TỔNG QUAN
Tổng quan về nước thải sinh hoạt
2.1.1 Khái niệm và nguồn gốc của nước thải sinh hoạt
Nước thải sinh hoạt là loại nước được thải ra sau khi sử dụng cho các hoạt động hàng ngày của con người như tắm, giặt, tẩy rửa và vệ sinh cá nhân Nguồn nước này thường phát sinh từ các hộ gia đình, cơ quan, trường học, bệnh viện, chợ và các công trình công cộng khác.
Hình 2.1 Hiện trạng nước thải sinh hoạt
Lượng nước thải sinh hoạt trong khu dân cư phụ thuộc vào dân số, tiêu chuẩn cấp nước và đặc điểm hệ thống thoát nước Tiêu chuẩn cấp nước chịu ảnh hưởng từ khả năng cung cấp của các nhà máy và trạm cấp nước, với các trung tâm đô thị thường có tiêu chuẩn cao hơn so với vùng ngoại thành và nông thôn Điều này dẫn đến sự khác biệt về lượng nước thải sinh hoạt tính trên đầu người giữa thành phố và nông thôn Ở các trung tâm đô thị, nước thải thường được thoát qua hệ thống dẫn đến sông rạch, trong khi ở vùng ngoại thành và nông thôn, nước thải thường được tiêu thoát tự nhiên vào ao hồ hoặc bằng phương pháp tự thấm do thiếu hệ thống thoát nước.
2.1.2 Thành phần và đặc tính của nước thải sinh hoạt
Thành phần của nước thải sinh hoạt gồm hai loại:
- Nước thải nhiễm bẩn do chất bài tiết của con người từ các phòng vệ sinh;
- Nước thải nhiễm bẩn do các chất thải sinh hoạt hoặc cặn bả từ nhà bếp, các chất rửa trôi, kể cả làm vệ sinh sàn nhà
Nước thải sinh hoạt chứa nhiều thành phần đa dạng, chủ yếu là các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học Ngoài ra, nó còn bao gồm các thành phần vô cơ, kim loại nặng, chất rắn, chất màu và vi sinh vật có khả năng gây bệnh cho con người.
Các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học trong nước thải sinh hoạt (NTSH) bao gồm các hợp chất như protein (chiếm 40-50%), hydrat cacbon (40-50%), chất béo (5-10%) và lignin, có nguồn gốc từ tế bào động vật và thực vật.
Các chất vô cơ: trong NTSH chiếm 40 – 42% chủ yếu gồm đất, cát, sét, các axit bazơ, bazơ vô cơ, dầu khoáng
Các kim loại nặng: trong NTSH còn chứa các ion kim loại nặng như chì, thủy ngân, asen…
Các chất rắn bao gồm hợp chất hữu cơ, vô cơ và các sinh vật như xác động vật và thực vật Chúng có thể tồn tại dưới dạng keo hoặc huyền phù.
Mùi: do CHC bị phân hủy, hóa chất, dầu mỡ trong nước thải gây ra
Sinh vật bao gồm vi khuẩn, virus, nấm, rong và tảo Trong số các dạng vi sinh vật này, có những loại vi trùng gây bệnh cho con người, như vi khuẩn gây bệnh kiết lỵ, thương hàn và dịch tả.
Lượng NTSH dao động trong biên độ rất lớn, tùy thuộc vào mức sống và các thói quen của người dân, có thể tính bằng 80% lượng nước cấp
2.1.3 Ảnh hưởng của nước thải sinh hoạt
NTSH ảnh hưởng đến sức khỏe con người thông qua việc biểu hiện các triệu chứng bệnh lý, trong khi các chỉ tiêu như COD và BOD gây khoáng hóa và ổn định HCHC, dẫn đến thiếu hụt oxy trong nguồn nước và tác động tiêu cực đến hệ sinh thái Nếu ô nhiễm vượt mức cho phép, điều kiện yếm khí có thể xuất hiện, tạo ra các sản phẩm phân hủy như H2S, NH3, CH4, gây mùi hôi khó chịu và làm giảm pH của môi trường nước.
TSS: lắng đọng ở nguồn tiếp nhận, gây điều kiện yếm khí
Nhiệt độ: thường không thay đổi nhiều đến mức ảnh hưởng đến đời sống thủy sinh vật dưới nước
Vi trùng gây bệnh: gây ra các bệnh dịch tả, thương hàn, kiết lị,…
Các hợp chất của Nitơ, Photphor: đây là những nguyên tố dinh dưỡng đa lượng Nồng độ N, P trong nước quá cao dẫn đến hiện tượng phú dưỡng hóa
Màu, mùi: gây mất mỹ quan
Dầu mỡ gây mùi khó chịu và ngăn cản quá trình khuếch tán oxy trên bề mặt nước Các hợp chất hữu cơ này rất khó xử lý bằng phương pháp sinh học, dẫn đến ảnh hưởng nghiêm trọng của nước thải chưa được xử lý đến nguồn nước mặt Khi nước thải chảy vào thủy vực, nó làm ô nhiễm nguồn nước, gây ra những hậu quả tiêu cực cho môi trường.
Thay đổi tính chất hóa lý của nước có thể ảnh hưởng đến độ trong, mùi, màu sắc, và hàm lượng các hợp chất hữu cơ, vô cơ, pH, cũng như nồng độ kim loại nặng độc hại, chất nổi và chất lắng cặn.
- Làm thay đổi hệ vi sinh vật trong nước, kể cả VSV, xuất hiện các VSV gây bệnh, làm chết các VSV trong nước
Ô nhiễm nguồn nước mặt chủ yếu xảy ra do nước thải chưa qua xử lý được xả thải, dẫn đến sự thay đổi đáng kể về các tính chất vật lý, hóa học và sinh học của nguồn nước Quá trình oxy hóa hợp chất hữu cơ (HCHC) tiêu hao oxy hòa tan, làm giảm chất lượng nước và ảnh hưởng đến hệ sinh thái.
Sự hiện diện của các chất độc hại trong nước thải làm mất cân bằng sinh học tự nhiên và ngăn cản quá trình tự làm sạch của nguồn nước Đồng thời, các vi sinh vật, bao gồm cả vi khuẩn gây bệnh, cũng đang đe dọa an toàn vệ sinh của nguồn nước.
2.1.4 Hiện trạng của nước thải sinh hoạt
Theo thống kê của Bộ Xây dựng năm 2019, cả nước hiện có 43 nhà máy xử lý nước thải đô thị với tổng công suất thiết kế đạt trên 926.000 m³/ngày Tuy nhiên, tỷ lệ nước thải được thu gom và xử lý chỉ đạt khoảng 13%.
Trong những năm gần đây, Việt Nam đã chứng kiến sự đô thị hóa nhanh chóng, nhưng do điều kiện kinh tế còn khó khăn, đầu tư vào hạ tầng kỹ thuật, đặc biệt là hệ thống cấp thoát nước đô thị, vẫn còn hạn chế Sự thiếu hụt hạ tầng xử lý nước thải và công nghệ xử lý không phù hợp đã dẫn đến tình trạng nước thải chưa qua xử lý được xả thẳng ra môi trường, gây nguy hại cho môi sinh và tạo ra thách thức lớn cho các đô thị tại Việt Nam.
Báo cáo của UBND TP Hà Nội cho biết, hiện thành phố có khoảng 5.735,44 km cống rãnh; 254,2 km mương, sông, kênh; 40.407 ga thu; 110.025 ga thăm các loại; 125
Hiện nay, thành phố có 11 hồ điều hòa và 10 trạm bơm thoát nước mưa chính Bên cạnh đó, 6 nhà máy xử lý nước thải đã đi vào hoạt động, bao gồm Kim Liên với công suất 3.700 m³/ngày đêm, Trúc Bạch 2.300 m³/ngày đêm, Bảy Mẫu 13.300 m³/ngày đêm, và Yên.
Sở (công suất 200.000 m 3 /ngày đêm), Bắc Thăng Long – Vân Trì (42.000 m 3 /ngày đêm),
Hồ Tây hiện chỉ có khả năng xử lý 15.000 m³ nước thải mỗi ngày, nhưng các nhà máy xử lý nước thải chỉ đáp ứng được 22% lượng nước thải phát sinh hàng ngày, trong khi 78% vẫn được xả thẳng ra môi trường UBND TP Hà Nội thừa nhận rằng tiến độ thực hiện các dự án xây dựng nhà máy xử lý nước thải còn chậm và số lượng dự án cần triển khai vẫn chưa đáp ứng được Kế hoạch số 189/KH-UBND ngày 30/12/2013.
Tổng quan về đất ngập nước kiến tạo
2.2.1 Định nghĩa về đất ngập nước kiến tạo Đất ngập nước rất đa dạng, có mặt ở nhiều nơi và là cấu thành quan trọng cho các cảnh quan trên thế giới Trong nhiều thập kỷ qua, các chuyên gia về môi trường và tài nguyên nước trên thế giới đã tìm cách định nghĩa, mô tả đặc điểm và phân loại “đất ngập nước’’ (ĐNN) Theo thời gian và khái niệm, từ “đất ngập nước’’ (wetland) được dung để chỉ các vùng đầm lầy, rừng sát, rừng ngập mặn, vùng đất trũng chứa nước như ao hồ, đầm phá, bãi đầm lớn, vùng đồng lũ, vùng đất chứa than bùn, bãi đất ngập ven sông, vùng đất ven biển chịu ảnh hưởng thủy triều,…Tính chất ngập nước, bất kể từ nguồn nước nào, làm cho đất trở nên bão hòa hoặc cận bão hòa thường theo thường kỳ hoặc định kỳ là đặc điểm chính để định nghĩa đất ngập nước
Theo điều 1.1 của Công ước Ramsar năm 1971, đất ngập nước được định nghĩa là:
Đất ngập nước là khu vực bao gồm đầm lầy, bãi than bùn và vùng nước, có thể là tự nhiên hoặc nhân tạo Những vùng này có thể ngập nước một cách thường kỳ hoặc tạm thời, với nước đứng hoặc chảy, có thể là nước ngọt, nước lợ hoặc nước mặn Ngoài ra, vùng biển có độ sâu dưới mức thủy triều không quá 6 m cũng được coi là đất ngập nước.
Đất ngập nước, bao gồm các vùng đất ven sông, ven biển và vùng biển sâu dưới 6 m, đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định và cân bằng khí hậu, đồng thời là giải pháp hiệu quả cho quản lý tài nguyên lưu vực Nhiều đô thị và nông thôn trên thế giới đã sử dụng đất ngập nước tự nhiên để xử lý nước thải, nhưng không phải nơi nào cũng có điều kiện tự nhiên phù hợp Do đó, việc xây dựng và cải tạo khu vực ngập nước để xử lý nước thải là cần thiết Đất ngập nước kiến tạo, được định nghĩa là hệ thống công trình xử lý nước thải mô phỏng đất ngập nước tự nhiên, mang lại nhiều lợi ích như phù hợp với điều kiện tự nhiên, dễ quản lý, tiết kiệm hóa chất và năng lượng, đồng thời có chi phí vận hành thấp Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn nhất trong việc xây dựng đất ngập nước kiến tạo là yêu cầu diện tích đất tương đối rộng.
2.2.2 Phân loại đất ngập nước kiến tạo Đất ngập nước kiến tạo được xây dựng cho mục đích chính là xử lý nước thải Có hai kiểu hệ thống đất ngập nước kiến tạo cơ bản, đó là hệ thống đất ngập nước kiến tạo chảy mặt tự do (Constructed Free Surface Flow Wetlands – CFFW) và hệ thống đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm (Constructed Surface Flow Wetlands – CSFW) Hai kiểu phân biệt cơ bản này lại được phân chia theo nhiều kiểu khác nhau theo chức năng xử lý của loại thực vật được trồng và đặc điểm dòng chảy Trong một số trường hợp, một hệ thống xử lý kiểu lai (Hybrid Treatment System), bằng cách kết hợp pha cả hai hệ thống đất ngập nước cơ bản trên
20 Đất ngập nước kiến tạo xử lý kiểu lai
Kết hợp giữa đất ngập nước kiến tạo chảy mặt và chảy ngầm
Đất ngập nước kiến tạo là hệ sinh thái đặc biệt, bao gồm các dạng chảy ngầm theo phương ngang và đứng, cũng như chảy mặt với sự hiện diện của cây thân lớn Các loại cây này có thể mọc tự do, tạo thành thảm thực vật, hoặc chìm trong nước, vượt lên trên mặt nước, hoặc nổi tự do Sự đa dạng trong cấu trúc và hình thái của đất ngập nước kiến tạo không chỉ mang lại giá trị sinh thái mà còn đóng góp vào việc bảo vệ môi trường và duy trì cân bằng sinh thái.
Hình 2.2 Các kiểu đất ngập nước chảy mặt (Lê Anh Tuấn, 2009)
Hình 2.3 Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy theo chiều ngang (Lê Anh Tuấn, 2009)
Hình 2.4 Sơ đồ đất ngập nước chảy ngầm theo chiều đứng (Lê Anh Tuấn, 2009)
Hình 2.5 Hệ thống đất ngập nước kiến tạo kết hợp dòng chảy mặt và chảy ngầm (Lê
Ưu và nhược điểm của đất ngập nước kiến tạo dòng chảy mặt và dòng chảy ngầm
Bảng 2.3 Bảng ưu và nhược điểm của đất ngập nước kiến tạo dòng chảy mặt và đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm
Kiểu đất CWs Đất ngập nước kiến tạo dòng chảy mặt Đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm Ưu điểm
- Chi phí xây dựng, vận hành thấp
- Có thể sử dụng đối với nước thải có hàm lượng chất rắn lơ lửng cao
- Tối thiểu hóa thiết bị cơ khí, năng lượng và kỹ năng quản lý
- Chi phí đầu tư và vận hành thấp hơn hệ thống đất ngập nước dòng chảy mặt
- Cần diện tích nhỏ hơn
- Tối thiểu hóa thiết bị cơ khí, năng lượng và kỹ năng quản lý
- Loại bỏ hiệu quả nhu cầu oxy sinh hóa (BOD), nhu cầu oxy hóa học (COD), tổng các chất rắn lơ lửng (TSS) và kim loại nặng
- Giảm thiểu mùi hôi và côn trùng (đặc biệt là muỗi)
Nhược điểm - Cần một diện tích lớn
- Kém hiệu quả trong việc loại bỏ Nitơ, Photphor và vi khuẩn
- Gây mùi hôi do sự phân hủy các chất hữu cơ
- Khó kiểm soát muỗi, côn trùng và các mầm bệnh khác gây rủi ro cho trẻ em và gia súc
- Tốn thêm chi phí cho vật liệu như cát, sỏi
- Tốc độ xử lý có thể chậm
Bảng so sánh cho thấy đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm có nhiều ưu điểm hơn so với đất ngập nước kiến tạo dòng chảy mặt Nước thải khi chảy qua các lớp nền cát và sỏi giúp ngăn ngừa mùi hôi, tình trạng ứ đọng màu đen, sự phát triển của tảo và các mầm bệnh do nước tích tụ.
24 ngầm nhỏ hơn diện tích đất ngập nước dòng chảy mặt nếu so sánh ở cùng quy mô xử lý
2.2.3 Cơ chế các quá trình xử lý trong đất ngập nước
Cơ chế loại bỏ chất ô nhiễm trong đất phụ thuộc vào đặc trưng dòng chảy, bao gồm kích thước hạt, độ rỗng và độ dẫn thủy lực của đất Những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng di chuyển và phân tán của chất ô nhiễm trong môi trường đất.
Các chất ô nhiễm có thể được xử lý bởi đất ngập nước bao gồm tổng chất rắn lơ lửng (TSS), nhu cầu oxy sinh hóa (BOD), chất dinh dưỡng như Nitơ và Photphor, các hợp chất hữu cơ và thành phần vô cơ Khi nước thải đi qua đất ngập nước, các chất ô nhiễm này sẽ được làm sạch một phần hoặc toàn bộ thông qua các quá trình vật lý, hóa học và sinh học diễn ra trong môi trường đất ngập nước.
Hiểu rõ các tiến trình lý, hóa, sinh của dòng chảy nước thải khi đi vào khu đất ngập nước là cơ sở quan trọng để thiết kế hệ thống đất ngập nước hiệu quả về mặt kỹ thuật và kinh tế.
Chất ô nhiễm trong nước thải được loại bỏ hiệu quả trong đất ngập nước kiến tạo khi di chuyển qua môi trường xốp của đất và vùng rễ cây trồng Các màng mỏng quanh rễ cây giúp dẫn khí oxygen từ không khí vào đất, tạo điều kiện cho vi sinh vật phát triển Để thiết kế và vận hành mô hình đất ngập nước kiến tạo hiệu quả, cần hiểu rõ cơ chế xử lý nước thải Đất ngập nước bao gồm nước thải, chất nền, thảm thực vật và vi sinh vật, trong đó thảm thực vật đóng vai trò quan trọng nhất trong việc cung cấp oxy và tạo môi trường cho vi sinh vật Các chất ô nhiễm trong nước thải được loại bỏ thông qua các quá trình vật lý, hóa học và sinh học, bắt đầu từ cơ chế loại bỏ chất rắn lơ lửng.
Các chất rắn lắng được dễ dàng loại bỏ nhờ cơ chế lắng trọng lực trong các hệ thống có thời gian lưu nước dài Đối với chất rắn không lắng, hạt keo có thể được loại bỏ thông qua các cơ chế lọc, lắng và phân hủy sinh học nhờ sự phát triển của vi sinh vật Ngoài ra, các chất này cũng có thể hút bám và hấp phụ lên các chất rắn khác như thực vật, đất, cát và sỏi nhờ lực hấp dẫn của Van Der Waals và chuyển động Brown Hiệu quả của các cơ chế xử lý trong hệ thống phụ thuộc vào kích thước và tính chất của các chất rắn trong nước thải, cũng như các vật liệu lọc được sử dụng như cát, sỏi, đất và đá.
Trong quá trình xử lý nước, việc loại bỏ chất rắn lơ lửng (TSS) chủ yếu diễn ra trong vài mét đầu tiên khi nước vào hệ thống, đặc biệt trong điều kiện nước tĩnh Ngoài ra, cơ chế loại bỏ nitơ cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Nitơ đóng vai trò quan trọng trong xử lý nước thải, với sự hiện diện chủ yếu trong các vùng đất ngập nước dưới các dạng như Nitơ hữu cơ, Ammonia, Ammonium, Nitrite, Nitrate và khí Nitơ Các dạng vô cơ của Nitơ là yếu tố cần thiết cho sự phát triển của cây trồng và sinh khối Nếu lượng Nitơ không đủ, sự phát triển của sinh khối sẽ bị hạn chế hoặc kìm hãm.
Tổng lượng nitơ (TN) bao gồm tất cả các dạng Nitơ và sự biến đổi của nó là một phần quan trọng trong chu trình Nitơ Việc loại bỏ Nitơ khỏi nước rất cần thiết để ngăn chặn hiện tượng phú dưỡng hóa, điều này có thể dẫn đến sự phát triển của rong tảo, gây thiếu oxy và làm chết cá.
Nitơ hữu cơ xuất phát từ nước thải hoặc từ sự đào thải của sinh vật, được chuyển hóa thành Ammonia (NH3) thông qua quá trình thủy phân sinh học, hay còn gọi là khoáng hóa Nitơ Quá trình này có thể diễn ra trong điều kiện hiếu khí hoặc yếm khí và thường được biết đến với tên gọi Ammoniac hóa Trong môi trường ngập nước, Ammonia sẽ chuyển đổi thành ion Ammonium (NH4 +) theo phản ứng đã được nghiên cứu bởi Mitsch và Gosselink (2000).
Tổng quan về thực vật trong mô hình đất ngập nước kiến tạo
2.3.1 Vai trò của thực vật trong xử lý nước thải
Thực vật ở vùng ĐNNKT đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý nước thải, hoạt động như một tác nhân làm sạch nước tự nhiên Nhờ vào quá trình quang hợp, cây cỏ trong ĐNNKT kết nối môi trường vô cơ và hữu cơ, đồng thời thay đổi đặc điểm hóa học của nước Chúng chuyển đổi các chất dinh dưỡng trong đất và cung cấp oxy từ không khí xuống các tầng đất, hỗ trợ sự phát triển của bộ rễ trong điều kiện bão hòa hoặc cận bão hòa Ngoài ra, thực vật trong ĐNNKT còn tham gia vào quá trình vận chuyển của chu trình thủy văn, ảnh hưởng đến cả nước mặt và nước ngầm.
2.3.2 Điều kiện sinh trưởng và phát triển của thực vật trong mô hình đất ngập nước kiến tạo – cây hoa Nhài
Hoa Nhài, hay còn gọi là hoa Lài, có tên khoa học là Jasminum sambac, là loài thực vật bản địa của Nam và Đông Nam Á, có nguồn gốc từ dãy núi Himalayas Loài hoa này phổ biến ở Việt Nam, với cây nhỏ có nhiều cánh xòe ra và lá hình trái xoan nhọn Kích thước lá khoảng 30 – 70 mm chiều dài và 20 – 35 mm chiều rộng, có bề mặt bóng và lông ở khe gân phụ Hoa Nhài nổi bật với màu trắng tinh khiết, thường nở thành chùm từ 3 đến 15 bông hoa ở nách lá hoặc đầu cánh.
Cây hoa nhài là loại cây dễ trồng tại Việt Nam, với thân hình khỏe mạnh và khả năng chịu đựng tốt trước các điều kiện khắc nghiệt của thời tiết miền Nam Cây có tuổi thọ trung bình khoảng 1 năm, thời gian tăng trưởng nhanh và ít bị sâu bệnh Đặc biệt, hoa nhài có khả năng thích nghi với nhiều loại đất khác nhau, bao gồm đất pha sét, đất nghèo dinh dưỡng, đất bạc màu và đất thịt.
Theo y dược học cổ truyền Việt Nam, hoa nhài được coi là "thuốc Nam" với nhiều lợi ích cho sức khỏe Ngoài việc trồng để lấy hoa thơm làm nước hoa và trà, hoa nhài còn mang ý nghĩa đem lại tài lộc, giúp giảm căng thẳng và lo âu, đồng thời hỗ trợ tinh thần thư giãn và phấn chấn hơn.
NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Thiết bị, dụng cụ và hóa chất
- Máy đo pH WTW pH720 của hãng Inolab (Đức)
- Tủ sấy Medcenter Eirichturge GmbH của hãng ECOCELL
- Máy đo quang phổ UV – Vis Libra S32
- Máy chưng cất đạm Model S2
- Cân phân tích có độ nhạy 4 số, Model Explore Pro EP214 của hãng OHAUS (Mỹ)
- Tủ ủ ấm lạnh FOC 215E hang Velp
- Bình định mức 50 mL, 100 mL, 500 mL và 1000 mL
- Erlen 150 mL, 200 mL và 250 mL
- Beaker 50 mL, 250 mL và 500 mL
Dung dịch Ferrous Ammonium Sulfate (FAS)
Dung dịch Sắt (III) Clorua
Dung dịch Iodide – Azide kiềm
Chỉ thị màu hỗn hợp
Dung dịch H2SO4 đậm đặc
Chỉ thị màu hỗn hợp
Đối tượng nghiên cứu
Nước thải sinh hoạt được sử dụng trong mô hình này được thu thập từ hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt tại Ký túc xá khu B của Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.
Hình 3.1 Vị trí lấy nước thải đầu vào của mô hình
Nước thải được gạn tách dầu mỡ, rác trước khi đưa vào hệ thống xử lý
Nước thải sinh hoạt tại Ký túc xá khu B Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh chủ yếu phát sinh từ các hoạt động hàng ngày của sinh viên và cán bộ, bao gồm tắm, giặt và vệ sinh cá nhân Bên cạnh đó, một phần nước thải cũng đến từ các hoạt động cung cấp thức ăn cho cư dân trong Ký túc xá.
Trước khi nước thải được bơm vào mô hình sẽ được kiểm tra các chỉ tiêu sau:
- Tại phòng thí nghiệm: COD, BOD5, Amoni (N_NH4 +), Nitrate (N_NO3 -), TKN, Photphor (P_PO4 3-), DO
Hình 3.2 Nước được chứa vào can để vận chuyển về chạy mô hình
Mẫu nước thải đầu vào được phân tích định kỳ mỗi 3 ngày Mỗi thí nghiệm được thực hiện 3 lần và kết quả cuối cùng được tính theo giá trị trung bình.
Thành phần và tính chất đặc trưng của nước thải sau khi xử lý sơ bộ được trình bày ở bảng 3.1
Bảng 3.1 Đặc tính mẫu nước thải tại KTX khu B ĐHQGTPHCM
STT Thông số nước thải Đơn vị Giá trị trung bình
Cây hoa Nhài – thực vật dùng cho mô hình đất ngập nước kiến tạo
- Tên thường gọi: hoa Lài, hoa Nhài ta, cây Lài ta, Mạt ly
- Tên khoa học: Jasminum sambac Ait
Cây hoa Nhài là một loại cây nhỏ với nhiều cành xòe ra Lá cây có hình trái xoan nhọn ở đầu, dài từ 30 – 70 mm và rộng từ 20 – 35 mm, với bề mặt bóng và gân phụ có lông ở mặt dưới Hoa của cây có màu trắng, thường mọc thành cụm ở nách lá hoặc ngọn cây.
Cây được trồng rộng rãi khắp Việt Nam nhờ vào khả năng dễ sống và dễ chăm sóc, ít bị sâu bệnh Loài cây này ưa ẩm và phát triển tốt trong môi trường có ánh sáng mặt trời dịu.
+ Được ưa chuộng làm hương liệu và dùng để ướp trà
Hoa nhài có tính bình, hơi hàn và vị đắng, giúp thanh nhiệt và giải độc, vì vậy nó được coi là một trong những nguyên liệu quý giá trong y học.
Hoa và rễ của cây Nhài được sử dụng làm thuốc, với hoa Nhài có tác dụng cải thiện tiêu hóa, hỗ trợ loại bỏ độc tố và giúp giảm cân Ngoài ra, hoa Nhài còn thúc đẩy quá trình trao đổi chất và cải thiện lưu thông máu, trong khi rễ của cây được dùng để giảm đau.
Hoa Nhài là một loại cây dễ trồng và dễ sống, phổ biến tại miền Nam Việt Nam Với tuổi thọ trung bình khoảng 1 năm, cây có thời gian tăng trưởng nhanh và ít bị sâu bệnh, không đòi hỏi nhiều thời gian chăm sóc Đặc biệt, hoa Nhài còn đáp ứng một số tiêu chuẩn của đất ngập nước, làm cho nó trở thành lựa chọn lý tưởng cho nhiều người yêu thích trồng cây.
- Ứng dụng những loài thực vật có ưu thế ở địa phương;
- Rễ cây bám sâu, thân rễ khỏe mạnh và thuộc họ rễ chùm;
- Mật độ cây và sinh khối phải lớn để đạt được sự chuyển hóa tối đa của nước và đồng hóa các chất dinh dưỡng;
Vận chuyển oxy hiệu quả đến vùng rễ giúp tối ưu hóa quá trình xử lý nitơ, oxy hóa các kim loại nặng độc hại và nâng cao hiệu quả loại bỏ chất rắn lơ lửng.
Hoa Nhài được chọn cho nghiên cứu này nhằm giảm thiểu mùi hôi của nước thải, đồng thời mang lại cảm giác thoải mái và nâng cao vẻ đẹp cho không gian sống của hộ gia đình.
Hoa Nhài đóng vai trò quan trọng trong ĐNNKT, với các bộ phận của cây giúp ổn định bề mặt khu vực này Chúng làm giảm vận tốc dòng chảy, tăng khả năng lắng và giữ lại các chất rắn trong nước thải Hệ thống rễ phát triển sâu và rộng, tạo thành mạng lưới liên kết các hạt đất, từ đó mở rộng diện tích bề mặt để hấp thu đạm và các ion.
Mô hình nghiên cứu
3.3.1 Thiết kế mô hình đất ngập nước kiến tạo Ở quy mô liên xóm và cộng đồng nhỏ, đất ngập nước chảy ngầm phù hợp cho việc xử lý nước thải dân cư Ở khu đất ngập nước chảy ngầm, nước thải được kiểm soát sao cho chảy dưới sát mặt đất và đi qua môi trường xốp của rễ cây Nhờ đó, các vấn đề như mùi hôi, mầm bệnh, sự phơi bày ô uế nơi công cộng sẽ được giảm thiểu (Yamagiwa,
Trong quy hoạch và thiết kế chi tiết, có nhiều yếu tố cần phải xem xét, trong đó có
3 yếu tố phải được xác định [3]
- Xác định diện tích đất ngập nước cần thiết và bố trí tuyến
- Duy trì tỉ số chiều dài trên chiều rộng trong khoảng 4:1 – 2:1 cho chảy ngầm
- Xác định cây trồng thích hợp cho đất ngập nước và mật độ trồng
Có nhiều phương pháp thiết kế đất ngập nước kiến tạo để đáp ứng các yêu cầu xử lý khác nhau, tuy nhiên, các giá trị trong các công thức thường chỉ được ước tính do các thông số thực địa khó xác định chính xác Diện tích lọc của thực vật trong cột nước bao gồm thân cây, lá cây và bộ rễ, làm cho việc xác định giá trị chính xác trở nên khó khăn Đất ngập nước kiến tạo có thể được xây dựng ở bất kỳ đâu có thể trồng và phát triển các loại thực vật thân lớn Mô hình đất ngập nước kiến tạo sử dụng cây hoa Nhài nhằm xử lý nước thải sinh hoạt cho hộ gia đình ở khu vực nông thôn, với thiết kế dựa trên trị số tải BOD5 và lưu lượng nước thải đầu vào.
Theo QCVN 14:2008/BTNMT, giá trị cho phép của BOD5, cột B khi xả thải ra môi trường là 50 mg/L Lưu lượng nước thải đầu vào được xác định dựa trên mức tiêu thụ nước của Thị trấn, trung tâm công – nông nghiệp, công – ngư nghiệp và các điểm dân cư nông thôn, theo tiêu chuẩn sử dụng nước trong ngày được quy định trong TCXDVN 33:2006.
Bảng 3.2 Tiêu chuẩn dùng nước trong ngày theo TCXDVN 33:2006 Đối tượng dùng nước
Tiêu chuẩn cấp nước tính theo đầu người (ngày trung bình năm) lít/người.ngày
Thành phố lớn, thành phố du lịch, nghỉ mát, khu công nghiệp lớn 300 - 400
Thành phố, thị xã vừa và nhỏ, khu công nghiệp nhỏ 200 - 270
Thị trấn, trung tâm công – nông nghiệp, công – ngư nghiệp, điểm dân cư nông thôn
Theo ghi chú, tiêu chuẩn sử dụng nước sinh hoạt tại các điểm dân cư có thể được điều chỉnh trong khoảng ±10% đến 20% dựa trên các yếu tố như điều kiện khí hậu, mức độ tiện nghi và các điều kiện địa phương khác.
Tiêu chuẩn cấp nước cho mô hình nghiên cứu được xác định từ 80 đến 150 lít/người/ngày, áp dụng cho các khu vực như thị trấn, trung tâm công – nông nghiệp, công – ngư nghiệp và điểm dân cư nông thôn Lượng nước sử dụng cho sinh hoạt thường chiếm khoảng 80% tổng lượng nước cấp Lưu lượng thải nước cho mỗi người cũng cần được tính toán phù hợp.
Qthải ≈ 0.8Qcấp ≈ 85 (lít/ngày) Ứng với L = 150 kg BOD5/ha.ngày = 150
10000×24 = 6,25.10 -4 (kgBOD5/m 2 h) Công thức tính tải trọng hữu cơ
L: tải trọng hữu cơ (kgBOD5/ha.ngày)
Q: lưu lượng nước thải (L/ngày)
C0: Nồng độ BOD5 ban đầu (mg/L)
C: Nồng độ BOD5 sau xử lý (mg/L)
Với Qthải = 85 (L/ngày) = 3,54.10 -3 (m 3 /h), C0 = 200 (mg/L), C = 50 (mg/L)
- Vật liệu: Mô hình đất ngập nước kiến tạo được làm bằng mica với bề dày 8 mm
Khu đất ngập nước được thiết kế với hình chóp cụt, có kích thước đáy dưới dài 1350 mm và rộng 315 mm, trong khi đáy trên dài 1800 mm và rộng 765 mm.
Hình 3.3 Kích thước của mô hình
- Các lớp vật liệu trong mô hình
Lớp sỏi đỡ ở đáy bể có đường kính từ 20 – 30 mm và chiều sâu 60 mm, được rửa sạch Tiếp theo là lớp đá mi với đường kính 5 – 20 mm và chiều sâu 50 mm, cũng được rửa sạch Lớp nền cát có đường kính từ 0,5 – 1 mm, độ rỗng khoảng 50%, với chiều sâu 40 mm Cuối cùng, lớp đất thịt có chiều sâu 400 mm.
- Thực vật: là cây hoa nhài, được trồng với mật độ 16 cây/m 2
- Độ dốc mô hình là 1%
Mô hình dòng chảy ngầm theo phương ngang được thiết kế với đáy không thấm, sử dụng tấm nylon để ngăn nước thấm ra ngoài Việc lựa chọn mô hình này không chỉ tiết kiệm diện tích mà còn phù hợp với điều kiện địa hình của nước ta, khác với kiểu đất ngập nước kiến tạo chảy mặt.
Hình 3.4 Mô hình thí nghiệm
3.3.2 Quy trình làm mô hình và thuyết minh sơ đồ
Quy trình làm mô hình
Cắt mica theo kích thước bản vẽ và lắp ráp mô hình tại vị trí phù hợp, đảm bảo độ nghiêng khoảng 1% cho lớp gạch Tiến hành xếp các lớp vật liệu theo thứ tự: sỏi đỡ, đá mi, cát và cuối cùng là đất thịt, lưu ý rửa sạch sỏi đỡ và đá mi Bố trí thêm lớp sỏi đỡ ở hai đầu mô hình để tránh tắt nghẽn đường ống.
Hình 3.5 Sỏi và đá đang được rửa sạch Hình 3.6 Thú tự vật liệu của mô hình
Hình 3.7 Cát được bố trí vào mô hình
Hình 3.8 Thứ tự của các lớp vật liệu trong mô hình
Do lưu lượng nước trong 1 giờ rất ít, ống dẫn nước đầu vào từ thùng chứa được chọn là ống nhựa dẻo có đường kính 6 mm Nước sẽ được bơm vào mô hình bằng bơm định lượng với cột áp 2,1 kg/cm² và lưu lượng 30 lít/giờ Sau đó, nước sẽ được đưa qua ống phân phối bằng nhựa uPVC có đường kính 21 mm Cuối cùng, ống thu nước ra là ống nhựa dẻo 6 mm được lắp ráp theo hình ziczac nhằm tăng thời gian lưu nước.
Hình 3.9 Ống phân phối nước ra
Nước thải từ mạng lưới thu gom trong kí túc xá được dẫn vào hệ thống xử lý, bắt đầu bằng việc đi qua song chắn rác thô để ngăn chặn các cặn lớn, bảo vệ đường ống và máy bơm Tiếp theo, nước thải sẽ vào bể tách mỡ, nơi có hệ thống gạt mỡ để loại bỏ dầu mỡ, và dầu mỡ sau khi được xử lý sẽ được chuyển đến thùng chứa.
Sau khi tách dầu mỡ, nước thải được chuyển vào thùng điều hòa trước khi bơm sang khu đất ngập nước, tạo dòng chảy ngầm theo phương ngang Tại đây, các chất rắn lơ lửng được lọc qua các thành phần hạt của đất, cát, đá, sỏi Các hợp chất hữu cơ trong nước thải được phân hủy nhờ vi khuẩn hiếu khí và kỵ khí, trong khi quá trình Nitrate hóa diễn ra với sự hỗ trợ của vi khuẩn và oxy Sau đó, quá trình khử Nitrate sẽ phóng thích khí Nitơ dạng hơi ra không khí, trong khi hợp chất Phosphorus kết tụ với sắt, nhôm và canxi, lưu lại trong vùng rễ của đất Cuối cùng, nước được xả ra nguồn tiếp nhận, với hệ thống được thiết kế có độ dốc để đảm bảo nước tự chảy qua các bể, giúp giảm chi phí năng lượng cho quá trình vận hành.
Mô hình đất ngập nước kiến tạo
Sơ đồ nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu của luận văn được mô tả tóm tắt như sau:
Mô hình thí nghiệm Đất ngập nước kiến tạo sử dụng thực vật là cây hoa Nhài
Vận hành mô hình đối chứng Vận hành mô hình khi tăng lưu lượng
Vận hành mô hình thích nghi
Vận hành mô hình trong đó khu đất ngập nước không trồng thêm thực vật, chạy mẫu đối chứng với tải 1 là
Lấy mẫu tại đầu vào và ra Sau đó phân tích các chỉ tiêu và ghi nhận kết quả.
Chạy thích nghi với lưu lượng nước thải tăng dần cho đến khi cây thích nghi được với nước thải.
Chạy với 2 mức lưu lượng tăng dần
Lấy mẫu tại đầu vào và ra của mô hình Tiến hành phân tích mẫu.
Chạy với lưu lượng 85 L/ngày
Chạy với lưu lượng 115 L/ngày
Vận hành mô hình tăng cường sục khí
85 L/ngày Lấy mẫu tại đầu vào và ra của mô hình Tiến hành phân tích mẫu.
Thực nghiệm xử lý ô nhiễm với các mô hình
3.5.1 Mô hình đất ngập nước với lưu lượng 85 L/ngày
Cho 85 lít nước thải vào thùng điều hòa có dung tích 100 lít
Mô hình đất ngập nước kiến tạo
Thu mẫu và tiến hành phân tích mẫu Đo pH
Phân tích các chỉ tiêu: COD, N_NH 4 + , P_PO 4 3- , N_NO 3 - , TKN, DO, TSS.
Phân tích các chỉ tiêu: COD, TSS, N_NH 4 + , P_PO 4 3- , N_NO 3 - , TKN, DO.
Loại vật liệu Lưu lượng đầu vào
Mật độ cây hoa Nhài
Sỏi đỡ, đá mi, cát, đất thịt 85 0
Thí nghiệm này được thực hiện để so sánh hiệu suất xử lý các chất ô nhiễm giữa mô hình không sử dụng thực vật và mô hình có sử dụng thực vật Kết quả từ nghiên cứu sẽ giúp rút ra những kết luận quan trọng về hiệu quả của từng mô hình trong việc xử lý ô nhiễm.
3.5.2 Mô hình đất ngập nước kèm thực vật với giai đoạn thích nghi
Cho nước thải vào thùng điều hòa có dung tích 100 lít
Mô hình đất ngập nước kiến tạo
Loại vật liệu Lưu lượng đầu vào
Mật độ cây hoa Nhài
Sỏi đỡ, đá mi, cát, đất thịt 60 - 85 16
Thí nghiệm này được thực hiện liên tục cho đến khi cây hoa Nhài thích nghi và sinh trưởng ổn định.
3.5.3 Mô hình đất ngập nước kèm thực vật với lưu lượng 85 L/ngày
Cho 85 lít nước thải vào thùng điều hòa có dung tích 100 lít
Mô hình đất ngập nước kiến tạo
Thu mẫu và tiến hành phân tích mẫu Đo pH
Phân tích các chỉ tiêu: COD, N_NH 4 + , P_PO 4 3- , N_NO 3 - , TKN, DO, TSS.
Phân tích các chỉ tiêu: COD, TSS, N_NH 4 + , P_PO 4 3- , N_NO 3 - , TKN, DO.
Loại vật liệu Lưu lượng đầu vào
Mật độ cây hoa Nhài
Sỏi đỡ, đá mi, cát, đất thịt 85 16
- Việc tiến hành thí nghiệm này nhằm mục đích khảo sát hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm của lưu lượng này so với lưu lượng khác
3.5.4 Mô hình đất ngập nước kèm thực vật với lưu lượng 115 L/ngày
Cho 115 lít nước thải vào thùng điều hòa
Mô hình đất ngập nước kiến tạo
Thu mẫu và tiến hành phân tích mẫu Đo pH
Phân tích các chỉ tiêu: COD, N_NH 4 + , P_PO 4 3- , N_NO 3 - , TKN, DO, TSS.
Phân tích các chỉ tiêu: COD, TSS, N_NH 4 + , P_PO 4 3- , N_NO 3 - , TKN, DO.
Loại vật liệu Lưu lượng đầu vào
Mật độ cây hoa Nhài
Sỏi đỡ, đá mi, cát, đất thịt 115 16
Mục đích của thí nghiệm này là khảo sát hiệu quả xử lý ô nhiễm của lưu lượng mới so với lưu lượng trước Phân tích các chỉ tiêu được thực hiện với tần suất 3 ngày/lần, và mỗi thí nghiệm được lặp lại 3 lần để lấy giá trị trung bình Quá trình phân tích sẽ dừng lại khi hiệu suất đạt giá trị ổn định.
3.5.5 Mô hình đất ngập nước kèm thực vật và tăng cường sục khí với lưu lượng
Trước khi lắp đặt hệ thống sục khí, cần tiến hành khảo sát các giá trị DO để xác định ngưỡng tối ưu Việc này nhằm đánh giá hiệu quả xử lý của các thí nghiệm trước đó.
Cho 85 lít nước thải vào thùng điều hòa có dung tích 100 lít
Mô hình đất ngập nước kiến tạo
Thu mẫu và tiến hành phân tích mẫu Đo pH
Phân tích các chỉ tiêu: COD, N_NH 4 + , P_PO 4 3- , N_NO 3 - , TKN, DO, TSS.
Phân tích các chỉ tiêu: COD, TSS, N_NH 4 + , P_PO 4 3- , N_NO 3 - , TKN, DO.Máy sục khí
Sục khí được thực hiện gián đoạn, với hai lần sục khí, mỗi lần kéo dài 2 tiếng Máy sục khí sử dụng trong thí nghiệm này có cột áp 0.02 MPa và lưu lượng 38L/phút.
Loại vật liệu Lưu lượng đầu vào
Mật độ cây hoa Nhài
Sỏi đỡ, đá mi, cát, đất thịt 85 16
Thí nghiệm này nhằm điều tra ảnh hưởng của lượng oxy hòa tan đến hiệu suất xử lý các chất ô nhiễm Kết quả sẽ cho thấy hiệu suất xử lý đạt bao nhiêu phần trăm khi trang bị thêm hệ thống sục khí gián đoạn với cùng một lưu lượng.
Phương pháp nghiên cứu
3.6.1 Phương pháp phân tích thực nghiệm
Phân tích được thực hiện tại Phòng thí nghiệm môi trường của Khoa Công nghệ Hóa học và thực phẩm theo Quy chuẩn Việt Nam và Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (APHA, Eaton DA và AWWA) Kết quả phân tích được tính toán và lấy giá trị trung bình bằng phần mềm Excel.
Theo QCVN 14:2008/BTNMT, chỉ tiêu BOD được quy định mà không có chỉ tiêu COD Do quy trình phân tích BOD phức tạp và tốn thời gian, nhóm nghiên cứu đã quyết định phân tích cả 6 mẫu BOD và COD Kết quả cho thấy hệ số tỷ lệ giữa BOD và COD dao động từ 0,7 đến 0,8, cho thấy nồng độ COD đầu ra nhỏ thì nồng độ BOD cũng sẽ nhỏ.
Bảng 3.3 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu trong nghiên cứu
STT Chỉ tiêu Phương pháp xác định dựa theo các TCVN Đơn vị
3.6.2 Phương pháp tổng quan tài liệu
Dựa trên các tài liệu từ sách, báo và tạp chí khoa học trong và ngoài nước, bài viết đã phân tích và tổng hợp các nghiên cứu liên quan đến đề tài Qua đó, đã thu thập và xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình xử lý, từ đó tạo cơ sở và định hướng cho nghiên cứu tiếp theo.
Tổng hợp và phân tích các kết quả thu thập được về thành phần và tính chất nước thải, từ đó đề xuất giải pháp xử lý hiệu quả Nghiên cứu được thực hiện trên mô hình nhằm đảm bảo tuân thủ các thông số quy định trong tiêu chuẩn xử lý nước thải sinh hoạt QCVN 14:2008/BTNMT.
Khám phá các mô hình xử lý nước đã được áp dụng thành công và nghiên cứu về xử lý nước thải đô thị giúp chúng ta kế thừa kinh nghiệm, tìm ra giải pháp phù hợp Điều này không chỉ hạn chế các sai lầm mà còn giúp vượt qua những trở ngại có thể gặp phải trong quá trình nghiên cứu.
3.6.3 Phương pháp thống kê và xử lý số liệu
Tất cả các số liệu phân tích trong luận văn được tính bằng giá trị trung bình của ba lần thí nghiệm, với mỗi mẫu được phân tích ba lần Kết quả này được xác định dựa trên giá trị trung bình cho từng mô hình thực nghiệm thông qua phần mềm Excel.
Hiệu suất xử lý: Hiệu suất xử lý (%) được tính theo công thức:
X1, X2 là nồng độ chất ô nhiễm đầu vào và đầu ra
H là hiệu suất xử lý (%)
- Phân tích và xử lý số liệu
Tất cả số liệu về chất lượng nước đã được thu thập và phân tích để tính toán giá trị trung bình, giá trị lớn nhất (max) và giá trị nhỏ nhất (min) thông qua phần mềm Excel Kết quả cho thấy sự so sánh hiệu suất trung bình giữa các mô hình thực nghiệm.
Thiết kế và chế tạo mô hình xử lý nước thải sinh hoạt ở quy mô phòng thí nghiệm là bước quan trọng trong nghiên cứu Kế hoạch vận hành cần được xây dựng rõ ràng, bao gồm việc lấy mẫu và phân tích mẫu để đánh giá hiệu quả của quá trình xử lý Việc này sẽ giúp cải thiện chất lượng nước thải và đảm bảo tính khả thi của mô hình nghiên cứu.
Các số liệu và kết quả thu được sẽ được sử dụng để đối chiếu và so sánh với các tài liệu từ sách, báo và các nghiên cứu liên quan Từ đó, chúng tôi sẽ đưa ra nhận xét và đánh giá khách quan về hiệu quả xử lý của mô hình.
