Theo định nghĩa về Wetland (đất ngập nớc) ghi tại điều 1 của Công ớc RAMSAR: "Đất ngập nớc bao gồm: những vùng đầm lầy, đầm lầy than bùn, những vực nớc bất kể là tự nhiên hay nhân tạo, những vùng ngập nớc tạm thời hay thờng xuyên, những vực nớc đứng hay chảy, là nớc ngọt, nớc lợ hay nớc mặn, kể cả những vực nớc biển có độ sâu không quá 6 m khi triều thấp" [6].
Ngoài các hệ thống đất ngập nớc tự nhiên, trong công nghệ xử lý nớc bằng đất ngập nớc còn có hệ thống đất ngập nớc nhân tạo, hệ thống này có thể đợc phân thành ba nhóm chính theo mô hình dòng chảy, đó là:
• Các hệ thống chảy trên bề mặt (Free water surface - FWS).
• Các hệ thống dòng chảy ngang dới mặt đất (Horizontal subsurface flow - HSF).
• Các hệ thống với dòng chảy thẳng đứng (Vertical subsurface flow -VSF).
Hình 3.4.Sơ đồ đất ngập nớc kiến tạo chảy ngầm theo chiều ngang (theo Vymazal, 1997) [6]
Hình 3.5. Sơ đồ đất ngập nớc kiến tạo chảy ngầm theo chiều đứng (theo Cooper, 1996) [6]
Việc xử lý nớc thải bằng đất ngập nớc nhân tạo là dựa vào khả năng giữ các cặn nớc ở trên mặt đất, nớc thấm qua đất nh đi qua bãi lọc. Nhờ có oxi trong các lỗ hổng và mao quản của lớp đất mặt, các vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ nhiễm bẩn. Càng sâu xuống lợng oxi càng ít và quá trình oxi hóa các chất hữu cơ giảm dần. Cuối cùng đến độ sâu ở đó chỉ diễn ra quá trình khử nitrat. Xử lý nớc thải bằng hệ đất ngập nớc kiến tạo đã đợc áp dụng khoảng 100 năm nay ở Mỹ và Châu Âu, gần đây nhất là ở các nớc Châu á và Châu úc. Việc nghiên
cứu kỹ thuật đất ngập nớc nhân tạo khá nhiều trong khoảng hơn 20 năm nay, đặc biệt là các công trình của Kadlec và Knight (1996), US-EPA (1988), Kadllec et al. (2000), Solano et al. (2003), Vymazal (2005),... cho thấy hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm nh nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5), nhu cầu oxy hóa học (COD), tổng lợng chất rắn lơ lửng (TSS), tổng số Coliform,... đều giảm đáng kể [4].
Các loại cây sử dụng để xử lí có thể là: sậy, sen, lili nớc, và các loại thân mềm nổi là phổ biến.
Các yếu tố xử lí bao gồm:
• Các thành phần cố định: đất, đá, cát trong hệ, hệ thực vật, các hạt cặn nhỏ, rác, và màng vi sinh kể cả tảo, vi khuẩn... bám vào hệ rễ và đất đá.
• Nớc thải là nguồn dinh dỡng.
• Không khí vừa là chất thải vừa là nguồn cung ôxi.
Cơ chế xử lí chất ô nhiễm:
Đây là hệ xử lí tự nhiên, vì vậy các quá trình xảy ra ở đây là những quá trình tự nhiên gần với những quá trình xảy ra trong các hệ sinh thái nhất.
Chất hữu cơ đợc xử lí bằng hai con đờng chính là yếm khí và hiếu khí. Đóng góp của mỗi quá trình phụ thuộc tải hữu cơ đầu vào và mức độ cấp ôxi.
Trong hệ đất ngập nớc tải hữu cơ đầu vào phụ thuộc trớc tiên vào nớc thải vào. Nguồn cung ôxi có thể: một là ôxi từ không khí thông qua sự trao đổi bề mặt khí/nớc, hai là ôxi do quá trình quang hợp của thực vật thuỷ sinh. Hệ quả là nớc trở nên oxic (hiếu khí) ban ngày và anoxic (thiếu khí) ban đêm. Thông th- ờng ôxi khó vận chuyển tới lớp bùn đáy nên các quá trình ở lớp nớc dới, trên và trong lớp bùn đáy là yếm khí. Lớp 2-3 mm trên cùng của bùn thờng thể hiện tính chất của lớp nớc đáy. Thực vật có rễ làm nhiệm vụ cấp ôxi cho môi trờng thông qua hệ rễ của chúng. Khi hệ rễ phát triển lớp đất bùn xung quanh trở nên hiếu khí hơn. Tuy nhiên lợng ôxi cấp vào qua hệ rễ cây thờng không đủ so với tải hữu cơ (BOD) nên không quyết định cơ chế xử lí hữu cơ.
Để áp dụng hệ sinh thái đất ngập nớc cho việc xử lý nớc thải Kênh số 3, trớc hết nớc thải vào cần đợc xử lý sơ bộ, đặc biệt cho qua song chắn rác để loại bỏ rác, các vật thô cứng, qua lắng cát loại bỏ cát sỏi và các tạp chất nặng, loại
bỏ dầu mỡ (nớc thải của kênh chủ yếu nớc thải sinh hoạt) và một phần các chất huyền phù tránh cho các lỗ hổng và mao quản lớp đất mặt bị bịt kín làm giảm sự thoáng khí, ảnh hởng xấu đến khả năng oxy hóa các chất bẩn của hệ vi sinh vật. Vì hệ đất ngập nớc hoạt động lâu dài tạo thành khu đa dạng sinh học nên tr- ớc khi xây dựng cần xem xét về việc định hớng sử dụng đất của Tỉnh ta tại vùng quy hoạch xây dựng trong một thời gian dài.
Với những u điểm của phơng pháp đất ngập nớc: - Sử dụng có hiệu quả vi khuẩn trong đất.
- Phơng pháp này không những xử lý rất hiệu quả với quy mô nhỏ mà có thể đợc sử dụng ở quy mô lớn đặc biệt ở các vùng nông thôn có diện tích rộng.
- Phơng pháp đơn giản, rẻ tiền có thể áp dụng phù hợp với từng khu dân c, sử dụng nguyên liệu sẵn có trong tự nhiên nhng loại bỏ phần lớn các chất hữu cơ chứa nitơ, photpho,... trong nớc thải. Đây là phơng pháp tái sử dụng dinh d- ỡng.
- Phơng pháp còn có thể xử lý hoàn toàn mùi hôi trong nớc thải đặc biệt xử lý đợc số lợng bùn d thừa.
- Hệ thống hoạt động cung cấp lợng nớc cho Sông Lam đảm bảo nhu cầu tới tiêu vào mùa khô hạn.
3.3.2. Giải pháp 2: Sử dụng ao hồ ổn định sinh học
Để đạt tiêu chuẩn xả thải xử lý nớc thải Kênh số 3, sử dụng ao hồ ổn định sinh học kết hợp với thả bèo lục bình cũng đợc coi là phơng pháp khả thi.
Phơng pháp đợc tiến hành nh sau: Chắn rác
Nớc thải Nớc ra
Hình 3.6: Sơ đồ hệ thống xử lý nớc thải Kênh số 3 bằng ao hồ ổn định sinh học
Cơ sở khoa học của phơng pháp:
Phơng pháp dựa vào khả năng tự làm sạch của nớc, chủ yếu là vi sinh vật và các thủy sinh khác, các chất nhiễm bẩn bị phân hủy thành các chất khí và n- ớc. Loại ao hồ này kết hợp song song hai quá trình: phân hủy hiếu khí các chất hữu cơ hòa tan có đều ở trong nớc và phân hủy kị khí cặn lắng ở vùng đáy. Trong ao hồ, hệ vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn sẽ hoạt động ở 3 vùng: kị khí ở đáy, tùy tiện ở vùng giữa và hiếu khí ở vùng trên gần mặt nớc. ở vùng hiếu khí, tảo phát triển sẽ sử dụng nguồn N và P cho việc tăng sinh khối, đồng thời thải ra O2 phục vụ cho vi sinh vật hiếu khí. Ngợc lại, vi sinh vật hiếu khí hoạt động thải ra CO2, cung cấp nguồn cacbon phục vụ cho tảo và các loài thực vật thủy sinh khác cho quá trình quang hợp. Trong đó bèo lục bình là sinh vật chính để làm sạch nớc.
Bèo lục bình (bèo Nhật Bản, Eichhorma crassipes) có nguồn gốc Nam Mỹ, sinh trởng nhanh và nổi trên mặt nớc. Hoa màu tím đợc coi là cây trang trí ở một số nớc Châu á và sau đó trở thành một loài cỏ dại thuỷ sinh chính. Nó có thể tái sinh rất khoẻ và nhanh. Bèo lục bình là loại thuỷ sinh có khả năng hấp thụ mạnh các chất dinh dỡng, phân giải và đồng hoá các chất bẩn trong môi tr- ờng nớc nhờ vi sinh vật bám trên thân và rễ của chúng.
Cơ chế hoạt động:
Nớc thải của Kênh trớc khi đa vào bể lắng cho qua song chắn rác, nhằm giữ các vật thô nh giẻ, giấy, rác, vỏ hộp, vỏ chai, mẩu gỗ...
Song chắn đợc làm bằng sắt tròn hoặc vuông, đặt nghiêng theo dòng chảy 1 góc 60-750 [10]. Sau 1 thời gian hoạt động cần tiến hành
thu gom rác, việc thu gom rác tại song chắn thờng không theo chu kì nhất định, mà qua kiểm tra theo dõi, thờng là 2-5 lần/ngày [4].
Hình 3.7: Mô phỏng hồ sinh học (nhìn từ trên xuống)
Sau chắn rác, nớc thải cho chảy vào bể lắng, để chất thải rắn lắng xuống đáy. Sau đó cho phần nớc trong chảy vào hồ mở có thả bèo lục bình trớc. Do bèo lục bình thích nghi thời tiết ấm áp và cũng để làm tăng quá trình quang hợp ta nên tạo bề mặt xung quanh hồ thoáng để đợc chiếu nắng, ấm nhiều hơn. Trong hồ thả bèo có thể thiết kế theo hình ziczắc (hình 3.7) để tăng thời gian lu nớc, kéo dài quá trình xử lý.
Để kiểm soát số bèo đã sử dụng và tạo bề mặt chiếu sáng cũng nh tạo điều kiện oxy không khí khuếch tán vào nớc ta nên thiết kế các ô chứa bèo giữa hồ, bố trí thành các hình hoa văn để vừa có tính thẩm mỹ, tạo sự thông thoáng cho mặt hồ.
Với những u điểm:
- Phơng pháp này rẻ tiền, vốn đầu t ít, chi phí hoạt động rẻ không đòi hỏi cung cấp năng lợng mà sử dụng năng lợng Mặt Trời
- Không yêu cầu kỹ thuật cao, dễ vận hành, quản lý đơn giản
- Hiệu quả xử lý khá cao, có khả năng làm giảm các vi sinh vật gây bệnh trong nớc thải xuống tới mức thấp nhất, có khả năng loại trừ các chất hữu cơ, vô cơ tan trong nớc.
- Còn có thể tận dụng sinh khối bèo dùng làm phân bón cho đồng ruộng. Đồng thời phơng pháp này còn có những nhợc điểm:
- Thời gian xử lý khá dài ngày.
- Đòi hỏi mặt bằng rộng.
- Trong quá trình xử lý phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết tự nhiên, với khí hậu của Nghệ An thì nhiệt độ thấp vào mùa đông sẽ làm kéo dài thời gian và hiệu quả làm sạch.
Vì vậy, nếu chỉ áp dụng phơng pháp xử lý bằng hồ sinh học có thả bèo lục bình cho Kênh thải số 3 sẽ gặp gián đoạn xử lý trong một thời gian dài vào mùa đông, làm ảnh hởng chất lợng nớc thải ra.
3.3.3. Giải pháp 3: Lọc sinh học
Phơng pháp lọc sinh học lần đầu tiên đợc áp dụng ở Mỹ năm 1891 và ở Anh năm 1893. Hệ thống lọc sinh học đợc thiết lập đầu tiên tại trại thực
nghiệm Lawrence, bang Matsachuset, nớc Mỹ năm 1891. Đến năm 1940 ở nớc này đã có 60% hệ thống xử lý nớc thải áp dụng công nghệ lọc sinh học [10].
Với hàm lợng chất rắn lơ lửng trung bình tơng đối thấp 86,5 mg/l nên khi áp dụng phơng pháp lọc sẽ hạn chế đợc hiện tợng tắc bể lọc, làm kéo dài thời gian hoạt động, giảm chi phí rửa lọc. Ngoài ra, với nhận định nớc thải Kênh số 3 đã bị ô nhiễm hữu cơ thì hệ vi sinh vật phát triển trong bể lọc giúp xử lý tốt, đảm bảo yêu cầu chất lợng nớc đầu ra.
Hệ thống xử lý đợc bố trí nh sau:
Nớc thải
Hình 3.8: Sơ đồ xử lý nớc thải Kênh số 3 qua bể lọc sinh học
Bể lọc sinh học thờng dùng vật liệu lọc từ đá dăm, đá cuội, đá ong, than đá, than cốc, cát... Kích thớc vật liệu lọc không đợc quá nhỏ sẽ làm giảm độ hở giữa các vật liệu gây tắc nghẽn cục bộ, kích thớc mà quá lớn thì diện tích tiếp xúc bị giảm dẫn đến giảm hiệu quả xử lý. Ta nên kết hợp nhiều loại với kích th- ớc khác nhau, có thể sắp xếp theo lớp hoặc lẫn lộn. Bể lọc thờng cao 3 m với lớp cát dày 1,0 -1,2 m [4], cát lọc là cát mịn.
Bể lắng ở đây cũng có tác dụng nh bể điều hòa lu lợng nớc trớc khi vào hệ thống lọc để đảm hiệu quả lọc và chất lợng nớc ra. Để đạt hiệu quả cao trong xử lý, thờng kết hợp 2 bể lọc nối tiếp [10].
Nguyên lý của phơng pháp lọc:
Dựa trên quá trình hoạt động của vi sinh vật ở màng sinh học, oxy hóa các chất hữu cơ có trong nớc. Các màng sinh học là tập thể các vi sinh vật hiếu khí, kị khí và sinh vật tùy nghi đợc hình thành từ cặn và các vi sinh vật tích lũy trong nớc thải từ quá trình làm việc các vật liệu lọc tiếp xúc với nớc thải chảy từ trên xuống. Các vật liệu lọc ngoài tác dụng lọc còn có nhiệm vụ quan trọng làm
Bể lắng Bể lọc sinh học
Nước ra Chắn rác
diễn ra trong bể lọc mà nớc lọc có chất lợng cao không những về độ trong nhờ lớp cát mịn mà còn sạch một phần chất hữu cơ và có thể loại bỏ tới 95-99% về tổng vi khuẩn [4].
Cùng với sự chuyển hóa các chất hữu cơ, các hợp chất N cũng có thẻ đợc chuyển hóa nhờ các quá trình sinh học sau:
ở lớp nớc trên khi có oxy hòa tan ta có các quá trình vi sinh hiếu khí phân hủy chất hữu cơ và oxy hóa N-amoni nhờ các vi sinh hiếu khí:
Chất hữu cơ + O2 → CO2 + H2O NH4+ + O2 → NO3- + H2O
Vào sâu trong lớp vật liệu lọc, khi oxy hòa tan đợc tiêu thụ hết ta có các quá trình yếm khí phân hủy chất hủy chất hữu cơ và khử nitrat nhờ các vi sinh yếm khí:
Chất hữu cơ → CH4 + CO2
Chất hữu cơ + NO3- → N2 + CO2 +H2O Với những u điểm của phơng pháp:
- Nếu áp dụng đợc 2 hay nhiều bể lọc nối tiếp sẽ cho chất lợng nớc ra rất tốt.
- Chiếm diện tích ít vì không cần bể lắng trong (bể lắng 2) sau lọc.
- Rút ngắn đợc thời gian xử lý.
- Đơn giản, dễ dàng cho việc bao, che công trình, đảm bảo mĩ quan. Tuy nhiên hệ thống cũng có những nhợc điểm khó khắc phục nh:
- Không khí ra khỏi lọc thờng có mùi hôi thối và xung quanh lọc có nhiều ruồi muỗi.
- Kênh thải số 3 chạy dọc trong khu dân c của 2 phờng Trờng Thi và Bến Thủy nơi có trờng Đại học Vinh đóng. Vì thế khi trờng Đại học Vinh mở rộng, số lợng giảng viên, sinh viên, học sinh tăng lên cùng với đó là các cơ sở dịch vụ tăng theo thì nhu cầu sử dụng nớc sẽ tăng, dẫn đến lợng nớc thải ra lớn. Khi đó nếu chỉ áp dụng phơng pháp lọc không thì sẽ không đạt hiệu quả.
- Bên cạnh đó, đối với phơng pháp lọc thì sau một thời gian hoạt động, bể lọc thờng có hiện tợng tắc do cặn bít dần các khe, lỗ trống. Vì thế, để đảm bảo
hệ hoạt động tốt cần tốn chi phí cho việc rửa lọc và khi các cơ quan quản lý thiếu quan tâm, giám sát thì bể lọc cũng chỉ hoạt động đợc thời gian ngắn rồi rơi vào tình trạng nghỉ ngơi không thời hạn.
Vì vậy, nếu áp dụng phơng pháp này để xử lý nớc thải cho Kênh trong thời gian dài cha đợc coi là phơng pháp đảm bảo.
Qua khảo sát thực địa của Kênh thải số 3 và với các giải pháp đợc trình bày ở trên nhận thấy, nớc thải trong Kênh chủ yếu nớc thải sinh hoạt của dân 2 phờng Trờng Thi và Bến Thủy với lu lợng trung bình thấp (1.230 m3/ng.đ). Mặt khác, nớc thải sau khi qua hệ thống xử lý đợc đổ vào hệ thống sông Lam, tại đây nớc tiếp tục đợc làm sạch nhờ quá trình tự nhiên trong sông. Vì vậy, nớc đầu ra không yêu cầu khắt khe về chất lợng. Trong khi đó, áp dụng lọc sinh học với hai hay nhiều bể nối tiếp đạt hiệu quả xử lý cao nhng đòi hỏi chi phí xây dựng lớn, còn phải giải quyết vấn đề rửa lọc. Việc áp dụng ao hồ ổn định sinh học có dùng bèo lục bình hay đất ngập nớc đảm bảo tính sinh thái, dễ thực hiện, chi phí lại thấp. Tuy nhiên, nh đã trình bày ở trên thì việc áp dụng ao hồ ổn định sinh học dùng bèo lục bình là thực vật thủy sinh chính để xử lý nớc thải lại thích nghi điều kiện khí hậu nắng ấm, trong khi Nghệ An thuộc vùng khí hậu nóng ẩm có một mùa đông kéo dài nên sẽ gặp khó khăn để duy trì hệ hoạt động tốt.