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 tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG VI THỊ MAI HƢƠNG NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH KẾT HỢP GIỮA BÃI LỌC TRỒNG CÂY VÀ HỒ SINH HỌC ĐỂ XỬ LÝ NƢỚC THẢI KHU DÂN CƢ VEN ĐÔ LƢU VỰC SƠNG CẦU Chun ngành: Cơng nghệ mơi trƣờng nƣớc nƣớc thải Mã số: 9520320-2 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ Hà Nội - Năm 2019 Cơng trình hoàn thành Trường Đại học Xây dựng Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Trần Đức Hạ Người hướng dẫn khoa học 2: TS Nguyễn Đức Toàn Phản biện 1: ………………………………………………………………… ………………………………………………………………… Phản biện 2: ………………………………………………………………… ………………………………………………………………… Phản biện 3:………………………………………………………………… ………………………………………………………………… Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp trường họp trường Đại học Xây dựng Vào hồi ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án thư viện Quốc gia Thư viện trường Đại học Xây dựng MỞ ĐẦU Lý lựa chọn đề tài Vấn đề ô nhiễm nguồn nước lưu vực sông (LVS) nước thải, đặc biệt nước thải sinh hoạt (NTSH), chưa xử lý xử lý chưa đạt tiêu chuẩn trước xả thải, trở thành vấn đề thiết Việt Nam Mặc dù, Nhà nước phê duyệt triển khai thực Đề án bảo vệ môi trường LVS lớn LVS Cầu (2006), LVS Nhuệ- Đáy (2008) LVS Đồng Nai (2007), tình trạng nhiễm suy thoái chất lượng nước (đặc biệt đoạn sông chảy qua khu vực đô thị, khu công nghiệp, làng nghề…) diễn trầm trọng [9] LVS Cầu LVS lớn nước ta, có vai trò quan trọng q trình phát triển kinh tế xã hội tỉnh lưu vực Tổng diện tích tồn lưu vực 6.030 km2, gồm tỉnh Bắc Cạn, Thái Nguyên, Bắc Giang, Bắc Ninh, Hải Dương, Vĩnh Phúc huyện Tp.Hà Nội (Mê Linh, Đơng Anh Sóc Sơn) [7] Lưu vực có địa hình đa dạng gồm địa hình đồi núi cao, trung du đồng Trong năm gần đây, tỉnh lưu vực có tốc độ phát triển kinh tế đạt mức cao so với mức phát triển chung nước, đặc biệt tỉnh Bắc Ninh, Vĩnh Phúc, Hải Dương, Hà Nội Cơ cấu kinh tế phát triển theo hướng tăng tỷ trọng ngành công nghiệp, dịch vụ giảm tỷ trọng ngành nông nghiệp Cùng với tốc độ phát triển kinh tế nhanh q trình thị hóa tỉnh thuộc LVS Cầu diễn nhanh chóng Đến năm 2016, LVS Cầu có 1,8 triệu dân sống thị chiếm 22,22% dân số tồn lưu vực [28] Mặc dù sở vật chất hạ tầng ngày cải thiện, chưa đáp ứng nhu cầu, đặc biệt hệ thống thoát nước (HTTN) xử lý nước thải (XLNT) HTTN đô thị LVS Cầu phần lớn HTTN chung xây dựng cho trung tâm đô thị, thu gom xử lý từ 40-70% lượng NTSH phát sinh [7] Hiện nay, đô thị thuộc LVS Cầu triển khai dự án thoát nước vệ sinh môi trường nhằm nâng cấp HTTN xây dựng nhà máy XLNT tập trung cho đô thị, chưa đáp ứng nhu cầu Mặt khác, dự án chủ yếu tập trung khu vực trung tâm thị, khu vực ven đơ, vùng ngoại thành khó khăn thu gom nên việc XLNT chưa quan tâm mức Vì NTSH khu dân cư dẫn theo hệ thống cống, rãnh thoát nước người dân xây dựng cách tự phát, không theo quy hoạch thải trực tiếp nguồn nước lân cận sông, suối, ao, hồ, mương dẫn nước, khu đất trũng hay khu ruộng trũng gần nhà Do đó, nguồn NTSH trở thành nguồn gây nhiễm cho LVS Cầu, gây vệ sinh môi trường, thẩm mỹ, cảnh quan ảnh hưởng tiêu cực đến đời sống sức khỏe cộng đồng Chính vậy, việc tổ chức thu gom xử lý NTSH khu dân cư ven đô LVS cần thiết Theo nội dung “Quy hoạch HTTN XLNT khu vực dân cư, khu công nghiệp thuộc LVS Cầu đến năm 2030”, hình thức nước phi tập trung phù hợp với đô thị độc lập khu dân cư vùng ven Việt Nam nói chung LVS Cầu nói riêng Các công nghệ XLNT áp dụng cho hệ thống XLNT tập trung đô thị (như aeroten, mương oxi hóa, SBR…) với chi phí xây dựng vận hành lớn, quản lý, vận hành phức tạp không thích hợp áp dụng cho XLNT thị, khu dân cư vùng ven Vì vậy, cần nghiên cứu đề xuất cơng nghệ XLNT thích hợp cho khu vực Hồ sinh học (HSH) bãi lọc trồng (BLTC) cơng trình sinh thái để XLNT điều kiện tự nhiên, chi phí xây dựng vận hành thấp, vận hành đơn giản, phù hợp với điều kiện đất đai sẵn có vùng ven lựa chọn thích hợp Mặt khác, thị phát triển đến vùng ven cơng trình dễ dàng loại bỏ chuyển mục đích sử dụng mà khơng tốn nhiều chi phí đầu tư Các công nghệ ứng dụng rộng rãi xử lý NTSH, nước thải đô thị khắp giới nước Châu Âu (như Đức, Pháp, Anh, Ba Lan, Hà Lan, Australia)…, nước Châu Á (như Trung Quốc, Thái Lan, Ấn Độ, Indonesia…), Mỹ, Canada nước Châu Phi [120] Tại Việt Nam, năm gần HSH BLTC quan tâm nghiên cứu ứng dụng xử lý nhiều loại nước thải khác NTSH, nước thải đô thị, nước rỉ rác, nước thải chăn nuôi… HSH ứng dụng số nhà máy XLNT thị Đà Nẵng, Tp Hồ Chí Minh, Đà Lạt, Bn Ma Thuột, Thanh Hóa… BLTC ứng dụng xử lý NTSH số tỉnh Hòa Bình, Bắc Kạn, Cao Bằng, Tun Quang, Thái Bình, Hưng Yên, Hải Phòng, Thái Nguyên…[86] Tuy nhiên sử dụng riêng rẽ, chúng có nhược điểm định làm hạn chế khả ứng dụng Do thành phần sinh vật hệ sinh thái HSH BLTC tương đối đồng nên việc nghiên cứu kết hợp hai loại cơng trình để XLNT nhằm khắc phục nhược điểm cơng trình, nâng cao hiệu xử lý tăng khả ứng dụng điều phù hợp Do tốn diện tích đất xây dựng nên công nghệ không phù hợp áp dụng XLNT cho khu vực thiếu đất xây dựng vùng trung tâm thị mà thích hợp XLNT với quy mô vừa nhỏ khu dân cư ven đối tượng nước phân tán khác Mặt khác, khu vực ven đô khu vực có nhiều vực nước mặt (ao, hồ) tận dụng để XLNT làm giảm diện tích đất xây dựng cần thiết Vì vậy, nghiên cứu khả ứng dụng kết hợp cơng nghệ XLNT chi phí thấp Việt Nam điều cần thiết, đặc biệt NTSH đối tượng nước phân tán khu thị độc lập khu dân cư vùng ven đô khu dân cư ven đô LVS Cầu 2 Mục đích nghiên cứu luận án - Đánh giá hiệu xử lý NTSH mơ hình công nghệ kết hợp BLTC với HSH HSH với BLTC - Xác định hệ số phân hủy số chất ô nhiễm đặc trưng NTSH BLTC HSH với điều kiện tự nhiên LVS Cầu - Đề xuất mơ hình cơng nghệ kết hợp BLTC HSH để xử lý NTSH khu dân cư ven đô LVS Cầu đạt tiêu chuẩn Cột A, QCVN 14:2008/BTNMT Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu luận án - Đối tượng nghiên cứu luận án mơ hình xử lý NTSH cơng nghệ kết hợp BLTC HSH - Phạm vi nghiên cứu luận án nước thải sinh hoạt khu dân cư ven đô LVS Cầu Cơ sở khoa học luận án HSH BLTC công trình sinh thái, XLNT điều kiện tự nhiên, thân thiện mơi trường, chi phí xây dựng vận hành thấp, vận hành đơn giản có hiệu xử lý cao với chất nhiễm có NTSH chất hữu cơ, chất lơ lửng, nitơ, phốt vi sinh vật gây bệnh Tuy nhiên sử dụng riêng rẽ công nghệ XLNT có nhược điểm định làm hạn chế khả ứng dụng Vì việc nghiên cứu ứng dụng kết hợp hai loại cơng trình hệ thống xử lý góp phần nâng cao hiệu công nghệ tăng khả ứng dụng thực tế XLNT Nội dung nghiên cứu luận án - Nghiên cứu đặc trưng NTSH khu dân cư ven LVS Cầu điển hình làm đối tượng nghiên cứu cho mơ hình thí nghiệm - Nghiên cứu hiệu xử lý chất ô nhiễm NTSH khu dân ven đô LVS Cầu mơ hình cơng nghệ kết hợp BLTC HSH - Đánh giá thích nghi lựa chọn lồi thực vật trồng loại BLTC phù hợp với điều kiện tự nhiên LVS Cầu - Xác định hệ số phân hủy chất hữu loại HSH sử dụng mơ hình thí nghiệm với điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu - Xác định hệ số phân hủy chất ô nhiễm đặc trưng NTSH loại BLTC sử dụng mơ hình thí nghiệm với điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu - Nghiên cứu đề xuất mơ hình kết hợp BLTC HSH ứng dụng xử lý NTSH phù hợp với điều kiện tự nhiên kinh tế xã hội vùng ven đô LVS Cầu Phƣơng pháp nghiên cứu luận án Trên sở mục tiêu đề ra, luận án áp dụng phương pháp nghiên cứu sau: (1) Phương pháp tổng quan thu thập tài liệu; (2) Phương pháp khảo sát thực địa; (3) Phương pháp nghiên cứu phân tích thực nghiệm; (4) Phương pháp phân tích thống kê; (5) Phương pháp đối chiếu so sánh; (6) Phương pháp lấy ý kiến chuyên gia Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án a Ý nghĩa khoa học luận án - Đánh giá hiệu xử lý NTSH khu dân cư ven LVS Cầu mơ hình cơng nghệ kết hợp BLTC HSH -Xác định hệ số phân hủy chất nhiễm cơng trình BLTC HSH làm sở tính tốn thiết kế vận hành hệ thống XLNT theo công nghệ kết hợp BLTC HSH - Đề xuất mơ hình kết hợp BLTC HSH ứng dụng xử lý NTSH khu dân cư ven đô LVS Cầu, đảm bảo nước thải sau xử lý đạt giá trị giới hạn cột A QCVN 14:2008/BTNMT b Ý nghĩa thực tiễn luận án - Kết nghiên cứu đề tài luận án có ý nghĩa quan trọng việc hồn thiện nâng cao khả ứng dụng mơ hình cơng nghệ kết hợp BLTC HSH để xử lý NTSH khu dân cư ven đô LVS Cầu đảm bảo đạt giá trị giới hạn cột A QCVN 14:2008/BTNMT - Kết nghiên cứu luận án nguồn tài liệu tham khảo cho nhà nghiên cứu, nhà quản lý lựa chọn giải pháp xử lý NTSH mơ hình cơng nghệ kết hợp BLTC HSH cho khu dân cư ven đô LVS Cầu cho đào tạo đại học, cao học chuyên ngành Những đóng góp luận án - Luận án xác định hệ số phân huỷ chất hữu hồ tùy tiện hồ hiếu khí xử lý NTSH khu dân cư ven đô LVS Cầu - Luận án xác định hệ số phân huỷ chất hữu cơ, hợp nitơ, phốt bãi lọc HF FWS xử lý NTSH khu dân cư ven đô LVS Cầu - Luận án đề xuất mơ hình cơng nghệ kết hợp BLTC HSH để xử lý NTSH khu dân cư ven đô LVS Cầu đạt tiêu chuẩn Cột A QCVN 14:2008/BTNMT phạm vi ứng dụng chúng Kết cấu luận án Luận án gồm 149 trang đánh máy A4 đánh số cụ thể sau: Mở đầu (5 trang); Chương 1: Tổng quan NTSH ứng dụng công nghệ HSH BLTC xử lý NTSH giới Việt Nam (25 trang); Chương 2: Cơ sở lý thuyết công nghệ HSH BLTC xử lý NTSH (30 trang); Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm (21 trang); Chương 4: Kết nghiên cứu thảo luận (53 trang); Kết luận, Kiến nghị (2 trang); Danh mục công trình cơng bố (1 trang); Tài liệu tham khảo (12 trang) Ngồi luận án có số phần khơng đánh số gồm có: Bìa luận án (2 trang); Lời cam đoan (1 trang); Mục lục (4 trang); Danh mục ký hiệu chữ viết tắt (2 trang); Danh mục bảng (2 trang); Danh mục hình vẽ (4 trang) Phụ lục (22 trang) CHƢƠNG 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 1.1 Tổng quan nƣớc thải sinh hoạt 1.1.1 Đặc điểm thành phần, tính chất nước thải sinh hoạt NTSH nước sử dụng cho mục đích ăn uống, sinh hoạt, tắm rửa, vệ sinh nhà cửa,… khu dân cư, công trình cơng cộng, sở dịch vụ,… NTSH chứa nhiều chất hữu dễ phân hủy sinh học, chất lơ lửng, chất dinh dưỡng N, P vi sinh vật gây bệnh… không thu gom, xử lý đạt tiêu chuẩn trước thải vào nguồn nước tiếp nhận trở thành nguồn gây nhiễm cho nguồn nước mặt, nước ngầm, vệ sinh môi trường gây ảnh hưởng xấu tới sức khỏe cộng đồng 1.1.2 Thu gom xử lý nước thải sinh hoạt NTSH thu gom xử lý hai hình thức XLNT tập trung phi tập trung Tại Việt Nam nay, NTSH đô thị chủ yếu thu gom xử lý theo hình thức xử lý tập trung Nước đen sau xử lý sơ qua bể tự hoại, thu gom vào hệ thống cống thu gom với nước xám vào HTTN chung đô thị, đưa đến khu XLNT tập trung thải trực tiếp vào nguồn nước tiếp nhận Trong năm qua, trình thị hóa phát triển, mật độ dân số tăng nhanh sở vật chất hạ tầng không đáp ứng kịp, đặc biệt HTTN, nên hệ thống thu gom XLNT tập trung phục vụ cho nhu cầu dân cư khu vực nội thành, nội thị Đối với khu vực có mật độ dân cư thấp, hệ thống thu gom nước thải chưa đồng bộ, khơng có khả chưa thể kết nối với HTTN tập trung khu dân cư ven đơ, khu dân cư hình thành… giải pháp XLNT phi tập trung biện pháp phù hợp 1.1.3 Hiện trạng thu gom xử lý nước thải sinh hoạt khu dân cư ven lưu vực sơng Cầu * Hệ thống nước thị LVS Cầu: Q trình thị hóa dẫn đến phát triển đô thị, dân số đô thị tăng nhanh, sở vật chất hạ tầng ngày cải thiện, chưa đáp ứng nhu cầu đặc biệt HTTH HTTN đô thị LVS Cầu phần lớn HTTN chung Nước mưa nước thải thường thu gom hệ thống xử lý tập trung (nếu có) dẫn kênh, rạch, mương, suối tự nhiên sơng, suối LVS Cầu Hiện nay, thị LVS thực dự án nâng cấp hệ thống thu gom XLNT tập trung Tuy nhiên dự án thực khu vực nội thị thu gom xử lý từ 40-70% NTSH phát sinh Phần nước thải không thu gom xử lý thấm, thoát tự nhiên vào kênh, mương, suối chảy vào sông Cầu, trở thành nguồn gây ô nhiễm nước sông Cầu * Hiện trạng thu gom xử lý nước thải sinh hoạt khu dân cư ven LVS Cầu: Do tác động q trình thị hóa kết việc thực “Chương trình mục tiêu quốc gia xây dựng nơng thơn mới”, xã vùng ven có thay đổi nhanh chóng sở vật chất hạ tầng, kinh tế phát triển, đời sống văn hóa, vật chất tinh thần Tuy nhiên, NTSH khu dân cư ven đô, vùng nơng thơn LVS Cầu chưa có hệ thống thu gom xử lý đạt quy định trước thải vào nguồn nước Tình trạng nhiễm mơi trường vấn đề xúc người dân, đặc biệt hệ thống thu gom xử lý NTSH 1.2 Tổng quan nghiên cứu ứng dụng hồ sinh học xử lý nƣớc thải sinh hoạt giới Việt Nam * Trên giới: HSH ứng dụng XLNT từ đầu kỷ XX nước phát triển phát triển Cơng trình giới xây dựng vào năm 1901, San Antonio, Tex, Mỹ Đến năm 1962, có 1674 HSH sử dụng Mỹ để XLNT đô thị, công nghiệp nông nghiệp Những kinh nghiệm thành công công bố Australia; New Zealand; Israel, Brazil, Nam Phi, Ấn Độ Canada Hiện nay, Mỹ, Pháp, Đức New Zealand tương ứng có 8000, 2.500, 3000 100 nhà máy XLNT đô thị công nghệ HSH sử dụng * Tại Việt Nam: Đến năm 1985, có số cơng trình nghiên cứu XLNT HSH Trần Hiếu Nhuệ Trần Đức Hạ đề xuất công nghệ XLNT đô thị để bảo vệ số nguồn nước Hà Nội vùng phụ cận theo mơ hình keo tụ - lắng HSH Hiện có 17 hệ thống XLNT đô thị ứng dụng công nghệ HSH XLNT xây dựng tỉnh, thành Ngoài ra, Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam triển khai số mơ hình ứng dụng HSH XLNT khu dân cư có hiệu cao như: mơ hình kết hợp bể xử lý yếm khí vách ngăn-ABR với HSH để XLNT khu dân cư vùng nông thôn Tân Hòa - Quốc Oai - Hà Nội năm 2003; mơ hình kết hợp ABR hồ tùy tiện kết hợp thực vật để XLNT sinh hoạt giết mổ cho khu dân cư thị trấn Lim – Tiên Du – Bắc Ninh, công suất 30 m3/ngày.đêm năm 2006, 2007 1.3 Tổng quan nghiên cứu ứng dụng bãi lọc trồng xử lý nƣớc thải sinh hoạt giới Việt Nam *Trên giới: Những nghiên cứu sử dụng đất ngập nước để XLNT thực Đức vào năm 1950, Mỹ vào năm 1960, 1970 sau trở lên phổ biến toàn giới Dạng BLTC ứng dụng XLNT BLTC ngập nước (FWS) Ở Châu Âu, hệ thống bãi lọc dòng chảy ngầm (SSF) qua đất sỏi sử dụng phổ biến với 500 hệ thống để xử lý bậc hai NTSH từ khu vực nơng thơn có dân số khoảng 4400 dân Ở Bắc Mỹ hệ thống thường sử dụng xử lý bậc ba NTSH từ khu vực có dân số lớn Dạng bãi lọc SSF xây dựng bãi lọc SSF dòng chảy ngang (HF) phát triển Kathe Seidel (1965) Đức Đến năm 1990, HF trở lên phổ biến rộng khắp Châu Âu HF giới thiệu vào Bắc Mỹ, Australia vào cuối năm 1980 Sau đó, hệ thống bãi lọc HF sử dụng phổ biến khắp giới Đức: 50.000 hệ thống, Bắc Mỹ: 8000; Vương quốc Anh: 1000; Italy: 300; Đan Mạch: 200; Cộng hòa Czech: 160; Hà Lan, Bồ Đào Nha: 120, Slovenia, Pháp, Estonia, Na Uy, Thụy Sỹ Hiệu xử lý chất ô nhiễm HF từ số liệu thực nghiệm nhiều quốc gia Australia, Braxin, Canada, Cộng hòa Czech, Đan Mạch, Đức, Ấn Độ, Mê hi cô, Niu Di Lân, Hà Lan, Slovenia, Thụy Sỹ, Mỹ Vương quốc Anh cho thấy, HF có hiệu xử lý cao BOD, COD, SS Coliform đạt 85, 75, 83 92% tương ứng, lại có hiệu xử lý chất dinh dưỡng thấp, hiệu xuất xử lý với TN, TP, NH4+-N NO3-N 41, 42, 48 35% Bãi lọc ngầm trồng dòng chảy thẳng đứng (VF) giới thiệu lần Seidel năm 1965 Đức để oxi hóa dòng thải từ bể tự hoại Tuy nhiên, VF khơng phát triển rộng khắp HF yêu cầu vận hành trì cao cần bơm nước thải để phân phối nước bề mặt Lợi VF q trình trao đổi oxi lớp lọc cải thiện cho phép khả nitrat hóa xử lý chất hữu cao HF Việc chuyển từ HF sang VF diễn Châu Âu năm 1990 nhu cầu nitrat hóa tầm quan trọng việc cải thiện tỷ lệ trao đổi oxi tính phức tạp gia tăng hệ thống VF chi phí vận hành tăng VF sử dụng chủ yếu Châu Âu Mỹ Trên 250 hệ thống VF lắp đặt từ năm 1994 Netherlands Bỉ * Tại Việt Nam: Theo nghiên cứu Nguyễn Việt Anh cộng (2006) Trường Đại học Xây dựng Hà Nội với đề tài: “Xử lý NTSH bãi lọc ngầm trồng dòng chảy thẳng đứng điều kiện Việt Nam” từ 8/2004 -12/2005 cho thấy: bãi lọc ngầm trồng có dòng chảy thẳng đứng sử dụng vật liệu sỏi gạch để xử lí nước thải sau bể tự hoại, trồng loại thực vật nước cỏ nến, thủy trúc, sậy, phát lộc cho phép đạt tiêu chuẩn xả môi trường hay tái sử dụng Đây công nghệ phù hợp với điều kiện Việt Nam, cho quy mơ hộ, nhóm hộ gia đình, điểm du lịch, dịch vụ, trang trại, làng nghề Năm 2010, Tổng Công ty đầu tư Nước Môi trường Việt Nam (VIWASEEN) triển khai số mơ hình kết hợp bể BASTAF kết hợp với bãi lọc HF để xử lý NTSH số tỉnh thành Việt Nam Hòa Bình, Hưng n, Thái Bình Chất lượng nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn nước thải QCVN 14:2008 cột B, tạo cảnh quan hạn chế ô nhiễm môi trường cho địa phương Trong chương trình Nước Vệ sinh cho thị trấn nhỏ Việt Nam sử dụng vốn ODA khơng hồn lại Chính phủ Phần Lan giai đoạn I II (2004 -2013), số cơng trình XLNT quy mô nhỏ công suất từ 100 - 500 m3/ngày triển khai tỉnh: Cao Bằng, Hà Giang, Tun Quang, n Bái, Thái Bình, Hưng n, Hải Phòng Bắc Kạn Công nghệ XLNT chủ yếu theo sơ đồ bể BASTAF – BLTC Trong có số cơng trình triển khai thị trấn Chợ Rã (Ba Bể); Yến Lạc (Na Rì) Chợ Mới thuộc tỉnh Bắc Kạn Trong giai đoạn III, Thủ tướng Chính phủ phê duyệt danh mục Dự án “Chương trình Nước Vệ sinh cho thị trấn nhỏ Việt Nam giai đoạn III” sử dụng vốn ODA khơng hồn lại Chính phủ Phần Lan Tuy nhiên khó khăn thu gom nước thải nguồn kinh phí để vận hành nên hệ thống hoạt động không hiệu 1.4 Tổng quan nghiên cứu ứng dụng công nghệ kết hợp bãi lọc trồng hồ sinh học để xử lý nƣớc thải sinh hoạt giới Việt Nam * Trên giới BLTC ứng dụng để nâng cao chất lượng nước khỏi HSH sử dụng từ đầu năm 1990, từ dạng đơn giản sử dụng thực vật nước trôi phát triển mặt phần vùng nước khỏi hồ Hiện nay, bãi lọc FWS SSF sử dụng phổ biến hơn, hiệu cao với tải lượng SS khoảng 10-48 kg/ha/ngày lớp phủ thực vật trì đầy đủ, đặc biệt vùng nước bãi lọc Bãi lọc HF kết hợp với HSH triệt để xử lý bậc ba hệ thống XLNT phân tán (DEWATS) tổ chức BORDA (Đức) nghiên cứu phổ biến từ năm 1993 nhiều nước giới Hiện nay, có 500 hệ thống DEWATS hoạt động hiệu nước Indonesia, Ấn Độ, Philippin, Trung Quốc, Việt Nam nước Nam Phi Công nghệ DEWATS xem giải pháp hữu hiệu cho XLNT phân tán từ cụm dân cư, bệnh viện, khách sạn, trang trại, lò giết mổ gia súc…tại nước phát triển Hệ thống thường áp dụng cho XLNT hữu với quy mơ 1000 m3/ngày.đêm, hiệu xử lý cao, thích ứng với dao động lưu lượng, thân thiện mơi trường, vận hành đơn giản chi phí thấp… Tuy nhiên, hệ thống có số nhược điểm như: thiết kế phải phù hợp với điều kiện địa phương; tốn diện tích; đất khơng bị sụt lún; khơng xử lý nước thải chứa chất ô nhiễm vô kim loại, hóa chất… Nghiên cứu khả xử lý NTSH khu dân cư công nghệ kết hợp HSH BLTC triển khai cho khu dân cư 825 người vùng Vermontille, Michigan, Mỹ Hệ thống xây dựng khu đồi, từ năm 1972 gồm hồ tùy tiện diện tích 4,4 bãi lọc FWS diện tích 4,6 ha, cơng suất 3.785 m3/ngày (0,1MGD) Nước thải vào BOD5 = 280 mg/L; TKN = 81 mg/L; NO3 N = 1,3 mg/L; TP = 5,3 mg/L Nước thải sau xử lý có thơng số trung bình đạt BOD5 = 3,5 mg/L;TSS = 4,2 mg/L; TP = 0,24 mg/L; NH4+-N = 0,86 mg/L; pH = 6,6-7,2; DO = mg/L (5,4-9,4 mg/L); số Fecal Coliform/100 mL 1000 * Tại Việt Nam Tháng 4/2008 sở Tài nguyên Môi trường tỉnh Bắc Ninh tài trợ Bộ ngoại giao Cộng hoà Sec Đại sứ quán Hà Lan triển khai thực dự án: “Cải thiện hệ thống XLNT thôn Đào Xá”, xây dựng hệ thống XLNT sinh hoạt công suất 200 m3/ngày theo công nghệ BLTC HSH hoạt động từ 29/4/2009 Tuy nhiên hệ thống bị tải ngừng hoạt động Bãi lọc HF HSH xử lý triệt để nghiên cứu ứng dụng Việt Nam qua mơ hình công nghệ DEWATS, BORDA giới thiệu vào Việt Nam từ năm 2004 Đến nay, hệ thống DEWATS áp dụng xử lý NTSH, nước thải sản xuất nước thải bệnh viện số địa phương như: Vĩnh Phúc, Bắc Ninh, Hà Nội Hà Nam Kết kiểm nghiệm chất lượng nước sau xử lý DEWATS bệnh viện Đa khoa Kim Bảng, Hà Nam cho thấy, nước thải sau xử lý đạt hiệu loại vi khuẩn đến 95 97%, số BOD5 đạt mg/L, COD 16 mg/L Trung tâm Tư vấn Công nghệ Môi trường - Tổng cục Môi trường triển khai hai dự án xử lý NTSH có sử dụng cơng nghệ kết hợp HSH BLTC vào năm 2011 2013 Dự án thứ là: “Xây dựng mơ hình hệ thống xử lý NTSH công nghệ thấm lọc cho khu dân cư đô thị dọc LVS Nhuệ - Đáy”, công suất 950 m3/ngày.đêm, nghiệm thu vào tháng 1/2011 Hệ thống gồm bể lắng cát, bể điều hòa, trạm bơm, bể lắng đứng, máng tràn bậc thang, bể thu nước, BLTC hồ sinh thái Hiện nay, lượng nước thải thu gom nên nhà máy hoạt động cầm chừng Dự án thứ hai là: “Xây dựng thí điểm mơ hình trạm xử lý NTSH cơng nghệ kỵ khí kết hợp với bãi lọc ngầm trồng cây”, phường Bách Quang, Sông Công, Thái Nguyên, công suất 750 m3/ngày.đêm, nghiệm thu vào tháng 12/2013 Hệ thống gồm có hố ga, song chắn rác, bể lắng cát, bể lọc kỵ khí, trạm bơm, bể phân phối, máng tràn bậc thang, hố ga phân phối, BLTC hồ sinh thái Kết phân tích tiêu nước thải đầu vào, đầu sau gần năm hoạt động đạt giới hạn cho phép cột B QCVN 14:2008/BTNMT Đến nay, hệ thống trì hoạt động, lượng nước thải thu gom nên hoạt động gián đoạn Hồ sinh thái thả cá với mật độ dày đặc làm giảm vai trò xử lý Do đó, việc đánh giá hiệu xử lý hệ thống điều khó khăn Năm 2017, Viện Khoa học Kỹ thuật môi trường (IESE), Trường Đại học Xây dựng triển khai xây dựng hệ thống HSH kết hợp với BLTC, cơng suất 36.000 m3/ngày, có chức kiểm soát cố, thị sinh học xử lý bổ sung hai dòng nước thải sau trạm XLNT sinh hóa sau trạm XLNT cơng nghiệp Cơng ty Fomosa Hà Tĩnh Hiện nay, hệ thống hoạt động với hiệu cao đảm bảo XLNT Công ty Fomosa Hà Tĩnh đạt tiêu chuẩn trước thải biển 1.5 Nhận xét chung chƣơng (1) NTSH có chứa hàm lượng lớn chất hữu dễ phân hủy, VSV gây bệnh, chất dinh dưỡng N, P cần thu gom, xử lý trước thải vào nguồn nước tiếp nhận (2) NTSH thu gom xử lý hai hình thức XLNT tập trung, XLNT phi tập trung Tại Việt Nam nay, XLNT tập trung phù hợp với đô thị tập trung đông dân cư Đối với khu dân cư ven đô, đô thị, khu dân cư hình thành, vùng dân cư nơng thơn… giải pháp XLNT phi tập trung biện pháp phù hợp (3) Các tỉnh LVS Cầu có tốc độ phát triển kinh tế xã hội nhanh Các vùng ven LVS Cầu chưa có hệ thống kỹ thuật hoàn chỉnh đặc biệt HTTN XLNT Phần lớn khu dân cư xả trực tiếp nước thải kênh, mương, ao, hồ, ruộng trũng vùng đất trũng xung quanh trở thành nguồn gây nhiễm cho LVS Cầu Vì vậy, việc tổ chức thoát nước XLNT phi tập trung với cơng trình có chi phí đầu tư, xây dựng vận hành thấp điều cấp thiết (4) HSH BLTC cơng trình XLNT điều kiện tự nhiên, chi phí thấp, phù hợp để xử lý NTSH quy mô nhỏ vừa cho khu đô thị khu dân cư vùng ven đô Tuy nhiên sử dụng riêng rẽ chúng hệ thống XLNT có nhược điểm định làm hạn chế khả ứng dụng Nghiên cứu khả kết hợp hai loại cơng trình hệ thống xử lý mang lại hiệu xử lý cao hơn, tăng khả ứng dụng cơng nghệ, góp phần cải thiện cảnh quan môi trường khu vực (5) Tại Việt Nam nay, nghiên cứu mơ hình kết hợp BLTC HSH để xử lý NTSH đạt mức A QCVN 14:2008/BTNMT Một số nghiên cứu ứng dụng sử dụng kết hợp công nghệ HSH BLTC hệ thống XLNT cho thấy hiệu bước đầu, chưa có đánh giá, theo dõi lâu dài hiệu hoạt động nên chưa đánh giá hiệu thực hệ thống, chưa đưa sơ đồ công nghệ kết hợp, thông số thiết kế, vận hành cơng trình HSH BLTC sử dụng kết hợp hệ thống để XLNT CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÔNG NGHỆ HỒ SINH HỌC VÀ BÃI LỌC TRỒNG CÂY TRONG XỬ LÝ NƢỚC THẢI SINH HOẠT 2.1 Cơ sở lý thuyết xử lý nƣớc thải sinh hoạt hồ sinh học * Khái niệm phân loại hồ sinh học HSH thủy vực tự nhiên nhân tạo, không lớn Khi nước thải dẫn vào hồ diễn trình chuyển hoá chất bẩn chủ yếu nhờ loại vi khuẩn tảo sống hồ Quá trình diễn tương tự trình tự làm sông hồ tự nhiên HSH thường chia thành loại HSH kị khí, HSH tùy tiện HSH hiếu khí/HSH xử lý triệt để HSH thường ứng dụng để XLNT đô thị khu dân cư đạt hiệu xử lý cao chất hữu cơ, N, P, VSV gây bệnh * Cơ chế xử lý chất ô nhiễm đặc trưng nước thải sinh hoạt hồ sinh học -Cơ chế xử lý chất hữu dễ phân hủy sinh học: Khi nước thải vào hồ, vận tốc dòng chảy nhỏ, loại cặn lắng lắng xuống đáy Các chất hữu lại nước vi khuẩn hấp thụ oxi hóa tạo sản phẩm sinh khối, CO2, muối nitrat, nitrit Sự phân hủy chất hữu thực chủ yếu nhờ vi khuẩn phần nhỏ nhờ Protozoa Vi khuẩn tạo thành CO2 nước điều kiện hiếu khí, tạo axit hữu điều kiện yếm khí Khí CO2 hợp chất nitơ, photpho rong tảo sử dụng trình quang hợp Trong giai đoạn giải phóng oxi cung cấp cho trình oxi hóa chất hữu vi khuẩn Sự hoạt động rong tảo tạo điều kiện thuận lợi cho trình trao đổi chất vi khuẩn - Cơ chế xử lý chất dinh dưỡng nitơ phốt pho: Các hợp chất N-hữu khoáng hóa thành amoni HSH kị khí bùn cặn HSH tùy tiện Q trình nitrat hóa xử lý amoni chủ yếu diễn tầng mặt HSH tùy tiện HSH triệt để Quá trình diễn mùa hè mạnh mùa đơng Có chế xử lý amoni hồ là: bay amoniac, nitrat hóa vi khuẩn Nitrosomonas Nitrobacter, sau q trình khử nitrat tổng hợp N sinh khối tảo Phốt loại bỏ khỏi nước hồ ổn định cách hấp thụ vào sinh khối tảo, hô hấp lắng đọng Quá trình dinh dưỡng hệ sinh thái HSH đóng vai trò quan trọng việc xử lý N, P nước thải vào hồ -Cơ chế diệt vi khuẩn gây bệnh trứng giun sán +Diệt vi khuẩn gây bệnh: Các yếu tố tác động đến trình diệt khuẩn gây bệnh hồ cường độ ánh sáng, nhiệt độ, pH HRT Mức độ diệt khuẩn Feacal tăng lên điều kiện nhiệt độ cao (pH > 9), HRT lâu cường độ xạ ánh sáng lớn + Tiêu diệt trứng giun sán: Trứng giun sán thường loại bỏ nhờ trình lắng đọng HSH kị khí HSH tùy tiện sơ cấp * Các yếu tố ảnh hưởng tới trình xử lý nước thải hồ sinh học Các yếu tố ảnh hưởng tới q trình XLNT HSH gồm có nhiệt độ, cường độ ánh sáng, nồng độ tải lượng chất hữu cơ, hàm lượng chất dinh dưỡng, pH nồng độ oxi hòa tan * Mơ hình động học trình phân hủy chất hữu hồ sinh học Q trình oxy hóa chất hữu HSH thường gần với động học phản ứng bậc 1, nghĩa tốc độ oxi hóa chất hữu thời điểm tỷ lệ với hàm lượng chất hữu có mặt hệ thống thời điểm [81] Điều diễn đạt cơng thức tốn học sau: (2-6) Trong đó: - L: Lượng BOD lại thời điểm t, mg/L - k: Hằng số tốc độ phản ứng oxi hóa chất hữu bậc 1, ngày-1 k phụ thuộc vào nhiệt độ T, dao động từ 0,05-1 ngày-1 Ở điều kiện nhiệt độ T, k là: kT = k20 (1,06)T-20 (2-7) k phụ thuộc vào nhiệt độ, đặc tính nước thải vào hồ, hàm lượng chất dinh dưỡng nước thải, tải lượng chất hữu yếu tố sinh học khác Vì vậy, k phải xác định thực nghiệm theo điều kiện địa phương loại nước thải 2.2 Cơ sở lý thuyết xử lý nƣớc thải sinh hoạt bãi lọc trồng * Khái niệm: BLTC hệ thống kỹ thuật mà thiết kế xây dựng sử dụng trình tự nhiên liên quan đến thực vật đất ngập nước, đất hệ VSV hệ thống để XLNT * Phân loại BLTC: BLTC phân loại theo nhiều yếu tố khác hai yếu tố quan trọng chế độ dòng chảy loại thực vật phát triển bãi lọc BLTC phân thành hai loại BLTC dòng chảy bề mặt (FWS) BLTC dòng chảy ngầm (SSF) SSF gồm có hai loại bãi lọc ngầm trồng dòng chảy ngang (HF) bãi lọc ngầm trồng dòng chảy thẳng đứng (VF) *Cơ chế xử lý chất ô nhiễm nước thải sinh hoạt bãi lọc trồng - Cơ chế xử lý chất hữu có khả phân hủy sinh học: Trong bãi lọc, phân hủy sinh học đóng vai trò lớn việc loại bỏ chất hữu dạng hòa tan hay dạng keo có khả phân hủy sinh học có nước thải BOD lại chất rắn lắng bị loại bỏ nhờ trình lắng - Cơ chế xử lý hợp chất Nitơ: Các hợp chất Nitơ nước thải xử lý bãi lọc chủ yếu nhờ chế sau: nitrat hóa/khử nitrat; bay amoniac (NH3) hấp thụ thực vật - Cơ chế xử lý hợp chất phốt (P): Trong BLTC, P xử lý chế sau: hấp phụ kết tủa lên bề mặt vật liệu lọc, dự trữ sinh khối tích tụ vào trầm tích/đất - Cơ chế xử lý vi khuẩn vi rút: Vi khuẩn vi rút có nước thải xử lý nhờ chế sau: Các q trình vật lý dính kết lắng, lọc, hấp phụ; điều kiện môi trường không thuận lợi thời gian dài điều kiện pH, nhiệt độ, xạ mặt trời, thiếu dinh dưỡng sinh vật khác ăn; quan hệ đối kháng vi khuẩn dị dưỡng với loại vi khuẩn gây bệnh có nước thải - Cơ chế loại bỏ chất rắn: Các chất rắn lắng được loại bỏ dễ dàng nhờ chế lắng trọng lực lọc Chất rắn khơng lắng được, chất keo loại bỏ thông qua chế lọc (nếu sử dụng cát lọc), lắng phân hủy sinh học (do phát triển vi khuẩn), hút bám, hấp phụ lên chất rắn khác (thực vật, đất, cát, lớp sỏi ) nhờ lực hấp dẫn Van der Waals, chuyển động Brown * Mơ hình động học q trình phân hủy chất nhiễm bãi lọc trồng -Mơ hình động học Reed et al (1995) Reed et al (1995) coi BLTC bể phản ứng sinh học với VSV sinh trưởng bám dính Theo Reed (1995), q trình xử lý BOD, NH4+-N, NO3- -N, BLTC tuân theo động học phản ứng bậc với dòng chảy đẩy Reed (1995) tách riêng cơng thức cho TSS, TP Q trình xử lý vi sinh vật gây bệnh BLTC xảy tương tự HSH + Quá trình xử lý BOD, NH4+-N, NO3 N, BLTC mô tả theo công thức: (2-23) C  ln  i   KT t  Ce  KT  K R  RTW TR (2-26) - Ce: Nồng độ chất ô nhiễm dòng ra, mg/L - Ci: Nồng độ chất nhiễm dòng vào, mg/L - KR: Hằng số tốc độ phản ứng nhiệt độ xét, ngày-1 - KT: Hằng số tốc độ phản ứng nhiệt độ T nước, ngày-1 - t: Thời gian lưu nước thủy lực, ngày - Tw: Nhiệt độ nước, oC - TR: Nhiệt độ xem xét, oC - R: Hệ số nhiệt độ số tốc độ phản ứng * Mơ hình động học Kadlec and Knight (1996) Kadlec Knight (1996) coi BLTC bể phản ứng sinh học bám dính Kadlec Knight đưa mơ hình dòng đẩy phản ứng bậc cho tất chất ô nhiễm, bao gồm BOD, TSS, TP, TN, N-hữu cơ, NH4+-N, NOx-N, Faecal Coliform Mơ hình họ dựa vào số tốc độ phản ứng bậc 1, mà không phụ thuộc vào nhiệt độ Vì vậy, mơ hình Kadlec Knight nhạy cảm với điều kiện khí hậu khác Trong đó: (2-31) (2-32) q = Q/As Trong đó: - As: Diện tích xử lý BLTC (m2); - Xe: Nồng độ chất nhiễm dòng (mg/L); - Xi: Nồng độ chất nhiễm dòng vào (mg/L), (2-33) - X*: Nồng độ chất ô nhiễm, mg/L, - k: Hằng số tốc độ phản ứng bậc (m/ngày), - q: Tốc độ tải thủy lực (m3/m2.ngày m/ngày), - Q: Tốc độ dòng chảy trung bình qua bãi lọc (m3/ngày) Kadlec Knight (1996) ủng hộ việc sử dụng thơng số tồn cầu mà họ xác định từ phân tích liệu sẵn có dòng chảy đẩy để cập nhật sở liệu vùng Bắc Mỹ hệ thống khác Những thông số đặc trưng nên xác định theo địa phương trước đầu tư vào hệ thống quy mô đầy đủ, để đảm bảo phù hợp thiết kế Cũng vậy, biểu thức (2-31) (2-32) đưa vào TCVN 7957:2008 hướng dẫn thiết kế BLTC *Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu xử lý BLTC: Hiệu xử lý BLTC phụ thuộc nhiều vào yếu tố môi trường yếu tố vận hành Tuy nhiên yếu tố mơi trường vận hành ảnh hưởng tới hiệu xử lý bãi lọc pH, nhiệt độ, oxy hòa tan; tải lượng thủy lực/thời gian lưu, tải lượng chất ô nhiễm, chế độ cấp nước, dòng tuần hồn thu hoạch sinh khối 2.3 Nhận xét chung chƣơng (1) HSH thủy vực tự nhiên nhân tạo khơng lớn Q trình xử lý chất ô nhiễm nước thải vào hồ chủ yếu nhờ hoạt động loại vi khuẩn tảo Hiệu suất xử lý HSH phụ thuộc nhiều vào điều kiện tự nhiên yếu tố vận hành HSH có nhiều ưu điểm chi phí thấp, dễ xây dựng, có tính đệm cao hiệu suất xử lý cao với chất hữu VSV gây bệnh Tuy nhiên HSH có số nhược điểm hiệu suất xử lý chất lơ lửng thấp, tốn diện tích phát sinh mùi Động học q trình chuyển hóa chất hữu hồ gần với động học phản ứng bậc Các yếu tố ảnh hưởng đến trình phân hủy chất hữu thể qua hệ số phân hủy chất hữu (k) k phụ thuộc vào nhiệt độ, đặc tính nước thải, hàm lượng chất dinh dưỡng nước thải, tải lượng chất hữu yếu tố sinh học khác Vì vậy, k phải xác định thực nghiệm theo điều kiện địa phương loại nước thải (2) BLTC hệ thống kỹ thuật kết hợp thực vật đất ngập nước, đất/vật liệu lọc hệ VSV tạo thành hệ thống điều kiện tự nhiên để XLNT Q trình xử lý chất nhiễm BLTC nhờ vào chế vật lý, hóa học sinh học diễn bãi lọc Hiệu suất xử lý BLTC phụ thuộc nhiều vào điều kiện tự nhiên yếu tố vận hành BLTC có nhiều ưu điểm chi phí thấp, dễ vận hành, thân thiện môi trường, hiệu xử lý cao với chất hữu cơ, chất lơ lửng VSV gây bệnh, làm tăng đa dạng sinh học, tạo cảnh quan cho khu vực… BLTC có nhược điểm hiệu suất xử lý nitơ khơng cao, tốn diện tích, tốn chi phí vật liệu lọc, phát sinh mùi sinh vật gây hại Động học q trình chuyển hóa chất nhiễm BLTC mơ tả theo mơ hình dòng đẩy phản ứng bậc 1, số tốc độ phản ứng (k) cần xác định thực nghiệm theo địa phương để đảm bảo phù hợp thiết kế (3) HSH BLTC công nghệ XLNT điều kiện tự nhiên Quá trình xử lý chất ô nhiễm phụ thuộc nhiều vào điều kiện tự nhiên yếu tố vận hành khác chế độ thủy lực, thời gian lưu, tải lượng chất ô nhiễm Cơ chế xử lý chất ô nhiễm đặc trưng NTSH hợp chất hữu cơ, chất lơ lửng, N, P VSV gây bệnh HSH BLTC có nhiều đặc điểm tương đồng, nhiên điều kiện hiệu xử lý công trình khơng giống Vì vậy, việc kết hợp HSH BLTC hệ thống để xử lý nước thải đảm bảo tiêu chuẩn môi trường hoàn toàn phù hợp CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 3.1 Lựa chọn địa điểm nghiên cứu Địa điểm nghiên cứu khu dân cư điển hình cho khu dân cư ven đô thuộc LVS Cầu, có hệ thống nước tập trung Địa điểm nghiên cứu cần có nguồn nước thải ổn định, có đất xây dựng mơ hình thí nghiệm, khơng gây ảnh hưởng tới dân cư xung quanh Sau khảo sát địa bàn Tp Sông Công, tỉnh Thái Nguyên, khu dân cư phường Bách Quang lựa chọn làm địa điểm đặt mơ hình nghiên cứu luận án Đây khu vực dân cư điển hình giống khu vực ven đô khác đô thị lớn địa bàn LVS Cầu Phường Bách Quang thành lập năm 2011, cách trung tâm Tp Sông Công km, có địa hình đường giao thơng thuận tiện… Tổng diện tích đất 8,525 km2, dân số 5.142 người (năm 2014) [31] Tp Sơng Cơng có địa hình tương đối phẳng, độ cao trung bình khu vực nội thị 15-17m Khí hậu nằm vùng nhiệt đới gió mùa, với hai mùa rõ rệt: mùa nóng từ tháng - tháng 10, thường có gió đơng nam thổi về, mưa nhiều; mùa lạnh từ tháng 11 - tháng năm sau, thường có gió mùa đơng bắc tràn xuống, nhiệt độ hạ thấp, trời rét Nhiệt độ trung bình năm khoảng 220C, nhiệt độ cao trung bình 380C (vào tháng 7, tháng 8), thấp khoảng 150C - 160C (vào tháng 1) Số nắng năm đạt 1.628 giờ, lượng xạ 115 kcal/cm2 Theo quy hoạch, NTSH khu dân cư, công sở, trường học phường Bách Quang thu gom đưa hệ thống xử lý tập trung phường vận hành từ tháng 12/2013, công suất 750 m3/ngày.đêm, diện tích 5.000 m2 Trung tâm Tư vấn Công nghệ Môi trường thuộc Tổng Cục môi trường xây dựng Sơ đồ công nghệ hệ thống XLNT tập trung thể Hình 3.1 11 thủy trúc chuối hoa bãi lọc HF Các thơng số vận hành hai mơ hình thí nghiệm giai đoạn thể Bảng 3.5 Bảng 3.4 Thông số vận hành hai mô hình thí nghiệm giai đoạn Cơng trình thí nghiệm Thơng số vận Đợt thí Mơ hình Mơ hình Đơn vị hành nghiệm Bãi lọc Hồ tùy tiện Bãi lọc (FWS) Bãi lọc HF2 Hồ hiếu khí HF Q lít/h 4 2 HRT HLR ngày 20,16 6,36 5,72 4,57 20 - 0,1 0,05 0,05 - - Cây chuối hoa - Cây chuối hoa - Đợt 1: 7/12/2014m /m /ngày 29/8/2015 Loại trồng Bảng 3.5 Thông số vận hành hai mơ hình thí nghiệm giai đoạn Cơng trình thí nghiệm Thơng số vận Đợt thí Mơ hình Mơ hình Đơn vị hành nghiệm Hồ tùy tiện Bãi lọc (FWS) Bãi lọc HF Bãi lọc HF2 Q HRT HLR Loại trồng Q HRT HLR Loại trồng Q HRT HLR Loại trồng Q lít/h Đợt 2: ngày 26/9/2015m3/m2/ngày 13/12/2015 lít/h Đợt 3: ngày 13/12/2015m3/m2/ngày 21/2/2016 lít/h 16,12 - Đợt 5: 3/4/201729/5/2016 5,09 4,572 3,05 0,125 0,05 0,075 Cây chuối hoa Cây thủy trúc Cây chuối hoa 16 - 6 3 13,44 4,24 3,05 3,05 13,33 - 0,15 0,075 0,075 - Đợt 4: ngày 21/2/2016m3/m2/ngày 3/4/2016 lít/h Hồ hiếu khí 11,52 Cây chuối hoa Cây thủy trúc Cây chuối hoa 3,5 3,5 3,64 0,175 2,61 0,0875 2,61 0,0875 11,43 Cây chuối hoa Cây thủy trúc Cây chuối hoa 8 4 HRT ngày 10,08 3,18 2,29 2,29 10 HLR m /m /ngày 0,2 0,1 0,1 Loại trồng Cây chuối hoa Cây thủy trúc Cây chuối hoa * Vận hành mơ hình thí nghiệm + Giai đoạn (Đợt 1): Từ ngày 7/12/2014 đến 29/8/2015, mơ hình mơ hình vận hành qua bước sau: bước 1: chuẩn bị vật liệu; bước 2: trồng cây; bước 3: nạp nước thải vào mơ hình; bước 4: vận hành mơ hình, theo dõi phát triển trồng lấy mẫu phân tích + Giai đoạn (Đợt 2, 3, 4, 5): Từ ngày 26/9/2015 đến ngày 29/5/2016 - Mơ hình vận hành qua bước sau: Bước 1: Tiến hành điều chỉnh lưu lượng nước vào mơ hình theo kế hoạch thể Bảng 3.5 tương ứng đợt 2, 3, 4, Bước 2: Duy trì hoạt động mơ hình, theo dõi phát triển trồng lấy mẫu phân tích đợt thí nghiệm tương ứng - Mơ hình vận hành qua bước sau:  Đợt 2: Từ ngày 26/9/2015 đến ngày 13/12/1016: Bước 1: Khởi động lại mơ hình: Ngày 26/9/2015, tiến hành lấy toàn sỏi bãi lọc không trồng (HF1) rửa sạch, phơi khô nạp lại vào bãi lọc gồm 01 lớp sỏi lọc dày 0,6 m lớp cát trồng dày 0,15 m Bơm tồn nước hồ hiếu khí rửa hồ; Bước 2: Trồng cây: tiến hành trồng thủy trúc vào bãi lọc HF1 từ ngày 4/10/2015 Thủy trúc lấy cắt hết phần lá, tách thành khóm từ 3-5 trồng vào bãi lọc với khoảng cách khóm 20cm; Bước 3: Cấp nước vào mơ hình thí nghiệm: Cấp nước thải vào bãi lọc HF trồng thủy trúc (HF1’) 12 với lưu lượng q= lít/h điều chỉnh lưu lượng nước cấp vào bãi lọc HF trồng chuối hoa (HF2) với q = lít/h; Bước 4: Duy trì hoạt động mơ hình, theo dõi phát triển trồng lấy mẫu phân tích  Đợt 3, Đợt 4, Đợt 5: Từ ngày 13/12/2016 đến ngày 29/5/2016: Bước 1: Tiến hành điều chỉnh lưu lượng nước vào mơ hình theo kế hoạch thể Bảng 3.5 tương ứng đợt 3, 4, 5; Bước 2: Duy trì hoạt động mơ hình, theo dõi phát triển trồng lấy mẫu phân tích đợt thí nghiệm tương ứng * Kế hoạch lấy mẫu phân tích Bảng 3.6 Kế hoạch lấy mẫu phân tích đợt thí nghiệm Nội dung Đợt thí Khoảng thời gian lấy Tần suất lấy Số chu kỳ nghiệm Số mẫu/chu kỳ Tổng số mẫu mẫu mẫu (tuần/lần) lấy mẫu Đợt 8/3/2015 -29/8/2015 12 84 Đợt 8/11/2015 - 13/12/2015 42 Đợt 27/12/2015 -31/1/2016 42 Đợt 28/2/2016 - 3/4/2016 42 Đợt 17/4/2016 - 29/5/2016 42 + Vị trí lấy mẫu: Các vị trí lấy mẫu phân tích cụ thể sau: (1) Mẫu nước thải vào hai mơ hình thí nghiệm, ký hiệu: M1; (2) Mẫu nước thải khỏi hồ tùy tiện, ký hiệu: M2; (3) Mẫu nước thải khỏi bãi lọc FWS, ký hiệu: M3; (4) Mẫu nước thải khỏi bãi lọc HF không trồng - HF1 (Đợt 1)/Bãi lọc HF trồng thủy trúc -HF1’ (đợt 2, 3, 4, 5), ký hiệu: M4; (5) Mẫu nước thải khỏi bãi lọc HF trồng chuối hoa (HF2), ký hiệu: M5; (6) Mẫu nước thải vào hồ hiếu khí, ký hiệu: M6; (7) Mẫu nước thải khỏi hồ hiếu khí, ký hiệu: M7 * Các thơng số phân tích: pH, TSS, COD, BOD5, TN, N-NH4+, N-NO3-, PO43-, Coliform, sinh khối kích thước thực vật 3.3.3 Phương pháp nghiên cứu Phương pháp lấy mẫu trường; phương pháp phân tích phòng thí nghiệm; phương pháp đo, kiểm soát lưu lượng nước thải vào mơ hình; phương pháp xử lý số liệu phương pháp xác định hệ số động học CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 4.1 Hiệu suất xử lý NTSH phƣờng Bách Quang mơ hình kết hợp hồ tùy tiện bãi lọc FWS (mơ hình 1) 4.1.1 Đặc trưng nước thải vào mơ hình Bảng 4.1 Kết phân tích nồng độ trung bình thơng số đặc trưng NTSH vào mơ hình qua đợt thí nghiệm QCVN S Trung bình 14:2008 Đợt thí nghiệm T Thơng số Đơn vị đợt thí /BTNMT T nghiệm Cột A Đợt Đợt Đợt Đợt Đợt 7,1 7,1 7,6 7,1 6,9 6,9 5÷9 pH ÷ 8,5 ÷7,5 ÷8,9 ÷7,3 ÷7,4 ÷8,5 83,45 84,83 83,38 83,27 81,95 30 BOD5 mg/L 83,39 ±13,62 ±22,63 ±6,44 ±8,05 ±5,60 ±8,14 70,21 39,83 48,33 47,33 43,33 50 TSS mg/L 53,21 ±16,49 ±19,29 ±4,40 ±10,17 ±4,93 ±7,71 26,00 34,00 35,33 47,33 36,33 TN(*) mg/L 35,19 ± 8,84 ±2,85 ±4,36 ±3,51 ±9,81 ±7,37 23,53 33,18 34,58 40,55 43,67 5 NH4+ -N mg/L 33,17 ±10,71 ±8,87 ±5,01 ±3,06 ±7,65 ±14,35 2,51 1,30 1,43 2,25 2,43 30 NO3- -N mg/L 2,07 ±0,70 ±0,88 ±0,27 ±0,16 ±0,33 ±0,30 0,35 1,73 1,33 2,42 2,84 PO43 P mg/L 1,51 ±0,98 ±0,31 ±0,31 ±0,05 ±0,62 ±0,61 13 Coliform (**) (MPN/ 100mL) 92.125 ±8.107 - - - 92.125 ±8.107 - 3000 NTSH vào mơ hình có mức độ nhiễm thấp, có biến động khơng nhiều đợt thí nghiệm, có pH trung tính dao động từ 6,90 - 8,50 Các thơng số NO3 N, PO43 P có giá trị thấp giới hạn Cột A QCVN 14:2008/BTNMT Nước thải chủ yếu bị ô nhiễm thông số TSS, BOD5, NH4+-N Coliform Giá trị trung bình thơng số vượt giá trị giới hạn cột A QCVN14:2008/BTNMT tương ứng 1,06; 2,78; 6,63 30,71 lần 4.1.2 Hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt hồ tùy tiện Tải lượng chất ô nhiễm nước thải vào hồ tùy tiện hiệu suất XLNT hồ tùy tiện đợt thí nghiệm tổng hợp Bảng 4.2 Hình 4.1 Bảng 4.2 Tải lượng trung bình chất nhiễm vào hồ tùy tiện đợt thí nghiệm (kg/ha/ngày) Đợt thí nghiệm TT Thơng số Đợt Đợt Đợt Đợt Đợt BOD5 53,83±14,60 68,38±5,19 80,67±7,79 93,99±6,33 105,72±10,50 TN 16,77±1,67 27,41±3,51 34,18±3,40 53,43±11,08 46,87±9,51 NH4+ -N 15,17±5,72 26,75±4,04 33,45±2,96 45,77±8,64 56,33±18,51 NO3- -N 1,62±0,57 1,05±0,22 1,39±0,16 2,54±0,38 3,44±0,39 PO43 P 0,23±0,20 1,40±30,77 1,29±0,04 2,73±0,70 3,67±0,78 - Sự thay đổi pH nước thải: pH nước thải khỏi hồ tùy tiện đợt thí nghiệm nằm khoảng trung tính kiềm nhẹ, dao động khoảng từ 7,6÷10,6 - Hiệu suất xử lý chất hữu dễ phân hủy sinh học: Hiệu suất xử lý chất hữu dễ phân hủy hồ đạt mức trung bình, ổn định đợt dao động khoảng từ 43,80%- 68,44% Như vậy, tăng Q vào hồ khoảng từ 4-8 lít/h (đồng thời làm giảm thời gian lưu từ 20,16 xuống 10,08 ngày) làm ảnh hưởng không đáng kể đến Hình 4.1 Hiệu suất xử lý trung bình hồ tùy tiện theo thông số đặc trưng nước thải sinh hoạt hiệu xử lý chất hữu hồ - Hiệu suất xử lý TSS: Nồng độ TSS khỏi hồ tùy tiện có biến động cao giảm dần qua đợt thí nghiệm Nồng độ TSS trung bình khỏi hồ cao đợt thấp đợt với giá trị tương ứng 22,67 mg/L 11,50 mg/L Hiệu xử lý TSS trung bình hồ đợt thí nghiệm dao động khoảng từ 45,54%-75,70%, với mức thấp đợt cao đợt Khi tăng Q vào hồ từ lít/h lên lít/h giảm HRT hồ từ 20,16 xuống 10,08 ngày làm ảnh hưởng không đáng kể đến sinh trưởng phát triển tảo - Hiệu suất xử lý nitơ hồ tùy tiện: Tải trọng trung bình TN nước thải vào hồ tùy tiện dao động khoảng từ 16,77-53,43 kg/ha/ngày Nồng độ TN trung bình nước thải khỏi hồ tùy tiện có xu hướng tăng dần đợt thí nghiệm, dao động từ 8,00-27,00 mg/L, đạt hiệu xử lý cao đợt (69,23%) thấp đợt (32,11%) Nồng độ NH4+- N trung bình nước thải khỏi hồ tăng dần từ đợt đến đợt 5, dao động khoảng 5,24- 20,75 mg/L Nồng độ NO3 N trung bình nước thải khỏi hồ biến động đợt thí nghiệm, dao động khoảng từ 2,75-5,3 mg/L Hiệu suất xử lý trung bình với NH4+-N dao động khoảng từ 49,24% -77,72%, đạt giá trị cao đợt thấp đợt Khoảng giá trị thấp so với giá trị hiệu suất xử lý NH4+-N hồ tùy tiện đạt tới 90% Khi tăng Q vào hồ từ lên lít/h đồng thời giảm thời gian lưu từ 20,16 xuống 10,08 ngày hiệu suất xử lý NH4+-N hồ giảm không nhiều Điều chứng tỏ khả chịu tải tốt hồ thay đổi lưu lượng nước cần xử lý - Hiệu suất xử lý PO43 P: Tải trọng trung bình PO43 P nước thải vào hồ tùy tiện dao động khoảng 0,23-3,67 kg/ha/ngày Nồng độ PO43 P trung bình nước thải khỏi hồ tùy tiện có xu hướng tăng dần từ đợt đến đợt 5, dao động khoảng từ 0,18-1,89 mg/L Hiệu suất xử lý PO43 P trung bình có biến động đợt thí nghiệm, tăng nhẹ đợt sau lại giảm dần đợt 3, lại tăng lên đợt 5, đạt hiệu xử lý cao 52,30% đợt thấp 21,68% đợt Khi tăng lưu lượng nước thải vào 14 hồ đợt 2, 3, 4, giảm thời gian lưu từ 20,16 ngày (đợt 1) xuống 10,08 ngày (đợt 5), mặt khác tốc độ tăng trưởng tảo hồ đợt lớn đợt 2, 3, 4, làm giảm hiệu suất xử lý PO43 P hồ tùy tiện xuống - Hiệu suất xử lý Coliform: Nồng độ Coliform trung bình nước thải vào khỏi hồ tương ứng 9,21.104 8,5.103 MPN/100 mL (tương đương với 4,91 3,70 log) Như vậy, hồ tùy tiện xử lý 1,03 log nồng độ Coliform nước thải Kết phù hợp với tổng hợp Ansa E D O et al (2015) khả xử lý Coliform hệ thống HSH NTSH nằm khoảng 1-5 log 4.1.3 Hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt bãi lọc FWS Tải lượng chất ô nhiễm nước thải vào bãi lọc FWS hiệu suất xử lý bãi lọc FWS đợt thí nghiệm tổng hợp Bảng 4.4, Bảng 4.5 Hình 4.2 Bảng 4.4 Tải lượng trung bình chất ô nhiễm nước thải vào bãi lọc FWS đợt thí nghiệm (kg/ha/ngày) TT Đợt thí nghiệm Thông số Đợt Đợt Đợt Đợt Đợt 46,91±24,09 41,11±11,67 39,47±12,68 57,14±2,86 60,80±11,50 BOD5 TN 8,00±2,71 20,42±5,05 24,50±6,24 47,25±3,03 49,33±4,16 NH4+ -N 5,24±2,00 18,51±6,23 16,72±5,18 36,02±4,91 41,50±6,05 NO3- -N 5,3±1,21 3,44±0,63 4,80±1,01 7,38±1,91 8,07±1,03 0,18±0,16 0,88±0,21 1,33±0,11 3,32±0,45 3,55±0,59 3- PO4 -P Bảng 4.5 Nồng độ trung bình thơng số đặc trưng nước thải sau xử lý bãi lọc FWS đợt thí nghiệm Thơng số Đơn vị pH Đợt thí nghiệm Đợt Đợt Đợt Đợt Đợt 6,7 ÷ 7,8 6,5 ÷ 6,8 6,6 ÷ 6,9 6,5 ÷ 6,7 6,5 ÷ 6,9 BOD5 mg/L 8,43±4,24 10,95±2,88 10,35±3,05 15,49±0,68 15,07±2,57 TSS mg/L 4,5±1,13 1,5±0,55 3,33±1,03 6,67±2,73 5,33±2,58 TN(*) mg/L 1,5±0,58 4,33±1,53 8,67±1,53 14,67±2,31 15,67±0,58 NH4+ -N mg/L 0,81±0,24 4,10±1,60 5,79±1,54 12,1±1,57 13,08±2,14 NO3- -N mg/L 1,35±1,09 0,72±0,10 1,13±0,21 1,87±0,28 2,17±0,17 PO43 P mg/L 0,12±0,13 0,56±0,24 0,63±0,06 1,39±0,18 1,36±0,23 Coliform (**) MPN/100 mL 1.750± 1.269 Ghi chú: Số mẫu phân tích đợt n = 12; Số mẫu phân tích đợt 2, 3, 4, n = 6; (*): Số mẫu phân tích TN đợt n = 4, đợt 2, 3, 4, n=3; (**): Số mẫu phân tích Coliform đợt n = 4, đợt 2, 3, 4, n=0 - Sự thay đổi pH nước thải sau xử lý: Nước thải khỏi bãi lọc FSW có giá trị pH nằm khoảng trung tính ổn định Hình 4.2 Hiệu suất xử lý trung bình bãi lọc FWS theo đợt thí nghiệm, dao động từ 6,50-7,80 thơng số đặc trưng nước thải sinh hoạt - Hiệu suất xử lý chất hữu dễ phân hủy sinh học: Tải trọng BOD5 trung bình nước thải vào bãi lọc FWS dao động khoảng từ 46,91106,46 kg/ha/ngày Nồng độ BOD5 trung bình nước thải khỏi bãi lọc FWS có xu hướng tăng dần từ đợt đến đợt với giá trị tương ứng 8,43 mg/L; 10,95 mg/L; 10,35 mg/L; 15,49 mg/L 15,07 mg/L Hiệu suất xử lý BOD5 trung bình giảm dần từ đợt tới đợt với mức tương ứng 82,04%; 66,72%; 15 60,67%; 52,55% 50,43% Như vậy, tăng HLR vào bãi lọc, đồng thời giảm HRT ứng đợt thí nghiệm (0,10; 0,125; 0,15; 0,175; 0,20) m3/m2/ngày (6,36; 5,09; 4,24; 3,64; 3,18) ngày làm giảm không đáng kể Hiệu xử lý BOD5 bãi lọc Hiệu suất xử lý BOD5 bãi lọc FWS đợt 2, 3, giảm tương ứng so với đợt 15,32%; 21,37%; 29,48% 31,60% -Hiệu suất xử lý TSS: Nồng độ TSS nước thải khỏi bãi lọc FWS có xu hướng tăng dần theo đợt thí nghiệm Nồng độ TSS trung bình dao động khoảng 1,50-6,67 mg/L, thấp đợt cao đợt Hiệu suất xử lý TSS trung bình đợt thí nghiệm từ đợt đến đợt tương ứng 80,13%; 92,68%; 84,50%; 42,03%; 60,98% Khi tăng HLR lên 0,125 0,15 m3/m2/ngày vào bãi lọc mức độ ảnh hưởng đến khả xử lý TSS bãi lọc không đáng kể Nhưng tăng HLR lên mức 0,175 0,20 m3/m2/ngày làm giảm đáng kể hiệu suất xử lý TSS bãi lọc - Hiệu suất xử lý Nitơ bãi lọc FWS: Tải trọng trung bình TN, NH4+-N NO3 N nước thải vào bãi lọc FWS dao động khoảng tương ứng 8,00-49,33; 5,24-41,50; 5,30-8,07 kg/ha/ngày Nồng độ trung bình TN, NH4+-N NO3 N nước thải khỏi bãi lọc FWS có xu hướng tăng dần đợt thí nghiệm, với khoảng dao động tương ứng 1,50 – 15,67 mg/L, 0,81- 13,08 mg/L 1,35-2,17 mg/L Hiệu suất xử lý trung bình TN, NH4+-N NO3 N bãi lọc giảm dần từ đợt đến đợt Khi tăng HLR vào bãi lọc lên 0,125 m3/m2/ngày (đồng thời giảm HRT xuống 5,09 ngày) hiệu suất xử lý TN, NH4+-N NO3 N bãi lọc giảm không đáng kể Nhưng tăng HLR vào bãi lọc lên 0,15; 0,175 0,20 m3/m2/ngày (đồng thời HRT xuống 4,24; 3,64; 3,18 ngày tương ứng) làm giảm hiệu suất xử lý TN, NH4+-N NO3 N bãi lọc nhiều Hiệu suất xử lý trung bình TN, NH4+-N NO3 N đợt đợt tương ứng 81,25%; 84,56%; 74,63% 36,49%; 36,97%; 46,15% Điều cho thấy khả xử lý Nitơ bãi lọc FWS chịu ảnh hưởng lớn HLR HRT bãi lọc - Hiệu suất xử lý PO43 P: Tải trọng trung bình PO43 P nước thải vào bãi lọc FWS dao động khoảng từ 0,18-3,55 kg/ha/ngày Nồng độ PO43 P nước thải khỏi bãi lọc FWS có xu hướng tăng dần từ đợt đến đợt 5, dao động khoảng từ 0,12-1,39 mg/L, thấp đợt cao đợt Hiệu suất xử lý PO43 P trung bình giảm dần từ mức 33,49% (đợt 1) xuống mức 23,41% (đợt 5) Như vậy, tăng Q vào bãi lọc lên đợt 2, 3, hiệu suất xử lý PO43 P bãi lọc giảm dần mức giảm không đáng kể - Hiệu suất xử lý Coliform Số Coliform trung bình nước thải vào khỏi bãi lọc FWS thấp tương ứng 8.500 1.750 MPN/100 mL (tương đương với 3,93 3,24 log) Như vậy, bãi lọc FWS trung bình xử lý 0,69 log số Coliform có nước thải từ hồ tùy tiện 4.1.4 Hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt mơ hình Nước thải sau xử lý mơ hình dòng nước thải khỏi bãi lọc FWS với nồng độ thông số thể Bảng 4.5 Hiệu suất xử lý nước thải mơ hình thể Hình 4.3 - Sự thay đổi pH nước thải sau xử lý: Nước thải sau xử lý mơ hình có pH trung tính, dao động khoảng từ 6,5-7,8 - Hiệu suất xử lý chất hữu dễ phân hủy sinh học: Nồng độ BOD5 trung bình nước thải khỏi mơ hình có xu hướng tăng dần từ đợt đến đợt Tuy nhiên giá trị nồng độ BOD5 trung bình Hình 4.3 Hiệu suất xử lý trung bình mơ hình theo nước sau xử lý mơ hình mức thấp thơng số đặc trưng nước thải sinh hoạt (