Nghiên cứu sinh trưởng của chuối hoa (Canna generalis) trên các loại BLTC cũng như xác định các hệ số động học loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt (BOD 5 , TN, TP,…) trê[r]
(1)Nghiên cứu sử dụng chuối hoa để xử lý nước thải sinh hoạt
Tóm tắt: Bãi lọc trồng dây chuyền công nghệ XLNT sinh hoạt giải pháp hữu hiệu cho vùng ven đô thị khu vực trung du miền núi phía Bắc Nghiên cứu sinh trưởng chuối hoa (Canna generalis) loại BLTC xác định hệ số động học loại bỏ chất ô nhiễm nước thải sinh hoạt (BOD5, TN, TP,…) các bãi lọc trồng loại
này mục tiêu nghiên cứu trình bày báo Kết nghiên cứu mơ hình thử nghiệm cho thấy: điều kiện khí hậu miền núi phía Bắc Việt Nam, chuối hoa phát triển tốt bãi lọc ngầm (HF) lẫn bãi lọc ngập nước (FSW) Dùng Canna generalis làm thực vật trồng tạo cho bãi lọc trồng có hiệu suất xử lý chất hữu dinh dưỡng nước thải sinh hoạt tăng lên
1 GIỚI THIỆU CHUNG
Trong năm gần đây, với nước, tốc độ phát triển kinh tế xã hội khu vực miền núi phía Bắc Việt Nam tăng lên rõ rệt Các tác động tạo nên sức ép môi trường hệ thống hạ tầng kỹ thuật thị khu vực Hệ thống nước (HTTN) xử lý nước thải (XLNT) tập trung khơng kịp đáp ứng với q trình thị hóa Vì việc xử lý nước thải phi tập trung cho vùng ven đô thị phù hợp cần thiết [1]
Khu vực miền núi phía Bắc có địa hình dốc với khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm quanh năm với hai mùa rõ rệt hè, đơng Đồng thời hàng năm chịu ảnh hưởng gió mùa Đơng Bắc gió mùa Đơng Nam Nhiệt độ tăng dần từ phía bắc xuống phía nam, trung bình hàng năm khoảng 250C
Thời tiết mùa hè từ tháng đến tháng 10 nóng ẩm mưa gió mùa lên Mùa đơng từ tháng 11 tới tháng trời lạnh (nhiệt độ từ 15÷260C), khơ, có mưa phùn Lượng mưa trung
bình từ 1,700 đến 2,400mm [2] Điều kiện tự nhiên phù hợp cho việc ứng dụng cơng trình sinh thái để XLNT sinh hoạt Bãi lọc trồng (BLTC) dây chuyền công nghệ XLNT sinh hoạt giải pháp hữu hiệu chovùng ven đô thị khu vực trung du miền núi phía Bắc [3], [4]
Dạng BLTC ứng dụng phổ biến XLNT BLTC ngập nước (FWS) bãi lọc chảy ngầm (SSF) Ở Việt Nam có nhiều loại sử dụng để làm mơi trường nước tìm thấy Việt Nam [5] Các loài hoàn toàn dễ kiếm tìm ngồi tự nhiên chúng có sức sống mạnh mẽ Tuy nhiên chuối hoa (Canna generalis) loài hợp nước vùng nhiệt đới cận nhiệt đới, tạo cảnh quan sinh thái cho đô thị, vùng ven đô Nghiên cứu sinh trưởng chuối hoa loại BLTC xác định hệ số động học loại bỏ chất ô nhiễm nước thải sinh hoạt (BOD5, TN, TP,…) các bãi lọc trồng
loại mục tiêu nghiên cứu trình bày báo
(2)Đối tượng nghiên cứu bãi lọc trồng ngập nước (Free Water Surface wetland-FWS) bãi lọc trồng chảy ngầm (Submerged Surface Flow -SSF) dạng dòng chảy ngang (Horizontal flow – HF) Nước thải sinh hoạt (NTSH) sử dụng cho mơ hình nghiên cứu nước thải sinh hoạt sau qua bể tự hoại từ HTTN chung khu dân cư ven đô phường Bách Quang thị xã Sông Công (tỉnh Thái Nguyên), thuộc vùng miền núi phía Bắc Việt Nam Trên sở hai sơ đồ kết hợp hồ sinh học BLTC đặt trường, nghiên cứu hiệu xử lý mơ hình thí nghiệm (MHTN) FWS đặt sau hồ sinh học tùy tiện (Hình 1a) HF đặt trước hồ sinh học hiếu khí (Hình 1b)
Sơ đồ MHTN nghiên cứu XLNT sinh hoạt khu dân cư ven đô thị xã Sông Công
Cây trồng BLTC chuối hoa (Canna generalis), loài thực vật thuộc chi dong riềng (Cannas), sống vùng nhiệt đới cận nhiệt đới, cao từ 75-300 cm [6] Đây loài lâu năm, thân thảo, rễ chùm, thân rễ phát triển thành bụi; phẳng rộng mọc từ thân; ưa nắng sống môi trường đất ngập nước đất khô [7] Cây có hoa mười hai tháng năm, hoa màu sắc sặc sỡ trắng ngà, vàng, hồng, đỏ thẫm, đỏ,… thường trồng làm cảnh đô thị [6] Do có tốc độ sinh trưởng nhanh, tiêu thụ nhiều nước, sinh khối hàm lượng N, P mặt đất lớn phần lớn miễn dịch với sâu hại nên chuối hoa dùng làm thực vật XLNT BLTC [7] [8]
Vật liệu (VL) BLTC chủ yếu sỏi cát Kích thước mơ hình BLTC xây dựng theo [9], [10] [11] thể Bảng loại FWS thể Bảng loại HF
Bảng Kích thước MHTN loại FWS
Thơng số tính tốn Ký hiệu Đơn vị Kết
(3)Lưu lượng nước thải Q m3/ngày 0,096
Diện tích bề mặt (As = 100Q/HLR) [10] As m2 0,96
Chiều dài bãi lọc L m 1,2
Chiều rộng bãi lọc B m 0,8
Chiều cao bãi lọc H m 1,45
Chiều cao lớp nước bề mặt h1 m 0,2
Chiều cao lớp VL trồng (cát f=1÷2 mm) [10] h2 m 0,15
Chiều cao lớp VL lọc (Sỏi f = 2÷3 cm) h3 m 0,9
Chiều cao lớp VL đỡ (Sỏi f=4÷6 cm) [11] h4 m 0,1
Bảng Kích thước MHTN loại HF
Thơng số tính tốn Ký hiệu Đơn vị Kết
Số lượng bãi lọc HF A bể
Tải trọng thủy lực [9] HLR m3/m2/ngày 5
(4)Diện tích bãi lọc As = 100Q/HLR As m2 0,96
Chiều dài bãi lọc L m 1,2
Chiều rộng bãi lọc B m 0,8
Chiều cao bãi lọc H m 0,75
Chiều cao lớp VL lọc (sỏi f=2÷3 cm) [11] h1 m 0,6
Chiều cao VL trồng (cát f =1÷2 mm) [10] h2 m 0,15
(5)Cây chuối hoa chuẩn bị trồng
MHTN nạp xong VL lọc
Cây trồng có chiều cao trung bình 20cm, có từ đến mầm Cây trồng cách 20 cm theo chiều dọc chiều ngang Thời gian lưu nước (HRT) cơng trình BLTC xác định theo cơng thức: t = V/Q
Xác định sinh khối khô thực vật: Thực vật sau thu hoạch vận chuyển đến phịng thí nghiệm, cân trọng lượng trước sấy, sau cắt nhỏ thành đoạn dài khoảng 20 ¸ 30 cm, sấy khơ đến khối lượng khơng đổi 1030C ¸ 1050C, để nguội bình hút ẩm cân lại trọng
lượng khô sau sấy Chênh lệch trọng lượng tươi trọng lượng khô độ ẩm sinh khối Chênh lệch sinh khối khô ban đầu (trước trồng) thu hoạch độ tăng sinh khối BLTC
Để xác định hệ số động học phân hủy chất ô nhiễm loại BLTC trồng Canna generalis, coi bãi lọc bể phản ứng sinh học bám dính với mơ hình dịng đẩy phản ứng bậc cho tất chất nhiễm, có BOD5, TN, NH4+-N, NOx-N, TP, … Hằng số tốc
(6)trong đó: As: diện tích xử lý BLTC (m2); Xe: nồng độ chất nhiễm dịng (mg/L); Xi:
Nồng độ chất nhiễm dịng vào (mg/L); X*: nồng độ chất ô nhiễm, mg/L; k: số tốc độ phản ứng bậc (m/ngày); q: tải trọng thủy lực (m3/m2.ngày m/ngày); Q: tốc độ
dịng chảy trung bình qua bãi lọc (m3/ngày)
Các thông số chất lượng nước BOD5, NH4+-N, NO3 N, PO43-P,… phân tích
phịng thí nghiệm trường Đại học Xây dựng Trung tâm Quan trắc môi trường Thái Nguyên theo phương pháp chuẩn như: TCVN 6001-1995 (ISO 5815-1989) - Chất lượng nước - Xác định nhu cầu oxi sinh hoá sau ngày (BOD5) - phương pháp cấy pha loãng [13], TCVN 5988-1995 (ISO 5664-1984) - Chất lượng nước - Xác định amoni - Phương pháp chưng cất chuẩn độ [14], TCVN 6180-1996 (ISO 7890-3-1988) - Chất lượng nước – Xác định nitrat - Phương pháp trắc phổ dùng axit sunfosalixylic [15]
2 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3 Sự sinh trưởng trồng mơ hình thí nghiệm BLTC
Kết theo dõi sinh trưởng, phát triển chuối hoa thời gian thí nghiệm cho thấy: Trong tháng đầu sau trồng (ngày 7/12/2014) thời gian để thích nghi với điều kiện môi trường, bén rễ Sang tháng thứ thứ sau bén rễ, bắt đầu non mới, mức sinh trưởng chậm Sang tháng thứ 4, bắt đầu phát triển mạnh thêm nhiều non mới, cao nhanh, to dài Thời điểm bắt đầu thu hoạch sinh khối ngày
29/3/2015 (sau tháng 22 ngày) Như vậy, thời gian khởi động mơ hình cho trồng thích nghi sinh trưởng dài Do thời điểm vào mùa đông trời rét, nhiệt độ trung bình khơng khí thấp (18÷230C) nên trồng sinh trưởng chậm so với điều kiện thời tiết nóng ấm mùa
hè
(7)(8)Hình Sinh khối trung bình/cây theo thời gian thu hoạch bãi lọc HF FWS
Đối với bãi lọc HF, từ tháng đến tháng năm 2015 sinh khối thu hoạch thời điểm có xu hướng tăng dần sau giảm xuống tháng tháng Sang tháng tháng sinh khối lại tăng dần lên so với tháng trước lại giảm xuống tháng 10 tháng 11 lại tăng lên tháng 12 Trong năm 2016 sinh khối tháng biến động nhẹ ổn định từ tháng đến tháng Sinh khối thu hoạch đạt giá trị max 526,15g vào ngày 17/5/2015 đạt giá trị 95g vào ngày 29/3/2015 Sinh khối trung bình/cây dao động khoảng từ 12,53 – 42,76 g, trung bình đạt 29,81 g Chiều cao trung bình tồn thu hoạch bãi lọc HF đạt mức 1,44m Trong thời gian nghiên cứu chuối hoa bãi lọc HF phát triển ổn định, có nhiều mầm
(9)thu hoạch bãi lọc đợt dao động khoảng từ 22,84-1182,96 g, đạt giá trị cao vào ngày 12/4/2016 giá trị thấp ngày 29/3/2015 Sinh khối trung bình/cây dao động khoảng từ 22,84 - 71,69g, trung bình đạt 41,49 g/cây Chiều cao trung bình toàn thu hoạch bãi lọc FWS đạt mức 1,58m Trong thời gian nghiên cứu cho thấy, chuối hoa bãi lọc FWS có phát triển ổn định, lên nhiều mầm
So sánh tăng trưởng chuối hoa hai BLTC thể Bảng
Bảng 3. Tổng hợp sinh khối chuối hoa bãi lọc HF FWS thời gian nghiên cứu.
BLTC Tổng sinh khối (g)
Độ ẩm trung bình (%)
Sinh khối trung bình/cây (g)
Chiều cao trung bình/cây (m)
HF 8196,69 86,96±0,30 29,81±7,58 1,44±0,19 FWS 11908,96 88,84±1,33 41,49±13,13 1,58±0,21
Các giá trị tổng sinh khối, sinh khối trung bình/cây chiều cao trung bình/cây bãi lọc FWS lớn so với bãi lọc HF toàn thời gian nghiên cứu, với mức cao tương ứng 31,17%; 28,17% 8,63% Cây chuối hoa có khả sinh trưởng bãi lọc FWS HF Tuy nhiên, phát triển tốt điều kiện đất ngập nước bãi lọc FWS Cây phát triển cao hình thành sinh khối lớn nhiều so với điều kiện khô bãi lọc HF Khi sinh trưởng môi trường đất ngập nước độ ẩm cao so với sinh trưởng môi trường khô hạn
1 Hệ số phân hủy chất ô nhiễm đặc trưng nước thải sinh hoạt BLTC qua hai MHTN
Trên sở số liệu thu từ đợt thí nghiệm, dựa vào phương trình (1) (2), sử dụng phương pháp nội suy, xây dựng phương trình động học phân hủy chất ô nhiễm đặc trưng NTSH gồm chất hữu (theo BOD5) chất dinh dưỡng nitơ (NH4+-N,
NO3 N) BLTC MHTN Từ đó, xác định hệ số phân hủy chất ô nhiễm Các hệ số phân hủy chất hữu (kBOD)
Kết xác định hệ số phân hủy chất hữu (kBOD) NTSH BLTC MHTN tính theo (1), (2) tổng hợp Bảng
Bảng Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu NTSH BLTC MHTN
(10)m3/m2/ngày kg/ha/ngày quan R2 m/năm m/ngày
HF
0,050 41,73 27 0,073 0,87
0,075 63,08 35 0,097 0,80
0,088 72,86 43 0,118 0,89
0,100 81,95 48 0,131 0,90
FWS
0,100 46,91 64 0,175 0,97
0,125 41,11 54 0,148 0,98
0,150 39,47 62 0,171 0,97
0,175 57,14 63 0,174 0,93
0,200 60,80 69 0,189 0,86
Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu (kBOD) bãi lọc HF đợt thí nghiệm có xu hướng
tăng dần tăng HLR từ 0,05- 0,10 m3/m2/ngày với tải trọng chất hữu vào bãi lọc HF dao
động khoảng từ 41,73-81,95 kg/ha/ngày Hệ số kBOD bãi lọc HF dao động khoảng
từ 0,073-0,131 m/ngày, đạt cao HLR cao 0,10 m3/m2/ngày Giá trị phù hợp với
các kết công bố hệ số kBOD trung bình bãi lọc HF Kadlec R.H (2009),
Jan Vymazal (2008), Ngô Diễm Thùy Trang tác giả Đại học Cần Thơ (2010) với giá trị tương ứng 0,101; 0,123; 0,060-0,260 m/ngày (hay 37; 45 22-95 m/năm) [12], [16] [17]
Hệ số kBOD bãi lọc FWS dao động khoảng từ 54-69 m/năm (0,148-0,189 m/ngày) Giá
(11)bậc bậc Kadlec R H (2009) 41 33 m/năm (hay 0,112 0,090 m/ngày tương ứng)[16] HLR vào bãi lọc từ 0,05- 0,10 m3/m2/ngày với tải trọng chất hữu dao động
khoảng từ 39,47-60,80 kg/ha/ngày
-Các hệ số chuyển hóa NH4+-N, NO3--N (kNH4+-N , kNO3 N ) BLTC
Kết xác định hệ số phân hủy NH4+-N, NO3 N NTSH BLTC mơ hình thí
nghiệm tính theo (1), (2) tổng hợp Bảng Bảng
Bảng Các hệ số chuyển hóa NH4+-N NTSH BLTC MHTN
BLTC
HLR, m3/m2/ngày
Tải trọng ô nhiễm, g/m2/ngày
KNH4-N
Hệ số tương quan R2 m/năm m/ngày
HF
0,050 11,77 15 0,040 0,95
0,075 25,41 10 0,028 0,89
0,088 29,65 11 0,029 0,87
0,100 43,67 0,023 0,99
FWS
0,100 5,24 79 0,216 0,90
0,125 18,51 54 0,147 0,94
0,150 16,73 49 0,134 0,84
0,175 36,02 41 0,112 0,89
(12)Bảng Các hệ số phân hủy NO3 N NTSH BLTC MHTN
BLTC
HLR, m3/m2/ngày
Tải trọng ô nhiễm, g/m2/ngày
KNO3-N
Hệ số tương quan R2 m/năm m/ngày
HF
0,050 12,55 26 0,071 0,90
0,075 10,28 18 0,050 0,88
0,088 19,69 16 0,044 0,89
0,100 24,30 11 0,029 0,93
FWS
0,100 53,00 97 0,266 0,84
0,125 34,38 95 0,259 0,86
0,150 48,00 85 0,233 0,90
0,175 73,85 65 0,178 0,81
0,200 117,80 50 0,137 0,88
Hệ số kNH4+-N bãi lọc HF có khác biệt khơng đáng kể đợt thí nghiệm có xu hướng
giảm dần tăng HLR vào bãi lọc từ 0,05-0,10 m3/m2/ngày, dao động khoảng từ
0,023÷0,040 m/ngày tương ứng Giá trị phù hợp với kết công bố hệ số kNH4+-N bãi
lọc HF tác giả Kröpfelová Vymazal (2008), Kadlec R.H (2009) với giá trị tương ứng 0,024 0,031 m/ngày (11,4 m/năm) [7], [19] Tuy nhiên kết thấp so kết công bố Kadlec and Knight (1996) với giá trị kNH4+-N = 0,093 m/ngày[12]
Hệ số kNH4+-N bãi lọc FWS cao nhiều so với bãi lọc HF giảm dần tăng HLR vào
(13)hơn so với kết công bố giá trị trung bình hệ số kNH4+-N bãi lọc FWS Kadlec R.H
(2009) với giá trị 0,0403 m/ngày (14,7 m/năm) [16]
Hệ số kNO3 N bãi lọc HF khơng có khác biệt đáng kể đợt thí nghiệm có xu hướng
giảm dần tăng tải trọng thủy lực vào bãi lọc, dao động khoảng 0,029÷0,071 m/ngày tương ứng Giá trị phù hợp với kết công bố hệ số kNO3 N bãi lọc HF
các tác giả Kröpfelová and Vymazal (2008) với giá trị kNO3 N = 0,039 m/ngày [19] Tuy nhiên kết
quả thấp so với giá trị kNO3 N theo công bố Kadlec & Knight (1996), Kadlec R.H
(2009) với giá trị tương ứng là; 0,137 0,115 m/ngày (42 m/năm) [12], [16] Hệ số kNO3 N
của bãi lọc FWS cao nhiều so với bãi lọc HF giảm dần từ đợt đến đợt 5, dao động khoảng từ 0,137-0,266 m/ngày đạt giá trị cao đợt với HLR 0,10 m3/m2/ngày Giá
trị cao so với kết công bố giá trị trung bình hệ số kNO3 N bãi lọc FWS
R.H.Kadlec (2009) với giá trị 0,074 m/ngày (27 m/năm) [16] KẾT LUẬN
Cây chuối hoa Canna generalis loại thực vật thân thảo, rễ chùm, có hoa sinh trưởng tốt đất ngập nước Khi trồng BLTC, Canna generalis đóng vai trị lồi thực vật tạo điều kiện chuyển hóa chất ô nhiễm nước thải sinh hoạt Kết nghiên cứu MHTN loại BLTC điều kiện khí hậu miền núi phía Bắc Việt Nam, thấy chuối hoa phát triển tốt bãi lọc HF lẫn bãi lọc FSW Tuy nhiên sinh khối khơ trung bình Canna generalis FSW 41,49 g/cây lớn so với 29,81 g/cây HF Là loại thực vật chịu nước, khả sinh trưởng phát triển Canna generalis BLTC cao Ngồi với hình dáng đẹp có hoa nhiều màu, Canna generalis loại thực vật thích hợp cho cơng trình sinh thái để XLNT sinh hoạt phân tán vùng ven đô thị miền núi trung du phía Bắc Việt Nam
Khi trồng Canna generalis loại BLTC, hệ số phân hủy chất ô nhiễm như: hệ số phân hủy chất hữu (kBOD), hệ số chuyển hóa NH4+-N(kNH4+-N ) hệ số chuyển hóa NO3—N
(kNO3 N ) MHTN bãi lọc HF có giá trị tương đương BLTC theo nghiên cứu nhiều tác giả khác Tuy nhiên MHTN bãi lọc FSW giá trị hệ số cao so với nghiên cứu trước nhiều vùng khí hậu khác Dùng Canna generalis làm thực vật trồng tạo cho bãi lọc FSW có hiệu suất xử lý chất hữu chất dinh dưỡng nước thải sinh hoạt tăng lên
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Quyết định Số: 589/QĐ-TTg ngày 6/4/2016 Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Điều chỉnh Định hướng phát triển nước thị khu công nghiệp Việt Nam đến năm 2025 tầm nhìm đến năm 2050
2 Nguyễn Khanh Vân Phân vùng khí hậu tỉnh miền núi Bắc Bộ Tây Thanh Nghệ.Tạp chí Các khoa học trái đất, số 37(3) năm 2015, 204-212
(14)4 Vi Thi Mai Huong, Tran Duc Ha A study on domestic wastewater treatment ability in Bach Quang ward by the hybrid model of stabilisation pond and constructed wetland, Internetional workshop on environmental & architectural design for sustainable development, Đại học Xây dựng, 2017; ISBN: 978-604-82-2169-0, pp.73-82
5 Đặng Đình Kim, Lê Đức, Trần Văn Tựa, Bùi Thị Kim Anh, Đặng Thị An Xử lý ô nhiễm môi trường thực vật Nhà xuất Nông nghiệp, Hà Nội, 2011
6 Tjia B and Black R J Cannas for the Florida Landscape, Circular 424, Florida
Cooperative Extension Service, Institute of Food and Agricultural Sciences, University of Florida,1991
7 Vymazal J., Constructed wetlands for wastewater treatment: A review, ENKY.o.p.s andInstitute of System Biology and Ecology, Czech Acedamy of Science, Dukenska 145-379 01 Czech Republic, 2008
8 PROTA Plant Resources of Tropical Africa African ornamentals Proposals and examples, PROTA Foundation, Wageningen, Netherlands, 2011
9 Watson J T., Reed S C., Kadlec R H., Knight R L and Whitehouse A E Constructed Wetlands for Wastewater Treatment, Ed DA Hammer, Lewis Publishers, CRC Press, Boca Raton, FL, 1989
10 Kayombo S., Mbwette T., Katima J., Ladengaard N., & Jorgensen S., Waste Stabilization Ponds and Constructed Wetlands Design Manual Dar es Salaam, TZ/Copenhagen, DK: UNEP-IETC/Danida, 2004
11 USEPA Manual Constructed wetlands treatment of municipal wastewaters- Nationsl Rist management research laboratory office of research and development
U.S.environmental Protection Agency Cincinati, Ohio 45268-EPA/625/R-99/010, 2000 12 Kadlec R H, Knight R L Treatment wetlands, Boca Raton, Florida: CRC Press, 1996,
893 pp
13 TCVN 6001-1995 (ISO 5815-1989) - Chất lượng nước - Xác định nhu cầu oxi sinh hoá sau ngày (BOD5) - phương pháp cấy pha loãng
14 TCVN 5988-1995 (ISO 5664-1984) - Chất lượng nước - Xác định amoni - Phương pháp chưng cất chuẩn độ
15 TCVN 6180-1996 (ISO 7890-3-1988) - Chất lượng nước – Xác định nitrat - Phương pháp trắc phổ dùng axit sunfosalixylic
16 Kadlec R H ‘Comparison of free water and horizontal subsurface treatment wetlands’, Ecological Engineering 35 (2009), pp 159–174
17 Ngo Thuy Diem Trang, Dennis Konnerup, Hans-Henrik Schierup, Nguyen Huu Chiem, Le Anh Tuan, Hans Brix ,“Kineritcs of pollutant removal from domestic wastewater in a tropical horizontal subsurface flow constructed wetland system: Effects of hydraulic loading rate”, Ecological Engineering 36 (2010), pp 527–535