Đó là khu đất được chuẩn bị riêng biệt để sử dụng đồng thời hai mục đích: Xử lý nước thải và gieo trồng. Xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên diễn ra dưới tác dụng của hệ vi thực vật dưới đất, mặt trời, không khí và dưới ảnh hưởng của thực vật. Trong đất, cánh đồng tưới có vi khuẩn, men, nấm, rêu tảo, động vật nguyên sinh và động vật không xương sống. Nước thải chứa chủ yếu là vi khuẩn. Trong lớp đất tích cực xuất hiện sự tương tác phức tạp của các vi sinh vật có bậc cạnh tranh.
Số lượng vi sinh vật trong cánh đồng tưới phụ thuộc vào thời tiết trong năm. Vào mùa đông, số lượng vi sinh vật nhỏ hơn rất nhiều so với mùa hè. Nếu trên các cánh đồng không gieo trồng cây nông nghiệp và chúng chỉ được dùng để xử lý sinh học nước thải thí chúng được gọi là các cánh đồng lọc nước. Các cánh đồng tưới sau khi xử lý sinh học nước thải, làm ẩm và bón phân được xử dụng để gieo trồng cây có hạt và cây ăn tươi, cỏ, rau cũng như để trồng cây lớn và cây nhỏ (dạng cây bụi, khóm).
Cánh đồng tưới có các ưu điểm sau so với các Aeroten: 1. Giảm chi phí đầu tư và vận hành.
2. Không thải nước ra ngoài phạm vi diện tích tưới. 3. Bảo đảm được mùa cây nông nghiệp lớn và bền. 4. Phục hồi đất bạc màu.
Trong quá trình xử lý sinh học, nước thải đi qua lớp đất lọc, trong đó các hạt lơ lửng và keo được giữ lại, tạo thành màng trong lỗ xốp của đất.
Sau đó màng được tạo thành này hấp thụ các hạt keo và các chất tan trong nước thải. Oxy từ không khí xâm nhập vào lỗ xốp oxy hóa các chất hữa cơ, chúng chuyển thành các hợp chất vô cơ. Oxy khó xâm nhập và lớp đất dưới sâu, vì vậy sự oxy hóa mãnh liệt nhất diễn ra trong lớp đất phía trên (0,2 –0,4m). Nếu không đủ oxy sẽ xảy ra các quá trình yếm khí. Các cánh đồng tưới tốt nhất nên bố trí trên cát, đất sét thịt và đất đen. Nước ngầm không được cao hơn 1,25m tính từ mặt đất. Nếu nước ngầm cao hơn thì cần phải lắp hệ thống thoát nước.
Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc là việc tưới nước thải lên bề mặt của một cánh đồng với lưu lượng tính toán để đạt được một mức xử lý nào đó thông qua quá trình lý, hóa và sinh học tự nhiên của hệ đất - nước - thực vật của hệ thống. Ở các nước đang phát triển, diện tích đất còn thừa thải, giá đất còn rẻ do đó việc xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc được coi như là một biện pháp rẻ tiền.
Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc đồng thời có thể đạt được ba mục tiêu: − Xử lý nước thải
− Tái sử dụng các chất dinh dưỡng có trong nước thải để sản xuất − Nạp lại nước cho các túi nước ngầm
So với các hệ thống nhân tạo thì việc xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc cần ít năng lượng hơn. Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc cần năng lượng để vận chuyển và tưới nước thải lên đất, trong khi xử lý nước thải bằng các biện pháp nhân tạo cần năng lượng để vận chuyển, khuấy trộn, sục khí, bơm hoàn lưu nước thải và bùn... Do ít sử dụng các thiết bị cơ khí, việc vận hành và bảo quản hệ thống xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc dễ dàng và ít tốn kém hơn. Tuy nhiên, việc xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc cũng có những hạn chế như cần một diện tích đất lớn, phụ thuộc vào cấu trúc đất và điều kiện khí hậu.
Tùy theo tốc độ di chuyển, đường đi của nước thải trong hệ thống người ta chia cánh đồng lọc ra làm 3 loại:
Cánh đồng lọc chậm (SR) Cánh đồng lọc nhanh (RI) Cánh đồng chảy tràn (OF)
Các cơ chế xử lý nước thải trong cánh đồng lọc
Các cơ chế lý học:
Khi nước thải ngấm qua các lổ rỗng của đất, các chất rắn lơ lửng sẽ bị giữ lại do quá trình lọc. Độ dày của tầng đất diễn ra quá trình lọc biến thiên theo kích thước của các chất rắn lơ lửng, cấu trúc đất và vận tốc của nước thải. Lưu lượng nước thải càng cao, các hạt đất càng lớn thì bề dày của tầng đất diễn ra quá trình lọc càng lớn. Đối với cánh đồng lọc chậm do lưu lượng nước thải áp dụng cho hệ thống thấp nên các chất rắn lơ lửng có kích thước lớn sẽ bị giữ lại ngay trên bề mặt đất, các chất rắn lơ lửng có kích thước nhỏ và vi khuẩn bị giữ lại ở vài centimet đất mặt. Các chất hòa tan trong nước thải có thể bị pha loãng do nước mưa, các quá trình chuyển hóa hóa học và sinh học có thể loại bỏ được các chất này. Tuy nhiên ở những vùng khô hạn có tốc độ bốc hơi nước cao, các chất này có thể bị tích tụ lại (ví dụ các muối khoáng). Một điều khác cần chú ý là nếu hàm lượng chất lơ lửng quá cao nó sẽ lắp đầy các lổ rỗng của đất làm giảm khả năng thấm lọc của đất, cũng như làm nghẹt các hệ thống tưới. Trong trường hợp này ta nên cho cánh đồng lọc "nghỉ" một thời gian để các quá trình tự nhiên phân hủy các chất rắn lơ lửng tích tụ này, phục hồi lại khả năng thấm lọc của đất.
Các cơ chế hóa học:
Hấp phụ và kết tủa là hai cơ chế xử lý hóa học quan trọng nhất trong quá trình. Quá trình trao đổi cation chịu ảnh hưởng bởi khả năng trao đổi cation của đất (CEC), thường khả năng trao đổi cation của đất biến thiên từ 2 - 60meq/100g. Hầu hết các loại đất có CEC nằm trong khoảng 10 - 30. Quá trình trao đổi cation quan trọng trong việc khử nitogen của amonium. Phospho được khử bằng cách tạo thành các dạng không hoặc ít hòa tan. Ở các vùng khô hạn khó tránh khỏi việc tích tụ của các ion Natri làm phá hủy cấu trúc đất và giảm khả năng thấm lọc của đất. Để đánh giá mức độ nguy hại của quá trình này người ta thường dùng tỉ lệ hấp phụ natri (SAR) trong đó Na, Ca, Mg là nồng độ các cation tương ứng có trong nước thải được tính bằng meq/L.
Khi dùng cánh đồng lọc để xử lý nước thải công nghiệp cần phải có bước tiền xử lý nhằm khống chế pH của nước thải trong khoảng 6,5 - 9 để không làm hại thảm thực vật. Nếu nước thải có SAR cao phải tìm cách loại bỏ Natri để khống chế SAR không lớn hơn 8 - 10.
Cơ chế sinh học:
Các quá trình sinh học thường diễn ra ở phần rể của thảm thực vật. Số lượng vi khuẩn trong dất biến thiên từ 1- 3 tỉ/g đất, sự đa dạng của chúng cũng giúp cho quá trình phân hủy các chất hữu cơ tự nhiên hoặc nhân tạo. Sự hiện diện hay không của oxy trong khu vực này cũng ảnh hưởng rất lớn đến quá trình phân hủy và sản phẩm cuối cùng của hệ thống. Hàm lượng oxy có trong khu vực này tùy thuộc vào cấu trúc (độ rỗng) của đất. Do sự phân hủy của các vi sinh vật đất, các chất nitrogen, phosphorus, sulfur chuyển từ dạng hữu cơ sang dạng vô cơ và phần lớn được đồng hóa bởi hệ thực vật. Lưu ý quá trình khử nitrát cũng có thể diễn ra nếu lưu lượng nạp chất hữu cơ quá cao, đất quá mịn, thường xuyên ngập nước, mực thủy cấp cao, pH đất trung tính hoặc kiềm nhẹ, nhiệt độ ấm...
Các mầm bệnh, ký sinh trùng bị tiêu diệt do tồn tại bên ngoài ký chủ một thời gian dài, cạnh tranh với các vi sinh vật đất, bám trên các bộ phận của thảm thực vật sau đó bị tiêu diệt bởi tia UV trong bức xạ mặt trời.
6.7. Các công trình hiếu khí nhân tạo xử lý nước thải 6.7.1. Bể phản ứng sinh học hiếu khí - Aeroten
Xử lí nước thải bằng Aeroten được nhà khoa học người Anh đề xuất từ năm 1887, nhưng đến năm 1914 mới được áp dụng trong thực tế và tồn tại, phát triển rộng rãi cho đến ngày nay. Quá trình hoạt động sống của quần thể sinh vật trong Aeroten thực chất là quá trình nuôi vi sinh vật trong các bình phản ứng sinh học (bioreacter) hay các bình lên men (fermenter) thu sinh khối. Sinh khối vi sinh vật ở trong công nghê vi sinh thường là từ một giống thuần chủng, còn trong xử lí nước thải là quần thể vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn, có sẵn trong nước thải.