6. Tính mới của đề tài
2.4. Phương pháp nghiên cứu
2.4.1. Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp
Thu thập thông tin từ các tài liệu có liên quan đến đề tài như: Điều kiện thời tiết khí hậu của vùng nghiên cứu, các thông tin các tài liệu của các báo cáo, các đề tài, các sách báo có liên quan. Kế thừa và tham khảo các kết quả đã đạt được của các báo cáo, đề tài có liên quan đến vấn đề nghiên cứu.
2.4.2. Phương pháp lấy mẫu và phân tích mẫu
* Phương pháp lấy mẫu:
- Dụng cụ lấy mẫu: Dùng chai đựng mẫu bằng nhựa có nút đậy, được rửa sạch và tráng bằng nước cất.
- Phương pháp lấy mẫu: Tiến hành lấy mẫu tại cửa bể xử lý biogas
- Nước thải chăn nuôi được lấy từ dòng thải sau hầm biogas của trang trại ông Nguyễn Hữu Phúc tại xã Tam Giang, huyện Yên Phong, tỉnh Bắc Ninh.
* Phương pháp phân tích mẫu:
Nồng độ trước và sau xử lý của pH, EC, TDS, COD, BOD5, T-P, T-N ở các công thức được phân tích tại phòng thí nghiệm theo tiêu chuẩn sau:
+ BOD5: Theo TCVN 6001:1998 + COD: Theo TCVN 6491:1999
+ T-N: Theo TCVN 6498:1999 + T-P: Theo TCVN 6202:2008
+ TDS: Đo bằng máy Hanna-Italia HI 9828/4 + pH: Theo TCVN 6492:1999
+ EC: Đo bằng máy Hanna-Italia HI 9828/4
2.4.3. Phương pháp bố trí thí nghiệm và xây dựng mô hình
Thí nghiệm 1.Xác định độ dẫn thủy lực của các công thức vật liệu lọc
Bảng 2.1. Các vật liệu lọc được sử dụng
STT Kí hiệu Loại vật liệu
1 ST Sỏi cuội thô có Φ 20 mm đến 30 mm lẫn cát to 2 SN Sỏi cuội nhỏ có Φ 5 mm đến 10 mm 3 DT Đá to có Φ 10 mm đến 30 mm 4 DN Đá nhỏ có Φ 5 mm đến 10 mm 5 CT Cát to 0,5 mm đến 1,0 mm 6 CM Cát mịn < 0,1 mm 7 MB Mùn bán phân hủy 8 SM Sét hạt mịn
- Độ dẫn thuỷ lực (Hydraulic conductivity) của các vật liệu lọc tính bằng công thức: K = Q/A.I
Trong đó: K - Là độ dẫn thủy lực (m/s)
A - Diện tích mặt cắt ngang mô hình thử vật liệu lọc (m2) I - Độ dốc (%)
Q - Lưu lượng dòng chảy (ml/h)
Xác định độ dẫn thủy lực của các công thức vật liệu lọc bằng ống đo thủy lực Các công thức tham gia thí nghiệm được thể hiện ở bảng 2.2.
Bảng 2.2. Các công thức vật liệu lọc để xác định độ dẫn thuỷ lực
STT Công thức
1 Sỏi cuội thô
2 Sỏi cuội nhỏ
3 Đá to
4 Đá nhỏ
5 Sỏi cuội thô + Đá nhỏ 6 Sỏi cuội nhỏ + Đá to
Thí nghiệm 2. Xác định khả năng xử lý nước thải của các công thức vật liệu lọc
- Điều kiện thí nghiệm:
+ Mô hình chỉ có vật liệu lọc không trồng cây.
+ Tải trọng thủy lực được giữ ổn định ở mức 20 lít/ngày, thời gian kéo dài trong vòng 7 ngày.
+ Các công thức thí nghiệm tiến hành cùng một thời gian.
- Bố trí thí nghiệm: Thí nghiệm được bố trí theo kiểu hoàn toàn ngẫu nhiên với 3 lần nhắc lại.
- Các công thức trong thí nghiệm: Các vật liệu lọc được bố trí trong các thùng xốp có kích thước 50 x 80 x 50 cm.
Vật liệu nền được sắp xếp theo thứ tự từ dưới lên là:
Nền = Cát to + Cát mịn + Mùn bán phân hủy + Sét hạt mịn
Sau đó sẽ kết hợp các công thức vật liệu lọc với nền theo thứ tự là nền ở trên, các vật liệu được kết hợp sẽ ở bên dưới, trong đó chiều dày của nền theo thứ tự Cát to, Cát mịn, Mùn bán phân hủy, Sét hạt mịn là 4, 4, 3, 3 (cm) còn chiều dày của lớp vật liệu bên dưới sẽ là 20 (cm). Sau khi kết hợp ta có các công thức như sau:
Bảng 2.3. Bảng kết hợp vật liệu lọc của các công thức STT Kí hiệu của công thức Công thức
1 Vật liệu 1 (VL1) Nước không có vật liệu lọc (đối chứng)
2 Vật liệu 2 (VL2) ST + Nền 3 Vật liệu 3 (VL3) SN + Nền 4 Vật liệu 4 (VL4) DT + Nền 5 Vật liệu 5 (VL5) DN + Nền 6 Vật liệu 6 (VL6) ST + DN + Nền 7 Vật liệu 7 (VL7 SN + DT + Nền
Cách tiến hành: Cho nước thải vào các thùng xốp tương ứng với các công thức vật liệu, sau 2 ngày, 5 ngày,7 ngày ta lại lấy nước ra phân tích một lần nữa.
- Các chỉ tiêu phân tích:
+ Chỉ tiêu vật lý của nước thải chăn nuôi sử dụng trong thí nghiệm trước và sau khi xử lý như mùi, màu sắc, độ đục bằng phương pháp cảm quan (định tính).
+ Nồng độ trước và sau xử lý của pH, EC, TDS, COD, BOD5, T-P, T-N ở các công thức được phân tích tại phòng thí nghiệm theo tiêu chuẩn quy định.
+ Tính hiệu suất xử lý của các công thức vật liệu lọc đối với một số chỉ tiêu như BOD, COD, T-N, T-P....
Thí nghiệm 3: Xác định ngưỡng chịu tải lượng BOD của các loại cây trồng trong bãi lọc ngầm.
- Điều kiện thí nghiệm:
Thí nghiệm sử dụng các loại cây trồng có trong vùng nghiên cứu như bảng 2.4. Các loại cây trồng được chuẩn bị từ trước có chiều cao tùy từng giống cây sử dụng.
- Các loại cây được trồng riêng trong các thùng xốp nhỏ để thử ngưỡng chịu tải lượng BOD.
Bảng 2.4. Các loại cây được sử dụng trong thí nghiệm STT Kí hiệu Tên thông thường Tên khoa học
1 PL Phát Lộc Dracaena Sanderia
2 TM Trúc Mây Rhapis excelsa
3 TML Thiết Mộc Lan Dracaenafragrans L
4 BN Hoa Bóng Nước Impatiens balsamina L
5 XB Xương Bồ Rhizoma Acori
6 CH Chuối Hoa Cannan geniralis bail
7 MN Mon Nước Colocasia esculenta
8 TT Thủy Trúc Cyperus alternifolius Linn
- Bố trí theo ngẫu nghiên hoàn toàn với 3 lần nhắc lại.
- Thí nghiệm trồng cây có vật liệu lọc đồng nhất là Vật liệu 6 = Sỏi to + Đá nhỏ + Nền.
- Thời gian bố trí thí nghiệm 1 tháng kể từ ngày trồng.
- Nước thải chăn nuôi dùng để thử ngưỡng chịu cho các cây là nước đậm đặc lấy trong bể chứa của trại mới thải ra.
- Các nồng độ thử được pha loãng theo công thức pha loãng. Công thức pha loãng: W = W0 (C1 - C2)/(C2 - C3)
Trong đó: W - Lượng nước pha (lit)
W0 - Lượng nước có nồng độ đậm đặc (lít) C1 là nồng độ BOD đậm đặc chưa pha (100%) C2 là nồng độ BOD cần pha;
C3 là nồng độ BOD của nước dùng để pha loãng.
Sau pha loãng có tải lượng BOD dòng vào (trước xử lý) ở các công thức như như sau:
Nồng độ 2: ND2 - Hàm lượng BOD5 50% so với đậm đặc Nồng độ 3: ND3 - Hàm lượng BOD5 75% so với đậm đặc Nồng độ 4: ND4 - Hàm lượng BOD5 100% đậm đặc * Phương pháp tiến hành:
- Các loại cây thân cao, dạng bụi lớn được trồng riêng trong thùng xốp, một số cây thân nhỏ, tán gọn được trồng chung trong một thùng xốp.
- Quá trình xác định khả năng chịu tải lượng được tiến hành như sau: thay đổi nồng độ BOD trong nước thải đầu vào theo hướng tăng dần từ nồng độ 1 đến nồng độ 4. Trong quá trình thử nồng độ, nếu thấy có cây nào héo chết thì dừng lại và sẽ lấy khả năng chịu ở mức thấp hơn nồng độ đó. Thời gian thay đổi công thức (hay nồng độ) là sau 10 ngày. Lượng nước ở mức độ nước thải nguyên chất là 15 lít, ở các mức nồng độ sau lượng nước lấy theo tính toán. Nước thải được lấy về đổ vào thùng và ngâm trong vòng thời gian 10 ngày, trước khi thay nước thử ở nồng độ sau thì xả sạch nước ở nồng độ trước và xả nước sạch vào và xả ra mới cho nước nồng độ sau vào.
- Các chỉ tiêu theo dõi:
+ Khả năng sinh trưởng phát triển của cây trong mô hình như: chiều cao cây, số lá.
+ Số rễ, chiều dài rễ
+ Các biểu hiện màu sắc của lá cây ở các nồng độ thử - Phương pháp theo dõi thí nghiệm
Theo dõi các chỉ tiêu sinh trưởng của cây: Thời gian đo đếm: 10 ngày đo 1 lần + Đo chiều cao cây (cm) được đo từ gốc cây đến đỉnh sinh trưởng của cây (đo đếm 3 cây/1 ô thí nghiệm).
+ Số lá (chiếc) được đếm từ thời điểm cây bắt đầu được theo dõi đến khi kết thúc thí nghiệm.
+ Đếm số rễ trước trồng và sau trồng 40 ngày tiến hành thí nghiệm. + Đo chiều dài ở rễ dài nhất, đo sau 40 trồng ngày.
+ Tỉ lệ chết được đếm trực tiếp các cây chết nếu có rồi tính ra % + Kiểu hình của lá, cây: bằng phương pháp trực quan
Từ kết quả thu được đánh giá khả năng chịu BOD của các loại cây trồng
Thí nghiệm 4: Xác định khả năng xử lý nước thải của công thức cây trồng tham gia thí nghiệm
- Công thức (CT) thí nghiệm:
Bảng 2.5. Công thức (CT) cây trong thí nghiệm
Kí hiệu Công thức thí nghiệm
CT1 Không có cây trồng (đối chứng)
CT2 Hoa Bóng Nước + Thuỷ Trúc + Mon Nước
CT3 Thiết Mộc Lan + Hoa Bóng Nước + Thuỷ Trúc + Mon Nước CT4 Xương Bồ + Trúc Mây + Thuỷ Trúc + Mon Nước
CT5 Mon Nước + Thuỷ Trúc + Phát Lộc + Chuối Hoa - Bố trí theo ngẫu nghiên hoàn toàn với 3 lần nhắc lại
- Kiểu thí nghiệm: Bán tự nhiên, sử dụng thùng xốp lớn, để ngoài trời, có thể che được khi cần thiết.
- Các công thức thí nghiệm trồng cây có vật liệu lọc đồng nhất là VL 6 = ST + DN + Nền.
- Thời gian xác định khả năng xử lý nước thải của các công thức là 2 tháng kể từ ngày trồng.
- Các chỉ tiêu theo dõi:
+ Hàm lượng oxy hòa tan trong mô hình bằng máy DO kế.
+ Các thông số môi trường dòng vào, dòng ra (nhiệt độ, độ đục, màu, mùi, TDS, pH, DO, COD, T-P, T-N) được phân tích theo phương pháp tiêu chuẩn Việt Nam.
+ Xác định khả năng xử nước thải chăn nuôi của các công thức cây trồng bằng cách so sánh kết quả phân tích các chỉ tiêu ở đầu ra với QCVN 40:2011/BTNMT.
Từ kết quả của các thí nghiệm, chúng tôi lựa chọn công thức vật liệu, cây trồng tốt nhất để làm mô hình chuẩn.
- Xây dựng Mô hình:
Sau khi xác định được công thức vật liệu lọc tốt nhất và công thức cây trồng tốt nhất, đó là những công thức có khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm có trong nước
thải chăn nuôi nhiều nhất sẽ được chọn để thiết kế trồng vào mô hình bãi lọc ngầm trồng cây.
- Công thức vật liệu lọc tốt nhất là công thức vật liệu 6 (VL6): VL6 = Sỏi to + đá nhỏ + nền
Trong đó: Nền = cát to + cát mịn + mùn bán phân hủy + sét hạt mịn - Công thức cây trồng tốt nhất là công thức 5 (CT5):
CT 5 = Mon Nước + Thủy Trúc 6+ Phát Lộc + Chuối Hoa
Thiết kế 3 mô hình bậc 1 gồm thùng nhựa, đường kính 0,7m,dung tích 250 l/thùng.
Nước thải chăn nuôi được lấy từ dòng thải sau hầm biogas của trang trại chăn nuôi trong địa bàn nghiên cứu.
2.4.4. Phương pháp xử lý số liệu
- Phân tích đánh giá các số liệu có sẵn, các số liệu thu thập được. Tổng hợp các số liệu đó trên phần mềm Excel để đưa ra các nhận xét, đánh giá một cách đầy đủ.
- Số liệu được tính toán và xử lí thống kê theo phương pháp thống kê trên phần mềm SAS.
Chương 3
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
3.1. Một vài đặc điểm của điều kiện tự nhiên của vùng nghiên cứu
* Vị trí địa lí:
Bắc Ninh là tỉnh thuộc vùng đồng bằng Bắc Bộ, nằm gọn trong châu thổ sông Hồng, liền kề với thủ đô Hà Nội. Bắc Ninh nằm trong vùng kinh tế trọng điểm: tam giác tăng trưởng Hà Nội - Hải Phòng - Quảng Ninh, khu vực có mức tăng trưởng kinh tế cao, giao lưu kinh tế mạnh.
- Phía Bắc giáp tỉnh Bắc Giang
- Phía Nam giáp tỉnh Hưng Yên và một phần Hà Nội - Phía Đông giáp tỉnh Hải Dương
- Phía Tây giáp thủ đô Hà Nội
* Địa hình vùng nghiên cứu:
Địa hình của tỉnh tương đối bằng phẳng, có hướng dốc chủ yếu từ Bắc xuống Nam và từ Tây sang Đông, được thể hiện qua các dòng chảy mặt đổ về sông Đuống và sông Thái Bình. Mức độ chênh lệch địa hình không lớn, vùng đồng bằng thường có độ cao phổ biến từ 3 - 7 m, địa hình trung du đồi núi có độ cao phổ biến 300 - 400m. Diện tích đồi núi chiếm tỷ lệ rất nhỏ (0,53%) so với tổng diện tích tự nhiên toàn tỉnh, phân bố chủ yếu ở 2 huyện Quế Võ và Tiên Du. Ngoài ra còn một số khu vực thấp trũng ven đê thuộc các huyện Gia Bình, Lung Tài, Quế Võ, Yên Phong. Đây là điều kiện lý tưởng để có thể xây dựng các công trình xử lý nước thải bằng công nghệ bãi lọc ngầm trồng cây, vì có thể lợi dụng độ chênh cao của địa hình, cho tự chảy, tiết kiệm được năng lượng trong quá trình xử lý.
* Điều kiện thời tiết khí hậu vùng nghiên cứu:
Các loại cây trồng khác nhau được sử dụng trồng trong bãi lọc ngầm sinh trưởng phát triển tốt đều phụ thuộc vào điều kiện thời tiết như nhiệt độ, lượng mưa, độ ẩm... để sinh trưởng và phát triển, cùng với sự phát triển của cây thì khả năng xử lý nước thải là tốt nhất, cây sinh trưởng tốt bộ rễ phát triển mạnh cung cấp nhiều oxy xung quanh vùng rễ của cây. Bắc Ninh mang những nét chung của khí hậu vùng đông bắc Việt Nam, thuộc miền nhiệt đới gió mùa, có mùa đông lạnh giá, ít mưa, mùa hè nóng ẩm mưa nhiều. Khí hậu của tỉnh Bắc Ninh chia làm 4 mùa: xuân, hạ, thu, đông và nằm trong vùng ấm của tỉnh, có lượng mưa trung bình khá lớn. Dưới đây là điều kiện thời tiết của Bắc Ninh:
Bảng 3.1. Thời tiết vùng nghiên cứu Tháng 1 2 3 4 Nhiệt độ 15,2 15,6 20 28,7 Lượng mưa (mm) 48,8 20,6 35,3 45,8 Độ ẩm (%) 85 84 83 82 Bốc hơi (mm) 1,8 2,3 2,4 3,8 Giời nắng 0 1 1 4
( Nguồn: Trạm khí tượng Bắc Ninh 2012)
Qua bảng 3.1 ta thấy:
- Nhiệt độ: Các cây được trồng trong thời gian từ tháng 1 tới tháng 4, là những tháng có nhiệt độ thay đổi nhiều, giao động từ 15,20C - 28,70C. Khi tiến hành trồng cây tháng 2 thời tiết còn lạnh cây sinh trưởng phát triển chậm, đây là giai đoạn cần chăm sóc tưới tiêu cho cây để cây sinh trưởng phát triển, đến tháng 3, tháng 4 thời tiết ấm hơn là điều kiện cho cây sinh trưởng phát triển là tốt nhất và là giai đoạn cây có bộ rễ phát triển và có khả năng xử lý được nước thải, lúc đó tiến hành đổ nước thải vào. Qua đó ta thấy yếu tố nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn tới sự sinh trưởng của cây, thời tiết lạnh khả năng sinh trưởng kém, khi ấm hơn cây sinh trưởng phát triển mạnh thích hợp cho nghiên cứu.
- Độ ẩm: Trong thời gian này độ ẩm ở khu vực nghiên cứu không có sự biến động quá nhiều, là điều kiện phù hợp cho sự phát triển của cây trồng. Độ ẩm giao động không quá lớn từ tháng 1 tới tháng 4 độ ẩm trong khoảng 82%- 85%, phù hợp với sự phát triển của các cây trong thí nghiệm. Độ ẩm này là điều kiện thích hợp cho sự lẩy mầm phát triển chiều cao của cây và phát triển của bộ rễ của cây.
- Lượng mưa: Trong giai đoạn đầu của quá trình trồng cây, mưa ở đây tương đối thấp, lượng mưa không nhiều mưa chủ yếu là mưa phùn. Tháng 2 lượng mưa chỉ có 20,6 mm mà đây là giai đoạn trồng cây do đó cần cung cấp nước cho cây