Hệ thống này có cấu tạo và hoạt động như một đầm lầy hay đất ngập nước tự nhiên. Dưới đáy của bãi lọc là một lớp đất sét tự nhiên hay nhân tạo hoặc rải một lớp vải nhựa chống thấm. Trên lớp chống thấm là đất hoặc vật liệu lọc phù hợp cho sự phát triển của thực vật có thân nhô lên mặt nước. Dòng nước thải chảy ngang trên bề mặt lớp vật liệu lọc. Hình dạng của bãi lọc này thường là kênh dài và hẹp, chiều sâu lớp nước nhỏ, vận tốc dòng chảy chậm và thân cây trồng nhô lên trong bãi lọc là những điều kiện cần thiết để tạo nên chế độ thủy lực kiểu dòng chảy đẩy.
1.4.4.2. Bãi lọc ngầm trồng cây [29]
a. Bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy ngang (Horizontal flow HF)
Trong hệ thống HF, nước thải từ hệ thống dẫn vào chảy từ từ ngầm bề mặt và theo dòng chảy ngang cho tới hệ thống ga thoát nước sau xử lý. Trong quá trình này nước thải sẽ tiếp xúc với các khu vực hiếu khí, thiếu khí và kị khí. Vùng hiếu khí là các khu vực xung quanh rễ và thân rễ bởi theo đó oxy sẽ được rò rỉ vào hệ thống. Trong quá trình nước thải chảy từ từ qua vùng rễ, nước thải sẽ được xử lý bằng các vi sinh vật cư trú tại đó.
Hình 1.4: Sơ đồ bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang
b. Bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy thẳng đứng (Vertical flow VF)
Hệ thống VF thông thường được cấu tạo từ hệ thống cát và sỏi cả ở dưới đáy bể và trên mặt bể cùng hệ thực vật. Nước thải cần xử lý sẽ thẩm thấu từ phía trên xuống dưới và được tập trung vào hệ thống hố ga thoát nước đã xử lý.
Hệ thống VF được cấp nước thải liên tục trên một diện tích bề mặt không nhỏ, nước thải thấm dần xuống dưới thâm nhập vào khu vực xử lý của bể và nước sau xử lý sẽ được thu gom vào hệ thống ga thoát nước. Không khí có thể thâm nhập vào hệ thống qua các ống thông khí và bởi chính đường thoát nước sau xử lý, chính sự cung cấp oxy liên tục này cùng với oxy được vận chuyển qua hệ thực vật sẽ đóng góp một lượng oxy lớn hơn so với hệ thống HF.
Hình 1.5: Sơ đồ bãi lọc trồng cây dòng chảy thẳng đứng
1.4.5. Cơ chế các quá trình xử lý trong bãi lọc trồng cây – vai trò của hệ thực vật trong bãi lọc [7]
1.4.5.1. Loại bỏ các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học
Trong các bãi lọc, phân hủy sinh học đóng vai trò lớn nhất trong việc loại bỏ các chất hữu cơ dạng hòa tan hay dạng keo có khả năng phân hủy sinh học (BOD) có trong nước thải. BOD còn lại cùng các chất rắn lắng được sẽ bị loại bỏ nhờ quá trình lắng. Cả bãi lọc ngầm trồng cây và bãi lọc trồng cây ngập nước về cơ bản hoạt động như bể lọc sinh vật. Tuy nhiên, đối với bãi lọc trồng cây ngập nước, vai trò của các vi sinh vật lơ lửng dọc theo chiều sâu cột nước của bãi lọc đối với việc loại bỏ BOD trong các màng vi sinh vật bao bọc xung quanh lớp vật liệu lọc tương tự như trong bể lọc sinh học nhỏ giọt. Phân hủy sinh học xảy ra khi các chất hữu cơ hòa tan được mang vào lớp màng vi sinh bám trên phần thân ngập nước của thực vật, hệ thống rễ và những vùng vật liệu lọc xung quanh, nhờ quá trình khuếch tán.
Vai trò của thực vật trong bãi lọc:
Cung cấp môi trường thích hợp cho vi sinh vật thực hiện quá trình phân hủy sinh học (hiếu khí) cư trú.
Vận chuyển oxy vào vùng rễ để cung cấp cho quá trình phân hủy sinh học hiếu khí trong lớp vật liệu và bộ rễ.
1.4.5.2. Loại bỏ các chất rắn
Các chất rắn lắng được loại bỏ dễ dàng nhờ cơ chế lắng trọng lực, vì hệ thống bãi lọc trồng cây có thời gian lưu nước dài. Chất rắn không lắng được, chất keo có thể được loại bỏ thông qua các cơ chế lọc (nếu sử dụng cát lọc); lắng và phân hủy sinh học (do sự phát triển của vi khuẩn); hút bám, hấp phụ lên các chất rắn khác (thực vật, đất, cát, lớp sỏi nền…).
Các cơ chế xử lý trong hệ thống này phụ thuộc rất nhiều vào kích thước và tính chất của các chất rắn có trong nước thải và các dạng vật liệu lọc được sử dụng. Trong mọi trường hợp, thực vật trong bãi lọc không đóng vai trò đáng kể trong việc loại bỏ các chất rắn.
1.4.5.3. Loại bỏ nitơ
Nitơ được loại bỏ trong bãi lọc nhờ 3 cơ chế chế chủ yếu sau:
Nitrat hóa /khử nitrat
Sự bay hơi của ammoniac (NH3)
Sự hấp thụ của thực vật.
Trong các bãi lọc, sự chuyển hóa của nitơ xảy ra trong các tầng oxy hóa và khử của đất, bề mặt tiếp xúc giữa rễ và đất và phần ngập nước của thực vật có thân nhô lên mặt nước. Nitơ hữu cơ bị khoáng hóa thành NH4+ trong cả 2 lớp đất oxy hóa và khử. Lớp oxy hóa và phần ngập của thực vật là những nơi chủ yếu xảy ra quá trình nitrat hóa, tại đây NH4
+ chuyển hóa thành NO2 - bởi vi khuẩn Nitrosomonas và cuối cùng thành NO3 -
bởi vi khuẩn Nitrobacter. Ở môi trường pH cao hơn, một số NH4+ chuyển sang dạng NH3 và bay hơi vào không khí. Nitrat trong vùng khử sẽ bị hụt đi nhờ quá trình khử nitrat, lọc hay do thực vật hấp thụ. Tuy nhiên nitrat lại được cấp vào từ vùng oxy hóa nhờ hiện tượng khuếch tán.
vùng rễ qua lá, thân, gốc, rễ của các cây trồng trong bãi lọc và tạo nên một lớp giàu oxy tương tự như lớp bề mặt chung giữa đất và nước. Quá trình nitrat hóa diễn ra ở vùng rễ hiếu khí, tại đây NH4+ bị oxy hóa thành NO3-. Phần NO3-
không bị cây trồng hấp thụ sẽ khuếch tán vào vùng thiếu khí, và bị khử thành N2 và NO2
-
do quá trình khử nitrat. Lượng amoni trong vùng rễ được bổ sung nhờ nguồn NH4
+
từ vùng thiếu khí khuếch tán vào.
1.4.5.4. Loại bỏ photpho
Cơ chế loại bỏ photpho trong bãi lọc gồm có sự hấp thụ của thực vật, các quá trình đồng hóa của vi khuẩn, sự hấp phụ lên đất, vật liệu lọc (chủ yếu là lên đất sét) và các chất hữu cơ, kết tủa và lắng cùng các ion Ca2+
, Mg2+, Fe3+, và Mn2+. Khi thời gian lưu nước dài và đất sử dụng có cấu trúc mịn thì các quá trình loại bỏ photpho chủ yếu là sự hấp phụ và kết tủa, do điều kiện này tạo cơ hội tốt cho quá trình hấp phụ photpho và các phản ứng trong đất xảy ra.
1.4.5.5. Loại bỏ kim loại nặng
Khi các kim loại nặng hòa tan trong nước thải chảy vào bãi lọc trồng cây, các cơ chế loại bỏ chúng gồm có:
-Kết tủa và lắng ở dạng hiđroxit không tan trong vùng hiếu khí, ở dạng sulfit kim loại trong vùng kị khí của lớp vật liệu.
-Hấp phụ lên các kết tủa hiđroxit sắt, mangan trong vùng hiếu khí. -Kết hợp lẫn với thực vật chết và đất.
-Hấp thụ vào rễ, thân và lá của thực vật trong bãi lọc trồng cây.
Các loại thực vật khác nhau có khả năng hấp thụ kim loại nặng rất khác nhau. Bên cạnh đó, thực vật đầm lầy cũng ảnh hưởng gián tiếp đến sự loại bỏ và tích trữ kim loại nặng khi chúng ảnh hưởng tới chế độ thủy lực, cơ chế hóa học của lớp trầm tích và hoạt động của vi sinh vật. Vật liệu lọc là nơi tích tụ chủ yếu kim loại nặng. Khi khả năng chứa các kim loại nặng của chúng đạt tới giới hạn thì cần nạo vét và xả bỏ để loại kim loại nặng ra khỏi bãi lọc.
Các hợp chất hữu cơ được loại bỏ trong các bãi lọc trồng cây chủ yếu nhờ cơ chế bay hơi, hấp phụ, phân hủy bởi các vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn và nấm) và hấp thụ của thực vật. Quá trình phân hủy các chất bẩn hữu cơ chính nhờ các vi khuẩn hiếu khí và kị khí, nhưng quá trình hấp phụ các chất bẩn lên màng sinh vật phải xảy ra trước quá trình thích nghi và phân hủy sinh học. Các chất bẩn hữu cơ chính còn có thể được loại bỏ nhờ quá trình hấp phụ vật lý lên bề mặt các chất rắn lắng được và sau đó là quá trình lắng. Quá trình này thường xảy ra ở phần đầu của bãi lọc.
1.4.5.7. Loại bỏ vi khuẩn và virus
Cơ chế loại bỏ vi khuẩn, vius trong các bãi lọc trồng cây về bản chất cũng giống như quá trình loại bỏ các vi sinh vật này trong hồ sinh học. Vi khuẩn và virus trong nước thải được loại bỏ nhờ:
Các quá trình vật lý như dính kết và lắng, lọc, hấp phụ
Bị tiêu diệt do điều kiện môi trường không thuận lợi trong một thời gian dài.
CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu
Nước thải công ty cổ phần xuất khẩu thủy sản Quảng Ninh - 2 (AQUAPEXCO) hoặc nước thải có thành phần tương đương.
2.2. Mục tiêu nghiên cứu
- Nuôi cấy làm giàu vi khuẩn vi khuẩn anammox trong điều kiện gần với thực tế nhất.
- Tìm hiếu khả năng xử lý nước thải thủy sản của bãi lọc trồng cây. - Ứng dụng vào xử lý nitrat, nitrit, amoni và photphat...
- Xác định số lượng, chủng loại vi khuẩn oxi hoá amoni, khử nitrat, oxi hoá nitrit
2.3. Thiết kế
Do nước thải là của một nhà máy thủy sản đặt tại khu vực nước lợ nên khi tiến hành thiết kế, chúng tôi đã chọn kiểu bãi lọc thẳng đứng trên có trồng 2 loại cây cói – cây có khả năng chịu mặn tốt:
Cói chiếu (Cyperus tegetiformis Roxb.) được lấy từ cửa sông Nam Định Cói bàng (Lepỉonia articulata (Retz) Domin ) được lấy từ chính địa phương.
Ngoài ra nước thải thủy sản còn có độ mặn lớn, hàm lượng các chất ô nhiễm cao do đó nước thải đã phải đưa qua hệ thống pilot thí nghiệm tiền xử lý. Hệ thống này làm giảm nồng độ của các chất gây ô nhiễm nhưng không sử lý được triệt để, do đó nước được tiếp tục đưa vào bãi lọc trồng cây để sử lý tiếp. Nước thải sau tiền sử lý có thể tích là 250 lit/ngày đêm.
Hình 2.1: Thiết bị tiền xử lý nƣớc thải
Nước thải vào Nước ra có 4 mức 1,2,3,4 Mực nước mẫu thí nghiệm Cát vàng
Sỏi nhỏ Sỏi to
Nước ra sau xử lý
Hình 2.3: Thiết bị tự chế xử lý nƣớc thải thủy sản theo bãi lọc trồng cây
Hình 2.4: Sơ đồ trồng cây trong thiết bị xử lý nƣớc thải
Bể hình khối chữ nhật có kích thước chiều dài 1,5 m, chiều rộng 0,75 m, chiều cao 1 m Tổng thể tích bể là 1.125 l = 1,125m3. Cây Nước vào Nước ra
Xếp 3 lớp: lớp sát đáy sỏi to có kích thước d = 3cm có chiều dày 10cm lớp tiếp theo sỏi nhỏ có kích thước d = 1cm có chiều dày 10cm lớp trên cùng cát vàng có chiều dày 60cm
Khả năng chứa nước của bể còn 200 – 250 lit
Có 1 vòi dẫn nước thải vào và có 4 vòi dẫn nước ra để lấy mẫu thí nghiệm nước sau xử lý (các vòi này gắn vào các ống dẫn nước nằm sâu vào phía trong của bể cát)
2.4. Vận hành
Nước thải sau tiền xử lý được đổ vào liên tục và chảy ra liên tục ở vòi sát đáy. Khi lấy mẫu thí nghiệm thì lấy đồng thời cùng một lúc ở cả 4 vòi. Theo dõi sự phát triển của cây cói : chiều cao của từng cây và đẻ nhánh. Cây được trồng 2 tháng trước cho bén rễ và ổn định, sau đó mới lấy các mẫu để phân tích các thông số.
2.5. Phƣơng pháp phân tích [5]
2.5.1. Xác định hàm lượng amoni bằng phương pháp so màu với thuốc thử Nessler Nessler
2.5.1.1. Nguyên tắc
Amoni trong môi trường kiềm phản ứng với thuốc thử Nessler (K2HgI4) tạo phức có màu vàng hay nâu sẫm phụ thuộc vào hàm lượng Amoni có trong nước.
NH4++ OH- ® NH3 + H2O
2K2HgI4 + NH3 + KOH → NH2Hg2I3 + 5KI + H2O (25)
Các ion sắt, canxi, magiê,... trong nước gây cản trở phản ứng nên cần phải loại bỏ bằng dung dịch Xecnhet hay dung dịch Complexon III. Nước đục được xử lý bằng dung dịch ZnSO4 5%. Clo dư trong nước được loại trừ bằng dung
Màu tạo ra do thuốc thử Nessler được định lượng gián tiếp bằng máy đo màu ở bước sóng 420 nm.
2.5.1.2. Tiến hành phân tích
Pha loãng mẫu bằng nước cất sao cho nồng độ mẫu nằm trong khoảng đường chuẩn. Lấy 5 ml mẫu cho vào ống nghiệm khô, thêm 0.2 ml Xecnhet và 0.3 ml Nessler, lắc đều, để yên 10 phút cho màu ổn định và đo quang ở bước sóng 420 nm. Tính toán nồng độ amoni trong mẫu theo phương trình đường chuẩn.
Hình 2.5: Phƣơng trình đƣờng chuẩn của amoni
2.5.2. Xác định hàm lượng nitrit (NO2-) trong nước bằng phương pháp so màu với thuốc thử Griss màu với thuốc thử Griss
2.5.2.1. Nguyên tắc
Trong môi trường axit axetic, ion nitrit phản ứng với axit sunfanilic và α- naphtylamin tạo thành hợp chất có màu đỏ.
C6H4(NH2)SO2 – OH + HNO2 → C6H4(N=NOH)SO2 – OH C6H4(N=NOH)SO2– OH +C10H7NH2→C6H4(N=N–C10H6NH2)SO2–OH
0 2 4 6 8 10 12 0 0.155 0.264 0.391 0.528 0.636 0.799 0.944 1.037 1.105 1.18 Nồ ng độ a m oni (g /m l) ABS y = 0,1218x+0,031 R2= 0,9924
Cường độ màu tỷ lệ với hàm lượng nitrit trong nước. Đem đo quang trên máy ở bước sóng 520 nm, từ mật độ quang thu được và dựa vào phương trình đường chuẩn ta rút ra được hàm lượng nitrit tương ứng. Ion NO3- không gây ảnh hưởng gì cho việc xác định.
2.5.2.2. Tiến hành phân tích
Lấy 5 ml mẫu nước cho vào ống nghiệm khô, thêm 1ml axit sunfanilic và 1ml a-naphtylamin. Lắc đều, để yên 20 phút rồi đem đo mật độ quang ở bước sóng 520 nm. Tính toán nồng độ nitrit trong mẫu theo phương trình đường chuẩn.
Hình 2.6: Phƣơng trình đƣờng chuẩn của nitrit
2.5.3. Xác định nitrat (NO3-) trong nước bằng phương pháp so màu với thuốc thử phenolđisunfonic thử phenolđisunfonic
2.5.3.1. Nguyên tắc
Ion nitrat tác dụng với phenoldisunfonic tạo thành axit nitrophenol- đisunfonic. Axit này khi phản ứng với ammoniac tạo phức màu vàng. Cường độ màu tỉ lệ với hàm lượng nitrat trong dung dịch. Có thể đo độ hấp thụ quang trên
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0.032 0.093 0.151 0.211 0.279 0.35 0.398 0.462 0.523 0.579 0.637 Nồ ng độ ( m g/l) ABS
Đường chuẩn nitrit
máy đo màu ở bước sóng 410 nm. Hàm lượng nitrat tối đa phát hiện được theo phương trình này là 10 mg/1.
2.5.3.2. Tiến hành phân tích
Lấy 5 ml mẫu cho vào cốc, đun cạn. Thêm 0.5 ml axit phenoldisunfonic, 5ml NH3 đặc, lắc đều. Thêm khoảng 10 ml nước cất, lắc đều. Chuyển tất cả vào bình định mức 25 ml, thêm nước cất đến vạch mức. Để yên 10 phút, đo độ hấp thụ quang ở bước sóng 410 nm. Tính toán nồng độ nitrat trong mẫu theo phương trình đường chuẩn.
Hình 2.7: Phƣơng trình đƣờng chuẩn của nitrat
2.5.4. Xác định hàm lượng photpho bằng phương pháp đo quang với thuốc thử Amonimolipdat – vanadat
2.5.4.1. Nguyên tắc
Trong môi trường axit, amonimolipdat phản ứng với dung dịch octophotphat tạo thành axit tạp (Axit molipdophotphoric). Với sự có mặt của vanadat axit vanadomolipdophotphoric màu vàng được hình thành. Cường độ màu thể hiện nồng độ phốt phát trong dung dịch. Nồng độ tối thiểu có thể phát hiện được là 10-4 g/L.
Yếu tố ảnh hưởng gây ra bởi sự có mặt của silicdioxyt (SiO2) và muối Asenat khi mẫu bị đun nóng.
Ảnh hưởng của các yếu tố âm là do sự có mặt của các ion: AsO3-, F-, Br2+, SO32-, S2O82-,… hoặc lượng vượt quá của molipdat. Màu xanh của dung dịch có thể được tạo thành là do sự có mặt của sắt nhưng không ảnh hưởng tới phép phân tích. Các ion không làm ảnh hưởng đến phép phân tích khi nồng độ vượt quá 100(mg/L) gồm: Al3+