Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải sinh hoạt bằng mô hình đất ngập nước nhân tạo dùng sậy, nến, vetiver
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT BẰNG MÔ HÌNH
ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO DÙNG SẬY, NẾN, VETIVER
Thái Vân Anh(1), Lê Thị Cẩm Chi(2)
(1)Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP.HCM, (2)Trường Đại học An Giang
Ngày nhận bài: 09/5/2016
Ngày chấp nhận đăng: 31/5/2016
TÓM TẮT
Nghiên cứu được thực hiện nhꢀm đánh giá hiệu quả hệ thống đất ngập nước nhân tạo có dòng chảy ngầm
theo phương đứng (V-SFS) cho xử lý nước thải sinh hoạt. Nghiên cứu được tiến hành trên 03 mô hình gồm 03
loài thực vật (sậy, Vetiver, nến) và vận hành song song nhau trong suốt các tải trọng thủy lực (HAR) khác nhau
(176, 132, 88 và 44 mm/ngày). Đồng thời, có 6 chỉ tiêu ô nhiễm được đánh giá gồm: TSS, BOD5, N-NH+ , N-
4
NO3 , P-PO4 và T.coliform. Kết quả đạt được tốt nhất qua nghiên cứu là: TSS 96,9%, BOD5 96%, N-NH+
-
3-
4
3-
60,5%, P-PO4 47,6%, và T.coliform 97,7%. Trong đó, hiệu quả xử lý tốt nhất thuộc về những mô hình có tải
trọng thủy lực (HAR) thấp nhất và thời gian lưu nước (HRT) dài nhất. không có sự khác biệt đáng kể nào về hiệu
quả xử lý giữa các loài thực vật khác nhau.
Từ khóa: dòng chảy ngầm phương đứng, đất ngập nước, nước thải sinh hoạt, thời gian lưu nước, thực vật.
STUDY DOMESTIC WASTEWATER TREATMENT BY CONSTRUCTED WETLAND WITH
PARALLELY REED, VETIVER, BULRUSH
ABSTRACT
This research investigated the effect of using constructed wetland system with vertical - subsurface flow
(V-SFS) for treating domestic wastewater. The pilot studied on three beds included three macrophytes tested
parallely reed, vetiver and bulrush with four different HARs (176, 132, 88 and 44 mm/day).This study was tested
-
3-
with six different parameters including: TSS, BOD5, N-NH+ , N-NO3 , P-PO4 and T.coliform.In terms of
4
overall performances the following mean removal rates were obtained: TSS 96.9%, BOD5 96%, N-NH+4 60.5%,
P-PO4 47.6%, and T.coliform 97.7%, respectively. The best removals were obtained in those beds with the
3-
lowest HAR and the longest HRT. With regard to the type of plant, no significant differences were found among
macrophytes performance.
Keywords: vertical subsurface , wetland, domestic wastewater, hydraulic retention time, macrophytes.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Xử lý nước thải sinh hoạt nhꢀm bảo vệ chất lượng môi trường nước và hệ sinh thái
thủy sinh đã và đang được sự quan tâm hàng đầu trong các chính sách phát triển bền vững của
nhiều tỉnh thành trong cả nước, hiện nay cả nước chỉ có hơn 12 thành phố gồm: Hà Nội, Tp.
Hồ Chí Minh, Đà Nẵng, Hạ Long, Huế, Buôn Ma Thuật, Đà Lạt,…là có các dự án xử lý nước
thải đô thị công suất lớn đang trong giai đoạn quy hoạch và xây dựng. Còn ở các tỉnh thành
khác và vùng ven thì hầu như toàn bộ lượng nước thải sinh hoạt từ các hộ dân và một phần từ
các khu công nghiệp đều không được thu gom và xử lý theo đúng quy định. Hệ quả là gây ô
nhiễm nghiêm trọng nhiều nhánh sông, đặc biệt là các sông đầu nguồn, làm ảnh hưởng trực
tiếp đến chất lượng nguồn nước cấp cho người dân. Ngoài ra, chất lượng nước ngầm cũng bị
suy giảm đáng kể từ chính các dòng thải này. Vì vậy, hệ thống đất ngập nước nhân tạo
(constructed wetland) được lựa chọn vì hệ thống này có nhiều ưu điểm nổi bật như cấu tạo
đơn giản; hiệu quả xử lý cao (nhất là đối với các vi khuẩn gây bệnh); chi phí cho xây dựng và
vận hành thấp; không sản sinh mùi hôi và tiếng ồn,…rất thích hợp áp dꢁng xử lý nước thải
sinh hoạt cho các vùng có diện tꢂch đất dồi dào hay mật độ dân cư thấp.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Nội dung nghiên cứu
2.1.1 Đối tượng nghiên cứu
Nước thải đầu vào của mô hình nghiên cứu được lấy từ hầm bơm (sau bể tự hoại) của
chung cư Nguyễn Kim – quận 10, Tp. Hồ Chí Minh.
53
Bảng 1. Tính chất nước thải đầu vào
STT
Thông số
Đơn vị
Giá trị đầu vào
7.2 – 7.8
pH
1
2
BOD5 (20 0C)
120 - 170
mg/l
3
4
5
6
7
8
COD
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
300 - 500
100 - 150
55 - 65
Tổng chất rắn lơ lửng (TSS)
Amoni (tính theo N)
Nitrat (NO3 )(tính theo N)
Phosphat (PO4 ) (tính theo P)
Tổng Coliforms
-
0.15 – 1.40
9 - 18
3-
MPN/100 ml
1x106 - 15 x108
2.1.2 Nội dung nghiên cứu
03 loài thực vật xử lý gồm vetiver, nến và sậy được thu thập từ các cây non có sẵn ở các
đầm lầy trong tự nhiên. Trước khi cấy vào mô hình nghiên cứu, thực vật được cắt ngắn với
chiều dài cả thân và rễ là từ 250 - 300mm, mật độ cây là 20 cây/m2. Suốt 30 ngày đầu, mô
hình chỉ được bổ sung nước sạch, nhꢀm giúp thực vật bám rễ và thích ứng với môi trường
mới. Khi kết thúc tải thích nghi, nghiên cứu được tiếp tꢁc tiến hành với các tải trọng hữu cơ
lần lượt là 350, 525 và 700 kgCOD/ha.ngày, nhꢀm để đánh giá hiệu quả xử lý của 03 mô hình
đất ngập nước trồng 03 loại thực vật khác nhau ứng với các tải trọng khác nhau . Các thông số
vận hành của mô hình được thể hiện ở bảng 2.
Bảng 2. Các thông số vận hành của mô hình nghiên cứu
Loài
thực
vật
Thời gian
Lưu lượng
Tải trọng thủy
lực (mm/ngày)
Tải trọng hữu cơ
(kgCOD/ha.ngày)
lưu
Mô
hình
(lít/ngày)
(ngày)
Mô
hình 1
Vetiver
Cỏ nến
Cỏ sậy
8
4
3
2
21
42
63
84
44
88
175
350
525
700
132
176
Mô
hình 2
8
4
3
2
21
42
63
84
44
88
175
350
525
700
132
176
Mô
hình 3
8
4
3
2
21
42
63
84
44
88
175
350
525
700
132
176
54
2.1.3 Phương pháp phân tích
Bảng 3. Các phương pháp phân tích
Đơn
vị
Độ chính
STT
Chỉ tiêu
Phương pháp
Thiết bị
xác
Giấy lọc thủy tinh
Bộ hút chân không
Tủ nung
2540 D. Total Suspended
Solids Dried at 103-
105oC
mg/l
1
TSS
± 0,1
Cân phân tích
2
3
BOD5
COD
5210 B
mg/l
mg/l
Tủ ủ 200C
5220 C. Closed Reflux,
Titrimetric Method
Tủ nung 1500C
Cột Cadmium
Máy Hach
DR/2010
-
4500 – NO3 E. Cadmium
4
Nitrat
mg/l
± 0,005
Reduction Method
4500 – NH3 F. Phenate
Method
4500 – P D. Stannous
Chloride Method
Bộ chưng cất
Kjeldahl
Máy Hach
DR/2010
5
6
7
Amonia
P-PO43-
mg/l
mg/l
± 0,77%
0,3%
Total
coliform
MPN/
100ml
9222 B
Các chỉ tiêu này được phân tích tại Phòng thí nghiệm môi trường - trường Đại học Bách
Khoa, Tp. Hồ Chí Minh.
2.2 Mô hình nghiên cứu
Mô hình: Mô hình đất ngập nước nhân tạo dòng chảy ngầm theo phương đứng có quy mô
phòng thí nghiệm được làm bꢀng vật liệu mica dày 8mm. Kꢂch thước bề: dài x rộng x cao =
1,2m x 0,4m x 0,7m, tỉ số chiều dài: chiều rộng là 3:1. Đáy bể được bố trí với độ dốc 3%
nhꢀm đảm bảo nước sau xử lý được thu gom hoàn toàn. Khung đỡ chịu lực và chân đế mô
hình được làm bꢀng thép hộp sơn chống rỉ, kꢂch thước 10x20mm, chiều cao chân đế là 0,5m.
Cả 3 mô hình được thiết kế như nhau.
Vật liệu: Mỗi mô hình gồm 3 lớp vật liệu được sắp xếp theo một trình tự nhất định như
nhau: Lớp trên cùng là lớp cát mịn với đường kính từ 1-2mm, chiều cao lớp cát là 200mm,
Lớp ở giữa là lớp sỏi tròn có đường kính từ 5-10mm, chiều cao lớp này là 100mm, Lớp dưới
cùng là lớp đá 10x20mm, cao 150mm.
Thực vật: Thực vật xử lý ở đây là cỏ Vetiver (Chrysopogon zizanioides), cỏ nến (Typha
orientalis G.A. Stuart) và sậy (Phragmites australis), khoảng cách giữa 2 cây là 20 cm, mật
độ trung bình là 20 cây/m2.
Nước thải đầu vào và đầu ra: Nước thải đầu vào được phân phối đều trên toàn bộ diện
tích mặt thoáng của mô hình bꢀng bơm định lượng, ống phân phối nước bꢀng PVC có đường
kꢂnh D21 mm, đường kính lỗ phân phối 4mm, bước lỗ 20mm. Nước đầu ra được lấy qua hệ
thống ống thu nước PVC có đường kính D42 mm, hệ thống này được bố trí khắp đáy bể và
đặt sát đáy.
Nguyên lý hoạt động: Nước thải đầu vào được phân phối đều trên bề mặt tiếp nhận nước
thải với hệ thống phân phối bꢀng ống PVC, đꢁc lỗ. Sau đó, nước thải từ từ chảy qua các lớp
vật liệu lọc và rễ thực vật xử lý theo chiều từ trên xuống, nước thải sau xử lý được thu gom
bꢀng hệ thống đường ống PVC có khe lọc phân bố sát đáy bể. Các quá trình hóa học và sinh
55
học sẽ xảy ra trong vùng có rễ thực vật xử lý và các khu vực có thể tạo màng bám sinh học
trên vật liệu lọc. Các vi sinh vật sống trong vật liệu lọc và sống bám vào hệ thống rễ cây trồng
sẽ tiêu thꢁ các chất hữu cơ có trong nước thải phꢁc vꢁ cho các quá trình sinh sản và phát triển
của chúng. Bên cạnh đó, hệ thống rễ cây cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý nước
thải qua việc hấp thu các chất dinh dưỡng có trong nước thải, đồng thời nó cung cấp oxy tạo
ra các quá trình phân hủy hiếu khꢂ bên trong mô hình. Còn các quá trình cơ học như lắng, lọc
xảy ra chủ yếu ở lớp cát lọc và sỏi lọc. Các quá trình này giúp loại bỏ hầu như hoàn toàn cặn
lơ lửng có trong nước thải.
OÁng thoâng khí
PVC-D34
MAËT TIEÁP NHAÄN NÖÔÙC THAÛI
û lyù
Thöïc vaät xö
Thaønh beå
Mica 8mm
CAÙT LOÏC 1-2mm
SOÛI TROØN 5-10mm
ÑAÙ 10X20mm
ÑAÀU RA
1200
Lôùp loùt ñaùy
xoáp 10mm
Heä thoáng thu nöôùc
PVC 42, khe loïc
Ñoä doác 3%
Khung ñôõ
Theùp hoäp 10x20mm
MAËT CAÉT A-A
Khung ñôõ
Theùp hoäp 10x20mm
û lyù
Thöïc vaät xö
ÑAÀU RA
A
A
Thaønh beå
Mica 8mm
1200
MAËT BAÈNG
Hình 1. Sơ đồ nghiên cứu xử lý nước thải
3. KẾT QUẢ - THẢO LUẬN
3.1 Hiệu quả xử lý TSS
Theo kết quả nghiên cứu, hiệu quả loại bỏ TSS ở các tải trọng và thực vật khác nhau đều
rất cao, chiếm trên 90%. Tại các tải trọng 3 và 4, ta nhận thấy không có sự chênh lệch lớn
giữa các loài thực vật, hiệu suất lệch trung bình là từ 0,3% - 1,5%, còn tại tải 1, tải 2 thì độ
lệch tương đối lớn hơn chiếm từ 5,8% - 7,5%. Trong đó, hiệu suất xử lý trung bình thấp nhất
là 86,8% ứng với cỏ vetiver tại tải 1, cao nhất là 96,8% và 96,9% ứng với cỏ sậy và nến tại tải
2. Kết quả này nhỏ hơn nhiều so với giới hạn cho phép của quy chuẩn về chất lượng nước thải
sinh hoạt QCVN 14-2008/BTNMT, mức A quy định là 50 mg/l.
Hình 2. Nồng độ TSS trung bình qua các tải nghiên cứu
56
Hình 3. Hiệu suất xử lý TSS qua các tải nghiên cứu
3.2 Hiệu quả xử lý BOD5
Hiệu quả xử lý BOD5 cao nhất đạt được trong các mô hình nghiên cứu là tại tải 2 ứng với
các loài thực vật chiếm ưu thế lần lượt là sậy (96%), nến (94,1%), vetiver (91,3%). Khi qua
đến các tải 3, 4 thì hiệu quả bắt đầu giảm dần đều ở cả 03 mô hình, điều này có thể giải thích
là do khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ chứa cacbon đã bị suy giảm, một phần từ quá
trình lắng tꢁ TSS trong thời gian dài dꢃn đến làm nghẽn một diện tích nhỏ trên bề mặt thoáng
của mô hình làm hạn chế khả năng khuếch tán oxy, mặt khác là do khi thực vật phát triển
mạnh vào giai đoạn cuối làm che phủ hầu hết mặt thoáng của bể. Nồng độ BOD5 sau xử lý là
rất thấp, trong các tải vận hành trung bình từ 5,5 mg/l (sậy, tải 2) đến 21,4 mg/l (vetiver, tải
4), tất cả đều nꢀm trong giới hạn cho phép của QCVN 14-2008/BTNMT, mức A quy định là
30 mg/l.
Hình 4. Nồng độ BOD5 trung bình qua các tải nghiên cứu
Hình 5. Hiệu suất xử lý BOD5 qua các tải nghiên cứu
3.3 Hiệu quả xử lý Nitơ Amonia
+
NH4 được tạo thành từ quá trình ammoni hóa các chất hữu cơ có trong nước thải và xảy
+
ra cả trong vùng oxy hóa lꢃn vùng khử của hệ thống DNNNT. Cơ chế khử NH4 chủ yếu là
quá trình nitrat hóa được thực hiện trong môi trường hiếu khí bởi vi khuẩn Nitrosomonas và
+
Nitrobacter. Ngoài ra NH4 còn được loại bỏ thông qua quá trình khuếch tán trực tiếp vào khí
+
quyển và được hấp thꢁ một phần bởi thực vật. Nồng độ NH4 trong nước thải đầu vào mô
hình tại các tải nghiên cứu là rất cao, dao động từ 57,1 – 77,3 mg/l. Vì vậy, hiệu quả xử lý
+
NH4 qua các tải nghiên cứu đều rất thấp và giảm dần khi tăng tải trọng hữu cơ, trung bình từ
57
41,6% (vetiver) - 55,2% (sậy) ở tải 2; 28,2% (nến) – 37,3% (sậy) ở tải 3; 24,6% (nến) –
32,1% (sậy). Tuy nhiên, mặc dù hiệu suất đạt được là thấp nhưng mô hình trồng sậy đã thể
hiện được khả năng xử lý vượt trội hơn hẳn 02 loài thực vật còn lại, điều này một lần nữa giúp
khẳng định sậy là loài thực vật rất có tiềm năng cho việc cung cấp oxy vào bên trong mô hình
nghiên cứu.
+
Hình 6. Nồng độ NH4 trung bình qua các tải nghiên cứu
+
Hình 7. Hiệu suất xử lý NH4 qua các tải nghiên cứu
3.4. Hiệu quả xử lý Nitơ Nitrat
-
NO3 được loại bỏ ra khỏi nước thải chủ yếu thông qua quá trình khử nitrat được thực
hiện bởi vi khuẩn Pseudomonas, Alcaligenes hay Bacillus, quá trình này diễn ra ở tầng vật
-
liệu sâu dưới cùng và trong điều kiện kỵ khꢂ (không có oxy). Đồng thời, một phần NO3 được
thực vật hấp thꢁ, chuyển hóa tại vùng rễ hoặc vận chuyển lên lá và chuyển hóa nhờ vào quá
-
trình quang hợp của cây. Nồng độ NO3 sau xử lý cũng rất thấp, từ 0,98 – 1,24 mg/l ở tải 1;
-
1,25 – 2,78 mg/l ở tải 2; 1,56 – 2,51 mg/l ở tải 3; 1,43 – 1,82 mg/l ở tải 4. Nồng độ NO3
không dao động đáng kể giữa các tải trọng cũng như là giữa các loài thực vật khác nhau. Các
nồng độ này đều nhỏ hơn rất nhiều so với ngưỡng giới hạn cho phép của QCVN 14-
2008/BTNMT quy định mức A là 30 mg/l và mức B là 50 mg/l.
-
Hình 8. Nồng độ NO3 trung bình qua các tải nghiên cứu
3-
3.5 Hiệu quả xử lý Photpho (PO4 )
3-
Hiệu quả xử lý PO4 cao nhất là tại tải 2 và 3 ứng với 37,73% (nến); 40,59% (vetiver);
47,8% (sậy) và 39,23% (nến); 39,82% (vetiver); 46,76% (sậy). Hiệu quả xử lý thấp nhất là tại
3-
tải 4 với 30,3% (vetiver); 31,34% (nến); 35,31% (sậy). Như vậy, hiệu quả xử lý PO4 tăng
58
dần từ tải 1 (tải thꢂch nghi) đến tải 2, rồi giảm nhẹ ở tải 3, sau đó giảm mạnh ở tải còn lại.
Điều này có thể giải thích bởi khả năng hấp phꢁ lên trên bề mặt các hạt vật liệu trong hệ thống
DNNNT đã giảm dần theo thời gian và đến một mức độ nào đó nó sẽ trở nên bảo hòa, cần
thay thế vật liệu khác.
3-
Hình 9. Nồng độ PO4 trung bình qua các tải nghiên cứu
Hình 10. Hiệu suất xử lý PO43- qua các tải nghiên cứu
3.6 Hiệu quả xử lý tổng Coliform
Hệ thống DNNNT luôn tỏ ra là có ưu thế mạnh trong việc loại bỏ các thành phần vi sinh
vật gây bệnh mà không cần sử dꢁng đến những hóa chất diệt khuẩn. Trong đó, yếu tố cơ bản
chính là thời gian lưu nước đủ dài trong hệ thống và khả năng bức xạ trực tiếp tia UV từ ánh
sáng mặt trời vào các vi sinh vật gây bệnh này. Điều này ta có thể thấy được qua kết quả
nghiên cứu, hiệu quả xử lý T.coliform đạt mức cao hơn tại tải 1 và 2 ứng với 94,97% (nến);
95,51% (sậy); 97,7% (vetiver) và 96,45% (vetiver); 97,45% (sậy), 97,73% (nến). Nguyên
nhân là do tải 1,2 có thời gian lưu nước cao nhất (8 và 4 ngày) và đồng thời được vận hành
trong giai đoạn đầu của nghiên cứu nên các thực vật phát triển chưa mạnh, không làm che phủ
bề mặt mô hình nên giúp tăng khả năng diệt khuẩn bởi ánh sáng mặt trời.
Hình 11. Hiệu suất xử lý T.Coliform qua các tải nghiên cứu
59
4. KẾT LUẬN
Qua kết quả nghiên cứu ta có thể rút ra được một số kết luận như sau:
Với tải trọng hữu cơ 175 kgCOD/ha.ngày và thời gian 30 ngày, thực vật xử lý đã kịp thời
thꢂch nghi, sinh trưởng và phát triển mạnh, tạo điều kiện thuận lợi cho khả năng xử lý ở các
tải trọng sau.
Tải trọng hữu cơ tối ưu cho quá trình xử lý cả các chỉ tiêu hóa lý và sinh học trong mô
hình nghiên cứu là 350 kgCOD/ha.ngày, ứng với các thông số vận hành là HRT: 4 ngày,
HAR: 88 mm/ngày.
Không có sự khác biệt đáng kể nào về khả năng hấp thꢁ giữa các loài thực vật, cũng như
khả năng xử lý giữa các mô hình nghiên cứu. Tuy nhiên, mô hình trồng cỏ sậy tỏ ra vượt trội
hơn nhờ vào khả năng vận chuyển oxy từ thân vào vùng rễ tốt hơn so với các loài thực vật
khác.
Khả năng xử lý TSS không phꢁ thuộc vào tải trọng thủy lực hay tính chất đầu vào của
nước thải, không phꢁ thuộc vào loài thực vật, mà phꢁ thuộc chủ yếu vào cấu trúc lớp vật liệu
lọc.
Kết quả cho thấy tiềm năng ứng dꢁng lớn của hệ thống DNNNT dòng chảy ngầm theo
phương đứng cho xử lý nước thải sinh hoạt, nhất là áp dꢁng cho các cꢁm dân cư ở khu vực
ngoại thành và nông thôn. Vì hệ thống này vừa có thể tận dꢁng những vùng đất bỏ hoang,
nhiễm mặn, phèn để xây dựng, lắp đặt mà còn có chi phꢂ đầu tư và vận hành thấp, đồng thời
mang lại mảng xanh cho môi trường sinh thái.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Lê Hoàng Việt (2002), Nguyên lý các quy trình xử lý nước thải. Bộ môn Kỹ Thuật Môi
Trường & Tài Nguyên Nước. Khoa Công Nghệ. Trường Đại học Cần Thơ.
2. P.GS T.S Nguyễn Việt Anh (2005), Xử lý nước thải sinh hoạt bằng bãi lọc ngầm trồng cây
dòng chảy đứng trong điều kiện Việt Nam của – Đại học Xây dựng Hà Nội.
3. Ayaz S.C (2002), Post-treatment and reuse of tertiary treated wastewater by constructed
wetlands
4. D. Whitney, A. Rossman, N. Hayden (2002), Evaluating an existing subsurface flow
constructed wetland in Akumal, Mexico.
5. G.Badalians Gholikandi, M. Moradhasseli, R. Riahi (2009), Treatment of domestic
wastewater in a pilot-scale HSFCW in West Iran, Desalination 248: 977–987.
6. Jan Vymazal, Lenka Kröpfelova (2008), Wastewater Treatment in Constructed Wetlands
with Horizontal Sub-Surface Flow, Czech University of Life Sciences Prague Faculty of
Environmental Sciences, Czech
7. Kadlec and Kanight (1996), Constructed wetland for Municipal Wastewater Treatment.
60
8 trang
13/01/2024
13140
Free
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải sinh hoạt bằng mô hình đất ngập nước nhân tạo dùng sậy, nến, vetiver", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nghien_cuu_kha_nang_xu_ly_nuoc_thai_sinh_hoat_bang_mo_hinh_d.pdf
