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

53 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 nhằm 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 + 4, N- NO3 - , P-PO4 3- và T.coliform. Kết quả đạt được tốt nhất qua nghiên cứu là: TSS 96,9%, BOD5 96%, N-NH + 4 60,5%, P-PO4 3- 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 with six different parameters including: TSS, BOD5, N-NH + 4, N-NO3 - , P-PO4 3- and T.coliform.In terms of overall performances the following mean removal rates were obtained: TSS 96.9%, BOD5 96%, N-NH + 4 60.5%, P-PO4 3- 47.6%, and T.coliform 97.7%, respectively. The best removals were obtained in those beds with the 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 nhằm 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 dụng xử lý nước thải sinh hoạt cho các vùng có diện tích 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. 54 Bảng 1. Tính chất nước thải đầu vào 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, nhằm giúp thực vật bám rễ và thích ứng với môi trường mới. Khi kết thúc tải thích nghi, nghiên cứu được tiếp tục tiến hành với các tải trọng hữu cơ lần lượt là 350, 525 và 700 kgCOD/ha.ngày, nhằm 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 Mô hình Loài thực vật Thời gian lưu (ngày) Lưu lượng (lít/ngày) Tải trọng thủy lực (mm/ngày) Tải trọng hữu cơ (kgCOD/ha.ngày) Mô hình 1 Vetiver 8 4 3 2 21 42 63 84 44 88 132 176 175 350 525 700 Mô hình 2 Cỏ nến 8 4 3 2 21 42 63 84 44 88 132 176 175 350 525 700 Mô hình 3 Cỏ sậy 8 4 3 2 21 42 63 84 44 88 132 176 175 350 525 700 STT Thông số Đơn vị Giá trị đầu vào 1 pH  7.2 – 7.8 2 BOD5 (20 0 C) mg/l 120 - 170 3 COD mg/l 300 - 500 4 Tổng chất rắn lơ lửng (TSS) mg/l 100 - 150 5 Amoni (tính theo N) mg/l 55 - 65 6 Nitrat (NO3 - )(tính theo N) mg/l 0.15 – 1.40 7 Phosphat (PO4 3- ) (tính theo P) mg/l 9 - 18 8 Tổng Coliforms MPN/100 ml 1x106 - 15 x108 55 2.1.3 Phương pháp phân tích Bảng 3. Các phương pháp phân tích STT Chỉ tiêu Phương pháp Đơn vị Thiết bị Độ chính xác 1 TSS 2540 D. Total Suspended Solids Dried at 103- 105 o C mg/l Giấy lọc thủy tinh Bộ hút chân không Tủ nung Cân phân tích ± 0,1 2 BOD5 5210 B mg/l Tủ ủ 20 0 C 3 COD 5220 C. Closed Reflux, Titrimetric Method mg/l Tủ nung 1500C 4 Nitrat 4500 – NO3 - E. Cadmium Reduction Method mg/l Cột Cadmium Máy Hach DR/2010 ± 0,005 5 Amonia 4500 – NH3 F. Phenate Method mg/l Bộ chưng cất Kjeldahl ± 0,77% 6 P-PO4 3- 4500 – P D. Stannous Chloride Method mg/l Máy Hach DR/2010 0,3% 7 Total coliform 9222 B MPN/ 100ml 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 bằng vật liệu mica dày 8mm. Kích 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% nhằm đảm bảo nước sau xử lý được thu gom hoàn toàn. Khung đỡ chịu lực và chân đế mô hình được làm bằng thép hộp sơn chống rỉ, kích 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 bằng bơm định lượng, ống phân phối nước bằng PVC có đường kính 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 bằng ống PVC, đục 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 bằng hệ thống đường ống PVC có khe lọc phân bố sát đáy bể. Các quá trình hóa học và sinh 56 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 thụ các chất hữu cơ có trong nước thải phục vụ 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 khí 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. Ñoä doác 3% ÑAÙ 10X20mm SOÛI TROØN 5-10mm CAÙT LOÏC 1-2mm 1200 Khung ñôõ Theùp hoäp 10x20mm Lôùp loùt ñaùy xoáp 10mm 2 5 0 2 0 0 1 0 0 1 5 0 5 0 0 1 2 0 0 Thaønh beå Mica 8mm ÑAÀU RA MAËT TIEÁP NHAÄN NÖÔÙC THAÛI Heä thoáng thu nöôùc PVC 42, khe loïc OÁng thoâng khí PVC-D34 Thöïc vaät xöû lyù MAËT CAÉT A-A Thaønh beå Mica 8mm Khung ñôõ Theùp hoäp 10x20mm MAËT BAÈNG 1200 4 0 0 A A ÑAÀU RA Thöïc vaät xöû lyù 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 57 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 tụ TSS trong thời gian dài dẫn 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 nằm 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 lẫn 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 thụ 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 58 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 khí (không có oxy). Đồng thời, một phần NO3 - được thực vật hấp thụ, 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 3.5 Hiệu quả xử lý Photpho (PO4 3- ) Hiệu quả xử lý PO4 3- 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 tải 4 với 30,3% (vetiver); 31,34% (nến); 35,31% (sậy). Như vậy, hiệu quả xử lý PO4 3- tăng 59 dần từ tải 1 (tải thích 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 phụ 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. Hình 9. Nồng độ PO4 3- trung bình qua các tải nghiên cứu Hình 10. Hiệu suất xử lý PO4 3- 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 dụng 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 60 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 thích 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 thụ 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 phụ thuộc vào tải trọng thủy lực hay tính chất đầu vào của nước thải, không phụ thuộc vào loài thực vật, mà phụ thuộc chủ yếu vào cấu trúc lớp vật liệu lọc. Kết quả cho thấy tiềm năng ứng dụng lớn của hệ thống DNNNT dòng chảy ngầm theo phương đứng cho xử lý nước thải sinh hoạt, nhất là áp dụng cho các cụm dân cư ở khu vực ngoại thành và nông thôn. Vì hệ thống này vừa có thể tận dụng những vùng đất bỏ hoang, nhiễm mặn, phèn để xây dựng, lắp đặt mà còn có chi phí 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.