và khả năng duy trì nitơ , là những yếu tố liên quan với nước thải có chứa nhiều nitơ và phôtpho Thức ăn thừa là nguyên nhân chính dẫn đến lượng nito cao, chiếm tỷ lệ từ 30 - 40% Có khoảng

63 - 78% nitơ và 76 - 80% photpho cho tôm ăn bị thất thoát vào môi trường Nitơ dưới dạng protein được tôm hấp thu và bài tiết dưới dạng ammoniac

 Khí: Trong quá trình nuôi, việc sử dụng hóa chất đã phát thải vào môi trường một lượng khí dưới tác dụng của vi khuẩn như H2S, NH3, CH4… gây độc cho ao hồ

 Bùn: Chứa nhiều chất hữu cơ, kháng sinh, hóa chất, khí độc, và nhiều loại vi khuẩn gây bệnh Bùn được thải thẳng ra đất không qua xử lý Hầu hết ao nuôi tôm đều có lớp đất đen hay bùn thối ở đáy và xả vào nguồn nước xung quanh như sông, suối…gây ô nhiễm cho nguồn nước tiếp nhận

 Nước: Do sử dụng thuốc kháng sinh và một số hóa chất (thuốc tím, clo…) trong hoạt động nuôi tôm nên chúng sẽ có mặt trong nước ao nuôi Nước chứa nhiều chất dinh dưỡng nên sinh ra khí H2S, NH3 và còn chứa nhiều chất hữu cơ, chất rắn lơ lửng, SO42- , HCO3-, NO2- gây độc nếu không được xử lýtrước khi thải ra môi trường xung quanh

1.1.4 Các vấn đề môi trường liên quan đến hoạt động nuôi tôm [3]

Bên cạnh những thành quả đạt được từ hoạt động nuôi trồng thủy sản nói chung, nuôi tôm nói riêng ở nước ta trong những năm qua, ô nhiễm môi trường tại các vùng nuôi, sản xuất giống thủy sản như xả thải các chất thải dinh dưỡng dư thừa, thuốc, hóa chất cũng như bao bì, thùng đựng thuốc, hóa chất và mầm bệnh ra ngoài môi trường là những vấn đề cần được quan tâm

 Xả thải các chất dinh dưỡng dư thừa

Theo các nghiên cứu trong và ngoài nước, một lượng lớn các chất dinh dưỡng trong thức ăn tôm, cá không được hấp thụ vào cơ thể chúng để tạo sinh khối mà bị thải ra ngoài môi trường xung quanh dưới dạng thức ăn dư thừa, phân và chất thải Các kết quả nghiên cứu cho thấy 48,0 – 87,3 % Nitơ (N) và 75,0 – 94,0 % Phốt pho (P) đầu vào trong các

ao nuôi tôm không được hấp thụ tạo sinh khối tôm mà bị thải ra ngoài môi trường thông qua thay nước, xả thải khi thu hoạch, lắng đọng trong bùn đáy ao nuôi… Như vậy, để nuôi mỗi tấn tôm sẽ thải khoảng 16,8 – 157,2 kg N và 2,3 – 45,9 kg P ra môi trường tùy thuộc vào nguồn thức ăn cũng như mức độ thâm canh

Các thủy vực nhận nguồn nước thải từ các ao nuôi tôm thường có hàm lượng các thông số liên quan về dinh dưỡng như ammonia tổng số (TAN), nitrite (NO2-), nitrate (NO3-), phosphate (PO43-), nhu cầu ôxy sinh hóa (BOD), các chất hữu cơ lơ lửng (OSS), nitơ tổng số (TN), phốt pho tổng số (TP), tổng cacbon hữu cơ (TOC)… cao hơn so với các thủy vực tự nhiên và thường vượt ngưỡng cho phép theo một số quy chuẩn trong và ngoài nước

Các chất dinh dưỡng dư thừa nói trên có thể gây ảnh hưởng tới hệ sinh thái tự nhiên của thủy vực như: gây ra hiện tượng phát triển quá mức của thực vật phù du hay còn gọi

là hiện tượng tảo “nở hoa” và làm thay đổi các mắt xích trong chuỗi thức ăn của thủy

vực; hay các chất thải tích tụ ở nền đáy, phân hủy làm tiêu tốn nguồn ôxy trong thủy vực

và khi các chất dinh dưỡng bị phân hủy trong môi trường yếm khí tạo ra các khí độc làm ảnh hưởng đến khu hệ động vật đáy trong thủy vực

Ngoài ra chúng còn gây ảnh hưởng đến nguồn nước ngầm như: khi môi trường nước bị ô nhiễm, vùng ven sông rạch hay vùng bán ngập do mạch nước ngầm nông, nguồn nước mặt khi bị ô nhiễm với nhiều yếu tố độc hại đã di chuyển thẳng xuống mạch nước ngầm theo phương thẳng đứng hoặc từ nước sông ngấm vào mạch nước ngầm theo phương nằm ngang dưới tác động của thủy triều mà không qua quá trình gạn dọc, làm sạch tự nhiên của môi trường đất Như vậy các nguồn nước sông, nước kênh bị ô nhiễm

sẽ gây ô nhiễm trực tiếp đến nguồn nước ngầm tầng nông

Như vậy, cùng với sự phát triển nghề nuôi tôm một lượng lớn các chất thải dinh dưỡng dư thừa đã và đang được xả thải ra môi trường ở dạng nước thải (qua thay nước,

xả nước khi thu hoạch) hoặc dạng bùn thải (nạo vét bùn ao sau khi thu hoạch) cần được

xử lý, kiểm soát tránh gây ô nhiễm môi trường vùng nuôi

 Xả thải thuốc, hóa chất và các bao bì, thùng đựng thuốc và hóa chất

Hầu hết các cơ sở nuôi, sản xuất giống tôm nước lợ và cá tra hiện nay đều sử dụng thuốc, hóa chất cho các mục đích khác nhau như: quản lý chất lượng nước và bùn đáy, làm tăng sinh khối thức ăn tự nhiên, quản lý dịch bệnh và sức khỏe động vật thủy sản, sản xuất thức ăn, quản lý và nâng cao hiệu quả sản xuất giống, thúc đẩy quá trình tăng trưởng Theo kết quả điều tra của Mai Văn Tài tại 4 khu vực (Bắc Bộ, Bắc Trung Bộ, Nam Trung Bộ và Nam Bộ) thì có ít nhất 373 loại hóa chất và CPSH dùng trong NTTS, trong đó có 186 loại (32 kháng sinh) dùng trong nuôi tôm; 98 loại (39 kháng sinh) dùng trong sản xuất tôm giống

Việc sử dụng thuốc, hóa chất trong NTTS nói chung, nuôi tôm nói riêng có thể gây

ra những rủi ro như:

- Một số thuốc, hóa chất có thể tồn tại một thời gian khá dài trong môi trường, nhiễm vào các sinh vật tự nhiên và có thể gây độc hại, gây chết cho các sinh vật tự nhiên

- Tạo nên những dòng vi sinh vật kháng thuốc, gây hậu quả cho việc chữa trị bệnh của động vật nuôi cũng như làm ảnh hưởng tới nguồn lợi tự nhiên

- Ảnh hưởng tới quá trình chuyển đổi vật chất trong nền đáy (quá trình địa hóa), các vitamin dư thừa có thể làm tăng chất dinh dưỡng của thủy vực tự nhiên

- Ảnh hưởng tới sức khỏe của công nhân làm việc trực tiếp cũng như sức khỏe của cộng đồng xung quanh vùng nuôi

- Dư lượng thuốc hóa chất trong sản phẩm thủy sản gây ảnh hưởng tới sức khỏe người

tiêu dùng

Như vậy, có thể thấy việc sử dụng nhiều các loại thuốc, hóa chất, đặc biệt là các loại thuốc kháng sinh trong nuôi tôm có thể dẫn đến những tác động tiêu cực không nhỏ cho môi trường vùng nuôi

 Xả thải mầm bệnh ra ngoài môi trường

Việc xả nước thải, bùn thải chưa qua xử lý hoặc chưa được xử lý triệt để ra ngoài môi trường là vấn đề cần được quan tâm ở nước ta khi nhiều vùng nuôi dùng chung 1 kênh để cấp và thoát nước Như vậy, mầm bệnh từ nước thải của ao nuôi bị bệnh dễ dàng phát tán sang những ao nuôi khác và có thể bùng phát dịch bệnh trong toàn vùng nuôi Theo báo cáo Hội nghị công tác phòng chống dịch bệnh thủy sản năm 2013 và xây dựng kế hoạch năm 2014 tại Cần Thơ, trong 10 tháng đầu năm 2013, dịch bệnh hoại tử gan tụy cấp (AHPNS) trên tôm đã xuất hiện tại 192 xã của 57 huyện thuộc 18 tỉnh, thành phố trong phạm vi cả nước Tổng diện tích nuôi tôm có bệnh AHPNS là 5.705 ha, bao gồm 2.424 ha nuôi tôm thẻ và 3.282 ha nuôi tôm sú Dịch bệnh đốm trắng trên tôm đã xuất hiện tại 278 xã của 93 huyện thuộc 28 tỉnh, thành phố trong phạm vi cả nước So với năm 2012, dịch bệnh đốm trắng trên tôm nuôi tăng 4.085 ha Số lượng xã, huyện, tỉnh có dịch cũng tăng so với cùng kỳ năm 2012

Như vậy, việc xả thải nước thải từ các cơ sở nuôi có chứa mầm bệnh ra môi trường

có thể dẫn đến sự bùng phát dịch bệnh cho toàn vùng nuôi, làm chết cá, tôm nuôi và nếu không được xử lý triệt để sẽ gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến sức khỏe con

người: Tiếp xúc lâu dài với nước sẽ bị da khô, ăn da, nứt nẻ, chai cứng và nhiễm các bệnh do tiếp xúc nhiều với hóa chất Tỉ lệ người mắc các bệnh cấp tính và mãn tính liên quan đến ô nhiễm nước như viêm màng kết, tiêu chảy, ung thư… ngày càng tăng Người dân sinh sống quanh khu vực ô nhiễm ngày càng mắc nhiều loại bệnh tình nghi là do dùng nước bẩn trong sinh hoạt

1.2 Các thông số đánh giá chất lượng nước thải thủy sản [2]

1.2.1 Chất rắn

Chất rắn là những thành phần không hòa tan trong nước Về bản chất, chúng có thể là những hạt chất hữu cơ, vô cơ, hoặc là những xác của VSV nguyên sinh động vật hay phiêu sinh vật Các chất rắn có trong nước được đánh giá qua những thông số cơ bản sau:

 Tổng số chất rắn (TS): Tổng số chất rắn được xác định bằng phương pháp đo trọng lượng khô còn lại sau khi đem sấy khô 1 lít ở nhiệt độ 1030C đến trọng lượng không đổi Tổng số chất rắn được biểu thị bằng mg/l hay g/l

 Chất rắn lơ lửng (SS): Trong nước thải gồm các chất không tan hoặc lơ lửng và các hợp chất đã được hòa tan vào trong nước Hàm lượng chất rắn lơ lửng được xác định bằng cách lọc một thể tích xác định mẫu nước thải qua giấy lọc và sấy khô ở 105ºC đến trọng lượng không đổi Độ chênh lệch khối lượng giữa trước khi lọc mẫu và sau khi lọc mẫu trong cùng một điều kiện cân chính là lượng chất rắn lơ lửng có trong một thể tích mẫu đã được xác định Một số chất rắn lơ lửng có khả năng lắng rất nhanh, tuy nhiên các chất rắn lơ lửng ở kích thước hạt keo thì lắng rất chậm chạp hoặc hoàn toàn không thể lắng được

 Chất rắn hòa tan (DS): Các chất hoà tan là những chất tan được trong nước, bao gồm cả chất vô cơ lẫn hữu cơ Hàm lượng các chất hòa tan DS là lượng khô của phần dung dịch qua lọc khi lọc 1 lít nước mẫu qua phễu lọc có giấy lọc sợi thủy tinh rồi sấy khô ở 1050C cho tới khi khối lượng không đổi.Công thức DS = TS – SS, đơn vị mg/l

1.2.2 Mùi

Việc xác định mùi của nước thải ngày càng trở nên quan trọng, đặc biệt là trước các phản ứng gay gắt của dân chúng đối với các công trình xử lý nước thải không được vận

hành tốt Mùi của nước thải còn mới thường không gây ra các cảm giác khó chịu, nhưng một loạt các hợp chất gây mùi khó chịu sẽ được tỏa ra khi nước thải bị phân hủy sinh học dưới các điều kiện yếm khí

Một số hợp chất gây mùi cho nước thải: H2S có mùi trứng thối, sắt và mangan có mùi tanh, mùi hóa chất khử trùng clo, NH3 có mùi khai

1.2.3 pH

Trị số pH cho biết nước thải có tính trung tính hay axit hoặc tính kiềm, được tính bằng nồng độ của ion hydro(pH = - lg[H+]) Đây là chỉ tiêu quan trọng nhất trong quá trình sinh hóa bởi tốc độ của quá trình này phụ thuộc đáng kể vào sự thay đổi pH Quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học rất nhạy cảm với sự dao động của trị

số pH

1.2.4 Nhu cầu oxy sinh hóa BOD

Nhu cầu oxy sinh hóa BOD là lượng oxy cần thiết cho vi khuẩn sống và hoạt động

để oxy hóa các chất hữu cơ dễ phân hủy có trong nước thải

BOD là một trong những thông số cơ bản đặc trưng, là chỉ tiêu rất quan trọng và tiện dùng để chỉ mức độ nhiễm bẩn của nước thải bởi các chất hữu cơ có thể bị oxy hóa sinh hóa (các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học)

1.2.5 Nhu cầu oxy hóa học COD

Nhu cầu oxy hóa học COD là lượng oxy cần thiết để oxy hóa toàn bộ các chất hữu

cơ, một phần nhỏ các chất vô cơ dễ bị oxy hóa có trong nước thải, kể cả các chất hữu cơ không bị phân hủy sinh học

Trị số COD luôn luôn lớn hơn trị số BOD5 và tỷ số COD/BOD càng nhỏ thì xử lý sinh học càng dễ

1.2.6 Oxy hòa tan DO

Nồng độ oxy hòa tan DO trong nước thải trước và sau khi xử lý là chỉ tiêu rất quan trọng đặc biệt là trong quá trình xửlý sinh học hiếu khí Trong các công trình xử lý sinh học hiếu khí thì lượng oxy hòa tan cần thiết từ 1,5 – 2 mg/l Oxy là chất rất cần thiết đối

với sinh vật thủy sinh hô hấp và các vi sinh vật để oxy hóa các chất hữu cơ dễ bị phân hủy nên hàm lượng DO thấp chứng tỏ nước bị ô nhiễm

1.2.7 Nitơ

Nước thải luôn có một số hợp chất chứa nitơ Nitơ có trong nước thải ở dạng hữu

cơ và vô cơ Các nitơ hữu cơ là protein, axit amin, ure

Dạng hợp chất vô cơ chứa nitơ có trong nước thải là nitrit và nitrat, NH4+, NH3 Bởi

vì amoni tiêu thụ oxy trong quá trình nitrat hóa và các VSV nước, rong tảo dùng nitrat làm thức ăn để phát triển, cho nên nếu hàm lượng nitơ có trong nước thải xả ra sông, hồ, quá mức cho phép sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng kích thích sự phát triển nhanh của rong, rêu, tảo làm bẩn nguồn nước

1.2.8 Photpho

Phốt pho cũng giống như nitơ, là chất dinh dưỡng cho vi khuẩn sống và phát triển trong các công trình xử lý nước thải Phốt pho là chất dinh dưỡng đầu tiên cần thiết cho

sự phát triển của thực vật nước, nếu nồng độ phốt pho trong nước thải xả ra sông, suối

hồ quá mức cho phép sẽ gây ra hiện tượng phú dưỡng Phốt pho có thể ở dạng photphao

vô cơ hay photpho hữu cơ và bắt nguồn từ chất thải là phân, nước tiểu, u rê và từ các chất tẩy rửa

1.3 Tổng quan mô hình đất ngập nước ngầm nhân tạo [4]

1.3.1 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”

1.3.2 Giới thiệu về mô hình

Đất ngập nước trồng cây gần đây được biết đến trên thế giới như một giải pháp công nghệ mới, xử lý nước thải với hiệu suất cao, chi phí thấp và ổn định, ngày càng được áp dụng rộng rãi Ở Việt Nam, công nghệ trên thực chất còn là mới

Đất ngập nước trồng cây dùng để xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên và được

sử dụng rộng rãi trong xử lý nhiều loại nước thải như công nghiệp, nông nghiệp, sinh hoạt, khai thác mỏ, thủy sản… Đồng thời có một số lợi ích như tạo nơi ở mới cho sinh vật hoang dã, hay tạo cảnh quan giải trí

Quá trình sinh trưởng của hệ thực vật, vi sinh vật và các quá trình vật lý như: lắng, lọc, bốc hơi… mà các chất ô nhiễm trong nước thải được xử lý hiệu quả cao Hệ thống này còn có khả năng lưu giữ tốt một số kim loại nặng trong giới hạn không gây độc cho

hệ thực vật, vi sinh vật Đất ngập nước trồng cây có khả năng khử vi trùng thông qua các quá trình tiêu hủy tự nhiên, bức xạ tử ngoại, thức ăn của các loại vi sinh vật trong hệ thống… Các virus, mầm bệnh được khử trong công trình bằng các quá trình lắng, lọc và tiêu hủy tự nhiên trong môi trường không thuận lợi

1.3.3 Phân loại đất ngập nước ngầm nhân tạo

Tùy thuộc vào dòng chảy mà đất ngập nước ngầm trồng cây được chia làm 2 loại chính là: dòng chảy đứng và dong chảy ngang Việc lựa chọn kiểu hình tùy thuộc vào địa hình và năng lượng máy bơm, đôi khi phối hợp cả hai

a Đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm theo chiều ngang

Trong đất ngập nước ngầm dòng chảy ngang, nước thải chảy ngầm trong các lớp vật liệu

và đi qua bộ rễ của thực vật dùng để xử lý theo chiều ngang từ đầu tới cuối mô hình Nước thải sẽ được làm sạch bởi các quá trình hóa học, lý học và sinh học Đất ngập nước ngầm trồng cây có thể loại bỏ hiệu quả các chất ô nhiễm hữu cơ (TSS, BOD, COD),

NO3, chất rắn lơ lững, PO43-…

Hình 1.1 Sơ dồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm theo chiều ngang

b Đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm theo chiều đứng

Trong đất ngập nước ngầm dòng chảy đứng, nước thải chảy từ trên xuống qua các lớp vật liệu ( cát, sỏi, đá…) theo chiều thẳng đứng xuống hệ thống thu gom nước dưới đáy Các rảnh nước chảy cho phép khuếch tán oxy vào lớp nền một cách dễ dàng và ổn định Sự khuếch tán không khí xảy ra liên tục trên bề mặt đất, vì vậy các quá trình chuyển hóa hiệu quả hơn, tăng khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm

Hình 1.2 Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm theo chiều đứng

Lý do của việc quan tâm phát triển trong việc sử dụng các hệ thống dòng chảy đứng là:

- Có khả năng chuyển oxy lớn

- Đất ngập nước dòng chảy đứng nhỏ hơn khá nhiều so với hệ thống dòng chảy ngang

- Có khả năng loại bỏ BOD5, COD và các tác nhân gây bệnh cao

1.3.4 Cơ chế xử lý nước thải của đất ngập nước ngầm [4][7][9]

Bãi lọc đất ngập nước ngầm trồng cây là một tổ hợp phức tạp của chất nền, nước thải, thảm thực vật và một phần các vi sinh vật chủ yếu là vi khuẩn Thảm thực vật đóng một vai trò rất quan trọng trong hệ thống khi chúng cung cấp các bề mặt và một môi trường thích hợp cho sự phát triển của vi sinh vật và lọc Các chất ô nhiễm được loại bỏ trong các bãi lọc đất ngập nước ngầm trồng cây nhờ một số quá trình vật lý, hóa học và quá trình sinh học

Bảng 1.1 Cơ chế loại bỏ chất ô nhiễm

 Quá trình lọc Chất hữu cơ hòa tan  Phân giải của vi sinh vật kỵ

 Quá trình khử nitơ

 Sự hấp thụ của thực vật

 Sự hấp thụ trong trầm tích dưới dạng muối vô cơ

 Sự bay hơi amoniac

Kim loại

 Quá trình hấp phụ và trao đổi ion

 Bài tiết chất kháng sinh từ rể của thực vật

 Sự quang phân, ôxi hóa: phân hủy, ôxi hóa các hợp chất dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời

 Sự bay hơi: xảy ra khi có áp suất đủ lớn, hợp chất sẽ chuyển sang thể khí

b Quá trình 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 và có sự phân hủy tự nhiên của các chất hữu cơ trong môi trường Thực vật thủy sinh

là một thành phần không thể thiếu được trong hệ thống đất ngập nước này, tùy thuộc vào từng bộ phận và phần tiếp xúc của thực vật với môi trường đất ngập nước mà nó sẽ có chức năng khác nhau như :

 Phần thực vật tiếp xúc với không khí:

+ Bóng cây làm suy giảm ánh sáng dẫn đến giảm sự sinh trưởng của thực vật phù du; tạo vi khí hậu, cách nhiệt trong mùa đông; giảm tốc độ gió; tạo chất dinh dưỡng thông qua quá trình quang hợp

+ Thực vật có thể loại bỏ chất độc trong đất thông qua cơ chế thoát hơi nước.Đối với quá trình này, chất ô nhiễm hòa tan được hấp thụ cùng với nước vào rễ, chuyển hóa lên lá và bay hơi vào không khí thông qua khí khổng Ví dụ điển hình nhất là quá tình bay hơi thủy ngân (Hg) bằng cách chuyển dạng cơ bản trong cây Arabidopsis chuyển gen và cây dương vàng chứa enzyme merA, Selen (Se) cũng là dạng kim loại đặc biệt được thực vật hấp thụ và bay hơi

 Phần thực vật tiếp xúc với nước: Có các hiệu quả lọc (lọc qua các mô xốp); giảm tốc độ dòng chảy, tăng tỷ lệ trầm tích; cung cấp diện tích bề mặt cho vi sinh vật bám dính; tạo O2 bởi quang hợp, tăng sự phân hủy hiếu khí; hấp thụ chất hữu cơ làm nguồn dinh dưỡng

 Rễ và đới rễ trong lớp trầm tích: Giúp ổn định bề mặt lắng đọng, giảm xói mòn; ngăn chặn sự tắc nghẽn lớp lọc trong hệ thống dòng thẳng đứng; sinh O2 làm tăng sự

phân hủy hiếu khí và sự nitrat hóa; rễ cây hấp thụ các chất hữu cơ làm chất dinh dưỡng

để sinh trưởng

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

Trong các bãi lọc đất ngập nước, phân hủy sinh học đóng vai trò lớn nhất trong việc loại bỏ các chất hữu cơ dạng hòa tan hay dạng keo có khả năng phân hủy sinh học (BOD)

có trong nước thải, BOD còn lại cùng các chất rắn lắng được sẽ bị loại bỏ nhờ quá trình lắng Bãi lọc đất ngập nước về cơ bản hoạt động như bể lọc sinh học Tuy nhiên, đối với bãi lọc đất ngập nước, vai trò của vi sinh vật lơ lửng dọc theo chiều sâu cột nước của bãi lọc đối với việc loại bỏ BOD cũng rất quan trọng Cơ chế loại bỏ BOD trong các màng

vi sinh vật bao bọc xung quanh lớp vật liệu lọc tương tự như trong bể lọc sinh học nhỏ giọt Phân hủy sinh học xảy ra khi các chất hữu cơ hòa tan được mang vào lớp màng vi sinh bám trên phần thân ngập nước của thực vật, hệ thống rễ và những vùng vật liệu lọc xung quanh, nhờ quá trình khuếch tán Vai trò của thực vật trong đất ngập nước là:

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

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

d Quá trình loại bỏ các chất rắn

Các chất rắn lắng được loại bỏ dễ dàng nhờ cơ chế lắng trọng lực vì hệ thống bãi lọc trồng cây có thời gian lưu nước dài Chất rắn không lắng được, chất keo có thể được loại bỏ thông qua cơ chế lọc (nếu có sử dụng cát lọc), lắng và phân hủy sinh học (do sự phát triển của vi sinh vật), hút bám, hấp phụ lên các chất rắn khác (thực vật, đất, cát, sỏi…) nhờ lực hấp dẫn Van De Waals và chuyển động Brown Đối với sự hút bám trên lớp nền, một thành phần quan trọng của bãi lọc ngầm, chất rắn lơ lửng được loại bỏ trước tiên nhờ quá trình lắng và phân hủy sinh học, tương tự như các quá trình xảy ra trong bể sinh học nhỏ giọt

Các cơ chế xử lý trong hệ thống này phụ thuộc rất nhiều vào kích thước và tính chất của các chất rắn có trong nước thải và các dạng vật liệu lọc được sử dụng Trong nhiều trường hợp, thực vật trong bãi lọc không đóng vai trò đáng kể trong việc loại bỏ các chất rắn

e Quá trình loại bỏ Nitơ

Nitơ (N) có thể tồn tại dưới nhiều dạng, cụ thể là dạng Amoni (NH3 và NH4+), Nitơ hữu cơ và các oxit Nitơ (NO2- và NO3-) Việc loại bỏ Nitơ được loại bỏ trong các bãi lọc chủ yếu nhờ 3 cơ chế chính sau:

 Nitrat hóa hay phản nitrat hóa

 Sự bay hơi của Ammoniac (NH3) lưu trữ trong vật vụn và cặn

 Sựu hấp thụ và lưu trữ trong sinh khối của thực vật

Trong các bãi lọc, sự chuyển hóa của Nitơ xảy ra trong các tầng oxy hóa và khử của bề mặt tiếp xúc giữa rễ và đất Phần ngập nước của thực vật có thân nhô lên khỏi mặt nước Nitơ hữu cơ bị oxy hóa thành NH4+ trong cả hai lớp đất oxy hóa và khử Lớp oxy hóa và phần ngập nước của thực vật là nơi chủ yếu xảy ra quá trình nitrat hóa, tại đây NH4+ chuyển hóa thành NO2- bởi vi khuẩn nitrosomonat và cuối cùng thành NO3-

bởi vi khuẩn nitrobacter Ở môi trường nhiệt độ cao hơn, một số NH4+ chuyển sang dạng

NH3 và bay hơi vào không khí Nitrat trong tầng khử sẽ bị hụt đi nhờ quá trình khử nitrat, lọc hay do thực vật hấp thụ Tuy nhiên, nitrat được cấp vào từ vùng oxy hóa nhờ hiện tượng khuếch tán

Hình 1.3 Sơ đồ chuyển hóa nitơ trong đất

f Quá trình loại bỏ photpho

Cơ chế loại bỏ photpho trong bãi lọc đất ngập nước gồm có sự hấp thụ của thực vật, các quá trình đồng hóa của vi khuẩn, sự hấp phụ lên đất, vật liệu lọc (chủ yếu là lên đất sét) và các chất hữu cơ, kết tủa và lắng các ion Ca2+, Mg2+, Fe3+ và Mn2+ Khi thời gian lưu nước dài và đất sử dụng có cấu trúc mịn thì các quá trình loại bỏ photpho chủ yếu là sự hấp phụ và kết tủa, do điều kiện này tạo cơ hội cho quá trình hấp phụ photpho

và các phản ứng trong đất xảy ra

Đây là cơ chế duy nhất đưa hẳn photpho ra khỏi hệ thống bãi lọc Các quá trình hấp phụ, kết tủa và lắng chỉ đưa được photpho vào đất hay vật liệu lọc Khi lượng photpho trong lớp vật liệu vượt quá khả năng chứa thì vật liệu lọc hay lớp trầm tích đó phải được nạo vét và xả bỏ

g Quá trình loại bỏ kim loại nặng

 Các kim loại nặng như kẽm (Zn), đồng (Cu) ở dạng hòa tan hay các dạng rắn trong nước thải chảy vào hệ thống đất ngập nước được xử lý bởi các cơ chế:

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

 Hấp phụ lên các kết tủa oxyhydroxit sắt, mangan trong vùng hiếu khí

 Hấp thụ vào rễ, than và lá của thực vật trong hệ thống đất ngập nước

Các loại thực vật khác nhau có khả năng hấp thụ kim loại nặng rất khác nhau, nhưng nhìn chung có thể nói rằng lượng kim loại được thực vật hấp thụ chỉ chiếm một phần nhất định Bên cạnh đó, thực vật đầm lầy cũng ảnh hưởng gián tiếp đến sự loại bỏ và tích trữ kim loại nặng khi chúng ảnh hưởng tới chế độ thủy lực, cơ chế hóa học lớp trầm tích

và hoạt động của vi sinh vật Vật liệu lọc là nơi tích tụ chủ yếu kim loại nặng Khi khả năng chứa các kim loại nặng của chúng đạt tới giới hạn thì cần nạo vét và xả bỏ để loại kim loại nặng ra khỏi hệ thống

h Quá trình loại bỏ các hợp chất hữu cơ

Các hợp chất hữu cơ được loại bỏ trong hệ thống đất ngập nước chủ yếu nhờ cơ chế hấp phụ, phân hủy bởi các VSV và hấp thụ của thực vật

Quá trình phân hủy các chất hữu cơ chính nhờ các vi khuẩn hiếu khí và kị khí, nhưng quá trình hấp phụ các chất bẩn lên màng vi sinh vật buộc phải xảy ra trước quá trình thích nghi và phân hủy sinh học

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

i Quá trình loại bỏ các tác nhân gây bệnh

Cơ chế loại bỏ vi khuẩn, virut trong các hệ thống đất ngập nước về bản chất cũng giống như quá trình loại bỏ các vi sinh vật này trong hồ sinh học Vi khuẩn và virut có trong nước thải được loại bỏ nhờ :

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

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