Giáo trình thiết kế wetland cho xử lý nước thải

THIẾT KẾ WETLAND CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI TS NGUYỄN HỒNG NAM GIÁO TRÌNH THIẾT KẾ WETLAND CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT 1 | THIẾT KẾ WETLAND CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI Chịu trách nhiệm xuất bản: ThS Võ Tuấn Hải Biên tập: Nguyễn Phương Liên Thiết kế bìa: Xuân Dũng NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT 70 Trần Hưng Đạo, Hoàn Kiếm, Hà Nội ĐT: P TH&QLXB: 024 3942 3172; TT Phát hành: 024 3822 0686 Ban Biên tập: 024 3942 1132 - 024 3942 3171 FAX: 04 3822 0658 - WEBSITE: http://www.nxbkhkt.com.vn EMAIL: nxbkhkt@hn.vnn.vn CHI NHÁNH NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT 28 Đồng Khởi - Quận - Thành phố Hồ Chí Minh ĐT: 08 3822 5062 In 200 bản, khổ 19x27 cm Xí nghiệp in NXB Văn hóa dân tộc Địa chỉ: 128C/22 Đại La, Hà Nội Số đăng ký xuất bản: 1661-2019/CXBIPH/2-31/KHKT Số định xuất bản: 54/QĐXB-NXBKHKT, ngày 18 tháng năm 2019 In xong nộp lưu chiểu năm 2019 Mã ISBN: 978-604-67-1245-9 2 | Mục lục Lời nói đầu G iáo trình “Thiết kế wetland cho xử lý nước thải” biên soạn nhằm cung cấp cho sinh viên năm cuối ngành kỹ thuật môi trường quan tâm đến công nghệ wetland kiến thức loại hệ thống constructed wetland, chế chuyển hóa chất hệ thống constructed wetland, chế loại bỏ chất ô nhiễm công nghệ xử lý nước thải hệ thống constructed wetland ứng dụng wetland cho xử lý số loại nước thải Trọng tâm giáo trình đưa cách đánh giá đặc tính nước thải, cân nước, vị trí cách tính tốn để thiết kế xây dựng hệ thống constructed wetland; nắm bắt bước tiến hành, sở khoa học tính tốn thiết kế hệ thống xử lý nước thải khác hệ thống constructed wetland; sở thiết kế hồn chỉnh hệ thống, tiến hành xây dựng hệ thống, tiến hành lựa chọn loại thực vật trồng vào hệ thống; thực bước vận hành hệ thống công việc bảo hành bảo trì hệ thống đánh giá hiệu xử lý hệ thống Ngồi giáo trình đưa sở để tính tốn cho loại chi phí từ việc xây dựng, đến chi phí cho vận hành bảo trì hệ thống constructed wetland, so sánh với hệ thống xử lý khác Giáo trình tài liệu tham khảo tài liệu thức cho học viên cao học ngành kỹ thuật môi trường, công nghệ môi trường cán nghiên cứu lĩnh vực xử lý nước thải nói chung xử lý cơng nghệ wetland nói riêng Công nghệ wetland thiết kế constructed wetland cho xử lý nước thải lĩnh vực Việt Nam, sách xuất lần nên khơng tránh khỏi thiếu sót, mong nhận ý kiến đóng góp bạn đọc đồng nghiệp để giáo trình sửa chữa, bổ sung cho hoàn chỉnh Tác giả 3 | THIẾT KẾ WETLAND CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU MỤC LỤC NHỮNG TỪ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU Chương LOẠI BỎ CÁC CHẤT Ô NHIỄM BẰNG WETLAND 13 1.1 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA WETLAND 13 1.1.1 Đất 13 1.1.2 Nước 15 1.1.3 Thực vật wetland 15 1.1.4 Phân loại wetland 21 1.2 CƠ CHẾ LOẠI BỎ CÁC CHẤT Ô NHIỄM THÔNG THƯỜNG 22 1.2.1 Quá trình phi sinh học 22 1.2.2 Quá trình sinh học 24 1.3 CƠ CHẾ LOẠI BỎ CÁC CHẤT Ô NHIỄM ĐẶC BIỆT 26 1.3.1 Tổng chất rắn lơ lửng 27 1.3.2 Tổng carbon hữu nhu cầu oxy 27 1.3.3 Hydrocarbon 28 1.3.4 Nitơ 30 1.3.5 Phosphor 33 1.3.6 Kim loại 34 TÀI LIỆU THAM KHẢO 42 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 44 Chương CÁC LOẠI HỆ THỐNG WETLAND 45 2.1 HỆ THỐNG DÒNG CHẢY TRÊN BỀ MẶT (Surface Flow Constructed Wetlands SF CW) 45 4 | Mục lục 2.2 HỆ THỐNG DÒNG CHẢY DƯỚI BỀ MẶT (Subsurface Flow Constructed Wetlands – SSF CW) 48 2.3 DÒNG CHẢY ĐỨNG (Vertical Flow Constructed Wetland) 49 2.3.1 Dòng chảy hướng xuống 49 2.3.2 Dòng hướng lên 51 2.3.3 Dòng thủy triều 52 2.3.4 Các vùng đệm ven sông 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 57 Chương CÁC ỨNG DỤNG 58 3.1 XỬ LÝ CÁC NGUỒN NƯỚC MƯA CHẢY TRÀN 58 3.2 XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ 60 3.3 XỬ LÝ NƯỚC THẢI MỎ 64 3.4 XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP 67 3.5 KHẮC PHỤC HẬU QUẢ HOẠT ĐỘNG XỬ LÝ CHẤT THẢI 70 3.6 HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC 72 3.7 NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI 73 3.8 NƯỚC THẢI TẠI CHỖ 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO 78 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 79 Chương ĐÁNH GIÁ THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG WETLAND 80 4.1 ĐÁNH GIÁ 80 4.1.1 Cân nước 85 4.1.2 Đặc tính nước đầu vào 88 4.1.3 Đối tượng xử lý 89 4.1.4 Xác định vị trí phù hợp 90 4.2 THIẾT KẾ VÀ HƯỚNG DẪN 95 4.2.1 Tiền thiết kế 106 4.2.2 Thiết kế học 125 4.2.3 Ý tưởng thiết kế 138 4.2.4 Các nghiên cứu khả thi 139 4.2.5 Thiết kế hoàn chỉnh 140 5 | THIẾT KẾ WETLAND CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI TÀI LIỆU THAM KHẢO 159 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 160 Chương XÂY DỰNG, VẬN HÀNH VÀ BẢO TRÌ 162 5.1 XÂY DỰNG 162 5.1.1 Xói mịn đất kiểm sốt xói mịn 163 5.1.2 Phân loại chuẩn bị lớp 163 5.1.3 Lựa chọn thực vật trồng 165 5.1.4 Công bố hoạt động xây dựng 165 5.2 VẬN HÀNH VÀ BẢO TRÌ 166 5.3 QUAN TRẮC ĐỊNH KỲ HỆ THỐNG WETLAND 167 TÀI LIỆU THAM KHẢO 170 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 171 Chương TÍNH TỐN CHI PHÍ 172 6.1 CHI PHÍ CƠ BẢN 173 6.2 CHI PHÍ VẬN HÀNH VÀ BẢO TRÌ 182 6.3 TỔNG CÁC CHI PHÍ 183 6.4 SO SÁNH CHI PHÍ CỦA HỆ THỐNG CW VỚI CÁC HỆ THỐNG XỬ LÝ BẰNG CÔNG NGHỆ KHÁC 184 TÀI LIỆU THAM KHẢO 189 CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 190 6 | Mục lục NHỮNG TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt A Area Diện tích bề mặt BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh hoá COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học CW Constructed Wetland Hệ thống xử lý nước thực vật DS Dissolved Solid Chất rắn hoà tan FWS Free Water Surface Bơi tự bề mặt HLR Hydraulic Loading Rate Độ dẫn thủy lực HRT Hydraulic Residence Time Thời gian lưu thủy lực Norg Organic Nitrogen Nitơ hữu Q Quantity Lưu lượng SFW Surface Flow Wetland Wetland có dịng chảy bề mặt SSFW Subsurface Flow Wetland Wetland có dịng chảy bề mặt TN Total Nitrogen Tổng nitơ TP Total Phosphur Tổng phosphor TSS Total Suspended Solid Tổng chất rắn lơ lửng VFW Vertical Flow Wetland Wetland có dịng chảy đứng 7 | THIẾT KẾ WETLAND CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI 8 | Mục lục MỞ ĐẦU H ệ thống xử lý nước thực vật (tên tiếng Anh: constructed wetland, viết tắt CW) wetland nhân tạo xây dựng để loại bỏ chất gây nhiễm có mặt nước chảy qua chúng Chúng tái tạo, cấu trúc để khai thác hết chức wetland tự nhiên đến mức có thể, hoạt động lọc "quả thận tự nhiên" Trong hệ thống wetland, chúng sở hữu cộng đồng vi khuẩn phong phú trầm tích, xung quanh rễ để thực việc chuyển đổi sinh hóa chất gây ô nhiễm, chúng nhà sản xuất sinh học quan trọng nhất, chúng tự tự thích nghi, trì phát triển mơi trường ngập nước Những yếu tố làm cho công nghệ wetland lựa chọn hấp dẫn để xử lý nước so với hệ thống xử lý thông thường Cơng nghệ an tồn mặt sinh thái, chi phí thấp, vận hành đơn giản so với hệ thống xử lý khác (Brix, Sorrell et al., 1996) Hệ thống CW sử dụng chế xử lý thực vật (phytoremediation) Tuy nhiên, phát triển công nghệ constructed wetland cho thấy, CW môn học riêng biệt Trong sách xuất CW phong phú, sách đưa nhiều ứng dụng xử lý nước như: xử lý nước mưa chảy tràn, xử lý nước thải đô thị, xử lý nước thải công nghiệp, xử lý nước thải nông nghiệp Tuy nhiên, việc sử dụng hệ thống CW lên kỹ thuật xử lý phù hợp cho loạt loại nước thải khác (Kadlec and Knight, 1995) Wetland phát triển tự nhiên, phần, để loại bỏ thành phần hóa học nước chảy qua chúng Nước chảy qua bề mặt với vận tốc cho, đủ để hòa tan chất nồng độ chúng nhỏ lắng đọng hạt chất rắn lơ lửng trình di chuyển tới vùng chứa hồ, ao, biển… Trong số khu vực có thay đổi độ dẫn thủy lực nhỏ, độ dẫn thủy lực nhỏ đáng kể, làm cho chất rắn lơ lửng tách khỏi nước, tạo thành lớp trầm tích Những trầm tích thường giàu chất dinh dưỡng hữu cơ, tạo môi trường thuận lợi cho phát triển thực vật Thực vật wetland phát triển trầm tích, nơi dịng nước di chuyển qua độ sâu nước đủ phép chúng ngoi lên mặt nước Các loài thực vật hệ thống wetland loại bỏ chất nhiễm hịa tan như: hợp chất hữu cơ, hợp chất nitơ, hợp chất phosphor chất rắn lơ lửng khỏi nước có 9 | THIẾT KẾ WETLAND CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI vai trò làm giảm vận tốc dịng chảy, qua khả lắng đọng chất nhiễm vào trầm tích tăng lên (Kadlec and Knight, 1995) Việc xây dựng hệ thống CW để xử lý nước phổ biến rộng rãi giới tính hiệu khả thích ứng chúng Hệ thống CW chứng minh, chúng giải pháp hiệu việc xử lý nước thải, tạo hệ sinh thái, với tiêu thụ lượng thấp, sử dụng trình tự nhiên, trái ngược với hệ thống xử lý khác có chi phí cao, bảo trì phức tạp Hy vọng, cơng nghệ phát triển, việc xử lý nước thải công nghệ wetland trở nên bền vững tương lai CW khơng có khả đáp ứng u cầu tỷ lệ loại bỏ sinh vật gây bệnh, mà cịn đạt hiệu cao so với cơng nghệ truyền thống như: công nghệ sinh học, công nghệ hóa học, cơng nghệ vật lý CW kết hợp với công nghệ khác làm tăng hiệu xử lý nước thải Nó giải pháp tốt sử dụng để xử lý nước thải vùng khí hậu nhiệt đới Sử dụng hệ thống có nhiều ưu điểm như: hệ thống đơn giản, chi phí thấp, bảo trì thấp, tiêu thụ lượng thấp, sử dụng lâu dài tính ổn định cao Một lợi lớn việc sử dụng hệ thống CW là, hệ thống không cho phép muỗi sinh sản (hệ thống dịng chảy bề mặt) Q trình cải tiến hệ thống CW nhằm nâng cao hiệu xử lý chúng cải thiện cách nhanh chóng thu nhiều kinh nghiệm từ hệ thống (Vymazal and Kröpfelová, 2008) Nhiều quốc gia vùng khí hậu nhiệt đới sử dụng hệ thống CW cho xử lý nước thải ví dụ: Tanzania, Kenya, Malawi, Uganda, Zambia, Botswana, Zimbabwe Trong số hệ thống này, có nhiều hệ thống xử lý nước thải đạt tiêu thấp so với tiêu chuẩn xả thải Tuy nhiên, hệ thống CW chưa nhận quan tâm xứng đáng phương pháp riêng để xử lý nước thải Hệ thống CW sử dụng để cải thiện chất lượng nước thải từ nguồn thải khác Để thiết kế cách chi tiểt, cần hiểu rõ chế loại bỏ chất gây nhiễm, qua tối ưu hóa hệ thống cho việc xử lý loại chất gây ô nhiễm cụ thể Để thiết kế tỉ mỉ hệ thống CW, đòi hỏi hiểu biết rõ ràng hai chức đất ngập nước xử lý Sử dụng hệ thống CW để xử lý nước, đòi hỏi thành thạo linh hoạt việc ứng dụng trường hợp cụ thể Không giống hệ thống xử lý công nghệ khác, hệ thống tập trung vào xử lý chất gây ô nhiễm đơn loại chất gây ô nhiễm Trong hệ thống CW, sử dụng nhiều trình diễn đồng thời, chúng phụ thuộc lẫn nhau, cộng sinh để loại bỏ đồng thời loại chất gây ô nhiễm khác (Vymazal and Krưpfelová, 2008) Ví dụ, hợp chất hữu kỵ nước, hấp phụ bề mặt vật liệu hữu có hệ thống sau chúng chuyển hóa trình sinh học, tạo thành sản phẩm khơng gây độc 10 | THIẾT KẾ WETLAND CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI vườn ươm, cung cấp cho hệ thống constructed wetland, có khả cung cấp đủ số lượng, chủng loại cây, chất lượng trồng cho hệ thống constructed wetland Ưu điểm tiến hành ươm giống thực vật tạo lượng lớn thực vật tồn độc lập, cao khoảng 30 - 45 cm sinh trưởng phát triển tốt, dễ thu hoạch cấy tay máy với mức độ thành cơng cao Các nhà thiết kế mong đợi khả sống sót sau trồng đạt > 80% Chi phí cho thực vật thường nằm khoảng 5,0-10,0 cent cây, chi phí cho thực vật có giá thấp Nhiều cơng ty xanh ươm trồng theo hợp đồng cụ thể dự án, kế hoạch lập trước, nhà thiết kế giảm giá thực vật ký kết hợp đồng trước với công ty xanh (USEPA, 2000) Câu hỏi đặt cho nhà thiết kế khoảng cách phù hợp Cây trồng tâm hình vng có cạnh dm, phát triển kín diện tích dm2 Khi trồng với khoảng cách lớn dm, khơng phủ kín hết diện tích wetland Đối với hệ thống CW có diện tích 4.500 m2, có giá cent, chi phí cho việc trồng hết 2.800 USD Có vấn đề xảy nhà thiết kế, trồng với tâm dm, gây tổn thất khoảng 20% Điều có nghĩa, sau trồng cây, có nhiều khu vực khơng phát triền được, tạo khoảng trống, khoảng trống phải trồng thực vật bổ sung vào Hình 6-4: Hệ thống HFCW San Jacinto, Uruguay, xử lý nước thải từ nhà máy chế biến thịt, sau trồng Typha domingensis năm 2006 Tổng diện tích bốn bed 1,5 ha, lưu lượng trung bình 3000 m3.d-1 (Nguồn: USEPA, 2000) 178 | Chương Tính tốn chi phí Trong thực tế, có nhiều hệ thống CW trồng thực vật cách ngẫu nhiên, phát triển tốt theo mong muốn hay không, chủ yếu dựa vào sức chịu đựng lồi thực vật Ngồi ra, có số lồi thực vật, ví dụ Cattails reeds, chúng giai đoạn bắt đầu phát triển, chúng phát triển mạnh gần hạn chế tốc độ phát triển chúng Đối với số hệ thống SSF quy mơ lớn, có số modul khơng thiết cần phải có thảm thực vật phát triển tốt Tuy nhiên, hệ thống nhỏ, khu vực khơng mọc lên cần phải khắc phục sớm tốt Việc phải tiến hành trồng lại thực vật cần xem xét đánh giá kỹ lưỡng, phải đưa vào thiết kế kỹ thuật chi tiết, đòi hỏi thảm thực vật phải sống sót mức độ tối thiểu Những nhà ươm giống giàu kinh nghiệm có khả đáp ứng thơng số kỹ thuật này, họ giành thời gian ngắn để trồng lại chúng, công việc phần nằm hợp đồng họ cần thiết Các nhà thiết kế mong muốn đạt chất lượng đồng modul hệ thống xử lý Tương tự vậy, nhà cung cấp máy bơm người lắp đặt lớp lót phải đáp ứng yêu cầu chất lượng nhà thiết kế Hình 6-5: Ống phân phối chôn đáy vùng phân bố Trái: xây dựng vùng đầu vào; phải: vùng đầu sau hoàn thành vào hoạt động (Nguồn: Vymazal and Krưpfelová, 2008) Các chi phí phụ khác bao gồm: chi phí đường ống thiết bị, phận điều khiển mức nước, kết cấu phân phối dòng chảy, thiết bị đo lưu lượng hàng rào bảo vệ Ngoài ra, cơng việc tái tạo lại chi phí kiểm sốt xói mịn cần phải có dự toán Chất liệu ống dẫn nước thường chất dẻo polycarbonate (PC), polyethylene, acrylonitrile butadiene styrene (ABS), thường có sẵn thị trường Chi phí cho hệ thống ống nước thường chiếm khoảng 6% đến 7% Bộ phận kiểm soát mực nước phân phối nước làm khối bê tơng, chúng đúc 179 | THIẾT KẾ WETLAND CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI chỗ hệ thống lớn, hệ thống nhỏ sử dụng bê tơng đúc sẵn Bởi khối bê tơng cho hệ thống nhỏ thường có sẵn thị trường chúng có giá tương đối hợp lý Tùy thuộc vào số lượng cell, phận thường chiếm khoảng từ 5% đến 6% tổng chi phí hệ thống (USEPA, 2000) Hình 6-6: Khu đầu san với bề mặt bed lọc Các khu thường xuyên trang bị ống kiểm tra (Nguồn: Vymazal and Krưpfelová, 2008) Hình 6-7: Khuỷu quay treo dây xích CW (Nguồn: Vymazal and Krưpfelová, 2008) 180 | Chương Tính tốn chi phí Hình 6-8: Đầu rộng trang bị thêm loạt ống dẫn đầu để dẫn nước vào máng dẫn ngồi (Nguồn: Vymazal and Krưpfelová, 2008) Bảng 6-2 đưa chi phí hệ thống CW, giá vật tư thiết bị sử dụng cho dự toán phổ biến thị trường đánh giá tương đương với giá xây dựng Bộ ngành có liên quan phê duyệt Bên cạnh việc tính tốn chi phí theo quy định pháp luật, cần phải ý đến điều kiện địa lý nhà cung cấp vật liệu thiết bị như: khoảng cách từ nơi cung cấp vật liệu, ví dụ sỏi, đến nới xây dựng hệ thống, yêu cầu chất lượng lớp lót tiêu chuẩn chất lượng nước xả thải, để ước tính tổng chi phí xây dựng cho hệ thống SSF CW Bảng 6-2: Chi phí hệ thống SSF CW có diện tích 4.500 m2 Thành phần Giá/đơn vị Tổng (USD) % Đào đất/nén 2,3 USD/m3 13.000 10,7 Sỏi 21 USD/m3 51.900 42,6 Lớp lót PC 0,9 mm 3,9 USD/m2 19.250 15,8 Thực vật cent/cây 13.330 10,9 Ống dẫn nước 7.500 6,1 Bộ phận điều khiển 7.000 5,7 Chi phí khác 10.000 8,2 Tổng 121.980 (Nguồn: USEPA, 2000) 181 | THIẾT KẾ WETLAND CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI Kể từ sở liệu USEPA cơng bố, có nhiều hệ thống CW thiết kế xây dựng thêm, đặc biệt hệ thống xử lý nước thải có lưu lượng khoảng 250 m3.d-1 Các chi phí cho hệ thống tính theo hai cách: • Cách thứ tính theo thời gian lưu hàm chi phí/ngày; • Cách thứ hai tính theo thời gian lưu hàm chi phí/m3 Chi phí tính theo cách xác chúng thiết kế theo mục tiêu xử lý khác (ví dụ, loại bỏ BOD, loại bỏ cho BOD nitơ), hệ thống với lưu lượng đầu vào hệ thống thiết kế khác có chi phí khác 6.2 CHI PHÍ VẬN HÀNH VÀ BẢO TRÌ Wetland phần hệ thống xử lý nhiều công đoạn Một vài modul hệ thống wetland địi hỏi bảo trì hay cần cung cấp lượng trình vận hành Để xác định chi phí vận hành thực tế wetland, cần phải dựa sở liệu, vấn đề khó khăn, tất chi phí nhân cơng cho wetland đưa vào tổng chi phí cho tồn hệ thống Tuy nhiên, để ước tính chi phí tính tốn từ nhiều góc độ khác nhau, chủ yếu thực thơng qua tính tốn từ q trình thiết kế Ví dụ: Ở góc độ chi phí cho vận hành bảo trì wetland, wetland giống với hồ điều hòa nước thải Bởi vậy, chi phí vận hành wetland chia thành hai nhóm sau đây: • Chi phí cho hoạt động thử nghiệm, chi phí cho điều chỉnh mức nước; • Chi phí cho việc kiểm sốt hệ thống, bảo trì hệ thống, nhặt cỏ dại hệ thống, phân phối dòng chảy đầu vào, thu gom nước đầu điều chỉnh mực nước hay hầm chứa Các chi phí phân tích tiêu đầu vào đầu nói chung lớn nhất, phụ thuộc vào tần suất lấy mẫu, số lượng mẫu tiêu chất lượng nước Chi phí phân tích mẫu cho tiêu BOD, TSS, TKN, nitrat amoniac có giá khoảng 150 USD Điều chỉnh mực nước wetland thường ý, mực nước phải kiểm tra định kỳ (hàng tháng hàng tuần hệ thống nhỏ, hàng ngày hệ thống> 450 m3.d-1) để đảm bảo dịng chảy qua hệ thống khơng có tượng ứ đọng bề mặt hệ thống SSF CW Mực nước hệ thống SF CW phải kiểm tra tỉ mỉ, cách lắp đặt dụng cụ đo cố định kiểm tra mức nước điều chỉnh cho phù hợp Cỏ dại cần phải kiểm tra thường xuyên xung quanh mép bể, cỏ dại mọc nhiều, cần phải loại bỏ khỏi hệ thống vào đầu mùa xuân Các mảnh vụn thực vật hệ thống SF CW khơng cần loại bỏ, miễn chúng khơng gây ảnh hưởng đến dịng chảy; Ví dụ, mảnh vụn sau bão mạnh bị xi theo dịng chảy làm tắc nghẽn đường ống thu gom nước phận 182 | Chương Tính tốn chi phí điều chỉnh mực nước Cần phải thường xuyên kiểm tra thiết bị phân phối nước đầu vào thiết bị thu gom, hoạt động phần nằm yêu cầu vận hành hệ thống Bộ phận phân phối dòng chảy đầu vào sử dụng đập, cần kiểm tra làm định kỳ Một số hệ thống wetland kết hợp đồng thời xử lý nước với thu hoạch thực vật hàng năm hệ thống wetland Thông thường, việc thu hoạch thực vật tiến hành vào thời kỳ mùa thu, trước trở nên lão hóa Thực vật sau thu hoạch cắt nhỏ để sử dụng làm phân compost Thông qua thu hoạch thực vật, loại bỏ lượng nitơ tích trữ thực vật Nếu không thu hoạch, lượng nitơ tích trữ thực vật phát tán ngược trở lại hệ thống vào thời kỳ mùa xuân tiếp sau Mặc dù, thơng tin liên quan đến thu hoạch, để chứng minh hiệu loại bỏ nitơ thông qua thu hoạch, tăng hiệu tối thiểu việc loại bỏ nitơ thông qua thu hoạch, có số lượng hạn chế Tuy nhiên, tính tốn cho dự án, cần phải đưa chi phí cho việc thu hoạch thực vật hệ thống (Wildeman et al, 1993a) Các báo cáo chi phí vận hành bảo trì hệ thống CW mặt tổng cho thấy rằng, hệ thống CW có chi phí vận hành bảo trì thấp Ví dụ: Các chi phí cho q trình vận hành bảo trì hàng năm Denham Springs, bang Louisiana, Mỹ 29.550 USD, bao gồm chi phí cho hoạt động bể xử lý hiếu khí bể khử trùng clorine Ở Mesquite, Nevada, hệ thống có cơng suất xử lý 1.820 m3 d-1, có ngân sách giành cho hoạt động vận hành bảo trì 10.000 USD/năm, chi phí tương đương với chi phí hoạt động xử lý 0,6-1,5 cent/m3 (USEPA, 2000) 6.3 TỔNG CÁC CHI PHÍ Bất kỳ cơng nghệ xử lý nước thải hoạt động cần nhiều lượng, có chi phí xây dựng hệ thống cao so với chi phí cho việc xây dựng hệ thống xử lý công nghệ wetland Reed Brown (1992) rằng, hệ thống wetland họ khảo sát, chi phí trung bình cho hệ thống SF CW 54.000 USD/ha, chi phí trung bình hệ thống SSF CW 215.000 USD/ha, đó, chi phí chủ yếu cho lượng chi phí cho đất (Reed and Brown, 1992) Khi diện tích hệ thống xử lý tăng lên, chi phí cho lượng vận hành giảm Khi diện tích hệ thống giảm, chi phí cho lượng tăng lên, cần phải bổ sung lượng vào trình xử lý, để đáp ứng u cầu mà q trình xử lý đạt được, khơng hỗ trợ q trình đó, (ví dụ, sục thêm khơng khí) mục tiêu xử lý không đáp ứng yêu cầu đặt Giá đất nơi triển khai xây dựng hệ thống yếu tố thiếu rõ ràng so sánh hệ thống nơi khác nhau, hầu hết hệ thống wetland xây dựng nông thôn, nơi giá đất thấp xây dựng vùng đất, mà khơng thích hợp việc xây dựng, kinh doanh hay phát triển thị Nói chung, chi phí đất đai có tác động tới chi phí xây dựng hệ thống CW Tuy nhiên, wetland 183 | THIẾT KẾ WETLAND CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI xây dựng khu thị, cần phải phân tích, cân nhắc, tính tốn chi phí đầu tư (bao gồm chi phí đất đai) lợi ích thu từ việc xây dựng hệ thống CW cho xử lý nước thải, đến việc tạo môi trường cảnh quan, mơi trường sống, học tập giải trí Do cơng nghệ đơn giản, chi phí cho vận hành xây dựng thấp, lợi ích thu từ hệ thống wetland, cần xem xét liệu có nên đưa hệ thống CW vào thiết kế hệ thống nâng cấp hệ thống xử lý nước thải có 6.4 SO SÁNH CHI PHÍ CỦA HỆ THỐNG CW VỚI CÁC HỆ THỐNG XỬ LÝ BẰNG CÔNG NGHỆ KHÁC Các hệ thống SSF CW xây dựng, sử dụng chủ yếu cho việc xử lý nước thải có lưu lượng nhỏ Từ sở liệu thu thực tế cho thấy, nửa số hệ thống xây dựng để xử lý cho lưu lượng nước thải nhỏ 450 m3.d-1 Những nguyên nhân để giải thích cho việc phần lớn sử dụng hệ thống để xử lý nước thải với lưu lượng nhỏ, chủ yếu lý kinh tế, trường hợp sau ví dụ thực tế để chứng minh điều Ví dụ 1: Hồ Hanson hồ Nebraska Hồ Hanson hồ Nebraska nằm thị trấn nhỏ Omaha, nơi có 235 ngơi nhà nằm xung quanh hai hồ nhỏ đó, chúng nằm bên cạnh sơng Platte Hệ thống cống nước thị trấn Omaha có tổng chiều dài 2,4 km, lưu lượng nước thải thị trấn 330 m3/ngày Hệ thống xử lý nước thải thị trấn thiết kế bao gồm modul sau: • Trạm bơm nước thải cho thành phố Omaha; • Hệ thống xử lý màng sinh học; • Hồ điều hòa nước thải lọc cát; • Hệ thống CW lọc cát Chi phí cho xử lý nước thải thị trấn Omaha 0,32 USD/m3, chi phí tương đương với chi phí xử lý nước thải đô thị hệ thống xử lý sinh học khác, mà tiêu chuẩn đầu chúng khơng địi hỏi nghiêm ngặt Hệ thống xử lý nước thải thị trấn Omaha đầu tư khoản chi phí 300.000 USD Chi phí tính bình qn khoảng 1.300 USD/nhà, mức chi phí tương đương với chi phí lắp đặt cống nước nhiều thị lớn Ngồi ra, cịn có chi phí khác như: Chi phí cho trạm bơm 2,4 km đường ống cống để dẫn nước thải cống nước chung thị trấn (Vymazal and Krưpfelová, 2008) Nước thải từ trạm bơm thành phố đưa vào hệ thống xử lý học, hệ thống nàybao gồm dãy bể phản ứng màng sinh học theo mẻ (SBR) Các hệ thống SBR có khả loại bỏ chất rắn lơ lửng mà cịn loạt chất nhiễm khác thơng qua loạt q trình hoạt động Với hệ thống bể SBR, 184 | Chương Tính tốn chi phí hoạt động tốt tạo chất lượng nước đầu đạt tiêu xả thải Tuy nhiên, hệ thống có chi phí vận hành cao đáng kể so với chi phí vận hành hệ thống CW, chi phí vận hành hồ điều hòa lọc cát thị trấn Omaha Cả hai hồ điều hòa nước thải wetland hệ thống xử lý có chi phí vận hành khơng đáng kể Chúng khơng phí cho sử dụng lượng để trì cho thiết bị hoạt động hai modul loại bỏ lượng bùn định khỏi nước thải Mặc dù tốn xây dựng vận hành, nhiên, hồ điều hòa nước thải địi hỏi diện tích đất khoảng 6,5 để cung cấp đệm cho việc khử mùi Ngồi ra, vùng đất cần cho xây dựng hệ thống khơng nằm sát cạnh nhau, chúng địi hỏi phải có trạm bơm nhỏ để bơm nước từ nơi sang nơi khác, hệ thống wetland khơng địi hỏi đệm Từ số liệu đưa bảng 6-3 cho thấy hệ thống wetland lựa chọn cho xử lý nước thải có chi phí thấp Số liệu tính cho tổng chi phí 20 năm hoạt động bao gồm: chi phí cho vận hành bảo trì, tiền đầu tư phục vụ xây dựng vay vốn từ ngân hàng, với lãi suất 6%/năm tỷ lệ lạm phát 3%/năm Bảng 6-3 so sánh chi phí (bao gồm chi phí cho đất), chi phí cho vật tư, thiết bị, kỹ thuật, công nghệ khác nhau, so sánh vị trí cụ thể thời gian hồ Hanson Bảng 6-3: So sánh chi phí hệ thống xử lý sau 20 năm vận hành Lựa chọn Chi phí Vận hành bảo trì Tổng chi phí 20 năm vận hành (USD) Thị trấn Omaha 826.000 1.420.253 2.720.779 SBR 596.700 1.657.902 2.683.889 Hồ lọc cát 742.600 139.726 1.416.984 Wetland lọc cát 365.300 206.902 835.012 (Nguồn: Vymazal and Krưpfelová, 2008) Ví dụ sau tiếp tục minh họa thêm vấn đề liên quan đến chi phí Ví dụ 2: Tại khu sân Golf Course Khu vực dân cư thưa thớt, gồm 120 ngơi nhà, với lưu lượng nước thải khoảng 275 m3 thiết kế với modul xử lý sau: • Modul SBR: có chi phí cho xây dựng hệ thống 250.000 USD, chi phí vận hành bảo trì khoảng 0,55 USDm3; • Modul CW cát lọc: có chi phi xây dựng 265.000 USD, chi phí vận hành bảo trì cent/m3 185 | THIẾT KẾ WETLAND CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI Mặc dù hệ thống CW lọc cát có chi phí xây dựng cao hơn, chi phí vận hành bảo trì thấp đáng kể, vậy, hệ thống CW lựa chọn hiệu cho việc đầu tư vào hệ thống xử lý Sự khác biệt chi phí đầu tư chỗ, hồn trả vốn đầu tư ban đầu vòng 104 ngày vận hành (Vymazal and Krưpfelová, 2008) Ví dụ 3: xử lý nước thải mỏ mỏ Dunka, Babbitt, Minnesota Người ta tiến hành xây dựng năm hệ thống wetland cho việc xử lý nước thải mỏ với tổng chi phí 1,2 triệu USD Chi phí thiết kế xây dựng hệ thống thay đổi theo thời gian, dao động khoảng từ 18 $/m2 đến 24-28 USD/m2 So sánh với trạm xử lý nước thải axit mỏ xây dựng đầu tiên, chúng sử dụng sữa vôi để xử lý, với chi phí khoảng 1,3 triệu USD Trạm xử lý có chi phí vận hành 200.000 USD/năm Trong đó, chi phí bảo trì cho hệ thống wetland nói chung giảm thảm thực vật trưởng thành, đặc biệt bắt đầu sang năm thứ tư, hoạt động bảo trì cần tiến hành vào mùa xuân mùa thu, hoạt động chi phí khơng q 2.000 USD, khơng q 1% chi phí trạm xử lý sữa vơi Như vậy, với khoản tiết kiệm 198.000 USD/năm, vịng -7 năm thu hồi đủ vốn đầu tư cho xây dựng hệ thống xử lý wetland (Council, 2001) Ví dụ 4: Nước thải mỏ than có Qmax = 100 m3.d-1 có giá trị pH = 2,5, dung lượng bazơ 12 mmol.L-1, hàm lượng Fe(tot) 120 mg.L-1, Mn(II) 13 mg.L-1, SO42- 2200 mg.L-1 , sau tiền xử lý đá vôi hàm lượng Fe = mg.L-1 hàm lượng Mn cịn 13 mg.L-1 Tính tốn chi phí lớp lót chi phí cho việc đào đất modul CW (Sử dụng kết ví dụ chương để tính tốn) Lời giải Hệ thống SSF CW: Theo tính tốn ta có V V1 vật liệu = A*h = 1.000*0,6 = 600 m3; Dài : rộng =1:3 3a2 = 1.000 a =18,25 m; b =3a = 54,75 m; Mực nước 0,5 m; Kích thước thành bể làm rọ đá chiểu rộng bề mặt bên 0,6m chiều cao 1,0 m, đáy rộng 2,0 m Kích thước lớp lót = [54,75 + 2(1+2)]*18,25 = 1.108,68 = 1.110 m2 Giá thành: Lớp lót làm PPE; C1= Giá thành = A* đơn giá = 1.110 * = 4.434,75 = 4.450 USD 186 | Chương Tính tốn chi phí Chi phí đào đổ đất: Kích thước bể cần đào 18,25*54,75*1,0 = 999,1875 = 1.000 m3; Chi phí : C2 = Đào đất = V*ĐG = 1.000*2,3 = 2.300 USD; Tổng chi phí CSSF = C1+ C2 = 2.300 + 4.450 = 7.750 USD (Có thể tính theo cách khác tuỳ theo cách thiết kế hệ thống) Hệ thống HF CW Theo tính tốn câu ta có: A= = * = 835 m2 Kích thước bể: Dài: rộng =1:3 3a2 = 835 a =17 m; b =3 a = 51 m; Mực nước 0,4 m; Kích thước thành bể làm rọ đá có kích thước 20-35 chiểu rộng bề mặt bên 0,6m chiều cao 1,2 m (thiết kế cho dòng tự chảy), đáy rộng 2,0 m Kích thước lớp lót = [51 + 2(1,2+2)]*17 = 975,8 m2 » 980 m2 Lớp lót PPE C1= Giá thành = A* đơn giá = 980 * = 3.920 USD Chi phí đào đổ đất: Kích thước bể cần đào 17*51*1,2 = 1.040,4 » 1.041 m3 Chi phí: C2 = Đào đất = V*ĐG = 1.040,4*2,3 = 2.392,92 = 2.400 USD Tổng chi phí: CHF = C1+ C2 = 2.400 + 3.920 = 6.320 USD Có thể tính theo cách khác tuỳ theo cách thiết kế hệ thống Hệ thống SF CW: Kích thước bể: Dài: rộng =1:3 3a2 = 665 a =15 m; b =3 a = 45 m; Mực nước 0,5 m; Thành bể làm rọ đá có kích thước 20-35 chiều rộng bề mặt 0,6m cao 1,5 m đáy rộng 2,0 m Kích thước lớp lót = [45 + 2(1,5+2)]*15 = 780 m2; 187 | THIẾT KẾ WETLAND CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI Lớp lót làm vật liệu PPE; C1= Giá thành = A* đơn giá = 780*4 = 3.120 USD Chi phí đào đổ đất: Kích thước bể cần đào 15*45*1,5 = 1.012,5 = 1.013 m3; Chi phí : C2 = Đào đất = V*ĐG = 1.013*2,3 = 2.328,75 » 2.330 USD; Tổng chi phí CSF = C1+ C2 = 2.330 + 3.120 = 5.450 USD (Có thể tính theo cách khác tuỳ theo cách thiết kế hệ thống) Tổng = CSSF +CHF + CSF = 7.750 + 6.320 + 5.450 = 19.520 USD Giá thành tương đương 455.596.000 VNĐ (theo tỉ giá tháng 12/2018) 188 | Chương Tính tốn chi phí TÀI LIỆU THAM KHẢO Council, I.T.R (2001) "Phytotechnology Technical and Regulatory Guidance Document (PHYTO-2)" Available at http://www.itrcweb.org Mulamoottil, G., et al (1999) "Constructed Wetlands for the Treatment of Landfill Leachates" Boca Raton, Fla.: Lewis Publishers, Inc USEPA (2000) "Constructed wetlands treatment of municipal wastewaters" EPA 625/R-99/010, U.S EPA Office of Research and Development: Washington D.C USEPA (2000) Manual, Constructed Wetlands Treatment of Municipal Wastewaters E 625/R-99/010 Office of Research and Development Vymazal, J., et al (1998) "Constructed wetlands for wastewater treatment in Europe" Backhuys Publishers, Leiden Vymazal, J and L Kröpfelová (2008) Wastewater Treatment in Constructed Wetlands with Horizontal Sub-Surface Flow, Springer Wildeman, T.R., et al (1993a) Wetland Design for Mining Operations, Bitech Publishers: Vancouver, British Columbia 189 | THIẾT KẾ WETLAND CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG Nước thải mỏ sắt có Qmax = 100 m3.d-1 có giá trị pH = 2,5, dung lượng bazơ 12 mmol.L-1, hàm lượng Fe(tot) 120 mg.L-1, Mn(II) 13 mg.L-1, SO42- 2200 mg.L-1 , sau tiền xử lý đá vôi hàm lượng Fe = mg.L-1 hàm lượng Mn 13 mg.L-1 a) Hãy thiết kế hệ thống cho việc xử lý nước thải đạt tiêu chuân xả thải? b) Tính tốn chi phí vật liệu thực vật cho hệ thống CW c) Tính tốn chi phí lớp lót chi phí cho việc đào đất modul CW Nước thải trang trại chăn ni lợn có Qmax = 100 m3.d-1, sau tiền xử lý hệ thống sinh học kỵ khí, nước thải đầu có chứa hàm lượng BOD5 1300 mg.L-1, COD 2000 mg.L-1, TSS 400 mg.L-1, Tổng N 225 mg.L-1…, vi khuẩn 340.000 CFU 100 ml-1: Hệ thống CW thiết kế để xử lý hàm lượng COD TN có nước thải để đạt tiêu đầu 50 mg.L-1 45 mg.L-1 tương ứng a) Hãy thiết kế hệ thống CW để xử lý nước thải đạt tiêu chuẩn xả thải? b) Tính tốn giá thành vật liệu lớp lót hệ thống VF SF? c) Tính tốn chi phí thực vật đào đổ đất hệ thống CW? Nước thải trang trại chăn nuôi lợn có Qmax = 100 m3.d-1, sau tiền xử lý hệ thống sinh học kỵ khí, nước thải đầu có chứa hàm lượng BOD5 1300 mg.L-1, COD 2000 mg.L-1, TSS 400 mg.L-1, Tổng N 225 mg.L-1… vi khuẩn 340.000 CFU 100 ml-1: Hệ thống CW thiết kế để xử lý hàm lượng BOD TSS có nước thải để đạt tiêu đầu 30 mg.L-1 30 mg.L-1 tương ứng a) Hãy thiết kế hệ thống CW để xử lý nước thải đạt tiêu chuẩn xả thải? b) Tính tốn giá thành vật liệu lớp lót hệ thống VF SF? c) Tính tốn chi phí thực vật đào đổ đất hệ thống CW? Nước thải sinh hoạt có Qmax = 100 m3.d-1, có chứa hàm lượng BOD5 300 mg.L-1, COD 500 mg.L-1, TSS 100 mg.L-1, TN 45 mg.L-1; Fecal coliform 1,67*108 CFU 100 ml-1: a) Hãy thiết kế hệ thống CW để xử lý nước thải đạt tiếu đầu TSS 30 mg/L? b) Tính tốn giá thành vật liệu thực vật hệ thống hệ thống VF SF? 190 | Chương Tính tốn chi phí c) Tính tốn chi phí cho việc đào đất lớp lót cho hệ thống CW để xử lý nước thải để đạt tiếu đầu TSS 30 mg.L-1? Nước thải sinh hoạt có Qmax = 100 m3.d-1, có chứa hàm lượng BOD5 300 mg.L-1, COD 500 mg.L-1, TSS 100 mg.L-1, TN 45 mg.L-1; Fecal coliform 1,67*108 CFU 100 ml-1: a) Hãy thiết kế hệ thống CW để xử lý nước thải đạt tiêu đầu Fecal coliform 34.000 CFU 100 ml-1 b) Tính tốn giá thành vật liệu thực vật hệ thống hệ thống VF SF? Tính tốn tổng chi phí cho hệ thống CW trên? 191 | THIẾT KẾ WETLAND CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIÁO TRÌNH THIẾT KẾ WETLAND CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI Chịu trách nhiệm xuất bản: ThS Võ Tuấn Hải Biên tập: Nguyễn Phương Liên Thiết kế bìa: Xuân Dũng NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT 70 Trần Hưng Đạo, Hoàn Kiếm, Hà Nội ĐT: P TH&QLXB: 024 3942 3172; TT Phát hành: 024 3822 0686 Ban Biên tập: 024 3942 1132 - 024 3942 3171 FAX: 04 3822 0658 - WEBSITE: http://www.nxbkhkt.com.vn EMAIL: nxbkhkt@hn.vnn.vn CHI NHÁNH NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT 28 Đồng Khởi - Quận - Thành phố Hồ Chí Minh ĐT: 08 3822 5062 In 200 bản, khổ 19x27 cm Xí nghiệp in NXB Văn hóa dân tộc Địa chỉ: 128C/22 Đại La, Hà Nội Số đăng ký xuất bản: 1661-2019/CXBIPH/2-31/KHKT Số định xuất bản: 54/QĐXB-NXBKHKT, ngày 18 tháng năm 2019 In xong nộp lưu chiểu năm 2019 Mã ISBN: 978-604-67-1245-9 192 | ... dụng xử lý nước như: xử lý nước mưa chảy tràn, xử lý nước thải đô thị, xử lý nước thải công nghiệp, xử lý nước thải nông nghiệp Tuy nhiên, việc sử dụng hệ thống CW lên kỹ thuật xử lý phù hợp cho. .. loại hệ thống wetland TS Nguyễn Hoàng Nam Thiết kế constructed wetland cho xử lý nước thải Việc xây dựng hồ trước hệ thống wetland có ích cho việc tiền xử lý nước thải sơ cấp, nước thải cơng nghiệp... sinh học xử lý hợp chất hữu hệ thống wetland Hình 1-8: Cơ chế phi sinh học xử lý hợp chất vô hệ thống wetland 23 | THIẾT KẾ WETLAND CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI 1.2.2 Quá trình sinh học Ngồi q trình phi