Tại Việt Nam, phương pháp xử lý nước thải bằng các bể lọc sinh học còn khá mới mẻ, bước đầu đang được một số trung tâm công nghệ môi trường và trường đại học áp dụng thử nghiệm. Các đề tài nghiên cứu mới đây nhất về áp dụng phương pháp này tại Việt Nam như: “ Khả năng sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật trên giá thể xơ dừa trong nước thải. Ứng dụng xử lý ô nhiễm môi trường nước với bể sinh học hiếu khí” của sinh viên Văn Thị Trà My (Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng). Dựa trên nguyên lý cơ sở của phương pháp lọc sinh học là nhờ vào quá trình hoạt động của vi sinh vật trên màng sinh học, oxi hóa chất bẩn hữu cơ có trong nước. Đề tài đã tiến hành nghiên cứu khả năng sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật trên giá thể xơ dừa trong nước thải. Từ đó ứng dụng xử lý ô nhiễm môi trường nước với bể lọc sinh học hiếu khí.
Hay đề tài “Nghiên cứu xử lý Nitơ trong nước thải sinh hoạt bằng phương pháp lọc sinh học ngập nước” của sinh viên Đỗ Thị Hải Yến (trường Đại học Khoa học tự nhiên Hà Nội). Đề tài “ Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp lọc qua màng sinh học” của sinh viên Đặng Xuân Quyền (trường Đại học dân lập Hải Phòng). Đề tài “Nghiên cứu lựa chọn công nghệ xử lý nước thải cho khu dân cư huyện Hóc Môn” của sinh viên nguyễn Ngọc Lan (trường Cao đẳng Tài nguyên & Môi trường Thành phố Hồ Chí Minh).
PHẦN 3
ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Một số loại vật liệu lọc và khả năng xử lý nước thải sinh hoạt.
- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu về khả năng xử lý nước thải của một số loại vật liệu lọc trong bể lọc sinh học và tải trọng thủy lực của vật liệu tối ưu trong điều kiện tại trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên.
3.2. Địa điểm và thời gian tiến hành
- Địa điểm nghiên cứu: Trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên. - Thời gian tiến hành nghiên cứu: Từ tháng 01 đến tháng 04 năm 2014.
3.3. Nội dung nghiên cứu và các chỉ tiêu theo dõi
- Điều kiện thời tiết khí hậu vùng nghiên cứu
- Đặc trưng của nước thải sinh hoạt trong nghiên cứu + Đánh giá chỉ tiêu vật lý của nước thải đầu vào + Đánh giá chỉ tiêu hóa học của nước thải đầu vào
- Xác định khả năng xử lý nước thải của các công thức vật liệu lọc + Đánh giá xử lý một số chỉ tiêu vật lý của nước thải
+ Đánh giá xử lý một số chỉ tiêu hóa học của nước thải
* Kết quả: Lựa chọn được loại vật liệu cũng như công thức có khả năng xử lý tốt nhất để đưa vào mô hình bể lọc sinh học để xác định tải trọng thủy lực của mô hình.
- Xác định tải trọng tối ưu trong xử lý nước thải sinh hoạt bằng màng sinh học.
+ Xây dựng mô hình bể lọc với tải trọng thủy lực khác nhau: 10 lít/30 phút, 15 lít/30 phút, 20 lít/30 phút.
3.4. Phương pháp nghiên cứu
3.4.1. Phương pháp thu thập tài liệu, số liệu thứ cấp
Thu thập các tài liệu, số liệu, các công trình đã được nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến các vấn đề nghiên cứu: Điều kiện thời tiết khí hậu của thành phố Thái Nguyên (do trường Đại học Nông Lâm nằm trên địa bàn thành phố Thái Nguyên) các thông tin các tài liệu của các báo cáo, các đề tài 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.
3.4.2. Phương pháp thu thập số liệu sơ cấp
Điều tra trực tiếp và tiến hành lấy mẫu nước thải sinh hoạt tại khu kí túc xá K – Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên và tiến hành phân tích các chỉ tiêu trong phòng thí nghiệm khoa MT và viện khoa học sự sống.
3.4.2.1. Phương pháp bố trí thí nghiệm
- Điều kiện thời tiết khí hậu như lượng mưa, số giờ nắng, bốc hơi,... thu thập tài liệu thứ cấp tại trạm khí tượng thủy văn trong vùng nghiên cứu.
Thí nghiệm 1: Xác định khả năng xử lý nước thải của các vật liệu lọc được sử
dụng trong bể lọc. Từ đó tìm ra vật liệu tối ưu.
- Các loại vật liệu lọc được sử dụng trong thí nghiệm là dạng khối gồm các vật liệu có kích thước như sau :
Bảng 3.1. Các loại vật liệu lọc
STT Kí hiệu Loại vật liệu
1 ST Sỏi cuội thô có Φ 30 mm đến 50 mm
2 DT Đá to có Φ 30 mm đến 50 mm
3 XL Xỉ lò có Φ 30 mm đến 50 mm
- Điều kiện thí nghiệm:
+ Sử dụng mức tải trọng thủy lực 10 lít/30phút để xác định vật liệu tối ưu. + Tải lượng dòng vào (trước xử lý) ở các công thức như nhau.
- Bố trí thí nghiệm: Thí nghiệm được bố trí theo kiểu hoàn toàn ngẫu nhiên với 3 lần nhắc lại.
Các vật liệu lọc được bố trí trong ống trụ có kích thước 0,2 m x 3,2 m. Tương ứng với các vật liệu lọc ta có những công thức sau:
Bảng 3.2. Các công thức thí nghiệm
Stt Kí hiệu của công thức Công thức
1 VL1 Nước không có vật liệu lọc (đối chứng)
2 VL2 ST
3 VL3 DT
4 VL4 XL
- Các chỉ tiêu theo dõi:
+ Một số chỉ tiêu vật lý như độ đục – trong, màu sắc, mùi được đánh giá bằng phương pháp cảm quan (định tính);
+ Nồng độ sau xử lý: TDS, pH, DO, COD, T-P, T-N ở các công thức bằng phương pháp hiện hành.
- Dự kiến kết quả: Lựa chọn được loại vật liệu có khả năng xử lý tốt nhất.
Thí nghiệm 2: Từ kết quả của thí nghiệm 1 để lấy vật liệu tốt nhất cho vào mô
hình để xác định tải trọng tối ưu trong xử lý nước thải sinh hoạt. - Dạng mô hình là hình trụ rỗng:
+ r = 0.1 m + h = 3.2 m
+ V = Sđ.h = л.r2.h = 3.14 x 0.12 x 3.2 = 0.1 m3
- Điều kiện thí nghiệm: Sử dụng vật liệu tối ưu lựa chọn được từ thí nghiệm 1. - Xác định khả năng xử lý nước thải sinh hoạt của màng sinh học ở một số mức tải trọng.
Bảng 3.3. Bảng các công thức tải trọng thủy lực Stt Kí hiệu của công thức Công thức
1 TR1 5 lít /30 phút.
2 TR2 10 lít /30 phút.
3 TR3 15 lít /30 phút.
- Bố trí thí nghiệm:
+ Tiến hành chạy 3 mô hình song song với dòng chảy liên tục ở 3 mức tải trọng thủy lực 5 lít/30 phút, 10 lít/30 phút, 15 lít/30 phút.
- Xác định một số chỉ tiêu môi trường của dòng thải đầu vào:
+ Xác định một số chỉ tiêu của dòng thải đầu vào, đầu ra (mùi, màu sắc, độ đục, nhiệt độ, TDS, TSS, pH, COD, T-P, T-N) của mô hình được phân tích theo phương pháp tiêu chuẩn Việt Nam.
- Đánh giá khả năng xử lý nước thải sinh hoạt của mô hình bể lọc so sánh kết quả phân tích các chỉ tiêu đầu ra với đầu vào và với TCVN hay QCVN hiện hành.
- Kết quả: Chỉ ra mức tải trọng thủy lực tối ưu, ứng dụng trong bể lọc.
3.4.2.2. Phương pháp lấy mẫu
* Dụng cụ lấy mẫu: Dùng chai đựng mẫu bằng thủy tinh hay polime có
nút đậy, được rửa sạch và tráng bằng nước cất, đảm bảo TCVN 6663-1/2011.
* Phương pháp lấy mẫu:
Dùng chai nhựa sau khi tráng sạch bằng nước cất đặt chai cách mặt nước 20 – 30 cm miệng chai hướng về phía dòng nước tới ( Phạm Thị Thanh Huyền, 2006).
Nước thải sinh hoạt được lấy từ cống thải của khu kí túc xá K – trường đại học Nông lâm Thái Nguyên. Lấy mẫu tránh không để rác và những vật dụng khác chui vào chai. Nước lấy vào đầy chai không để không khí chui vào chai.
3.4.2.3. Phương pháp phân tích mẫu
- Tải trọng thủy lực của các vật liệu lọc đo và tính toán bằng phương pháp thực nghiệm.
- Một số chỉ tiêu vật lý như độ đục - trong, màu, mùi được đánh giá bằng phương pháp cảm quan (định tính), đo pH bằng pH kế.
- Nồng độ trước và sau xử lý: pH, DO, Eh, SS, COD, BOD, T - P, T - N ở các công thức được phân tích tại Bộ môn khoa học và công nghệ môi trường và viện khoa học sự sống, theo đúng qui định trong TCVN:
+ TCVN 6491:1999 (ISO 6060:1989): Chất lượng nước - Xác định nhu cầu oxy hoá học (COD);
+ TCVN 5987:1995. Chất lượng nước - Xác định Nitơ tổng số; + TCVN 6202:2008. Chất lượng nước - Xác định Photpho tổng số;
+ TCVN 6001:2008 (ISO 5815-2:2003), Chất lượng nước – Xác định nhu cầu oxy sinh hóa sau n ngày (BODn);
+ Xác định TSS Theo phương pháp SMEWW2540B; + EC, TDS: Đo bằng máy Hanna - Italia HI 9828/4.
3.4.2.4. 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 phầm mềm SAS.
PHẦN 4
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 4.1. Điều kiện thời tiết khí hậu vùng nghiên cứu
Hiệu quả xử lý của bể lọc sinh học phụ thuộc vào sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật. Sự sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố khí hậu là nhiệt độ.
Hầu hết các vi khuẩn tham gia vào quá trình làm sạch nước là các thể hoại sinh, hiếu khí và ưa ẩm, đặc biệt là các phản ứng sinh hóa xảy ra ở các vi khuẩn là các phản ứng do enzim xúc tác. Vì vậy nhiệt độ xử lý ảnh hưởng rất lớn đến đời sống vi sinh vật và động học của phản ứng enzim. Nhiệt độ thích hợp cho các quá trình xử lý nước thải là 20 – 40 0C, tối ưu là 25 – 35 0C.
Vùng Đông Bắc mang đầy đủ tính chất của vùng nhiệt đới gió mùa với mùa đông lạnh, khô và mùa hè nóng ẩm mưa nhiều đòi hỏi các loại vi sinh vật trong bể lọc sinh học phải chịu được các yếu tố thời tiết như lạnh của mùa đông hay nhiệt độ cao của mùa hè.
Thành phố Thái Nguyên có khí hậu nhiệt đới gió mùa nóng ẩm. Được chia làm bốn mùa rõ rệt: Xuân - Hạ - Thu - Đông. Mang tính chất chung của khí hậu miền Bắc nước ta.
Khí hậu Thành phố có những đặc điểm cơ bản sau:
Nhiệt độ trung bình năm đạt khoảng 23,6 0C. Trong đó nhiệt độ trung bình thấp nhất đạt khoảng 17,0 0C và nhiệt độ trung bình cao nhất đạt khoảng 28,8 0C (thời gian tháng 6).
Nhiệt độ chênh lệch giữa tháng nóng nhất (tháng 6 và tháng 7: 28,9 0C) với tháng lạnh nhất (tháng 1 và tháng 2: 15,2 0C) là 13,7 0C. Tổng số giờ nắng trong năm dao động từ 1.300 đến 1.750 giờ và phân phối tương đối đều cho các tháng trong năm.
Thái Nguyên là khu vực có độ ẩm khá cao. Trung bình năm đạt tới 82%. Độ ẩm trung bình thấp nhất đạt 80% và lớn nhất đạt 88%.
Lượng mưa trung bình 1.500 - 2.500 mm, tổng lượng nước mưa tự nhiên của thành phố Thái Nguyên khá lớn.
Thành phố ít chịu ảnh hưởng lớn của gió mùa Đông Bắc nhờ được những dãy núi cao (Tam Đảo, Ngân Sơn, Bắc Sơn) che chắn.
Dựa vào đặc điểm khí hậu của khu vực nghiên cứu em tiến hành lắp đặt và chạy mô hình vào khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 4.
- Nhiệt độ: giao động từ 15,2 0C – 28,7 0C.
+ Tháng 2: Do thời tiết còn lạnh nên em tiến hành lắp đặt mô hình và tạo màng sinh học vào cuối tháng 2.
+ Tháng 3, tháng 4: Thời tiết ấm hơn, vi sinh vật sinh trưởng phát triển mạnh và có khả năng xử lý được nước thải, lúc đó tiến hành lắp đặt mô hình và đưa nước thải vào xử lý.
- Độ ẩm: Trong thời gian này độ ẩm ở khu vực nghiên cứu ít biến động. Độ ẩm giao động không lớn từ tháng 2 tới tháng 4 trong khoảng 82% - 85%, phù hợp với sự phát triển của các vi sinh vật.
4.2. Đặc trưng của nước thải sinh hoạt trong nghiên cứu
Để lựa chọn phương pháp xử lý nước thải thích hợp thì trước hết cần tiến hành phân tích, đánh giá mức độ ô nhiễm của nước thải đó, từ đó lựa chọn phương pháp xử lý thích hợp nhất.
Nước thải sử dụng cho quá trình nghiên cứu được lấy tại cống thải của khu kí túc xá K thuộc Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên.
Qua quá trình phân tích các chỉ tiêu nước thải của khu kí túc xá, đã phát hiện thành phần nước thải có chứa nhiều chất hữu cơ, ngoài ra còn chứa các chất vô cơ hòa tan, cát lắng, các chất lơ lửng,…
Thời gian tiến hành lấy mẫu và phân tích vào khoảng cuối tháng 2 năm 2013.
4.2.1. Đánh giá chỉ tiêu hóa học của nước thải đầu vào
Kết quả phân tích các chỉ tiêu hóa học của mẫu nước thải được thể hiện ở bảng 4.1.
Bảng 4.1: Kết quả phân tích các chỉ tiêu hóa học của nước thải đầu vào STT Thông số Đơn vị Hàm lượng 2008/BTNMTQCVN 14-
1 pH - 7,3 5 - 9 2 BOD mg/l 338,0 50 3 COD mg/l 680,6 - 4 Tổng N mg/l 157,3 - 5 Tổng P mg/l 9,1 - 6 DO mg/l 0,5 -
(Nguồn: Kết quả phân tích) Kết quả phân tích từ bảng các chỉ tiêu 4.1 trên cho thấy mức độ ô nhiễm của nước thải lấy từ khu kí túc xá K thuộc trường Đại học Nông Lâm là khá cao so với chỉ tiêu cho phép theo quy định của quy chuẩn Việt Nam (QCVN 14- 2008/BTNMT).
Cụ thể:
- Chỉ tiêu BOD cao gấp 6,8 lần so với quy chuẩn cho phép (QCVN 14- 2008/BTNMT).
- Các chỉ tiêu COD, Tổng N và tổng P cũng rất cao.
- Chỉ có duy nhất chỉ tiêu pH nằm trong khoảng 5 – 9 đạt tiêu chuẩn cho phép (QCVN 14-2008/BTNMT).
4.2.2. Đánh giá chỉ tiêu lý học của nước thải đầu vào
Kết quả phân tích các chỉ tiêu vật lý của mẫu nước thải được thể hiện ở bảng 4.2.
Bảng 4.2: Kết quả phân tích các chỉ tiêu lý học của nước thải đầu vào STT Thông số Đơn vị Hàm lượng 2008/BTNMTQCVN 14-
1 SS mg/l 132 100
2 EC mS/m 4510 -
3 T0 0C 22,4 -
4 TDS mg/l 211 1000
5 Màu sắc - Xám đen -
6 Mùi - Hôi Không có mùi
Qua các bảng số liệu phân tích ở trên cho thấy đánh giá ban đầu về nước thải khu vực này gây ô nhiễm môi trường. Các chỉ tiêu phân tích là khá cao so với tiêu chuẩn cho phép.
Ta thấy thành phần nước thải không có các chất độc làm chết hoặc ức chế hệ vi sinh vật trong nước thải. Chất hữu cơ có trong nước thải phải là cơ chất dinh dưỡng nguồn cacbon và năng lượng cho vi sinh vật. Tỉ lệ COD/BOD5 = 2 phù hợp với điều kiện để xử lý bằng phương pháp sinh học. Vì vậy, có thể đưa vào xử lý sinh học (hiếu khí).
4.3. Khả năng xử lý nước thải của các vật liệu lọc* Tạo màng sinh học trên vật liệu lọc: * Tạo màng sinh học trên vật liệu lọc:
Để làm sạch nước thải trước hết cần phải tạo màng sinh học trên bề mặt vật liệu. Thông thường thì cứ tiến hành cho nước thải đi qua vật liệu lọc vi sinh vật trong nước thải sẽ dính bám trên bề mặt vật liệu và dần dần hình thành màng, nhưng giai đoạn này chiếm khoảng thời gian tương đối dài. Vì vậy để