Kích thƣớc Tỷ trọng Tỷ trọng khối Diện tích bề mặt riêng
mm g/cm3 g/cm3 m2/g
0,1 – 50 2,3 – 3 1,15 – 1,76 0,1 – 1
Thành phần hóa học chính của xỉ than gồm SiO2, Al2O3, Fe2O3 và một số hợp chất khác. Thành phần hoá học của xỉ than phụ thuộc chủ yếu vào chủng loại than đã sử dụng và công nghệ đốt than ở NMNĐ. Hiện tại, các NMNĐ sử dụng than đá hoặc than nâu. Sự khác nhau này ghi trong bảng 1.11, 1.12, và 1.13. Các tính chất này định hướng việc chế biến và sử dụng xỉ than.[16]
Bảng 1.11. Khác biệt về thành phần hóa học của xỉ than khi đốt than[16] Thành phần hóa học Than đá Than nâu
Tổng oxit (SiO2, Al2O3, Fe2O3), % 75 – 78 50 – 60
Hàm lượng SO3, % 0,15 8 – 10
Vôi (CaO), % 0,8 15
Bảng 1.12. Thành phần hóa học của xỉ than[16] NMNĐ Thành phần hóa học của xỉ than, %
SiO2 Fe2O3 Al2O3 CaO MgO TiO2 Na2O K2O
Phả Lại 46,20 12,30 24,20 1,75 1,50 0,70 2,80 0,50 Hải Phòng 2 57,60 7,70 26,40 0,80 1,20 0,69 0,49 4,30 Quảng Ninh 62,83 5,41 24,76 0,44 1,11 0,68 0,48 3,64 Ninh Bình 2 57,60 7,70 26,40 0,80 1,20 0,69 0,49 4,30 Mạo Khê 56,16 14,84 23,90 1,34 1,39 0,72 - - Nghi Sơn 62,10 4,99 24,13 0,48 0,98 0,85 0,22 4,34 Vũng Áng 58,21 9,90 24,00 - 1,06 0,92 - - Mông Dương 1 59,38 7,92 24,27 0,83 1,42 0,84 0,60 4,12
Bảng 1.13. Đặc tính của than dùng trong các NMNĐ ở Việt Nam[16] NMNĐ Thành phần nguyên tố của than, % Nhiệt NMNĐ Thành phần nguyên tố của than, % Nhiệt
trị, Q Kcal/Kg C H S O N A W Phả Lại 61,74 2,05 1,06 1,0 0,05 25,24 8,78 5319 Hải Phòng 55,20 2,60 0,50 2,50 0,50 29,70 9,00 5050 Quảng Ninh 51,27 1,13 0,55 1,20 0,95 35,5 9,40 4655 Ninh Bình 2 57,80 1,86 0,65 2,83 0,88 27,18 8,80 5056 Mạo Khê 50,32 1,41 0,75 1,86 0,84 36,72 8,07 4416 Nghi Sơn 63,70 2,66 0,60 2,16 0,88 27,45 8,00 - Vũng Áng 58,06 2,40 0,43 2,29 0,84 27,37 8,63 5200 Cẩm Phả 47,05 2,13 0,59 1,79 0,71 30,84 16,92 3937 Mông Dương 1 51,48 2,04 0,55 3,10 1,00 33,33 8,50 4450
Hàng năm, các NMNĐ thải ra một lượng xỉ than khá lớn. Xỉ than ở hầu hết các NMNĐ Việt Nam thuộc loại F, khơng phản ứng với nước. Vì vậy mà giải pháp bơm xỉ than cùng với nước ra bãi thải được áp dụng triệt để, phớt lờ các tác động đến mơi trường và gây lãng phí nguồn tài ngun rất lớn (hình 1.1). Các NMNĐ khơng có chủ trương khai thác xỉ than, hoặc khơng có điều kiện khai thác, nhân dân quanh khu vực các bãi xỉ than đang khai thác một cách tự phát. Lượng khai thác tự phát này rất nhỏ và khơng nên khuyến khích vì các lý do an ninh và môi trường. Tuy nhiên đây cũng là một gợi ý cho việc sử dụng xỉ than trong khi chờ đợi công nghệ xử lý xỉ than với cơng suất lớn. Ví dụ như việc sử dụng xỉ than làm nền đường, gạch, ngói, xử lý nước thải...một cách có tổ chức đảm bảo an ninh, vệ sinh và có sự tham gia của chuyên gia. Tuy nhiên, lượng xỉ than của các NMNĐ chưa được sử dụng nhiều, hầu hết xỉ than được thải ra bãi thải, được chôn lấp mà chưa được tái sử dụng.
Hình 1.1. Bãi xỉ than của nhà máy Ninh Bình
Hiện tại, NMNĐ Mông Dương 1 sử dụng nhiên liệu than, công nghệ nhiệt
điện ngưng hơi truyền thống, thông số hơi cận tới hạn, cơng nghệ lị hơi đốt than kiểu tầng sôi (CFB) hiện đại, phù hợp với các loại than Antracite có chất lượng thấp của Việt Nam, có ở các mỏ than lớn ở Quảng Ninh. Nhu cầu tiêu thụ than cho NMNĐ Mông Dương 1 khoảng 3 triệu tấn than/năm, lượng xỉ
thải ra của nhà máy hiện nay mới được xử lý bằng cách thải ra bãi thải (hình 1.2), điều này vừa gây lãng phí diện tích đất sử dụng làm bãi thải, vừa gây ơ nhiễm mơi trường. Tổng diện tích của bãi thải 1 là 50ha, cơng suất 10 triệu m3. Để ngăn tình trạng ơ nhiễm mơi trường cho các khu vực xung quanh, cấu trúc nền móng của bãi thải và đê bên ngoài được xây dựng kiên cố để giảm thiểu rò rỉ cho nước mặt hoặc nước ngầm. Để tránh gây ơ nhiễm nước ngầm, một lớp lót được trải lên đáy của bãi thải. Trên bề mặt của bãi thải là lớp nước từ 0,5 – 1 m để ngăn ngừa xỉ than phát tán vào mơi trường khơng khí. Để tiết kiệm nước và ngăn ngừa ơ nhiễm môi trường, hệ thống nước trở về từ các bãi thải được xoay vòng tái sử dụng bơm trở lại bãi thải bằng tháp nước bên trong bãi thải. Hiện nay, bãi thải 1 được chia thành hai khu, mỗi bãi thải có diện tích khoảng 25ha. Dung lượng lưu trữ của bãi thải 1 là khoảng 6 năm.
Hình 1.2. Bãi thải 1 của NMNĐ Mơng Dương 1
Để tận dụng những đặc tính tốt của xỉ than như: thành phần khống cao, độ rỗng xốp lớn, tính bền cơ học cao, bền nhiệt, bền hóa học, vật liệu phổ biến, dễ khai thác, giá thành rẻ đặc biệt là khả năng hấp phụ tốt... có thể sử dụng xỉ than để sản xuất vật liệu xây dựng, làm vật liệu đắp nền, cốt liệu cho bê tông, xử lý nước thải... biến nó từ một chất thải gây ơ nhiễm mơi trường thành một vật liệu xử lý ô nhiễm môi trường một cách hiệu quả mà không lo ngại các vấn đề ơ nhiễm mơi trường mà xỉ than có thể gây ra.
1.4. Các nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam về đất ngập nƣớc nhân tạo nhân tạo
1.4.1. Nghiên cứu trên thế giới
1.4.1.1. Hệ thống ĐNN nhân tạo ở Bắc Âu
Ở miền Bắc Thụy Điển, ĐNN nhân tạo được sử dụng để xử lý bổ sung nước thải sau các trạm xử lý đơ thị. Nhìn chung, khử nitơ là mục đích chính, mặc dù hiệu quả xử lý TS và BOD cũng khá cao. Nghiên cứu đã đánh giá hoạt động trong 3 – 8 năm của bốn hệ thống ĐNN nhân tạo quy mơ lớn (diện tích 20 – 28 ha). Hai hệ thống tiếp nhận nước thải đô thị, với các khâu xử lý hóa học và cơ học. Hai hệ thống cịn lại tiếp nhận nguồn nước thải đã được xử lý sinh học, do đó nồng độ BOD (BOD7) và NH4+-N đầu vào hệ thống thấp hơn. Các hệ thống hoạt động khá ổn định, loại bỏ 0,7 – 1,5 tấn N/ha/năm. Đây là giá trị trung bình trong thời gian nghiên cứu, với tải trọng biến đổi từ 1,7 – 6,3 tấn N/ha/năm. Lượng P bị khử cũng biến đổi trong khoảng 10 – 41 kg/ha/năm, phụ thuộc vào các giá trị tải trọng khác nhau, các dạng hợp chất P và vịng tuần hồn nội tại của P trong các hệ thống ĐNN nhân tạo.
Ở Na Uy, hệ thống ĐNN nhân tạo đã được xây dựng để xử lý NTSH vào năm 1991. Ngày nay, những vùng thôn ở Na Uy, phương pháp này trở nên rất phổ biến để xử lý NTSH, nhờ các hệ thống vận hành với hiệu suất cao thậm chí cả vào mùa đơng và với chi phí thấp. Mơ hình quy mơ nhỏ được áp dụng phổ biến ở Na Uy là hệ thống bao gồm bể tự hoại, tiếp đến là một bể lọc sinh học hiếu khí dịng chảy thẳng đứng và một hệ thống ĐNN nhân tạo với dòng chảy ngang. Bể lọc sinh học hiếu khí trước hệ thống ĐNN để loại bỏ BOD và thực hiện q trình nitrat hóa trong điều kiện khí hậu lạnh, nơi thực vật “ngủ” vào mùa đông. Hệ thống được thiết kế theo tiêu chuẩn hiện hành cho phép đạt hiệu suất khử P ổn định >90% trong vòng 15 năm nếu sử dụng cát thiên nhiên chứa nhiều sắt và canxi hoặc sử dụng vật liệu hấp phụ tiền chế có trọng lượng
nhẹ. Lớp vật liệu này sau khi bão hịa P, có thể sử dụng chúng làm chất cải tạo đất hay làm phân bón bổ sung phốtpho. Hiệu suất loại bỏ N khoảng 40 – 60%. Hiệu quả loại bỏ các vi khuẩn chỉ thị rất cao, thường đạt tới <1000 coliform chịu nhiệt/100ml.
Tại Đan Mạch, hướng dẫn chính thức mới về xử lý tại chỗ NTSH đã được Bộ Môi Trường Đan Mạch công bố, áp dụng bắt buộc đối với các nhà riêng ở nông thôn. Trong hướng dẫn này người ta đã đưa vào hệ thống ĐNN nhân tạo dòng chảy thẳng đứng, cho phép đạt hiệu suất khử BOD tới 95% và nitrat hóa đạt 90%. Hệ thống này có thể bao gồm cả q trình kết tủa hóa học để tách phốtpho bằng PAC trong bể phản ứng lắng, cho phép loại bỏ 90% phốtpho. Diện tích bề mặt của hệ thống là 3,2m2/người và chiều sâu lọc hiệu quả là 1m. Nước thải sau lắng sẽ được bơm gián đoạn lên bề mặt của lớp vật liệu lọc bằng bơm và hệ thống ống phân phối. Lớp thoát nước ở đáy được thơng khí bị động thơng qua các ống hơi nhằm tăng cường sự trao đổi oxy vào quá trình lọc. Một nửa dòng chảy đã được nitrat hóa từ lớp vật liệu lọc sẽ được bơm tuần hoàn vào ngăn đầu của bể lắng hoặc chảy vào ngăn bơm nhằm tăng cường quá trình khử nitơ và ổn định hoạt động của hệ thống. Hệ thống loại bỏ phốtpho được đặt trong bể lắng với một bơm định lượng cỡ nhỏ. Hóa chất được trộn với nước thải nhờ hệ thống bơm dâng bằng khí đơn giản, đồng thời làm nhiệm vụ tuần hoàn nước trong ngăn lắng. Hệ thống ĐNN nhân tạo dòng chảy thẳng đứng là một giải pháp thay thế cho lọc trong đất, cho phép đạt hiệu quả xử lý cao trước khi xả ra môi trường.
1.4.1.2. Nghiên cứu về loại bỏ vi sinh vật trong nước thải
Ở Đức, một chương trình nghiên cứu về mặt VSV - sự tồn tại và chết của các mầm bệnh trong nước thải được thực hiện trong nhiều năm, trên các mẫu nước lấy từ ba hệ thống ĐNN nhân tạo xử lý nước thải đã qua xử lý sơ bộ (bể tự hoại nhiều ngăn) và từ NTSH đã qua xử lý sơ bộ. Nồng độ của các VSV
chỉ thị hay các mầm bệnh được xác định ở nhiều vị trí và các bậc của hệ thống xử lý. Với số liệu từ hơn 3600 phân tích vi sinh, so sánh với các số liệu từ một hệ thống đã vận hành được 18 năm cho phép đưa được cả các yếu tố vận hành vào trong đánh giá.
Các nghiên cứu cho thấy rằng hiệu suất loại bỏ trung bình của các VSV chỉ thị và các mầm bệnh nằm trong khoảng 1,5 – 2,5 đơn vị log với hệ thống xử lý một bậc và 3 – 5 đơn vị log đối với hệ thống xử lý nhiều bậc. Khơng có sự khác nhau đáng kể giữa hệ thống ĐNN nhân tạo dòng chảy ngang và dòng chảy đứng. Hiệu suất loại bỏ VSV trong các hệ thống ĐNN nhân tạo rõ ràng hơn hẳn so với hệ thống bùn hoạt tính truyền thống.
1.4.1.3. Nghiên cứu xử lý bùn bể phốt bằng hệ thống ĐNN nhân tạo
Viện Công nghệ Châu Á (AIT), Thái Lan, kết hợp với Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường liên bang Thụy Sỹ SANDEC, EAWAG đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm xử lý phân bùn bể phốt lấy từ Bangkok bằng hệ thống ĐNN nhân tạo dòng chảy thẳng đứng với cây cỏ nến (Typha) tại AIT liên tục từ năm 1997 tới nay. Tải trọng TS bằng 250 kg/m2.năm được coi là tải trọng tối ưu để xử lý phân bùn. Cần ngăn cản sự héo rũ của cỏ nến vào mùa khô bằng cách tưới nước hệ thống bằng nước sau xử lý. 65% nước từ phân bùn được thu qua hệ thống thu nước và 35% bay hơi. Hệ thống được vận hành gần 4 năm, không phải sửa chữa hệ thống thấm. Chất rắn tích lũy chứa hàm lượng trứng giun thấp, đáp ứng tiêu chuẩn tái sử dụng trong nông nghiệp đối với bùn cặn. So sánh với sân phơi bùn truyền thống, hệ thống ĐNN nhân tạo cho phép thời gian lưu giữ bùn khô lớn hơn nhiều (5 – 6 năm). Ưu điểm của phương pháp xử lý phân bùn bằng ĐNN nhân tạo là bộ rễ tạo ra cấu trúc xốp, với hệ thống mao mạch nhỏ li ti trong hệ thống, giúp cho quá trình khử nước của hệ thống được duy trì trong nhiều năm mà khơng bị tắc.
Tại Bồ Đào Nha, nghiên cứu vai trò của cây sậy (Phragmites communis) – tác nhân peroxide trong quá trình phân hủy chất nhuộm azo, axit cam 7 (AO7) trong hệ thống ĐNN nhân tạo dòng chảy thẳng đứng. Nghiên cứu cho thấy các chất do thực vật tươi tiết ra có thể phân hủy AO7 và các amin thơm của nó, sau 120 giờ tiếp xúc với H2O2, loại bỏ được 3,2 – 5,7 mgAO7/gP.Australis khi dịng chảy có nồng độ 40 mgAO7/l (8 mgAO7/gP.Australis ).
Từ nghiên cứu này cho thấy hệ thống ĐNN nhân tạo dịng chảy thẳng đứng thích hợp để xử lý nước thải chứa chất nhuộm Azo. Với nồng độ của dịng vào là 130 mgAO7/l, hoạt tính peroxide của thực vật trong lá, thân và rễ theo thứ tự tăng gấp 2,1 lần, 4,3 lần và 12,9 lần. Khi nồng độ chất nhuộm 700 mgAO7/l, hoạt tính peroxide của thực vật bị ức chế ngay tức khắc nhưng chỉ sau hai ngày hoạt tính này trở về như cũ. Tải trọng hữu cơ AO7 từ 21 – 105 gCOD/m2.ngày khơng độc và có khả năng loại bỏ từ 11 – 67 gCOD/m2.ngày. Hiệu quả loại bỏ AO7 và TOC là tương đương nhau (khoảng 70%) cho thấy AO7 bị khống hóa. Chu trình 3 giờ là thời gian thích hợp để phân hủy AO7. Hệ thống ĐNN nhân tạo cũng đã được sử dụng rộng rãi trên thế giới để xử lý nước rò rỉ từ bãi rác (kể cả bãi chôn lấp rác sau khi đốt) đạt hiệu quả rất tốt như hệ thống ĐNN nhân tạo xử lý nước rác ở Linkoeping, Thụy Điển.
1.4.2. Nghiên cứu tại Việt Nam
Tại Việt Nam, phương pháp XLNT bằng hệ thống ĐNN nhân tạo còn khá mới mẻ, bước đầu đang được một số trung tâm công nghệ môi trường và trường đại học áp dụng thử nghiệm.
Đề tài hợp tác nghiên cứu giữa Trường Đại học Tổng hợp Linkoeping (Thụy Điển) và Trung tâm Kỹ thuật Môi trường đô thị và khu công nghiệp về “Xử lý nước thải sinh hoạt bằng bãi lọc trồng cây”. Kết quả nghiên cứu cho thấy: Sau tiến hành thử nghiệm Bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy thẳng đứng sử dụng các vật liệu sỏi, gạch để xử lý nước thải sau bể tự hoại, trồng các loại
thực vật phổ biến như Cỏ Nến, Thủy Trúc, Sậy, Phát Lộc, Mai Nước... Kết quả rất khả quan, nước thải đạt tiêu chuẩn xả ra môi trường hay tái sử dụng. Công nghệ phù hợp với điều kiện của Việt Nam, nhất là cho quy mơ hộ, nhóm hộ gia đình, các điểm du lịch, dịch vụ, các trang trại, làng nghề.
Dự án “Xây dựng mơ hình hệ thống ĐNN nhân tạo để xử lý nước thải sinh hoạt tại các xã Minh Nơng, Bến Gót, Việt Trì”. Kết quả cho thấy chất lượng nước thải đầu ra sau khi đã được xử lý bằng các biện pháp sinh học mang lại kết quả tương đối tốt, nước khơng cịn mùi hơi, số lượng vi khuẩn coliform giảm đi rõ rệt, các chỉ số ô nhiễm COD, BOD5 ở dưới ngưỡng cho phép, các chỉ số NH4+, NO3- rất thấp.
Nghiên cứu xử lý ô nhiễm N, P trong nước sông Tô Lịch bằng Bèo Tây. Kết quả theo dõi thí nghiệm cho thấy khi hàm lượng các ion NH4+ và PO43-< 0,01 mg/l thì chỉ sau 6 – 7 ngày sau đó, Bèo Tây có biểu hiện yếu lá, lá vàng và chết dần. Điều đó cho phép ta định được chu kỳ xử lý thích hợp và quyết định thời điểm tách bèo ra khỏi nguồn nước tránh tái ô nhiễm nguồn nước. Nghiên cứu sử dụng một số thực vật nước để làm sạch KLN trong nước hồ Bảy Mẫu. Kết quả nghiên cứu khẳng định một số loài thực vật bậc cao như Bèo Tấm và Rong Đi Chó có khả năng làm sạch nước, làm giảm hàm lượng các chất bẩn và một số KLN trong nước Hồ Bảy Mẫu. Hiệu quả xử lý KLN của Rong Đi Chó cao hơn so với Bèo Tấm.