Nghiên cứu sử dụng xỉ than nhà máy nhiệt điện mông dương làm chất nền trong hệ thống đất ngập nước nhân tạo để xử lý nước thải sinh hoạt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ LAN HƢƠNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XỈ THAN NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MÔNG DƢƠNG LÀM CHẤT NỀN TRONG HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƢỚC NHÂN TẠO ĐỂ XỬ LÝ NƢỚC THẢI SINH HOẠT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ LAN HƢƠNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XỈ THAN NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MÔNG DƢƠNG LÀM CHẤT NỀN TRONG HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƢỚC NHÂN TẠO ĐỂ XỬ LÝ NƢỚC THẢI SINH HOẠT Chuyên ngành : Kỹ thuật môi trƣờng Mã số LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Giáo viên hƣớng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thị Loan Hà Nội – Năm 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết nghiên cứu luận văn tự làm Tôi xin cam đoan số liệu thông tin luận văn ghi rõ nguồn gốc Hà nội, ngày 08 tháng 01 năm 2016 Người thực luận văn Nguyễn Thị Lan Hương i LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập, nghiên cứu hồn thành Luận văn này, tơi nhận quan tâm giúp đỡ tận tình nhiều tập thể cá nhân Nhân dịp xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến: Các thầy giáo, giáo Khoa Mơi trường, Phịng quản lý đào tạo Sau Đại học, Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên tận tình giúp đỡ tơi q trình học tập, nghiên cứu hồn thành Luận văn Tơi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Nguyễn Thị Loan - người tận tình hướng dẫn tơi suốt q trình nghiên cứu hồn thành Luận văn Tơi xin cảm ơn tập thể, quan, ban, ngành tạo điều kiện giúp đỡ tơi q trình thu thập tài liệu nghiên cứu Đặc biệt, xin cảm ơn tập thể lớp Cao học Công nghệ Kỹ thuật Môi trường K21 chia sẻ với tôi, giúp đỡ động viên suốt trình học tập, nghiên cứu để hồn thành Luận văn Một lần xin chân thành cảm ơn tất giúp đỡ quý báu tập thể cá nhân dành cho Hà Nội, ngày 08 tháng 01 năm 2016 Người thực luận văn Nguyễn Thị Lan Hương ii MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề Mục tiêu nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn CHƢƠNG I TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan nƣớc thải sinh hoạt 1.1.1 Thành phần tính chất nước thải sinh hoạt 1.1.2 Ảnh hưởng nước thải sinh hoạt đến môi trường 10 1.2 Nguyên lý công nghệ xử lý nƣớc thải sinh hoạt 11 1.2.1 Khảo sát đánh giá mức độ ô nhiễm 11 1.2.2 Một số phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt 12 1.2.3 Công nghệ xử lý nước thải hệ thống đất ngập nước nhân tạo 17 1.3 Tính chất hóa lý xỉ than Nhà máy Nhiệt điện 26 1.4 Các nghiên cứu giới Việt Nam đất ngập nƣớc nhân tạo 32 1.4.1 Nghiên cứu giới 32 1.4.2 Nghiên cứu Việt Nam 35 CHƢƠNG PHƢƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 38 2.1 Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu 38 2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 38 2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 41 2.2 Địa điểm thời gian nghiên cứu 41 2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 41 2.3.1 Phương pháp thu thập tài liệu, số liệu thứ cấp 41 2.3.2 Phương pháp thu thập số liệu sơ cấp 41 CHƢƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 50 3.1 Điều kiện thời tiết khí hậu vùng nghiên cứu 50 iii 3.2 Kết phân tích tính chất lý hóa xỉ than Mơng Dƣơng 3.3 Kết nghiên cứu khả xử lý nƣớc thải sinh hoạt công thức vật liệu lọc 3.3.1 Hiệu suất xử lý COD 3.3.2 Hiệu suất xử lý BOD5 3.3.3 Khả xử lý NH4 3.3.4 Kết xác định số tiêu vật lý sau xử lý công thức 3.4 Kết thử nghiệm trồng loại thực vật thủy sinh khác môi trƣờng xỉ than 3.4.1 Xác định lượng nước nồng độ COD đầu vào thí nghiệm 3.4.2 Biểu kiểu hình loại trồng tham gia thí nghiệm 3.4.3 Tỷ lệ sống loại tham gia thí nghiệm 3.4.4 Khả sinh trưởng loại cơng thức thí nghiệm 3.5 Khả xử lý nƣớc thải công thức trồng 3.5.1 Khả xử lý Amoni, Nitrit thức trồng 3.5.2 Hiệu xử lý BOD5 công thức trồng 3.5.3 Khả xử lý tổng chất rắn lơ lửng công thức trồng 3.5.4 Hiệu xử lý COD công thức trồng 3.5.5 Khả xử lý Phốtphát công thức trồng 3.5.6 Kết đánh giá định tính (cảm quan) tiêu vật lý 3.6 So sánh hiệu suất xử lý công thức với tiêu theo dõi KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC iv DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Tiêu chuẩn thải nước khu vực dân cư Bảng 1.2 Tiêu chuẩn thải nước từ khu dịch vụ thương mại Bảng 1.3 Tiêu chuẩn thải nước từ công sở Bảng 1.4 Tiêu chuẩn thải nước từ khu giải trí Bảng 1.5 Tải trọng chất thải trung bình ngày tính theo đầu người .8 Bảng 1.6 Thành phần nước thải sinh hoạt phân tích theo phương pháp APHA Bảng 1.7 Một số loại thực vật thủy sinh tiêu biểu 24 Bảng 1.8 Lượng than, tro xỉ thải năm, diện tích bãi chứa tro xỉ 27 Bảng 1.9 Tro xỉ từ nhà máy nhiệt điện giai đoạn 2010 – 2030 .27 Bảng 1.10 Một số tính chất vật lý xỉ than 28 Bảng 1.11 Khác biệt thành phần hóa học tro xỉ đốt than 29 Bảng 1.12 Thành phần hóa học tro xỉ 29 Bảng 1.13 Đặc tính than dùng NMNĐ Việt Nam .29 Bảng 2.1 Các vật liệu lọc sử dụng 42 Bảng 2.2 Bảng công thức vật liệu lọc không trồng 43 Bảng 2.3 Các loại sử dụng thí nghiệm 43 Bảng 2.4 Các công thức trồng thí nghiệm 45 Bảng 3.1 Bảng số liệu điều kiện thời tiết khí hậu Hà Nội 50 Bảng 3.2 Độ ẩm xỉ than NMNĐ Mông Dương 52 Bảng 3.3 pH xỉ than NMNĐ Mông Dương 52 Bảng 3.4 Tỉ trọng xỉ than NMNĐ Mông Dương 52 Bảng 3.5 Thành phần khống xỉ than NMNĐ Mơng Dương 52 Bảng 3.6 Hàm lượng kim loại nặng xỉ than NMNĐ Mông Dương 53 Bảng 3.7 Hiệu suất xử lý COD công thức vật liệu lọc 53 v Bảng 3.8 Hiệu suất xử lý BOD5 công thức vật liệu lọc 54 Bảng 3.9 Hiệu suất xử lý NH4+ công thức vật liệu lọc 55 Bảng 3.10 Kết xác định màu, mùi pH sau xử lý công thức 56 Bảng 3.11 Lượng nước cần pha tương ứng với nồng độ cần 58 Bảng 3.12 Sự biểu hình thái màu sắc loại thí nghiệm 59 Bảng 3.13 Tỷ lệ sống chết loại trồng 59 Bảng 3.14 Chiều cao loại qua thời gian thí nghiệm 60 Bảng 3.15 Tốc độ tăng trưởng chiều cao loại qua lần đo .62 Bảng 3.16 Số qua thời gian theo dõi thí nghiệm 64 Bảng 3.17 Số rễ chiều dài rễ qua thời gian theo dõi thí nghiệm 65 Bảng 3.18 Kết phân tích số tiêu vật lý, hoá học nước thải đầu vào thí nghiệm 66 Bảng 3.19 Hàm lượng amoni, hiệu suất xử lý amoni sau 5, 10 ngày trồng vật liệu 67 Bảng 3.20 Hiệu suất xử lý nitrit sau 5, 10 ngày trồng vật liệu 68 Bảng 3.21 Hiệu suất xử lý BOD5 sau 5, 10 ngày trồng vật liệu 69 Bảng 3.22 Hiệu xử lý TSS sau 5, 10 ngày trồng vật liệu 71 Bảng 3.23 Hiệu suất xử lý COD sau 5, 10 ngày trồng vật liệu .72 Bảng 3.24 Hàm lượng Phốtphát sau 5, 10 ngày trồng vật liệu 73 Bảng 3.25 Kết màu sắc mùi nước thải trước sau xử lý 74 Bảng 3.26 Hiệu suất xử lý tiêu theo dõi sau 10 ngày trồng vật liệu 79 vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Bãi xỉ than nhà máy Ninh Bình 30 Hình 1.2 Bãi thải nhà máy nhiệt điện Mơng Dương 31 Hình 2.1 Cây Dong Riềng, Mon Nước, Phát Lộc 40 Hình 2.2 Cây Thủy Trúc, Muống Nhật 40 Hình 3.1 Hiệu suất xử lý NH4+, NO2-, BOD5, COD, TSS, PO43- sau 10 ngày trồng vật liệu 75 vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 viii 74 Dựa vào cảm quan nhận thấy khác biệt trước xử lý sau xử lý; cơng thức khơng trồng có trồng Kết cho thấy công thức 2,3,4 trồng kết hợp với xỉ than vật liệu lọc có kết tốt hết mùi khó chịu nước thải chuyển từ màu nâu sáng, vẩn đục sang màu nhẹ CT1_đối chứng xử lý phần mùi màu nước thải 3.6 So sánh hiệu suất xử lý công thức với tiêu theo dõi Bảng 3.26 Hiệu suất xử lý tiêu theo dõi sau 10 ngày trồng vật liệu (đơn vị:%) Cơng thức CT1 CT2 CT3 CT4 Hình 3.1 Hiệu suất xử lý NH4 trồng vật liệu 75 Từ bảng 3.26 hình 3.1 cho ta thấy điểm chung lớn cơng thức CT1 – đối chứng ln có hiệu suất xử lý thấp so với cơng thức có trồng CT4_ Mon Nước + Thủy Trúc ln có hiệu suất xử lý tốt tiêu Sự khác có cộng hưởng qua lại loại với nhau, với hấp phụ chất ô nhiễm lên bề mặt xỉ than lớp vật liệu lọc phân hủy vi sinh vật lớp vật liệu lọc nên cho kết tốt so với có lớp xỉ than lớp vật liệu lọc trồng loại riêng lẻ Nếu xét riêng ta thấy, CT2_Mon Nước có hiệu suất xử lý tốt tiêu Amoni, BOD 5, COD so với CT3_Thủy Trúc Tùy thuộc vào loại trồng mà chúng có khả xử lý tiêu mức độ khác  Cây Mon Nước có khả xử lý Amoni, Phốtphát tốt  Cây Thủy trúc có khả xử lý Nitrit tốt  Các công thức cho hiệu xử lý tiêu BOD, COD, TSS gần tương đương 76 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Sau tháng nghiên cứu sử dụng xỉ than nhà máy nhiệt điện làm chất hệ thống ĐNN nhân tạo để xử lý nước thải sinh hoạt tác giả xin đưa số kết luận:  Qua việc phân tích tính chất hóa lý, hóa học xỉ than Nhà máy Nhiệt điện Mông Dương, ta thấy, xỉ than NMNĐ Mơng Dương có độ ẩm nhỏ (2,02%), vật liệu khô, tỉ trọng gần tỉ trọng đất cát (2,656 g/cm3), pH=9,9 có tính kiềm cao cải thiện độ chua đất; hàm lượng KLN thuộc giới hạn cho phép theo TCVN 7209:2002, thành phần khống SiO2, Al2O3, Fe2O3 thành phần cần thiết sản xuất vật liệu xây dựng Vì xỉ than Mơng Dương có đặc tính thuận lợi cho việc tái sử dụng lĩnh vực xây dựng, nông nghiệp, xử lý nước thải  Khi phân tích số tiêu COD, BOD5, Amoni, pH, màu, mùi sau cho nước thải qua công thức có vật liệu lọc xỉ than kết cho thấy hàm lượng chất ô nhiễm giảm đáng kể so với ban đầu chưa có vật liệu lọc xỉ than xử lý Cơng thức có khả xử lý chất thải tốt công thức vật liệu 4, VL4 = Cát to + Cát mịn + 50% Xỉ than Với thứ tự xếp chiều dày lớp vật liệu theo thứ tự từ lên cát to:cát mịn:xỉ than=4:4:10 cm  Qua thí nghiệm xác định khả sinh trưởng, phát triển khả chịu tải lượng ô nhiễm trồng chất xỉ than môi trường nước thải sinh hoạt cho thấy: Cây Dong Riềng thích hợp với ngưỡng nồng độ 50%; Mon Nước, Thủy Trúc, Muống Nhật, Phát Lộc thích hợp với ngưỡng nồng độ 75% - 100% Hai loại phát triển tốt 77 chất xỉ than Thủy Trúc Mon Nước Vì lựa chọn hai loại cho thí nghiệm  Sau nghiên cứu khả xử lý nước thải công thức trồng vật liệu (xỉ than, cát to, cát mịn) cho thấy:  Cơng thức có khả xử lý tốt công thức gồm loại Thủy Trúc Mon Nước trồng vật liệu (50% xỉ than, cát to, cát mịn)  Nếu xét riêng với tiêu cụ thể thì: CT2_Mon Nước cho hiệu xử lý Amoni, Phốt phát tốt Ngoài hiệu xử lý tiêu COD, BOD5 cao so với CT3_Thủy Trúc CT3_Thủy Trúc cho hiệu xử lý Nitrit tốt so với CT2_Mon Nước Các công thức cho hiệu xử lý TSS gần tương đương Kiến nghị cho nghiên cứu  Khi xây dựng mơ hình ngồi thực tế cần biết cách sử dụng kết hợp vật liệu lọc xỉ than, cát, sỏi, đá cách hợp lý để sử dụng mơ hình ĐNN nhân tạo nhằm mang lại hiệu xử lý cao  Tiếp tục thử nghiệm phân tích thêm số tiêu ô nhiễm khác có nước thải sinh hoạt: coliform, sunphua, kim loại nặng, dầu mỡ… để đánh giá toàn diện khả lọc xỉ than vật liệu lọc, đồng thời tiếp tục thử nghiệm khả lọc kết hợp xỉ than với số vật liệu khác đá to, sỏi to, mùn bán phân hủy, sét hạt mịn thay đổi chiều dày lớp vật liệu để tìm cơng thức vật liệu tối ưu  Cần có nghiên cứu thêm khả xử lý trồng, Thủy Trúc, Mon Nước với số tiêu khác nước thải sinh hoạt sunfua, nitrat, kim loại nặng, coliform  Cần nghiên cứu thêm loại để làm tăng khả xử lý tạo vẻ đẹp cảnh quan Cỏ Nến, Chuối Hoa Lai, Trúc Mây, Bóng Nước, Thiết Mộc Lan, Xương Bồ 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt [1] Nguyễn Việt Anh (2005), “Xử lý nước thải sinh hoạt bãi lọc ngầm trồng dòng chảy thẳng đứng điều kiện Việt Nam”, Trường Đại học Xây dựng [2] Nguyễn Việt Anh (2007), Nghiên cứu sở khoa học, đề xuất lựa chọn giải pháp thoát nước xử lý nước thải chi phí thấp điều kiện Việt Nam, NXB Xây dựng, Hà Nội [3] Nguyễn Đình Bảng (2004), Giáo trình phương pháp xử lý nước thải, NXB Khoa học tự nhiên, Hà Nội [4] Lê Văn Cát (2007), Xử lý nước thải giàu hợp chất nitơ phốtpho, NXB KH Tự nhiên Cơng nghệ [5] Hồng Đàn (2007), “Xử lý nước thải bãi lọc trồng cây, cơng nghệ đem lại nhiều lợi ích cho mơi trường”, Trường Đại học Tây Nguyên [6] Nguyễn Thế Đặng – Nguyễn Thế Hùng (1999), Giáo trình đất, NXB nơng nghiệp [7] Trần Đức Hạ (2006), Xử lý nước thải thị, NXB KHKT, Hà Nội [8] Nguyễn Tiến Hồng (2006), Xử lý nước thải sinh hoạt phương pháp sinh học, Trường ĐH Khoa học Huế [9] Trịnh Lê Hùng (1996), Kỹ thuật xử lý nước thải, NXB Giáo dục, Hà Nội [10] Trịnh Xn Lai (2000), Tính tốn thiết kế cơng trình xử lý nước thải, NXB Xây dựng, Hà Nội [11] Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga (1999), Giáo trình cơng nghệ xử lý nước thải, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [12] Lương Đức Phẩm (2000), Vi sinh vật học an toàn vệ sinh thực phẩm, NXB Nông nghiệp, Hà Nội 79 [13] Lương Đức Phẩm (2002), Công nghệ xử lý nước thải phương pháp sinh học, NXB Giáo Dục [14] Nguyễn Văn Phước (2007), Giáo trình xử lý nước thải sinh hoạt công nghiệp phương pháp sinh học, NXB Xây dựng, Hà Nội [15] Lâm Vĩnh Sơn (2009), Bài giảng kỹ thuật xử lý nước thải, Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh [16] Kiều Cao Thăng, Nguyễn Đức Quý (2011), “Tình hình phương hướng tái chế, sử dụng tro xỉ Nhà máy Nhiệt điện Việt Nam”, Hội thảo Tận thu thạch cao, Hội VLXD Việt Nam [17] Trần Cẩm Vân, Bạch Phương Lan (1995), Công nghệ vi sinh bảo vệ môi trường, NXB Khoa học & Kỹ thuật, Trung tâm Giao lưu quốc tế Văn hoá, Giáo dục Khoa học (CCES), Hà Nội Tài liệu tiếng Anh [18] Dayna, Yocum (2002), Wetlands, Science and Environmental Management, University Santa Barbara of California [19] EPA (1988), Design Manual Constructed wetlands and aquatic plant systems for municipal wastewater treatment, United States Environmental Protection Agency [20] Gupta VK, Mittal A, Krishnan L, Mittal J (2006), Adsorption treatment and recovery of the hazardous dye, Brilliant Blue FCF, over bottom ash and de-oiled soya, J Colloid Interface Sci 293(1), pp.16–26 [21] Jan Vymazal, Lenka Kropfelova (2008), Wastewater treatment in constructed wetlands with Horizontal subsuface flow, Czech University of Life Sciences Prague, Faculty of Environmental Sciences [22] Sim Cheng Hua (2003), The use of constructed wetlands for wastewater treatment, Wetlands International - Malaysia Offce 80 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Giá trị C thông số ô nhiễm nƣớc thải sinh hoạt (QCVN 14:2011/BTNMT) STT Thông số pH BOD5 (200C) Tổng chất rắn lơ lửng (TSS) Tổng chất rắn hòa tan (TDS) Sunfua (tính theo H2S) Amoni (tính theo N) Nitrat (NO3 Dầu mỡ động, thực vật Tổng chất hoạt động 10 bề mặt Phốtphát (tính theo P) 11 Tổng coliform Trong đó:  Cột A quy định giá trị C thông số ô nhiễm làm sở tính tốn giá trị tối đa cho phép nước thải sinh hoạt thải vào nguồn nước dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt (có chất lượng nước tương đương cột A1 A2 Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lượng nước mặt)  Cột B quy định giá trị C thơng số nhiễm làm sở tính tốn giá trị tối đa cho phép nước thải sinh hoạt thải vào nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt (có chất lượng nước tương đương cột B1 B2 Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lượng nước mặt vùng nước biển ven bờ) 81 Phụ lục 2: Một số hình ảnh q trình thí nghiệm 82 SƠ ĐỒ MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƢỚC NHÂN TẠO Nguồn: Trịnh Xuân Lai, 2000 Hình Hệ thống ĐNN dòng chảy bề mặt Ghi chú: Hướng dòng chảy theo phương ngang (HSSF) hay phương thẳng đứng (VSSF) Nguồn: Trịnh Xuân Lai, 2000 Hình Hệ thống ĐNN dịng chảy bề mặt Nguồn: Cooper, 1996 Hình Sơ đồ hệ thống ĐNN nhân tạo dòng chảy ngang bề mặt 83 Nguồn: Cooper, 1996 Hình Sơ đồ hệ thống ĐNN nhân tạo dòng chảy đứng bề mặt Nguồn: Trịnh Xuân Lai, 2000 Hình Đường BOD/Cacbon hệ thống ĐNN nhân tạo 84 Nguồn: Trịnh Xuân Lai, 2000 Hình Đường hạt rắn hệ thống ĐNN nhân tạo Nguồn: Trịnh Xuân Lai, 2000 Hình Đường Nitơ hệ thống ĐNN nhân tạo 85 Nguồn: Trịnh Xuân Lai, 2000 Hình Đường phốtpho hệ thống ĐNN nhân tạo Nguồn: Trịnh Xuân Lai, 2000 Hình Quá trình loại bỏ vi khuẩn hệ thống ĐNN nhân tạo 86 ... ? ?Nghiên cứu sử dụng xỉ than Nhà máy Nhiệt điện Mông Dương làm chất hệ thống đất ngập nước nhân tạo để xử lý nước thải sinh hoạt ” Mục tiêu nghiên cứu Nâng cao hiệu xử lý nước thải nói chung nước. .. phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt 12 1.2.3 Công nghệ xử lý nước thải hệ thống đất ngập nước nhân tạo 17 1.3 Tính chất hóa lý xỉ than Nhà máy Nhiệt điện 26 1.4 Các nghiên cứu giới... TỰ NHIÊN NGUYỄN THỊ LAN HƢƠNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XỈ THAN NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MÔNG DƢƠNG LÀM CHẤT NỀN TRONG HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƢỚC NHÂN TẠO ĐỂ XỬ LÝ NƢỚC THẢI SINH HOẠT Chuyên ngành : Kỹ thuật môi