Loại Tên thông thƣờng Tên khoa học
Thủy sinh thực vật sống chìm
Hydrilla Hydrilla verticilata
Water milfoil Myriophyllum spicatum
Blyxa Blyxa aubertii
Thuỷ sinh thực vật sống trơi nổi
Lục bình Eichhornia crassipes
Bèo tấm Wolfia arrhiga
Bèo tai tượng Pistia stratiotes
Salvinia Salvinia spp
Thuỷ sinh thực vật sống nổi
Cattails Typha spp
Bulrush Scirpus spp
Sậy Phragmites communis
1.2.3.6. Vật liệu sử dụng trong hệ thống ĐNN nhân tạo
Vật liệu sử dụng trong hệ thống là những vật liệu có sẵn trong tự nhiên có khả năng lọc, lắng cặn và là môi trường cho VSV phát triển như cát, sỏi, đá...
a. Cát
kích thước hạt hạt cát theo đường kính trung bình nằm trong khoảng 0,0625 – 2mm (thang Wentworth sử dụng tại Hoa Kỳ) hay từ 0,05 – 1mm (thang Kachinskii sử dụng tại Nga và Việt Nam hiện nay). Một hạt vật liệu tự nhiên có kích thước nằm trong các khoảng này được gọi là hạt cát.
b. Mùn
Mùn là một thể hữu cơ phức tạp có trọng lượng phân tử rất lớn, cấu tạo phân tử gồm nhiều thành phần phức tạp.
Mùn là sản phẩm hình thành trong đất do q trình tích lũy và phân giải khơng hồn tồn trong điều kiện yếm khí xác thực vật và các tồn dư sinh vật khác trong đất do các VSV đất. Thành phần của mùn được đặc trưng bởi các hợp chất chính: axit humic, axit fulvic, axit ulmic và các muối của chúng, thường gọi là humin, fulvin hay ulvin. Hiểu theo nghĩa rộng, mùn trong đất bao gồm cả mùn nhuyễn (mùn theo nghĩa hẹp) và mùn thô (CHC trong đất). Mùn có cấu tạo gồm 4 bộ phận là nhân vòng, mạch nhánh, nhóm định chức và cầu nối. Mùn có 3 nhóm chính là nhómaxit humic, nhómaxit fulvic và nhóm humin.[6]
c. Đất sét
Đất sét là thuật ngữ được dùng để miêu tả một nhóm các khống vật phyllosilicat nhôm ngậm nước, thơng thường có đường kính hạt < 2 μm.
Đất sét bao gồm các loại khống chất phyllosilicat giàu các ơxít và hiđrơxít của silic và nhôm cũng như bao gồm một lượng lớn nước tham gia vào việc tạo cấu trúc và thay đổi theo từng loại đất sét. Đất sét nói chung được tạo ra do sự phong hóa hóa học của các loại đá chứa silicat dưới tác động của axít cacbonic nhưng một số loại đất sét lại được hình thành do các hoạt động thủy nhiệt. Đất sét được phân biệt với các loại hạt đất đá nhỏ khác có trong đất, chẳng hạn như bùn nhờ kích thước nhỏ của chúng, hình dạng tạo bơng hay tạo lớp, khả năng hút nước cũng như chỉ số độ dẻo cao.
d. Xỉ than
Tro than được tạo ra từ quá trình đốt cháy than, đặc biệt là các NMNĐ, nơi tiêu thụ một số lượng lớn than đá. Thông thường, người ta phân loại tro này thành 2 loại là tro bay và tro đáy.
Tro đáy hay xỉ than là loại to và thô hơn tro bay, màu xám đen, dạng hạt, xốp, th ành phần khoáng cao. Tro đáy khơng thể bay theo khí thải và nằm ở dạng vật liệu thô ở đáy lị đốt. Khi than được đốt cháy thì có khoảng 20% tro đáy nằm ở dưới đáy lò.
Xỉ than là một chất hấp phụ tiềm năng để loại bỏ thuốc nhuộm độc hại, có thể sử dụng để xử lý nước thải. Hỗn hợp xỉ than và bã đậu nành có thể loại bỏ thuốc nhuộm azo trong nước thải dệt nhuộm. Hỗn hợp này cũng có thể phát hiện và loại bỏ thuốc nhuộm Tryphenylmethane và Brilliant Blue FCP - một chất tạo màu sử dụng trong công nghiệp thuộc da và dệt may [20]. Các loại thuốc nhuộm khác như Vertigo Blue 49 (CI Blue 49), Orange DNA13 (CI Orange 13) và Xanh Malachite từ nước thải dệt nhuộm cũng được xử lý hiệu quả bởi xỉ than.
Loại bỏ COD trong than cốc và nước thải sản xuất giấy bằng xỉ than cũng đã được nghiên cứu. Các nghiên cứu chỉ ra rằng nếu sử dụng 10g xỉ than với cỡ hạt <0,74 mm trong 100ml nước có thể làm giảm 40% giá trị COD.
Xỉ than cũng có thể được sử dụng hiệu quả trong xử lý nước thải bằng hệ thống đất ngập nước. Các thành phần như silic và nhôm trong xỉ than có khả năng hấp phụ tốt. Silic và nhơm có trong tất cả các loại than, vì vậy mà xỉ than có thể được sử dụng như chất hấp phụ hiệu quả.
1.3. Tính chất hóa lý của xỉ than Nhà máy Nhiệt điện
Ở Việt Nam, phần lớn các NMNĐ đốt than chủ yếu tập trung ở phía Bắc, do gần nguồn than. Tổng công suất các NMNĐ đang vận hành tính ở thời
Nguồn cung cấp than nhiên liệu trong nước cho các NMNĐ thường là loại than chất lượng thấp: nhiệt trị từ 4000 – 5000 kcal/kg, thậm chí dưới 4000 kcal/kg; có độ tro lớn hơn 31÷32%, thậm chí đến 43÷45%. Vì vậy, lượng xỉ than thải ra hằng năm rất lớn, địi hỏi diện tích rất lớn để làm bãi chứa (bảng 1.8). Suất tiêu hao than trung bình khoảng 500 g/kWh, tổng lượng than sử dụng cho nhiệt điện và lượng xỉ than tạo thành như trong bảng 1.9.[16]
Bảng 1.8. Lƣợng than, xỉ than thải ra hằng năm, diện tích bãi chứa
NMNĐ Lƣợng than tiêu thụ hàng năm Lƣợng xỉ than thải ra hàng năm Diện tích đất (ha) Tổng (ha) NM chính (trong hàng rào NM) Bãi chứa xỉ than (triệu tấn/năm) Hải Phòng 1 1,430 ≤ 0,43 29,0 67,00 135,7 ng Bí 2 0,786 0,280 10,4 62,00 72,4 Ninh Bình 2 0,847 0,240 11,0 22,70 43,8 Mạo Khê 1,520 0,600 22,6 24,00 46,6 Nghi Sơn 1,400 0,560 16,0 117,00 179,3 Vũng Áng 2,910 1,008 40,0 132,00 183,0 Cẩm Phả 1,2 2,200 0,815 26,8 46,00 72,8 Mông Dương 2,750 1,208 46,3 MD1:51,86 MD2:180,0 240,0 Thăng Long 0,860 0,342 13,5 50,60 78,1
Bảng 1.9. Xỉ than từ các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn 2010 – 2030 STT Năm Công suất
(MW) Tiêu thụ than (triệu tấn/năm) Lƣợng xỉ than (triệu tấn/năm) 1 2010 4,250 12,75 3,82 – 4,46 2 2015 6,240 18,72 5,61 – 6,55 3 2020 7,240 21,72 6,51 – 7,60
Chú thích: Số liệu trong bảng được tính gần đúng ở điều kiện: suất tiêu hao than 0,5
kg/kWh, Tmax = 6000 h/năm, nhiệt trị than 5000 Kcal/kg, than có độ tro 30% (tương đương
cám 5a, 5b vùng Hòn Gai, Cẩm Phả, Vàng Danh, Mạo Khê, Núi Hồng, Khánh Hồ và Nơng Sơn).
Các NMNĐ phải thu gom triệt để toàn bộ lượng xỉ than và lưu giữ trong các bãi chứa, tránh phát tán và gây ô nhiễm môi trường.
Ở các NMNĐ đốt than, lượng xỉ than thải ra chiếm khoảng 15% còn lượng
tro bay chiếm khoảng 85% tổng lượng tro xỉ của than dùng. Nhìn chung, lượng carbon chưa cháy cịn trong xỉ thường <6%, ít hơn trong tro bay (lượng carbon cịn lại trong tro bay có thể từ 10 – 15%). Ngoài carbon chưa cháy, trong xỉ chủ yếu là các oxit kim loại.
Xỉ than có dạng to và thơ hơn tro bay, có màu xám đen, dạng hạt, xốp. Xỉ than khơng thể bay theo khí thải và nằm ở dạng vật liệu thơ ở đáy lị đốt. Xỉ than có kích thước các hạt khơng đồng đều từ 0,1 – 50 mm (kích thước từ hạt sỏi cho đến cát mịn) và kết cấu bề mặt xốp. Xỉ than có tỷ trọng thấp, dao động từ 2,3 – 3 (bảng 1.10). Với tỷ trọng thấp, xỉ than có kết cấu hạt xốp, vì vậy có thể dễ dàng nghiền nhỏ. Tỷ trọng của xỉ than phụ thuộc vào từng loại than, công nghệ đốt than của từng NMNĐ, các phương pháp xử lý, lưu trữ xỉ than.
Bảng 1.10. Một số tính chất vật lý của xỉ than
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 ô nhiễm mơi trường. Tổng diện tích của bãi thải 1 là 50ha, công 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.