T¹p chÝ KTKT Má - §Þa chÊt, sè 40/10-2012, tr. 16-22

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT BẰNG MÔ HINH HỒ THỦY SINH NUÔI BÈO LỤC BINH

PHẠM KHÁNH HUY, NGUYỄN PHẠM HỒNG LIÊN, Trường Đại học Bách khoa Hà NộiĐỖ CAO CƯỜNG, NGUYỄN MAI HOA, Trường Đại học Mỏ - Địa chất

Tóm tắt: Xử lý nước thải bằng phương pháp tự nhiên được biết đến là nhómphương pháp đơn giản, ít tốn năng lượng, hạn chế việc sử dụng hóa chất trong quátrình xử lý mà sử dụng các hợp phần có sẵn trong tự nhiên. Trong nghiên cưu này,tác giả sử dụng Bèo lục bình để xử lý nước thải sinh hoạt với hiệu quả xử lý nhưsau: chất răn lơ lửng đạt 90 ÷ 95%, COD, BOD5 đạt 70%, Phốt pho tông giảm tới75%, Nitơ tông giảm tới 88% và chất lượng nước sau xử lý đạt mưc A theo QCVN14: 2008/BTNMT và QCVN 40: 2011/BTNMT. Kết quả nghiên cưu cho thấy có thể sửdụng bèo lục bình cho xử lý nước thải sinh hoạt, thích hợp cho qui mô vưa và nhỏnhư các khu vực ven đô, nông thôn nơi có diện tích rộng hay trong các khu đô thịvới mục đích vưa xử lý nước thải sinh hoạt vưa tạo cảnh quan môi trường.

1. Giới thiệu chungNước thải sinh hoạt (NTSH)

tại các khu dân cư tập trung,khu đô thị, vùng ven đô củanhững thành phố lớn tại Việt Namhầu như chưa được xử lý hay mớichỉ được xử lý bằng các hệ thốngđơn giản như bể tự hoại..., chấtlượng nước chưa đạt yêu cầu xảra ngoài môi trường, đây lànguồn gây ô nhiễm môi trườngsống, lây lan dịch bệnh.

Với điều kiện kinh tế củaViệt Nam, việc nghiên cứu, ứngdụng công nghệ xử lý nước thảibằng phương pháp đơn giản, tậndụng điều kiện sẵn có, chi phíxây dựng vận hành thấp nhưng vẫnđảm bảo các các tiêu chuẩn môitrường đang là một trong nhữnghướng đi hợp lý. Phương pháp hồthủy sinh được biết là một trongnhóm các phương pháp tự nhiên đã

và đang được ứng dụng nhiều nơitrên thế giới và không chỉ để xửlý NTSH mà còn cho nước thảicông nghiệp và trong nhiều lĩnhvực khác. Ý nghĩa của phươngpháp ngoài việc đơn giản, chiphí thấp mà còn có thể đem lạigiá trị đa dạng sinh học, cảitạo cảnh quan môi trường sống,sinh khối thực vật được tạo racòn tạo thành các sản phẩm cógiá trị kinh tế.

Phương pháp hồ thủy sinh dựatrên cơ sở sử dụng các loại thựcvật thủy sinh bậc cao có khảnăng làm sạch các chất bẩn trongnước thải, tác dụng cơ bản củathực vật trong hệ thống thủysinh sẽ tạo ra môi trường giàuoxy, tạo ra giá thể cho các loạivi sinh vật hiếu khí phát triển,thúc đẩy các quá trình nitrat

16

hóa, quá trình oxy hóa các chấthữu cơ có trong nước.

Các loại cây trồng trong hệthống thường là các loại thựcvật thủy sinh lưu niên, thânthảo, thân xốp, rễ chùm như sậy,cói, cỏ đuôi mèo, thủy trúc, raumác, bèo tây,…

Cơ chế làm sạch nước thảixảy ra như sau 2 :

- Loại bỏ chất hữu cơ có khảnăng phân hủy sinh học: do sựtiếp nhận bởi thực vật, loại bỏCOD, BOD nhờ các vi sinh vậthiếu khí, kỵ khí bám trên phầnthân, lá và rễ ngập nước củathực vật;

- Loại bỏ chất rắn: dựa trêncơ chế lắng trọng lực;

- Loại bỏ Nitơ: bởi 3 quátrình chính là quá trình Nitrathoá (bằng việc oxy hóa NH3, NH4

+

thành NO2- và NO3

-, được xảy ratheo hai giai đoạn nitrit hóavới sự tham gia của các vi khuẩnnitrit hóa như Nitrosomonas,Nitrococcus cystis, Nitrogloea,Nitrospira... và giai đoạnnitrat hóa với sự tham gia củavi khuẩn nitrat hóa nhưNitrobacter), Quá trình denitrathóa (quá trình trao đổi chấttrong điều kiện thiếu oxy của vikhuẩn trong môi trường có íthoặc không có oxy, quá trình nàycó chức năng cung cấp đầy đủ Cđể tổng hợp tế bào, phụ thuộcvào nhiệt độ, độ pH trung tính,diện tích bề mặt, khả năng thoátkhí N2.

Sự bay hơi của amoniăc NH4+chuyển sang dạng NH3 và bay hơivào không khí, tiếp đến là do sựhấp thụ của thực vật;

- Loại bỏ Photpho: bởi quátrình hấp thụ của thực vật vàđồng hoá của vi khuẩn, tạo phứcvà hấp phụ lên bề mặt hạt rắnhay các chất hữu cơ để kết tủavà lắng theo thời gian lớp trầmtích đó được nạo vét và xả bỏ;

- Loại bỏ kim loại nặng: cáckim loại nặng hòa tan trong nướcthải khi chạy qua hệ thống xử lýtự nhiên, chúng cũng được loạibỏ bởi các cơ chế kết tủa vàlắng ở dạng hydroxit hoặc sunfurkim loại không tan trong vùnghiếu khí và yếm khí. Một phầnđược hấp thụ vào tế bào của thựcvật thủy sinh cũng như các vikhuẩn tiếp nhận hoặc cùng vớichất rắn, thực vật chết lắngđọng vào trầm tích. Khi lượngbùn chứa kim loại nặng cũng nhưchất hữu cơ đạt tới giới hạn thìcần loại bỏ khỏi hệ thống tránhhòa tan ngược trở lại bằng việcnạo vét;

- Loại bỏ vi sinh vật gâybệnh: được loại bỏ nhờ các quátrình vật lý như dính kết, lắng,lọc, hấp phụ cũng dẫn đến sựtiêu diệt vi khuẩn, vi rút, dotồn tại trong điều kiện môitrường không thuận lợi với thờigian dài bởi tác động của cácyếu tố lý-hoá của môi trường tựnhiên như nhiệt độ.Trong tự

17

nhiên, bộ rễ của của một số loạithực vật ngập nước có thể sinh

ra một số chất đặc biệt có thểsinh ra chất kháng sinh.

Hình 1. Sơ đồ chuyển hóa Nitơ trong hệ thống xử lý tự nhiên2. Đối tượng và phương phápnghiên cứu2.1. Đối tượng

Nhóm tác giả đã sử dụng câybèo lục bình hay còn gọi là bèotây hay bèo Nhật bản tên gọikhoa học Eichhornia crassipes đểnghiên cứu khả năng xử lý cácchất ô nhiễm có trong nước thải2.

Tiến hành nghiên cứu đối vớinước thải sinh hoạt được lấytrên hệ thống mương thu gom vàdẫn nước thải sinh hoạt của khuvực dân cư lân cận trường Đại

học Mỏ - Địa chất trước khi đổra sông Nhuệ.2.2. Phương pháp nghiên cứu

Tính toán và xây dựng mô hình thínghiệm hồ thủy sinh để xử lý NTSH:

- Mô hình thí nghiệm hồ thủysinh để xử lý NTSH được xây dựngvới kích thước như sau:

+ Tỷ lệ giữa chiều dài vàchiều rộng của một hồ là 3:1;

+ Chiều dài bể: L = 1800 mm;Chiều rộng bể: R = 600 mm;

+ Chiều cao bể: H = 600 mm(chiều cao ngập nước 500mm);

18

+ Diện tích bề mặt: S = 1,08m2; Thể tích phần ngập nước: V =540 lít.

- Xác định các thông số vậnhành tối ưu cho hệ thống hồ thủysinh nhân tạo với các thông sốcơ bản như: 3

+ Thời gian lưu thủy lực –HRT; + Tải trọng thủy lực -HLR;

+ Tải trọng hữu cơ – OLR;+Lưu lượng.

Hình 3. Mô hình thí nghiệm thực tế (được lăp đặt và vận hành tại trường Đại học Mỏ - Địachất)

19

Hình 2. Sơ đồ mô hình thí nghiệm xử lý tựnhiên

- Tiến hành nuôi thả bèotrong điều kiện nhân tạo vàvận hành thí nghiệm;- Phân tích các chỉ tiêu hóa

lý, hóa sinh trong mẫu nước thảitrước và sau xử lý với các chỉtiêu như: COD, BOD5, tổng Nitơ,tổng Phốtpho, NH4

+, PO43-,

Coliform... Chế độ vận hành mô hình xử lý:

* Giai đoạn 1 (chuẩnbị): được thực hiện từ ngày5/1 đến ngày 5/3/2012 bằngcông tác lấy nước thải đưavào bể xử lý. Chuẩn bị bèovà nuôi thả trong bể đểthích nghi với môi trườngnhân tạo. Từ ngày 20/2 đếnngày 6/3/2012, chuẩn bị thínghiệm tiến hành bơm tuầnhoàn trong bể, lấy mẫu ởcác vi trí đầu vào và đầura của bể xử lý, phân tíchcác chỉ tiêu, ghi lại các

điều kiện môi trường, nhiệtđộ khi lấy mẫu nước và khicấp vào bể;

* Giai đoạn 2 (chạy thínghiệm): được thực hiện từngày 6/3 đến ngày16/7/2012, tiến hành vậnhành liên tục với lưu lượngđầu vào là 30l/ngày.

* Giai đoạn 3 (chạy thínghiệm): được thực hiện từngày 16/7 đến ngày30/9/2012, tiến hành vậnhành liên tục với lưu lượngđầu vào là 30l/ngày.

3. Kêt qua và thao luânTheo kết quả nghiên cứu

cho thấy các chỉ tiêu gây ônhiễm trong nước thải tạikhu vực nghiên cứu tươngđối lớn, nhiều chỉ tiêu caohơn nhiều so cột A và B củaQCVN40:2011/BTNMT vàQCVN14:2008/BTNMT (bảng 1).

Bảng 1. Kết quả khảo sát mưc độ ô nhiêm của nước thải năm 2012

TT Chi tiêu phân tich Đơn vi Kêt qua đo1 pH - 6.9 - 7.32 DO oxy hòa tan mg/l 1.23 BOD5 mg/l 64 - 954 COD mg/l 96- 135

5 Chất rắn lơ lửng (TSS) mg/l 90 - 140

6Amoni (NH4

+ tính theo N) mg/l 12.6 - 21.0

7 Tổng Nitơ (TNK) mg/l 31 - 378 Phosphat (PO4

3-) mg/l 2.4 - 7.269 Phốt pho tổng mg/l 16 - 3210 Tổng Coliforms MPN/100ml ≥ 9000

20

Hiệu quả xử lý nước thải được xử lý bằng bèo tây được thểhiện trong hình 4, hình 5, hình 6, và hình 7.

Hình 4. Kết quả xử lý SS theo thời gian

Hình 5. Kết quả xử lý COD theo thời gian

21

Hình 6. Kết quả xử lý Tông Phốt Pho theo thời gian

Hình 7. Kết quả xử lý Tông Nitơ theo thời gian

Như vậy, dựa trên đồ thị biểudiễn kết quả xử lý nước thảitheo thời gian, tác giả có mộtsố đánh giá về hiệu suất xử lýđối với các chỉ tiêu ô nhiễmtrong NTSH như sau:

Chât răn lơ lưng: Hàm lượng chất rắn lơ lửng

trong nước thải đầu vào biến đổitrong phạm vi với giá trị lớnnhất là 140 mg/l và giá trị nhỏnhất là 90mg/l trong suốt quátrình thực nghiệm. Trong giaiđoạn đầu xử lý, ta thấy hàmlượng SS trong nước thải giảmtới 75% (chỉ sau 9 ngày), thấphơn mức A của qui chuẩn QCVN

40:2011/BTNMT và QCVN14:2008/BTNMT. Trong suốt giaiđoạn 2 và giai đoạn 3 tương ứngvới thời gian lưu là 18 và 10.8ngày, giá trị SS trong nước thảiđầu ra dao động từ 6 ÷ 12mg/lvới hiệu suất đạt từ 90 ÷ 95%,đạt được mức A theo qui chuẩnQCVN 14: 2008 and 40:2011/BTNMT. Điều này cho với thời gian lưunhư trên việc loại bỏ SS khá ổnđịnh, do chất rắn lơ lửng lắngxuống đáy trong quá trình xử lýcùng với sự phân hủy của vi sinhvật và thực vật đóng vai tròquan trọng trong quá trình loạibỏ chất rắn.

22

COD va BOD5: Với hàm lượng COD và BOD5

trong nước thải đầu vào từ 96đến 160mg/l và từ 65 đến 95mg/lta thấy trong giai đoạn 1 chuẩnbị thí nghiệm và phần đầu củagiai đoạn 1 chạy liên tục vớilưu lượng 30l/ngày, hiệu quả xửlý không cao đạt khoảng 48% đến60% và có xu hướng tiếp tụcgiảm. Nguyên nhân có thể là dokhoảng thời gian này nhiệt độmôi trường thấp, có thời điểmxuống tới 16ºC, nhiệt độ nàykhông thích hợp cho việc pháttriển của bèo. Phần sau của giaiđoạn 1 hiệu quả xử lý khá cao,kết quả trong nước thải đầu radao động trong khoảng từ 10 đến40mg/l với COD và 8 đến 26mg/lvới BOD5, đạt loại A theo quichuẩn QCVN 40:2011/BTNMT và QCVN14:2008/BTNMT.

Khi chuyển sang giai đoạn 3tăng lưu lượng xử lý lên50l/ngày, nồng độ COD và BOD5

trong nước thải đầu tăng lên vàhiểu quả xử lý trung bình chỉcòn đạt 63%. Tuy nhiên theo kếtquả tính toán tải trọng xử lýcủa hệ thống vẫn tăng lên khoảng1.4 lần từ 18 kgBOD5/ha.ngày lên26 kgBOD5/ha.ngày.

Phốt Pho:Với hàm lượng phốt pho trong

nước thải đầu vào có thời điểmcao gấp 3,5 lần so với mức B củaqui chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT,

trong nửa đầu của giai đoạn 2hàm lượng Phốt pho liên tục giảmnhưng vẫn cao hơn giá trị chophép có xu hướng tiếp tục giảm,ở nửa sau giai đoạn 2 hàm lượngPhốt pho trong nước thải đầu ragiảm xuống và ổn định hơn, giátrị còn từ 3,5 đến 6 mg/l. Theocác nghiên cứu trước cho biết,quá trình loại bỏ Phốt pho tronghệ thống cơ bản dựa trên quátrình đồng hoá của vi khuẩn, tạophức và hấp phụ lên bề mặt hạtrắn hay các chất hữu cơ để kếttủa và lắng theo thời gian vàolớp trầm tích, cũng như đượcthực vật tiếp nhận. Do đó, trongthời gian đầu của giai đoạn 2,với điều kiện thời tiết lạnhkhông thuận lợi cho sự pháttriển thực vật thủy sinh, hàmlượng Phốt pho giảm là do quátrình lắng đọng còn giai đoạntiếp sau việc loại bỏ Phốt phocao hơn do không chỉ bởi các quátrình hóa học, vật lý mà còn cácquá trình sinh học, hiệu quả xửlý trong giai đoạn 2 đạt tới61%.

Khi chuyển sang giai đoạn 3tăng lưu lượng xử lý lên50l/ngày hàm lượng phốt photrong nước thải đầu ra tăng lên,hiệu quả xử lý giảm, trung bình

23

chỉ đạt 50%. Hàm lượng Phốt photổng trong nước thải đầu ra từ 4đến 8mg/l, đạt mức B của quichuẩn QCVN 40:2011/BTNMT.

NitơKết quả nghiên cứu trong giai

đoạn 2 ta thấy mô hình xử lýnước thải bằng bèo lục bình cóthể loại bỏ được tới 75% lượngNitơ tổng có trong nước thải đầuvào, với nồng độ trung bình từ28 ÷ 35 mg/l và lượng Nitơ tổngtại đầu ra trung bình từ 6 ÷ 12mg/l. Hàm lượng amoni trong nướcthải đầu từ 12,6 ÷ 21.0mg/l,cao hơn 1,5 đến 2,8 lần so vớimức A của qui chuẩn QCVN 40:2011/BTNMT trong đầu ra 3,5 ÷6,7 mg/l.

Trong giai đoạn 3 hiệu quả xửlý tổng Nitơ giảm, trung bình chỉđược 63% so với nồng độ đầu vào.Điều này có thể cho thấy việctăng lưu lượng xử lý ảnh hưởngđến hiệu suất xử lý đối với cácchất gây ô nhiễm. Tuy nhiên saukhi đi qua mô hình xử bằng bèolục bình nồng độ nitơ trong nướcthải đầu ra vẫn đạt dưới mức A(QCVN 40: 2011/BTNMT)Hình 8. Chất lượng nước đầu vào và đầu ra4. Kêt luân

Theo kết quả thực nghiệm bằngmô hình hồ thủy sinh ta thấy bèolục bình có khả năng xử lý cácchất dinh dương COD, BOD5, chấtrắn lơ lửng, Nitơ và Phốt photrong nước thải sinh hoạt mà

không phải sử dụng thêm bất kỳhóa chất nào khác.

Với lưu lượng thực nghiệm 30và 50 lít/ngày (ứng 300 và500m3/ha ngày) ứng với thời gianlưu trong hệ thống là 18 và 10,8ngày, nồng độ các chất dinhdương COD, BOD5, Nitơ, Phốt phovà chất rắn lơ lửng SS trongnước thải đầu ra sau xử lý đềuthấp hơn mức A của QCVN40:2011/BTNMT và QCVN14:2008/BTNMT đối với nước thảisinh hoạt và nước thải côngnghiệp.

Xử lý nước thải bằng thực vậtthủy sinh là công nghệ re tiền,phù hợp với điều kiện của ViệtNam, có thể áp dụng cho qui mônhỏ và vừa như cho các hộ, cụmhộ gia đình hay các khu vực dâncư ven thành phố, các điểm dulịch sinh thái, làng nghề, trangtrại. Tuy nhiên cần chú ý tớicác điều kiện thực tế như thờitiết, nhiệt độ, ánh sáng cho bèosinh trưởng và phát triển, lưulượng, thời gian lưu nước của hệthống để khả năng xử lý luônđược duy trì và đạt hiệu quảcao.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Lê Văn Cát, 2007. Xử lýnước thải giàu hợp chất chứa Nitơ và phốt pho, Nhàxuất bản Khoa

24

học tự nhiên và Công nghệ, HàNội.[2]. Michael Edward, 1998.Contructed wetlands forargicultural wastewatertreatment. Civil engineeringsumitted to the graduate facultyof

Texas Tech University in partialfufilment of the requirementsfor the Degree of Master ofScience, August 1998.[3]. Chongrak Polprasert.Organic waste recyling,Environment Engineering programAsian Institute of technologyBangkok, Thailand.

SUMMARYUsing aquatic system with hyacinth to treat domestic wastewater

Pham Khanh Huy, Do Cao Cuong, Nguyen Mai Hoa, Hanoi University of Mining and Geology

Nguyen Pham Hong Lien, Hanoi University of Science and Technology

Aquatic plant system is one of the natural methods for municipalwastewater treatment. It is environmental friendly method canachieve high performance with low operating costs, and canincrease biodiversity value and improve landscape. Products can beused directly or after processing as soil additives, fertilizer,pulp and fiber for paper making, animal feed, biogas productionand human food.

In this research, author using water hyacinth is a main aquaticplants kind to treat wastewater by building a aquatic pond model.During operating time water of the influent and effluent wereanalised polluted parameter as SS, COD, BOD5, TP, TN...

The results show that, quality of wastewater after reactorreaches a level of Vietnamese standard QCVN 14: 2008/BTNMT and QCVN40: 2011/BTNMT. Treatment efficiency for suspended solids reached90-95%; COD, BOD5 reached 70%; TP reached 61% and TNK reached 75%.

25