Nghiên cứu mô hình kết hợp giữa bãi lọc trồng cây và hồ sinh học để xử lý nước thải khu dân cư ven đô lưu vực sông cầu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG VI THỊ MAI HƢƠNG NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH KẾT HỢP GIỮA BÃI LỌC TRỒNG CÂY VÀ HỒ SINH HỌC ĐỂ XỬ LÝ NƢỚC THẢI KHU DÂN CƢ VEN ĐÔ LƢU VỰC SÔNG CẦU Chuyên ngành: Công nghệ môi trƣờng nƣớc và nƣớc thải Mã số: 9520320-2 LUẬN ÁN TIẾN SỸ Hà Nội - Năm 2019 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG VI THỊ MAI HƢƠNG NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH KẾT HỢP GIỮA BÃI LỌC TRỒNG CÂY VÀ HỒ SINH HỌC ĐỂ XỬ LÝ NƢỚC THẢI KHU DÂN CƢ VEN ĐÔ LƢU VỰC SÔNG CẦU Chuyên ngành: Công nghệ môi trƣờng nƣớc và nƣớc thải Mã số: 9520320-2 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1 PGS.TS Trần Đức Hạ 2 TS Nguyễn Đức Toàn Hà Nội, Năm 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi Các số liệu về kết quả nghiên cứu nêu trong luận án này là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác, ngoài những phần tham khảo đã được ghi rõ trong luận án Tác giả Vi Thị Mai Hƣơng ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC BẢNG viii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ x MỞ ĐẦU 1 1 Lý do lựa chọn đề tài .1 2 Mục đích nghiên cứu của luận án 3 3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận án .3 4 Cơ sở khoa học của luận án 3 5 Nội dung nghiên cứu của luận án 4 6 Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án 4 7 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 5 8 Những đóng góp mới của luận án 5 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NƢỚC THẢI SINH HOẠT VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HỒ SINH HỌC, BÃI LỌC TRỒNG CÂY TRONG XỬ LÝ NƢỚC THẢI SINH HOẠT 6 1.1 Tổng quan về nƣớc thải sinh hoạt 6 1.1.1 Đặc điểm thành phần, tính chất và lưu lượng nước thải sinh hoạt 6 1.1.2 Thu gom và xử lý nước thải sinh hoạt .8 1.1.3 Hiện trạng thu gom và xử lý nước thải sinh hoạt các khu dân cư ven đô lưu vực sông Cầu 10 1.1.3.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội lưu vực sông Cầu 10 1.1.3.2 Hệ thống thoát nước các đô thị lưu vực sông Cầu 12 1.1.3.3 Hiện trạng thu gom và xử lý nước thải sinh hoạt các khu dân cư ven đô lưu vực sông Cầu .12 1.2 Tổng quan những nghiên cứu ứng dụng hồ sinh học xử lý nƣớc thải sinh hoạt trên thế giới và Việt Nam 14 1.3 Tổng quan những nghiên cứu ứng dụng bãi lọc trồng cây xử lý nƣớc thải sinh hoạt trên thế giới và Việt Nam 18 iii 1.4 Tổng quan những nghiên cứu ứng dụng công nghệ kết hợp bãi lọc trồng cây và hồ sinh học để xử lý nƣớc thải sinh hoạt trên thế giới và Việt Nam 24 1.5 Nhận xét chung chƣơng 1 29 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÔNG NGHỆ HỒ SINH HỌC VÀ BÃI LỌC TRỒNG CÂY TRONG XỬ LÝ NƢỚC THẢI SINH HOẠT 31 2.1 Cơ sở lý thuyết xử lý nƣớc thải sinh hoạt bằng hồ sinh học 31 2.1.1 Khái niệm và phân loại hồ sinh học 31 2.1.2 Chu trình các chất ô nhiễm đặc trưng của nước thải sinh hoạt trong hồ sinh học 31 2.1.3 Cơ chế xử lý các chất ô nhiễm đặc trưng của nước thải sinh hoạt bằng hồ sinh học 36 2.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình xử lý nước thải bằng hồ sinh học 39 2.1.5 Mô hình động học quá trình phân hủy chất hữu cơ bằng hồ sinh học 41 2.2 Cơ sở lý thuyết xử lý nƣớc thải sinh hoạt bằng bãi lọc trồng cây 43 2.2.1 Khái niệm và phân loại bãi lọc trồng cây 43 2.2.2 Chu trình các chất ô nhiễm đặc trưng của nước thải sinh hoạt trong bãi lọc trồng cây 46 2.2.3 Cơ chế xử lý các chất ô nhiễm đặc trưng của nước thải sinh hoạt bằng bãi lọc trồng cây 51 2.2.4 Mô hình động học quá trình phân hủy các chất ô nhiễm bằng bãi lọc trồng cây 54 2.2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý của bãi lọc trồng cây 57 2.3 Nhận xét chung chƣơng 2 59 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 61 3.1 Lựa chọn địa điểm nghiên cứu 61 3.2 Mô hình nghiên cứu thử nghiệm 65 3.2.1 Thiết kế mô hình nghiên cứu thử nghiệm 65 3.2.1.1 Nguyên tắc xử lý kết hợp hồ sinh học và bãi lọc trồng cây trong một hệ thống xử lý nước thải 65 3.2.1.2 Mục đích nghiên cứu thử nghiệm 65 iv 3.2.1.3 Lựa chọn mô hình nghiên cứu thử nghiệm 65 3.2.1.4 Tính toán thiết kế mô hình thí nghiệm .67 3.2.2 Bố trí mặt bằng và xác định cao trình của mô hình thí nghiệm 70 3.3 Vật liệu và phƣơng pháp nghiên cứu 71 3.3.1 Lựa chọn vật liệu nghiên cứu 71 3.3.2 Quy trình vận hành mô hình thí nghiệm 73 3.3.3 Phương pháp nghiên cứu 79 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 82 4.1 Hiệu suất xử lý nƣớc thải sinh hoạt phƣờng Bách Quang của mô hình kết hợp hồ tùy tiện và bãi lọc FWS (mô hình 1) 82 4.1.1 Đặc trưng nước thải sinh hoạt vào mô hình 1 82 4.1.2 Hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt của hồ tùy tiện 83 4.1.3 Hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt của bãi lọc FWS 88 4.1.4 Hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt của mô hình 1 .92 4.2 Hiệu suất xử lý nƣớc thải sinh hoạt phƣờng Bách Quang của mô hình kết hợp bãi lọc HF và hồ hiếu khí (mô hình 2) 94 4.2.1 Hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt của các bãi lọc trồng cây trong mô hình 2 94 4.2.2 Hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt của hồ hiếu khí 102 4.2.3 Hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt của mô hình 2 .106 4.3 So sánh, đánh giá hiệu quả xử lý nƣớc thải sinh hoạt của hai mô hình nghiên cứu 108 4.3.1 So sánh hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt của hai mô hình nghiên cứu …………………………………………………………………… …………108 4.3.2 Đánh giá khả năng áp dụng trong xử lý nước thải sinh hoạt của hai mô hình nghiên cứu 111 4.4 Kết quả theo dõi sự phát triển của cây trồng trên các bãi lọc trồng cây 115 4.5 Xác định hệ số phân hủy các chất ô nhiễm đặc trƣng của các hồ sinh học và các bãi lọc trồng cây trong mô hình thí nghiệm với điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu 119 v 4.5.1 Xác định hệ số phân hủy chất hữu cơ của các hồ sinh học trong hai mô hình thí nghiệm 120 4.5.2 Xác định hệ số phân hủy các chất ô nhiễm đặc trưng trong nước thải sinh hoạt của các bãi lọc trồng cây trong hai mô hình thí nghiệm 122 4.5.2.1 Hệ số phân hủy chất hữu cơ (kBOD5)ở các bãi lọc trồng cây 122 + - 4.5.2.2 Hệ số phân hủy NH4 -N, NO3 -N (kNH4+-N , kNO3 N ) ở các bãi lọc trồng cây…………………………………………………………… …………………………… 123 3- 4.5.2.3 Hệ số chuyển hóa PO4 -P (k PO43—P) ở các BLTC: 126 4.6 Đề xuất các sơ đồ công nghệ kết hợp bãi lọc trồng cây và hồ sinh học để xử lý nƣớc thải sinh hoạt khu dân cƣ ven đô lƣu vực sông Cầu 128 4.6.1 Sơ đồ công nghệ kết hợp bãi lọc trồng cây và hồ sinh học để xử lý nước thải sinh hoạt khu dân cư ven đô lưu vực sông Cầu 128 4.6.2 Sơ đồ công nghệ kết hợp hồ sinh học và bãi lọc trồng cây để xử lý nước thải sinh hoạt khu dân cư ven đô lưu vực sông Cầu 130 4.6.3 Sơ đồ công nghệ tích hợp bãi lọc trồng cây và hồ sinh học để xử lý nước thải sinh hoạt khu dân cư ven đô lưu vực sông Cầu 132 KẾT LUẬN 135 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 137 TÀI LIỆU THAM KHẢO 138 PHỤ LỤC PL1 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ABR : Bể lọc kỵ khí có vách ngăn (Anaerobic Baffled Reactor) BLTC : Bãi lọc trồng cây BOD : Nhu cầu oxi sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand) BTNMT : Bộ Tài nguyên và Môi trường BXD : Bộ Xây dựng COD : Nhu cầu oxi hóa học (Chemical Oxygen Demand) DEWATS : Hệ thống xử lý nước thải phân tán (Decentralized Wasterwater Treament Systems) DO : Oxi hòa tan (Dissoved Oxygen) USEPA : Cục Bảo vệ Môi trường Mỹ (The United States Environmental Protection Agency) FWS : Dòng chảy bề mặt (Free Water Surface) HF : Dòng chảy ngang (Horizontal Flow) HRT : Thời gian lưu nước thủy lực (Hydraulic Retention Time) HLR : Tải trọng thủy lực (Hydraulic Loading Rate ) HSH : Hồ sinh học HTTN : Hệ thống thoát nước LVS : Lưu vực sông MGD : Mega Galong một ngày đêm MPN : Số lượng lớn nhất có thể (Most Probable Number) N : Nitơ NTSH : Nước thải sinh hoạt ODA : Viện trợ phát triển chính thức (Official Development Assistance) OLR : Tải lượng hữu cơ (Oganic loading rate) P : Phốt pho Q : Lưu lượng nước thải QCVN : Quy chuẩn Việt Nam SBR : Bể phản ứng theo mẻ (Sequency Batch Reactor) SSF : Bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm (Submerged Surface Flow) vii TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam TN : Tổng Nitơ (Total Nitrogen) TP : Tổng Phốt pho (Total Phosphorus) Tp : Thành phố TSS : Tổng chất rắn lơ lửng (Total Suspended Solid) TT : Thông tư VF : Bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy thẳng đứng (Vertical Flow) VSV : Vi sinh vật XLNT : Xử lý nước thải viii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1:Thành phần đặc trưng của nước thải sinh hoạt 6 Bảng 1.2:Thành phần tính chất nước xám và nước đen 7 Bảng 1.3:Tổng hợp các nhà máy xử lý nước thải đô thị ứng dụng công 15 nghệ hồ sinh học tại Việt Nam Bảng 3.1:Đặc trưng nước thải sinh hoạt của khu dân cư phường Bách 63 Quang, Sông Công, Thái Nguyên Bảng 3.2:Tổng hợp kết quả tính toán thiết kế mô hình 1 68 Bảng 3.3:Tổng hợp kết quả tính toán thiết kế mô hình 2 69 Bảng 3.4:Thông số vận hành của hai mô hình thí nghiệm ở giai đoạn 1 73 Bảng 3.5:Thông số vận hành của hai mô hình thí nghiệm ở giai đoạn 2 74 Bảng 3.6:Kế hoạch lấy mẫu phân tích trong các đợt thí nghiệm 78 Bảng 4.1:Kết quả phân tích nồng độ trung bình của các thông số đặc trưng 82 nước thải sinh hoạt vào mô hình 1 qua các đợt thí nghiệm Bảng 4.2:Tải lượng trung bình các chất ô nhiễm vào hồ tùy tiện trong các 84 đợt thí nghiệm (kg/ha/ngày) Bảng 4.3:Nồng độ trung bình của các thông số đặc trưng nước thải sau xử 84 lý của hồ tùy tiện trong các đợt thí nghiệm Bảng 4.4:Tải lượng trung bình các chất ô nhiễm trong nước thải vào bãi lọc 89 FWS của các đợt thí nghiệm (kg/ha/ngày) Bảng 4.5:Nồng độ trung bình của các thông số đặc trưng nước thải sau xử 89 lý của bãi lọc FWS trong các đợt thí nghiệm Bảng 4.6:Tải lượng trung bình các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt 95 vào các bãi lọc HF của mô hình 2 trong các đợt thí nghiệm Bảng 4.7:Nồng độ trung bình của các thông số ô nhiễm trong nước thải sau 96 xử lý của các bãi lọc HF của mô hình 2 qua các đợt thí nghiệm Bảng 4.8:Tải lượng trung bình các chất ô nhiễm trong nước thải vào hồ 102 hiếu khí qua các đợt thí nghiệm (kg/ha/ngày) Bảng 4.9:Nồng độ trung bình của các thông số đặc trưng nước thải sau xử lý của hồ hiếu khí trong các đợt thí nghiệm 102 ... nghệ kết hợp hồ sinh học bãi lọc trồng để xử lý nước thải sinh hoạt khu dân cư ven đô lưu vực sông Cầu 130 4.6.3 Sơ đồ cơng nghệ tích hợp bãi lọc trồng hồ sinh học để xử lý nước thải sinh. .. hữu hồ sinh học Hình 4.17: Sơ đồ cơng nghệ kết hợp bãi lọc trồng hồ sinh học để 128 xử lý nước thải sinh hoạt khu dân cư ven Hình 4.18: Sơ đồ cơng nghệ kết hợp hồ sinh học bãi lọc trồng để 130 xử. .. xử lý nước thải sinh hoạt khu dân cư ven Hình 4.19: Sơ đồ tích hợp bãi lọc trồng hồ sinh học để xử lý nước 132 thải sinh hoạt khu dân cư ven đô trường hợp hồ sinh học dùng làm hồ cảnh quan sinh