Giáo trình nguyên lý qui trình xử lý chất thải

. PHƯƠNG PHÁP QUANG XÚC TÁC Quá trình quang xúc tác là quá trình kích thích các phản ứng quang hóa bằng chất xúc tác, dựa trên nguyên tắc chất xúc tác Cat nhận năng lượng ánh sáng sẽ chuyển sang dạng hoạt hóa * Cat, sau đó * Cat sẽ chuyển năng lượng sang cho chất thải và chất thải sẽ bị biến đổi sang dạng mong muốn. Quá trình có thể tóm tắt như sau: Cat + nlgás → * Cat * Cat + chất thải → * chất thải + Cat * Chất thải → sản phẩm Hoặc: 87 87 *Cat + chất thải → (chất thải)- + Cat+ (chất thải)- → (sản phẩm)- Cat+ + (sản phẩm)- → sản phẩm + Cat Một số chất bán dẫn được sử dụng làm chất quang xúc tác trong đó zinc oxide ZnO, titanium dioxide TiO2, zinc titanate Zn2TiO2, cát biển, CdS là các chất cho hiệu quả cao. TiO2 rất hiệu quả trong việc phân hủy chloroform và urea (Kogo et al., 1980), thuốc trừ sâu gốc lân hữu cơ như dimethyl phosphate (Harada et al., 1976). Cyanide (CN-) (10.6 ppm KCH, 0,01 M NaOH) có thể bị phân hủy nhanh chóng trong môi trường có chứa 5% TiO2 và chiếu sáng với nguồn sáng có bước sóng 350 nm (Carey and Oliver, 1980). Đầu tiên CN- bị oxy hóa thành CNO-. Sau đó hàm lượng CNO- giảm dần chứng tỏ nó tiếp tục bị oxy hóa. Quá trình quang xúc tác xảy ra với bức xạ có bước sóng nhỏ hơn 4200oA tạo nên oxy hoạt tính phân hủy hoàn toàn các chất thải hữu cơ thành CO2 và nước (Nemerow và Dasgupta, 1991). Xöû lyù dung dòch 10,6 ppm KCN, 0,01 M NaOH baèng phöông phaùp quang xuùc taùc vôùi 5%TiO2 (Carey and Oliver, 1980) Sô ñoà qui trình xöû lyù chaát thaûi ñoäc haïi baèng phöông phaùp quang xuùc taùc 88 88 XIV. PHƯƠNG PHÁP OXY HOÁ KHỬ Quá trình oxy hóa khử cũng được sử dụng để xử lý các chất thải độc hại. Hai bảng sau liệt kê các chất oxy hóa khử và các loại chất thải thường được áp dụng phương pháp này. Xử lý chất thải bằng chất oxy hóa Chất oxy hóa Loại chất thải Ozone - Không khí (oxy khí quyển) Sulfite (SO3-2), Sulfide (S-2), Fe+2 Khí Chlor Sulfide, Mercaptans Khí chlor và xút Cyanide (CN-) Chloride dioxide Cyanide, thuốc trừ sâu (Diquat, Paraquat) Hypochlorite natri Cyanide, chì Hypochlorite canxi Cyanide Permanganate kali Cyanide, chì, phenol, Diquat, Paraquat, hợp chất hữu cơ có lưu huỳnh, Rotenone, formaldehyde Permanganate Mn Hydrogen peroxide Phenol, cyanide, hợp chất lưu huỳnh, chì Xử lý chất thải bằng chất khử Chất thải Chất khử Cr (6) SO2, muối sulfite (sodium bisulfite, sodium metabisulfite, sodium hydrosulfite), sulfate sắt, bột sắt, bột nhôm, bột kẽm. Chất thải có chứa thủy ngân NaBH4 Tetra-alkyl-lead NaBH4 Bạc NaBH4 Chất oxy hóa như NaOH được sử dụng nhiều trong việc khử độc thuốc trừ sâu, các thí nghiệm đã cho thấy ở môi trường kiềm thời gian bán hủy của một số loại thuốc trừ sâu bị rút ngắn một cách đáng kể. 89 89 Thời gian bán hủy của một số thuốc trừ sâu trong môi trường kiềm Teân noâng döôïc Ñieàu kieän thí nghieäm Thôøi gian baùn huûy Nhieät ñoä (oC) pH Parathion 15 1 N NaOH 32 phuùt Methyl parathion 15 1 N NaOH 7.5 phuùt Malathion 25 10,03 28 phuùt DDVP 37,5 8,0 462 phuùt Diazinon 20 10,04 144 giôø Carbaryl moâi tröôøng Kieàm raát nhanh Propoxur (Baygon) 20 10.0 40 phuùt Dillion (1989) Caùc ñeà nghò veà dung dòch vaø thôøi gian tieáp xuùc ñeå khöû ñoäc moät soá thuoác tröø saâu Teân noâng döôïc Daïng Dung dòch khöû ñoäc Tyû leä söû duïng DD : Noâng döôïc Thôøi gian tieáp xuùc Monocrotophos (Alzodrin) 3.2 lb/gal. WM 10% NaOH 4 : 1 (theo theå tích) 12 h 4.0 lb/gal. WM 10% NaOH 5 : 1 (theo theå tích) 12 h 80% WP 10% NaOH 1 gal/lb 12 h Phosphamidon (Dimeron) 8.0 lb/gal. WM 10% NaOH 8 : 1 (theo theå tích) 1 h 10 lb/gal. WM 10% NaOH 10 : 1 (theo theå tích) 1 h 6 lb/gal. SC 5% NaOH trong 12 : 1 (theo theå 4 h 90 90 DD 50% ethanol hoaëc 10% NaOH trong DD 50% ethanol tích) Disulfoton (Di-syston) 10% granular 5% NaOH trong DD 50% ethanol 2 qt/lb 3 h 50% granular 1 qt/lb 3 h 2% granular 1 qt/lb 3 h Phorate (Thimet) 6 lb/gal EC 10% NaOH trong DD 50% ethanol 6 : 1 (theo theå tích) 15 phuùt Methamidophos (Monitor) 4 lb/gal 10% NaOH 8 : 1 (theo theå tích) 15 phuùt PennCap - M (microencapsulated methyl Parathion) 2 lb/gal 5% NaOH trong DD 50% ethanol 8 : 1 (theo theå tích) 12 h Carbofuran (furadan) 4 lb/gal. F 5% NaOH trong DD 50% ethanol 10 : 1 (theo theå tích) 30 phuùt 10% granular 10% NaOH trong DD 50% ethanol 2 qt/lb 2 h Aldicarb (Temik) 15% granular 10% NaOH trong DD 50% ethanol 1 gal/lb 12 h 5% hoaëc 10% granular 2 qt/lb 12 h Methomyl (Lannate, Nudrin) 1.8 lb/gal . F 10% NaOH 5 : 1 (theo theå tích) 3 h 90% water sol. dust 10% NaOH 1 gal/lb 12 h 2,5% dust 10% NaOH 1 qt/lb 12 h Captafol 4 lb/gal F 10% NaOH trong DD 50% ethanol 10 : 1 (theo theå tích) 15 phuùt 80 % WP 1 gal/lb 1 h EC: Emulsifiable Concentrate F: Flowable SC: Spray Concentrate 91 91 WM: Water Miscible WP: Wettable Powder Nguồn Dillion (1989) XV. QUÁ TRÌNH NITRÁT HOÁ - KH NITRÁT HOÁ Trong nc thi có cha 2 loi cht dinh dng cn s quan tâm hàng u ó là nitrogen và phosphorus. Các sinh vt u cn hai dng cht này  phát trin. Tuy nhiên nu chúng hin din  s lng ln s làm mt cân bng dinh dng trong thy vc a n mt s loài s phát trin nhanh trong khi mt s loài có th gim s lng cá th hoc tiêu dit hoàn toàn. Các ngun chính ca 2 loi dng cht này là bt git (nc thi sinh hot), phân bón, và nc thi các nhà máy ch bin thc phm. Trong các thy vc nitrogen có th tri qua quá trình nitrát hóa và kh nitrát nh sau: 1.Quá trình nitrat hóa Quá trình nitrat hóa là quá trình oxy hóa sinh hóa nit ca các mui amon u tiên thành nitrit và sau ó thành nitrat trong iu kin thích ng (có oxy và nhit  trên 4oC). Vi khun tham gia quá trình nitrat hóa gm có 2 nhóm: • Vi khuẩn nitrit: oxy hóa amoniac thành nitrit hoàn thành giai đoạn thứ nhất; • Vi khuẩn nitrat: oxy hóa nitrit thành nitrat, hoàn thành giai đoạn thứ hai. Các phn ng c biu din qua các phng trình sau: 2NH3 + 3O2 Nitrosomonas -------------Æ 2HNO2 + 2H2O (1.7) 2HNO2 + O2 Nitrobacter ------------Æ 2HNO3 (1.8) hoc: (NH4)2CO3 + 3O2 = 2HNO2 + CO2 + 3H2O (1.9) Tc  ca giai on th nht xy ra nhanh gp 3 ln so vi giai on hai. Bng thc nghim ngi ta ã chng minh rng lng oxy tiêu hao  oxy hóa 1mg nit ca mui 2HNO2 + O2 = 2 HNO3 (1.10) 92 92 amon  giai on to nitrit là 343 mg O2, còn  giai on to nitrat là 4,5 mg O2. S có mt ca nitrat trong nc thi phn ánh mc  khoáng hóa hoàn thành các cht bn hu c. Quá trình nitrat hóa có mt  ngha quan trng trong k thut x l nc thi. Trc tiên nó phn ánh mc  khoáng hóa các cht hu c nh ã trình bày  trên. Nhng quan trng hn là quá trình nitrat hóa tích ly c mt lng oxy d tr có th dùng  oxy hóa các cht hu c không cha nit khi lng oxy t do (lng oxy hòa tan) ã tiêu hao hoàn toàn cho quá trình ó. 2. Quá trình kh nitrat Quá trình kh nitrat là quá trình tách oxy khi nitrit, nitrat di tác dng ca các vi khun ym khí (vi khun kh nitrat). Oxy c tách ra t nitrit và nitrat c dùng li  oxy hóa các cht hu c. Lng oxy c gii phóng trong quá trình kh nitrit N2O3 là 2,85 mg oxy/1mg nit. Nit c tách ra  dng khí s bay vào khí quyn. XVI. PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG Khử trùng (disinfection) khác với tiệt trùng (sterilization), quá trình tiệt trùng sẽ tiêu diệt hoàn toàn các vi sinh vật còn quá trình khử trùng thì không tiêu diệt hết các vi sinh vật. Quá trình khử trùng dùng để tiêu diệt các vi khuẩn, virus, amoeb gây ra các bệnh thương hàn, phó thương hàn, lỵ, dịch tả, sởi, viêm gan... Các biện pháp khử trùng bao gồm sử dụng hóa chất, sử dụng các quá trình cơ lý, sử dụng các bức xạ. Trong phần này chúng ta chỉ bàn đến việc khử trùng bằng các hóa chất. Các hóa chất thường sử dụng cho quá trình khử trùng là chlorine và các hợp chất của nó, bromine, ozone, phenol và các phenolic, cồn, kim loại nặng và các hợp chất của nó, xà bông và bột giặt, oxy già, các loại kiềm và axít. So sánh hiệu quả khử trùng của các phương pháp Phương pháp Hiệu quả (%) Lọc thô 0 ¸ 5 Lọc tinh 10 ¸ 20 Bể lắng cát 10 ¸ 25 Bể lắng sơ hoặc thứ cấp cơ học 25 ¸ 75 Bể lắng sơ hoặc thứ cấp có thêm hóa chất trợ lắng 40 ¸ 80 Bể lọc sinh học nhỏ giọt 90 ¸ 95 Bể bùn hoạt tính 90 ¸ 98 93 93 Chlorine hóa nước thải sau xử lý 98 ¸ 99 Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal Cl2 hòa tan rất mạnh trong nước (7160 mg/L ở 20oC và 1 atm). Khi hòa tan trong nước nó tạo thành hypochlorous acide Cl2 + H2O ------> HOCl + H+ + Cl- Với hàm lượng Cl2 thấp hơn 1000 mg/L và pH > 3 phản ứng thủy phân trên diễn ra hoàn toàn. Hypochlorous acide sau đó bị ion hóa thành hypochlorite ion. HOCL ------> OCl- + H+ HOCl và OCl- được coi là lượng chlor tự do hữu dụng. Các dạng khác như calcium hypochlorite cũng được sử dụng Ca(OCl)2 → Ca2+ + 2OCl- Hypochlorous acide sẽ tác dụng với ammonia để tạo nên monochloroamine, dichloramine và nitrogen trichloride NH4+ + HOCl → NH2Cl + H2O + H+ NH2Cl + HOCl → NHCl2 + H2O NHCl2 + HOCl → NCl3 + H2O Việc sinh ra các sản phẩm trên tùy thuộc vào pH, nhiệt độ, thời gian tiếp xúc và tỉ lệ ban đầu giữa chlorine và ammonia (Cl2 : NH4+ - N). Trong khoảng pH từ 7 ÷ 8 và tỉ lệ Cl2 : NH4+ - N = 5 : 1 tất cả chlorine tự do hữu dụng sẽ chuyển thành monochloramine trong vòng 1 phút trở lại, nếu tỉ lệ Cl2 : NH4+ - N lớn hơn 5 : 1 thì sẽ có một ít dichloramine được tạo nên. Khi pH < 6, một lượng lớn nitrogen trichloride được tạo thành, đây là một chất khí có mùi hôi do đó cần quản lý tốt pH để tránh xảy ra trường hợp này. Chloramine được gọi là hợp chất chlor hữu dụng. Trong nước chloramine bị thủy phân yếu để tạo nên hypoclorous acide. Hiệu suất khử trùng của chloramine tùy thuộc vào lượng hypochlorous acide được tạo nên. Khi cho chlorine vào nước thải có chứa các chất khử (H2S, NO2-, Fe2+, Mn2+...) amonia và các amine hữu cơ đường biểu diễn dư lượng chlorine sau các phản ứng được biểu diễn trong hình Dư lượng chlorine trong quá trình sử dụng chlorine để khử trùng Đầu tiên khi cho chlorine vào nước thải nó sẽ phản ứng hết với các chất khử do đó không có chlorine thừa (a - b): H2S + Cl2 → 2HCl + S 94 94 Chlorine còn tác dụng với phenol tạo nên mono-, di- hoặc trichlorophenol tạo mùi và vị của nước. Nó còn tác dụng với mùn trong nước tạo thành các hợp chất chlor trong đó có chloroform CHCl3 là chất gây ung thư. Cho tới liều lượng b nó đã thỏa mãn nhu cầu về chlor đối với các chất khử, do đó nếu tiếp tục cho thêm chlor vào nó sẽ tạo nên chloramine, chloramine tạo nên một phần dư lượng ở dạng hợp chất chlor hữu dụng. Khi tất cả ammonia và các amine hữu cơ trong nước thải phản ứng hết với chlorine (c) việc tiếp tục cho thêm chlorine vào sẽ tạo nên phản ứng oxy hóa chloramine quá trình này sẽ làm giảm dư lượng chlor (c - d) và tạo nên N2, NO3 và NCl3. Việc giảm dư lượng chlorine là kết quả của quá trình khử các nguyên tử chlorine đến mức oxy hóa thấp nhất (chloride). Sau khi đã kết thúc quá trình oxy hóa các chloramine nếu tiếp tục cho chlor vào nước thải thì sẽ tạo nên dư lượng chlor tự do hữu dụng do đó đường biểu diễn từ điểm d sẽ đi lên. Điểm d được coi như là "điểm dừng" của đồ thị. Việc xác định điểm dừng để xác định liều lượng chlorine cần sử dụng cho quá trình xử lý ammonia và khử trùng nước thải (cần thiết phải có dư lượng chlor tự do hữu dụng để bảo đảm cho quá trình khử trùng). Tuy nhiên việc áp dụng điểm dừng để xác định liều lượng chlorine đòi hỏi kỹ thuật cao cho nên ít được ứng dụng. Để đơn giản hóa vấn đề trong việc xử lý nước thải sinh hoạt người ta xác định dư lượng hợp chất chlor hữu dụng sau 15 phút tiếp xúc giữa nước thải và chlorine nếu đạt nồng độ 0,5 mg/L thì liều lượng chlorine sử dụng là đủ và người ta gọi đó là lượng chlorine cần thiết. Để hoàn thành công đoạn xử lý nước thải bằng chlorine nước thải và dung dịch chlor (phân phối qua ống châm lổ, hoặc suốt chiếu ngang của bể trộn) được cho vào bể trộn trang bị một máy khuấy vận tốc cao, thời gian lưu tồn của nước thải và dung dịch chlorine trong bể trộn không ngắn hơn 30 giây. Sau đó nước thải đã trộn lẫn với dung dịch chlorine được cho chảy qua bể tiếp xúc được chia thành những kênh dài và hẹp theo đường gấp khúc. Thời gian tiếp xúc giữa chlorine và nước thải từ 15 ÷ 45 phút, ít nhất phải giữ được 15 phút ở tải đỉnh. Bể tiếp xúc chlorine thường được thiết kế theo kiểu plug-flow (ngoằn ngoèo). Tỉ lệ dài : rộng từ 10 : 1 đến 40 : 1. Vận tốc tối thiểu của nước thải phải từ 2 ÷ 4,5 m/phút để tránh lắng bùn trong bể. 95 95 Sơ đồ một bể tiếp xúc chlorine Tổng chiều dài của kênh có thể tính bằng công thức: trong ñoù L: tổng chiều dài của kênh V/Q: thời gian lưu tồn theo lý thuyết (t), hay thời gian tiếp xúc W: chiều rộng kênh D: chiều sâu mực nước trong kênh Qmax: lưu lượng nước thải ở tải đỉnh Người ta thường sử dụng thời gian tiếp xúc là 15 phút chiều rộng của kênh là 0,3 m và chiều sâu của nước trong kênh là 1,33 m. Để dễ dàng loại bỏ các cặn lắng, bể tiếp xúc nên được lắp đặt các ống thoát nước ở dưới đáy. So sánh đặc điểm của một số hóa chất sử dụng cho quá trình khử trùng Đặc diểm Đặc điểm mong muốn đạt được Chlorine Sodium hypochloride Calcium hypochloride Chlorine dioxide Bromine chloride Ozone UV 96 96 Độc tính đối với vi sinh vật Độc tính cao ở nồng độ cao Cao Cao Cao Cao Cao Cao Cao Độ hòa tan Phải hòa tan trong nước hoặc mô Thấp Cao Cao Cao Thấp Cao N/A Độ bền Ít giảm tính diệt khuẩn theo thời gian Bền Hơi không ổn định Tương đối bền không bền sx khi cần Hơi không ổn định không bền sx khi cần sx khi cần Không độc đối với sv bậc cao Độc đối với vsv, không độc với người và động vật Rất độc với sv bậc cao Độc Độc Độc Độc Độc Độc Tính đồng nhất trong dung dịch - Đồng nhất Đồng nhất Đồng nhất Đồng nhất Đồng nhất Đồng nhất N/A Tác dụng với cá chất khác Chỉ tác dụng với vi khuẩn không tác dụng với chất hữu cơ Oxy hóa chất hữu cơ Chất oxy hóa mạnh Chất oxy hóa mạnh Cao Oxy hóa chất hữu cơ Oxy hóa chất hữu cơ - Độc tính ở các nhiệt độ khác nhau Giữ được độ độc ở khoảng biến thiên của nhiệt độ môi trường Cao Cao Cao Cao Cao Cao Cao Độ ăn mòn Không ăn mòn kim loại Ăn mòn mạnh Ăn mòn Ăn mòn Ăn mòn mạnh Ăn mòn Ăn mòn mạnh N/A Khả năng khử mùi Có khả năng khử mùi khi khử trùng Cao Trung bình Trung bình Cao Trung bình Cao - L: tổng chiều dài của kênh V/Q: thời gian lưu tồn theo lý thuyết (t), hay thời gian tiếp xúc W: chiều rộng kênh D: chiều sâu mực nước trong kênh Qmax: lưu lượng nước thải ở tải đỉnh Người ta thường sử dụng thời gian tiếp xúc là 15 phút chiều rộng của kênh là 0,3 m và chiều sâu của nước trong kênh là 1,33 m. 97 97 Để dễ dàng loại bỏ các cặn lắng, bể tiếp xúc nên được lắp đặt các ống thoát nước ở dưới đáy. Như đã nói ở trên các hóa chất thường sử dụng trong quá trình khử trùng là Cl2, ClO2, Ca(ClO)2, NaOCl. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình là khả năng diệt khuẩn của các hóa chất này, quá trình khuấy trộn ban đầu, đặc tính cuả nước thải, thời gian tiếp xúc giữa nước thải và chất khử trùng, đặc điểm của các vi sinh vật. Các liều lượng chlorine thường dùng cho các mục đích khác nhau trong quá trình xử lý nước thải Mục đích sử dụng Liều lượng mg/L Ngăn quá trình ăn mòn do H2S 2 ¸ 9 a Khử mùi hôi 2 ¸ 9 a Khống chế quá trình phát triển của các màng bùn vi sinh vật 1 ¸ 10 Khử BOD 0,5 ¸ 2 b Khống chế ruồi ở bể lọc sinh học 0,1 ¸ 0,5 Loại dầu, mỡ 2 ¸ 10 Khử trùng nước thải chưa qua xử lý 6 ¸ 25 Khử trùng nước thải đã qua xử lý cấp I 5 ¸ 20 Khử trùng nước thải sau kết tủa hóa học 2 ¸ 6 Khử trùng nước thải đã qua xử lý bằng bể lọc sinh học 3 ¸ 15 Khử trùng nước thải đã qua xử lý bằng bể bùn hoạt tính 2 ¸ 8 Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991 Ghi chú: a: trên mg/L H2S b: cho 1 mg/L BOD khử đi G. TÁI SỬ DỤNG NƯỚC THẢI Nước thải nếu không được xử lý đúng mức sẽ gây ô nhiễm môi trường. Tuy nhiên trong nước thải sinh hoạt có chứa một lượng khá lớn năng lượng, đạm và các chất khoáng như kali, photpho, canxi... là những phân bón có giá trị đối với nông nghiệp. Cho nên việc tái sử dụng các giá trị này của chất thải sẽ góp phần bảo vệ tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trường. Mục tiêu của việc tái sử dụng chất thải hữu cơ là xử lý các chất thải và giữ lại các chất dinh dưỡng có giá trị để tái sử dụng. Các chất dinh dưỡng này gồm Carbon, Nitrogen, Phospho và các khóang vi lượng. Chúng được tái sử dụng để: 98 98 1. Sản xuất nông nghiệp Các chất thải hữu cơ có thể sử dụng để làm phân bón hoặc cải tạo đất. Tuy nhiên, nếu sử dụng chất thải chưa được xử lý thì đạt được hiệu quả không cao bởi vì cây trồng chỉ hấp thu các chất dinh dưỡng dạng vô cơ (ví dụ NO3- và PO43-), các vi khuẩn và ký sinh trùng trong chất thải chưa được xử lý có thể lây nhiễm cho người sử dụng hoặc tiêu thụ các sản phẩm. Quá trình phân hủy hiếu khí hay yếm khí đã biến đổi các chất thải hữu cơ thành các chất vô cơ thích hợp cho cây trồng và tiêu diệt phần lớn các vi khuẩn và ký sinh trùng. 2. Sản xuất Biogas Biogas, một sản phẩm của quá trình phân hủy yếm khí các chất hữu cơ, được xem là một nguồn năng lượng tại chỗ thay thế dầu hỏa, củi... Biogas là một hỗn hợp khí bao gồm methane (khoảng 65%), CO2 (khoảng 30%) và một ít NH3, H2S và các chất khí khác. Năng lượng của Biogas chủ yếu là từ khí methane. Methane có nhiệt trị là 1012 BTU/ft3 (hoặc 9.005 Kcal/m3) ở 15.5oC và 1 atm. Nhiệt trị của Biogas khoảng 500 ÷ 700 BTU/ft3 (4.450 ÷ 6.230 Kcal/m3). Đối với hầm ủ Biogas loại nhỏ (1 ÷ 5 m3) lắp đặt cho các hộ gia đình đề xử lý chất thải sinh hoạt hay phân gia súc, Biogas được sử dụng để đun nấu, thắp sáng và sưởi ấm. Đối với hầm ủ Biogas loại lớn dùng để xử lý nước thải công nghiệp hoặc của các trại chăn nuôi lớn, Biogas được sử dụng để đun nước cho các nồi hơi, hoặc chạy các động cơ đốt trong. Chất thải của hầm ủ Biogas giàu chất dinh dưỡng là một nguồn phân bón có giá trị. Nước thải được dùng để nuôi tảo hoặc phiêu sinh động vật (Moina) để làm thức ăn cho cá hoặc bón thẳng xuống ao cá. Chất thải rắn được phơi khô rồi rải trên đồng ruộng, hoặc bón cho ao cá. 3. Sản xuất thủy sản Ở những vùng nhiệt đới chất thải hữu cơ được tái sử dụng trong sản xuất thủy sản qua 3 hoạt động chính sau: • Sản xuất tảo (đạm đơn bào). • Phiêu sinh thực vật (macrophytes, bèo, lục bình) • Nuôi cá 4. Tái sử dụng gián tiếp Khi nước thải được thải trực tiếp ra sông rạch, quá trình "tự làm sạch" nguồn nước do hoạt động phân hủy và cố định các chất hữu cơ trong nước thải của vi khuẩn có sẵn trong tự nhiên sẽ diễn ra. Do đó ở hạ lưu cách xa nguồn thải một khoảng cách nhất định người ta có thể sử dụng nguồn nước đó để tưới tiêu cho cây trồng mà không làm ô nhiễm môi trường. 99 99 H. QUẢN LÝ NGUỒN NƯỚC Để thiết kế các hệ thống xử lý đạt yêu cầu của các cơ quan chức năng quản lý môi trường, chúng ta cần nắm vững các qui định và phương pháp quản lý của các cơ quan này. Sau đây, chúng ta sẽ bàn đến các qui định này. Quản lý các nguồn nước Sự ô nhiễm các nguồn nước có thể xảy ra do ô nhiễm tự nhiên và ô nhiễm nhân tạo • Ô nhiễm tự nhiên là do quá trình phát triển và chết đi của các loài thực vật, động vật có trong nguồn nước, hoặc là do nước mưa rửa trôi các chất gây ô nhiễm từ trên mặt đất chảy vào nguồn nước. • Ô nhiễm nhân tạo chủ yếu là do xả nước thải sinh hoạt và công nghiệp vào nguồn nước. Nguồn nước bị ô nhiễm có các dấu hiệu đặc trưng sau đây: • Có xuất hiện các chất nổi trên bề mặt nước và các cặn lắng chìm xuống đáy nguồn • Thay đổi tính chất lý học (độ trong, màu, mùi, nhiệt độ...) • Thay đổi thành phần hóa học (pH, hàm lượng của các chất hữu cơ và vô cơ, xuất hiện các chất độc hại...) • Lượng oxy hòa tan (DO) trong nước giảm do các quá trình sinh hoá để oxy hóa các chất bẩn hữu cơ vừa mới thải vào • Các vi sinh vật thay đổi về loài và về số lượng. Có xuất hiện các vi trùng gây bệnh. Nguồn nước bị ô nhiễm có ảnh hưởng rất lớn đến hệ thủy sinh vật, việc sử dụng nguồn nước vào mục đích cấp nước hoặc mỹ quan của thành phố. Để đảm bảo nguồn nước khỏi sự ô nhiễm bẩn do nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp cũng như để tránh sự ô nhiễm tự nhiên, các cơ quan chức năng có trách nhiệm theo dõi việc xả các loại nước thải vào nguồn đặt ra các tiêu chuẩn để kiểm tra. Tiêu chuẩn chất lượng môi trường là giới hạn cho phép tối đa về liều lượng hoặc nồng độ của các tác nhân gây ô nhiễm trong từng vùng cụ thể hoặc cho từng mục đích sử dụng cụ thể đối với từng thành phần của môi trường. Hai tiêu chuẩn thường được sử dụng trong việc bảo vệ nguồn nước là "tiêu chuẩn nước thải" và 100 100 "tiêu chuẩn nguồn nước". Theo qui định các xí nghiệp phải xử lý nước thải đạt đến "tiêu chuẩn nước thải" cho phép mới được xả vào nguồn nước. Tuy nhiên biện pháp này gây ra sự tranh cãi vì nó chỉ quản lý nồng độ các chất gây ô nhiễm trong nước thải chứ không quản lý tổng lượng chất gây ô nhiễm do một nhà máy thải. Một nhà máy lớn tuy thải ra nước thải có hàm lượng chất gây ô nhiễm giống như một nhà máy nhỏ nhưng tổng thể tích của nó lớn hơn nhiều; do đó tỉ lệ đóng góp của nó trong việc gây ô nhiễm môi trường sẽ lớn hơn. Bảo vệ các nguồn nước theo "tiêu chuẩn nguồn nước" dựa trên cơ sở xếp loại các nguồn nước và quản lý tất cả các nguồn xả để duy trì nguồn nước đó ở mức độ đã đề ra. Quản lý các nguồn nước theo "tiêu chuẩn nước thải" dễ hơn theo "tiêu chuẩn nguồn nước". Giá trị giới hạn cho phép của các thông số và nồng độ các chất ô nhiễm trong nước mặt (TCVN 5942-1995) Soá TT Thoâng soá Ñôn vò Giaù trò cô baûn A B pH 6 ÷ 8,5 5,5 ÷ 9 BOD5 (20oC) mg/L < 4 < 25 COD mg/L >1 0 > 35 Oxy hoøa tan (DO) mg/L ≥ 6 ≥ 2 Chaát raén lô löûng (SS) mg/L 20 80 Arsen mg/L 0,05 0,1 Bari mg/L 1 4 Cadimi mg/L 0,01 0,02 Chì mg/L 0,05 0,1 Crom (VI) mg/L 0,05 0,05 Crom (III) mg/L 0,1 1 Ñoàng mg/L 0,1 1 Keõm mg/L 1 2 Mangan mg/L 0,1 0,8 Niken mg/L 0,1 1 101 101 Saét mg/L 1 2 Thuûy ngaân mg/L 0,001 0,002 Thieác mg/L 1 2 Amoniac (tính theo N) mg/L 0,05 1 Florua mg/L 1 1,5 Nitrat (tính theo N) mg/L 10 15 Nitric (tính theo N) mg/L 0,01 0,05 Xianua mg/L 0,01 0,05 Phenola (toång soá) mg/L 0,001 0,02 Daàu môõ mg/L Khoâng 0,3 Chaát taåy röûa mg/L 0,5 0,5 Total Coliform MPN/100 mL 5000 10000 Toång hoùa chaát baûo veä thöïc vaät mg/L 0,15 0,15 DDT mg/L 0,01 0,01 Toång hoaït ñoäng ñoä phoùng xaï α Bq/L 0,1 0,1 Toång hoaït ñoäng ñoä phoùng xaï β Bq/L 1,0 1,0 Ghi chú: Tiêu chuẩn này áp dụng để đánh giá mức độ ô nhiễm của một nguồn nước mặt. Cột A áp dụng đối với nước mặt có thể dùng làm nguồn cấp nước sinh hoạt (nhưng phải qua quá trình xử lý như qui định) Cột B áp dụng đối với nước mặt dùng cho các mục đích khác. Nước dùng cho nông nghiệp và nuôi trồng thủy sản có qui định riêng. Giá trị tới hạn các thông số và nồng độ các chất gây ô nhiễm trong nước thải công nghiệp (TCVN 5945-1995) 102 102 Soá TT Thoâng soá Ñôn vò Giaù trò tôùi haïn A B C 1. Nhieät ñoä oC 40 40 45 2. pH 6 ÷ 9 5,5 ÷ 9 5 ÷ 9 3. BOD5 (20oC) mg/L 20 50 100 4. COD mg/L 50 100 400 5. Chaát raén lô löûng (SS) mg/L 50 100 200 6. Arsen mg/L 0,05 0,1 0,5 7. Cadmi mg/L 0,01 0,02 0,5 8. Chì mg/L 0,1 0,5 1 9. Clo dö mg/L 1 2 2 10 Crom (VI) mg/L 0,05 0,1 0,5 11. Crom (III) mg/L 0,2 1 2 12. Daàu môõ khoaùng mg/L KPHÑ 1 5 13. Daàu ñoäng vaät mg/L 5 10 30 14. Ñoàng mg/L 0,2 1 5 15. Keõm mg/L 1 2 5 16. Mangan mg/L 0,2 1 5 17. Niken mg/L 0,2 1 2 18. Phot pho höõu cô mg/L 0,2 0,5 1 19. Photpho toång soá mg/L 4 6 8 20. Saét mg/L 1 5 10 21. Thuûy ngaân mg/L 0,005 0,005 0,01 22. Thieác mg/L 0,2 1 5 103 103 23. Tetracloetylen mg/L 0,02 0,1 0,1 24. Florua mg/L 1 2 5 25. Toång nitô mg/L 30 60 60 26. Amoniac (tính theo N) mg/L 0,1 1 10 27. Xianua mg/L 0,05 0,1 0,2 28. Phenola (toång soá) mg/L 0,001 0,05 1 29. Tricloetylen mg/L 0,05 0,3 0,3 30. Sulfua mg/L 0,2 0,5 1 31. Total Coliform MPN/100 mL 5000 10000 - 32. Toång hoaït ñoäng ñoä phoùng xaï α Bq/L 0,1 0,1 - 33. Toång hoaït ñoäng ñoä phoùng xaï β Bq/L 1,0 1,0 - Ghi chú: A các nguồn nước dùng làm nguồn cấp nước sinh hoạt B dùng cho giao thông thủy, tưới tiêu, bơi lội, thủy sản, trồng trọt... > B và ≤ C chỉ đổ vào các nơi qui định > C không được thải ra môi trường Hai bảng trên nêu lên các tiêu chuẩn để quản lý nguồn nước và quản lý nguồn xả ở Việt Nam. Ở Mỹ người ta phân loại các nguồn nước kỹ hơn, ví dụ như: Nguồn nước ngọt • Loại AA: nguồn nước uống sau khi khử trùng và xử lý để loại bỏ các tạp chất tự nhiên (nếu cần thiết). • Loại A: nguồn nước uống sau khi xử lý lắng, lọc, khử trùng và xử lý để loại bỏ các tạp chất tự nhiên (nếu cần thiết). • Loại B: nguồn nước cho bơi lội, tắm và các sử dụng ở mức thấp hơn. • Loại C: nguồn nước dùng cho các hoạt động đánh bắt thủy sản hoặc các sử dụng ở mức thấp hơn. 104 104 • Loại D: nguồn nước sử dụng cho các hoạt động nông nghiệp, làm nguội các hoặc chế biến các sản phẩm công nghiệp hoặc các sử dụng ở mức thấp hơn. Nguồn nước lợ • Loại SA: nguồn nước sử dụng cho các hoạt động đánh bắt các loài giáp xác để buôn bán và các hoạt động khác. • Loại SB: nguồn nước sử dụng cho các hoạt động bơi lội và các hoạt động khác ngoại trừ việc đánh bắt các loài giáp xác để bán. • Loại SC: nguồn nước sử dụng cho các hoạt động đánh cá và các hoạt động khác ngoại trừ việc bơi lội và đánh bắt các loài giáp xác để bán. • Loại SD: nguồn nước sử dụng cho các hoạt động ngoại trừ việc bơi lội, đánh bắt các loài giáp xác, đánh bắt cá. Nguồn nước ngầm • Loại GA: nguồn nước sử dụng làm nước uống, nấu nướng, chế biến thực phẩm và các mục đích khác. • Loại GB: nguồn nước sử dụng cho công nghiệp hoặc các mục đích cấp nước khác ngoại trừ các mục đích của loại GA. Sử dụng phương pháp quản lý nguồn nước cũng có những điểm bất tiện như sau: • Đối với nguồn nước có nhận nước thải: nếu nguồn nước này có nhiều đoạn được xếp loại khác nhau thì nước thải khi thải vào các nguồn này phải xử lý đến mức độ nào? Ví dụ nước thải 1 có cần xử lý đến mức đạt tiêu chuẩn để thải vào nguồn loại B hay không? • Sẽ có tranh cải về tỉ lệ % của nguồn nước được bảo vệ cho các hoạt động về công nghiệp, nông nghiệp, sinh hoạt... trong tương lai. • Thủ tục hành chánh phiền hà và các phản ứng của cộng đồng cũng như chủ các xí nghiệp khi thay đổi tiêu chuẩn của nguồn nước (nâng lên hay hạ xuống). Cần phải tiến hành các điều tra phức tạp, tốn thời gian, tiền bạc suốt nguồn nước trước khi phân loại. QUY TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC TỰ NHIÊN I. QUÁ TRÌNH TỰ LÀM SẠCH CÁC NGUỒN NƯỚC 105 105 1.Khả năng tự làm sạch của nguồn nước Khả năng khử được các chất ô nhiễm của nguồn nước được gọi là khả năng "tự làm sạch" (self purification) của nguồn nước. Khả năng đó được thể hiện qua 2 quá trình: • Qúa trình xáo trộn (pha loãng ) thuần tuý lý học giữa nước thải với nguồn nước. • Quá trình khoáng hoá các chất hữu cơ nhiễm bẩn trong nguồn nước. Do hai quá trình trên nồng độ các chất ô nhiễm đưa vào nguồn nước sau một thời gian sẽ giảm xuống đén một mức nào đó. Đối với nguồn nước có dòng chảy (sông) nước thải được pha loãng với nguồn nước và theo dòng chảy đổ ra biển hay một nơi nào đó. Quãng đường có có thể chia thành những vùng như sau: • Vùng ngay miệng cống xả nước thải • Vùng phục hồi lại trạng thái bình thường. Quá trình tự làm sạch đã kết thúc. Hoặc: • Vùng nhiểm bẩn nặng nhất. Hàm lượng oxy hào tan trong nguồn đạt giá trị nhỏ nhất. • Vùng phục hồi lại trạng thái bình thường. Quá trình tự làm sạch đã kết thúc. Khả năng tự làm sạch nguồn nước phụ thuộc vào nhiều nhân tố: quan trọng nhất là lưu lượng của nguồn nước, mặt thoáng nguồn nước, độ sâu của nguồn nước, nhiệt độ ... Để xác định mức độ cần thiết làm sạch nước thải trước khi cho xả ra nguồn nước, cần đánh giá chính xác khả năng tự làm sạch của nguồn nước bằng cách tiến hành nghiên cứu cẩn thận về thuỷ văn, thuỷ sinh và thành phần hoá lý của nguồn nước ... Phân chia các vùng của dòng chảy theo khả năng tự làm sạch của nguồn nước 2.Quá trình xáo trộn nước thải với nước nguồn 106 106 Khi xác định mức độ xáo trộn giữa nước thải với nước sông không lấy toàn bộ lưu lượng nước sông để túnh vì ở khía cạnh cống xả quá trình xáo trộn chưa thể đạt hoàn toàn chỉ đạt mà chỉ đạt hoàn toàn ở một khoảng cách nào đó xa cống xả. mặt khác, tỉ lệ giữa lưu lượng nước thải và lưu lượng nươvs nguồn càng lớnthì khoảng cách từ cống xả đén điểm tính toán (là nơi đã thực hiện quá trình xáo trộn hoàn toàn) sẽ càng lớn. II.XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG THỦY SINH THỰC VẬT 1.Xử lý nước thải bằng tảo Tảo là nhóm vi sinh vật có khả năng quang hợp, chúng có thể ở dạng đơn bào (vài loài có kích thước nhỏ hơn một số vi khuẩn), hoặc đa bào (như các loài rong biển, có chiều dài tới vài mét). Các nhà phân loại thực vật dựa trên các loại sản phẩm mà tảo tổng hợp được và chứa trong tế bào của chúng, các loại sắc tố của tảo để phân loại chúng. Một số loài tảo tiêu biểu Tảo có tốc độ sinh trưởng nhanh, chịu đựng được các thay đổi của môi trường, có khả năng phát triển trong nước thải, có giá trị dinh dưỡng và hàm lượng protein cao, do đó người ta đã lợi dụng các đặc điểm này của tảo để: 107 107 • Xử lý nước thải và tái sử dụng chất dinh dưỡng. Các hoạt động sinh học trong các ao nuôi tảo lấy đi các chất hữu cơ và dinh dưỡng của nước thải chuyển đổi thành các chất dinh dưỡng trong tế bào tảo qua quá trình quang hợp. Hầu hết các loại nước thải đô thị, nông nghiệp, phân gia súc đều có thể được xử lý bằng hệ thống ao tảo. • Biến năng lượng mặt trời sang năng lượng trong các cơ thể sinh vật. Tảo dùng năng lượng mặt trời để quang hợp tạo nên đường, tinh bột... Do đó việc sử dụng tảo để xử lý nước thải được coi là một phương pháp hữu hiệu để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng của cơ thể sống. • Tiêu diệt các mầm bệnh. Thông qua việc xử lý nước thải bằng cách nuôi tảo các mầm bệnh có trong nước thải sẽ bị tiêu diệt do các yếu tố sau đây: 1. Sự thay đổi pH trong ngày của ao tảo do ảnh hưởng của quá trình quang hợp 2. Các độc tố tiết ra từ tế bào tảo 3. Và sự tiếp xúc của các mầm bệnh với bức xạ mặt trời (UV) Thông thường người ta kết hợp việc xử lý nước thải và sản xuất và thu hoạch tảo để loại bỏ chất hữu cơ trong nước thải. Tuy nhiên tảo rất khó thu hoạch (do kích thước rất nhỏ), đa số có thành tế bào dày do đó các động vật rất khó tiêu hóa, thường bị nhiễm bẩn bởi kim loại nặng, thuốc trừ sâu, các mầm bệnh còn lại trong nước thải. Các phản ứng diễn ra trong ao tảo chủ yếu là "hoạt động cộng sinh giữa tảo và vi khuẩn". Sô ñoà cuûa moät ao nuoâi taûo thaâm canh 2.Các yếu tố cần thiết cho quá trình xử lý nước thải bằng tảo 108 108 Dưỡng chất: Ammonia là nguồn đạm chính cho tảo tổng hợp nên protein của tế bào thông qua quá trình quang hợp. Phospho, Magnesium và Potassium cũng là các dưỡng chất ảnh hưởng đến sự phát triển của tảo. Tỉ lệ P, Mg và K trong các tế bào tảo là 1,5 : 1 : 0,5. Độ sâu của ao tảo: độ sâu của ao tảo được lựa chọn trên cơ sở tối ưu hóa khả năng của nguồn sáng trong quá trình tổng hợp của tảo. Theo các cơ sở lý thuyết thì độ sâu tối đa của ao tảo khoảng 4,5 ÷ 5 inches (12,5cm). Nhưng những thí nghiệm trên mô hình cho thấy độ sâu tối ưu nằm trong khoảng 8 ÷ 10 inches (20 ÷ 25cm). Tuy nhiên trong thực tế sản xuất, độ sâu của ao tảo nên lớn hơn 20cm (và nằm trong khoảng 40 ÷ 50 cm) để tạo thời gian lưu tồn chất thải trong ao tảo thích hợp và trừ hao thể tích mất đi do cặn lắng. Thời gian lưu tồn của nước thải trong ao (HRT): thời gian lưu tồn của nước thải tối ưu là thời gian cần thiết để các chất dinh dưỡng trong nước thải chuyển đổi thành chất dinh dưỡng trong tế bào tảo. Thường thì người ta chọn thời gian lưu tồn của nước thải trong các ao lớn hơn 1,8 ngày và nhỏ hơn 8 ngày. Lượng BOD nạp cho ao tảo: lượng BOD nạp cho ao tảo ảnh hưởng đến năng suất tảo vì nếu lượng BOD nạp quá cao môi trường trong ao tảo sẽ trở nên yếm khí ảnh hưởng đến quá trình cộng sinh của tảo và vi khuẩn. Một số thí nghiệm ở Thái Lan cho thấy trong điều kiện nhiệt đới độ sâu của ao tảo là 0,35 m, HRT là 1,5 ngày và lượng BOD nạp là 336 kg/(ha/ngày) là tối ưu cho các ao tảo và năng suất tảo đạt được là 390 kg /(ha/ngày). Khuấy trộn và hoàn lưu: quá trình khuấy trộn trong các ao tảo rất cần thiết nhằm ngăn không cho các tế bào tảo lắng xuống đáy và tạo điều kiện cho các dinh dưỡng tiếp xúc với tảo thúc đẩy quá trình quang hợp. Trong các ao tảo lớn khuấy trộn còn ngăn được quá trình phân tầng nhiệt độ trong ao tảo và yếm khí ở đáy ao tảo. Nhưng việc khuấy trộn cũng tạo nên bất lợi vì nó làm cho các cặn lắng nổi lên và ngăn cản quá trình khuếch tán ánh sáng vào ao tảo. Moraine và các cộng sự viên (1979) cho rằng tốc độ dòng chảy trong ao tảo chỉ nên ở khoảng 5 cm/s. Hoàn lưu giúp cho ao tảo giữ lại được các tế bào vi khuẩn và tảo còn hoạt động; giúp cho quá trình thông thoáng khí, thúc đẩy nhanh các phản ứng trong ao tảo. Thu hoạch tảo: tảo có thể được thu hoạch bằng lưới hoặc giấy lược, thu hoạch bằng cách tạo bông cặn hoặc tách nổi, thu hoạch sinh học bằng các loài cá ăn thực vật và động vật không xương sống ăn tảo. 3. Xử lý nước thải bằng thủy sinh thực vật có kích thước lớn Thủy sinh thực vật là các loài thực vật sinh trưởng trong môi trường nước, nó có thể gây nên một số bất lợi cho con người do việc phát triển nhanh và phân bố rộng của chúng. Tuy nhiên lợi dụng chúng để xử lý nước thải, làm phân compost, thức ăn cho người, gia súc có thể làm giảm thiểu các bất lợi gây ra bởi chúng mà còn thu thêm được lợi nhuận. 4. Các loại thủy sinh thực vật chính Thủy thực vật sống chìm: loại thủy thực vật này phát triển dưới mặt nước và chỉ phát triển được ở các nguồn nước có đủ ánh sáng. Chúng gây nên các tác hại như làm tăng độ đục của nguồn nước, ngăn cản sự khuyếch tán của ánh sáng vào nước. Do đó các loài thủy sinh thực vật này không hiệu quả trong việc làm sạch các chất thải. 109 109 Thủy thực vật sống trôi nổi: rễ của loại thực vật này không bám vào đất mà lơ lửng trên mặt nước, thân và lá của nó phát triển trên mặt nước. Nó trôi nổi trên mặt nước theo gió và dòng nước. Rễ của chúng tạo điều kiện cho vi khuẩn bám vào để phân hủy các chất thải. Thủy thực vật sống nổi: loại thủy thực vật này có rễ bám vào đất nhưng thân và lá phát triển trên mặt nước. Loại này thường sống ở những nơi có chế độ thủy triều ổn định. Moät soá thuûy sinh thöïc vaät tieâu bieåu Loại Tên thông thường Tên khoa học Thuỷ sinh thực vật sống chìm Hydrilla Hydrilla verticillata Water milfoil Myriophyllum spicatum Blyxa Blyxa aubertii Thuỷ sinh thực vật sống trôi nổi trôi 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 Nhiệm vụ của thuỷ sinh thực vật trong các hệ thống xử lý Phần cơ thể Nhiệm vụ Rễ và/hoặc thân Là giá bám cho vi khuẩn phát triển Lọc và hấp thu chất rắn Thân và /hoặc lá ở mặt nước hoặc phía trên mặt nước ắnHáp thu ánh mặt trời do đóẳngn cản sự phát triển của tảo làm giảm ảnh hưởng của gió lên bề mặt xử lý Làm giảm sự trao đổi giữa nước và khí quyển Chuyển oxy từ lá xuống rể 110 110 Một số thuỷ sinh thực vật tiêu biểu Một số giá trị tham khảo để thiết kế ao Lục Bình để xử lý nước thải Thông số Số liệu thiết kế Chất lượng nước thải sau xử lý Nước thải thô • Thời gian lưu tồn nước > 50 ngày BOD5 < 30mg/L • Lưu lượng nạp nước thải 200 m3/(ha.day) TSS < 30 mg/L • Độ sâu tối đa < 1,5 m • Diện tích một đơn vị ao 0,4 ha • Lưu lượng nạp chất hữu cơ < 30kg BOD5/(ha.day) • Tỉ lệ dài : rộng của ao > 3 : 1 111 111 Nước thải qua xử lý cấp I • Thời gian lưu tồn nước > 6 ngày BOD5 < 10mg/L • Lưu lượng nạp nước thải 800 m3/(ha.day) TSS < 10 mg/L • Độ sâu tối đa 0,91 m TP < 5 mg/L • Diện tích một đơn vị ao 0,4 ha TN < 5 mg/L • Lưu lượng nạp chất hữu cơ < 50kg BOD5/(ha.day) • Tỉ lệ dài : rộng của ao > 3 : 1 O'Brien (1981) trích dẫn bởi Chongrak Polprasert (1989) III.CÁNH ĐỒNG CHẢY TRÀN Là phương pháp xử lý nước thải trong đó nước thải được cho chảy tràn lên bề mặt cánh đồng có độ dốc nhất định xuyên qua các cây trồng sau đó tập trung lại trong các kênh thu nước. Mục đích: • Xử lý nước thải đến mức của các quá trình xử lý cấp II, cấp III • Tái sử dụng chất dinh dưỡng để trồng các thảm cỏ hoặc tạo các vành đai xanh. Hiệu suất xử lý SS, BOD5 của hệ thống từ 95 ÷ 99%, hiệu suất khử nitơ khoảng 70 ÷ 90%, phospho khoảng 50 ÷ 60%. Các điểm cần lưu ý cho quá trình thiết kế: • Đất ít thấm nước sét hoặc sét pha cát • Lưu lượng nạp nước thải thô là 10 cm/tuần • Lưu lượng nạp nước thải sau xử lý cấp I là 15 ¸ 20 cm/tuần • Lưu lượng nạp nước thải sau xử lý cấp II là 25 ¸ 40 cm/tuần. Độ sâu của mực nước ngầm không cần thiết. Độ dốc khoảng 2 ÷ 4%, chiều dài đường đi của nước thải không nhỏ hơn 36 m. Thời gian nạp kéo dài 6 ÷ 8 giờ sau đó cho đất nghỉ 16 ÷ 18 giờ, vận hành 5 ÷ 6 ngày/tuần. Tính lượng BOD5 và TOC bị khử theo công thức: 112 112 BOD5: TOC: trong ñoù C: BOD5 hoaëc TOC caàn ñaït cuûa nöôùc thaûi ñaàu ra C0: BOD5 hoaëc TOC cuûa nöôùc thaûi ñaàu vaøo A vaø A': heä soá thöïc nghieäm veà khaû naêng khöû BOD5 hoaëc TOC cuûa heä thoáng K vaø k': haèng soá thöïc nghieäm veà toác ñoä khöû BOD5 hoaëc TOC cuûa heä thoáng K hoaëc k' = k/qn k vaø n: heä soá thöïc nghieäm q: löu löôïng naïp nöôùc thaûi cho heä thoáng 0,1 ÷ 0,37 m3/hr.m (theo chieàu doác) Caùc giaù trò k vaø n Loaïi nöôùc thaûi Caùc heä soá k n Nöôùc thaûi sau xöû lyù caáp I BOD5 0,043 0,136 TOC 0,038 0,170 Nöôùc thaûi sau xöû lyù caáp II BOD5 0,030 0,402 TOC 0,032 0,350 Tæ leä BOD5 vaø TOC coøn laïi theo chieàu daøi ñöôøng ñi cuûa nöôùc thaûi thoâvaø nöôùc thaûi ñaõ xöû lyù caáp I Caùc giaù trò A vaø A' bieán ñoåi lôùn theo q do ñoù ñeå aùp duïng caùc tính toaùn naøy ngöôøi ta duøng bieän phaùp qui chieáu töø caùc ñoà thò sau: 113 113 IV. GIỚI THIỆU CÁC CƠ CHẾ TRONG CÁNH ĐỒNG LỌC Trong môi trường tự nhiên, các quá trình lý, hóa và sinh học diễn ra khi đất, nước, sinh vật và không khí tác động qua lại với nhau. Lợi dụng các quá trình này, người ta thiết kế các hệ thống tự nhiên để xử lý nước thải. Các quá trình xảy ra trong tự nhiên giống như các quá trình xảy ra trong 114 114 các hệ thống nhân tạo, ngoài ra còn có thêm các quá trình quang hợp, quang oxy hóa, hấp thu dưỡng chất của hệ thực vật. Trong các hệ thống tự nhiên các quá trình diễn ra ở vận tốc "tự nhiên" và xảy ra đồng thời trong cùng một hệ sinh thái, trong khi trong các hệ thống nhân tạo các quá trình diễn ra tuần tự trong các bể phản ứng riêng biệt. 1.Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc Giới thiệu 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 a) 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 115 115 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 loại đất và lưu lượng nước thải ứng dụng cho các cánh đồng lọc b) 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) 116 116 trong ñoù Na, Ca, Mg laø noàng ñoä caùc cation töông öùng coù trong nöôùc thaûi ñöôïc tính baèng meq/L. Khi duøng caùnh ñoàng loïc ñeå xöû lyù nöôùc thaûi coâng nghieäp caàn phaûi coù böôùc tieàn xöû lyù nhaèm khoáng cheá pH cuûa nöôùc thaûi trong khoaûng 6,5 ¸ 9 ñeå khoâng laøm haïi thaûm thöïc vaät. Neáu nöôùc thaûi coù SAR cao phaûi tìm caùch loaïi boû Natri ñeå khoáng cheá SAR khoâng lôùn hôn 8 ¸ 10. c) Cô cheá sinh hoïc: Caùc quaù trình sinh hoïc thöôøng dieãn ra ôû phaàn reå cuûa thaûm thöïc vaät. Soá löôïng vi khuaån trong daát bieán thieân töø 1 ¸ 3 tæ/g ñaát, söï ña daïng cuûa chuùng cuõng giuùp cho quaù trình phaân huûy caùc chaát höõu cô töï nhieân hoaëc nhaân taïo. Söï hieän dieän hay khoâng cuûa oxy trong khu vöïc naøy cuõng aûnh höôûng raát lôùn ñeán quaù trình phaân huûy vaø saûn phaåm cuoái cuøng cuûa heä thoáng. Haøm löôïng oxy coù trong khu vöïc naøy tuøy thuoäc vaøo caáu truùc (ñoä roãng) cuûa ñaát. Do söï phaân huûy cuûa caùc vi sinh vaät ñaát, caùc chaát nitrogen, phosphorus, sulfur chuyeån töø daïng höõu cô sang daïng voâ cô vaø phaàn lôùn ñöôïc ñoàng hoùa bôûi heä thöïc vaät. Löu yù quaù trình khöû nitraùt cuõng coù theå dieãn ra neáu löu löôïng naïp chaát höõu cô quaù cao, ñaát quaù mòn, thöôøng xuyeân ngaäp nöôùc, möïc thuûy caáp cao, pH ñaát trung tính hoaëc kieàm nheï, nhieät ñoä aám... Caùc maàm beänh, kyù sinh truøng bò tieâu dieät do toàn taïi beân ngoaøi kyù chuû moät thôøi gian daøi, caïnh tranh vôùi caùc vi sinh vaät ñaát, baùm treân caùc boä phaän cuûa thaûm thöïc vaät sau ñoù bò tieâu dieät bôûi tia UV trong böùc xaï maët trôøi. CÁNH ĐỒNG LỌC CHẬM Cánh đồng lọc chậm là hệ thống xử lý nước thải thông qua đất và hệ thực vật ở lưu lượng nước thải nạp cho hệ thống khoảng vài cm/tuần. Các cơ chế xử lý diễn ra khi nước thải di chuyển trong đất và thực vật, một phần nước thải có thể đi vào nước ngầm, một phần sử dụng bởi thực vật, một phần bốc hơi thông qua quá trình bốc hơi nước và hô hấp của thực vật. Việc chảy tràn ra khỏi hệ thống được khống chế hoàn toàn nếu có thiết kế chính xác. Lưu lượng nạp cho hệ thống biến thiên từ 1,5 ÷ 10 cm/tuần tùy theo loại đất và thực vật. Trong trường hợp cây trồng được sử dụng làm thực phẩm cho con người nên khử trùng nước thải trước khi đưa vào hệ thống hoặc ngừng tưới nước thải 1 tuần trước khi thu hoạch để bảo đảm an toàn cho sản phẩm . Để thiết kế hệ thống này ta cần các công thức tính toán sau: Lh + Pp = ET + W + R (7.1) trong đó Lh: lưu lượng nước thải nạp cho hệ thống (cm/tuần) Pp: lượng nước mưa (cm/tuần) ET: lượng hơi nước bay hơi do quá trình bốc hơi nước và hô hấp của thực vật (cm/tuần) W: lượng nước thấm qua đất (cm/tuần) R: lượng nước chảy tràn (cm/tuần) (= 0 nếu thiết kế chính xác) 117 117 trong đó I: khả năng thấm lọc của đất, mm P": ẩm độ cuối cùng của đất, % trọng lượng P': ẩm độ ban đầu của đất, % trọng lượng S: tỉ trọng của đất D: bề dày của lớp đất ẩm do tưới nước thải Sơ đồ di chuyển của nước thải trong cánh đồng lọc chậm Ví dụ: ẩm độ của đất trước khi tưới nước thải là 19% khả năng thấm lọc của đất là 1.000 m3/ha tỉ trọng của đất là 1,5 bề dày của lớp đất ẩm do tưới nước thải là 90 cm Lượng nước mất đi do bay hơi và hô hấp của thực vật là 250mm/tháng 118 118 Xác định chu kỳ tưới nước thải, ẩm độ của đất sau khi tưới nước thải? Giải: Ta có: I = 1.000m3/10.000m2 = 0,1 m = 100 mm ⇒ P" = 27,3% Chu kỳ tưới nước thải: = 12 ngaøy Như vậy ta có thể dùng 5 ngày cho việc tưới tiêu và 7 ngày đất nghỉ để quá trình phân hủy các chất rắn lơ lửng xảy ra hồi phục khả năng tưới tiêu của đất. Ngoài ra trong quá trình tưới tiêu vào mùa mưa cũng nên tính đến lượng nước mưa trong tuần theo phương trình 7.1. Mực thủy cấp phải thấp hơn mặt đất 0,6 ¸ 1,0 m để tránh vấn đề ô nhiễm nước ngầm. Độ dốc của cánh đồng có trồng trọt không lớn hơn 20%, của cánh đồng không trồng trọt và sườn đồi không lớn hơn 40%. Khả năng khử BOD5, SS và coliform trong khoảng 99%. Nitơ bị hấp thu bởi thảm thực vật và nếu các thực vật này được thu hoạch và chuyển đi nơi khác thì hiệu suất có thể đạt đến 90% . CÁNH ĐỒNG LỌC NHANH Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc nhanh là việc đưa nước thải vào các kênh đào ở khu vực đất có độ thấm lọc cao (mùn pha cát, cát) với một lưu lượng nạp lớn. Các điều kiện địa lý như độ thấm lọc của đất, mực thủy cấp rất quan trọng đối với việc ứng dụng phương pháp này. Nước thải sau khi thấm lọc qua đất được thu lại bằng các ống thu nước đặt ngầm trong đất hoặc các giếng khoan. Mục tiêu của phương pháp xử lý này là: • Nạp lại nước cho các túi nước ngầm, hoặc nước mặt • Tái sử dụng các chất dinh dưỡng và trử nước thải lại để sử dụng cho các vụ mùa Phương pháp này giúp xử lý triệt để các loại nước thải và ngăn chặn sự xâm nhập mặn của nước biển vào các túi nước ngầm. Tuy nhiên các dạng đạm hữu cơ có thể chuyển hóa thành đạm nitrát và đi vào nước ngầm, nếu vượt quá tiêu chuẩn 10mg/L khi sử dụng chúng làm nước sinh hoạt sẽ gây bệnh methemoglobinenia ở trẻ em. nếu khu vực xử lý nằm trong tình trạng yếm khí H2S sẽ sinh ra làm nước ngầm có mùi hôi. Hiệu suất xử lý SS, BOD5, coliform trong phân của hệ thống gần như triệt để, hiệu suất khử nitơ khoảng 50%, phospho khoảng 70 ÷ 95%. Các điểm cần lưu ý cho quá trình thiết kế là lưu lượng nạp nước thải 10 ÷ 250 cm/tuần. Thời gian nạp kéo dài 0,5 ÷ 3 ngày sau đó cho đất nghỉ 1 ÷ 5 ngày. Độ sâu của mực nước ngầm từ 3 ÷ 2 m. Độ dốc thường nhỏ hơn 5%. Để xác định khả năng thấm lọc của đất người ta thường khoan các lổ đường kính 100 ÷ 300 cm. Đáy của lổ nằm ngang mực với tầng đất cần cho thiết kế, đổ đầy nước, độ thấm lọc được xác 119 119 định theo hai cách: độ sâu của lớp nước rút đi trong một khoảng thời gian nhất định hay là thời gian cần thiết để nước trong lổ rút xuống một mức nào đó. Để xác định lượng nitơ bị khử đi người ta dùng công thức: trong đó Nt: tổng lượng nitrogen bị khử đi mg/L TOC: tổng lượng carbon hữu cơ trong nước thải ban đầu mg/L -5 do lượng TOC còn lại sau khi nước thải thấm qua lớp đất dày 1,5 m còn 5 mg/L /2 do các thực nghiệm cho thấy cần 2 gcarbon hữu cơ để khoáng hóa 1g nitơ Lưu lượng nạp nước thải: Lw = (IR in/h) (1 ft/12 in) (24 h/d) (OD d/yr) (F) trong đó Lw: lưu lượng nước thải nạp hàng năm; ft/yr IR: tốc độ thấm lọc của đất; in/h OD: số ngày vận hành trong năm; d F: hệ số thấm lọc cho từng loại hình xác định độ thấm lọc F: 10 ÷ 15% giá trị thấm lọc nhỏ nhất khi thử nghiệm bằng kênh đào F: 4 ÷ 10% giá trị thấm lọc khi đo độ dẫn nước của đất theo chiều đứng Ghi chú: nên cộng thêm diện tích cho đường đi nội bộ, khu vực trữ, khu vực đệm và dự trù mở rộng trong tương lai.