Luận án tiến sĩ nghiên cứu ứng dụng hệ thống đất ngập nước nhân tạo xử lý nước thải đô thị ở thành phố đông hà tỉnh quảng trị

Luận án tiến sĩ nghiên cứu nghiên cứu ứng dụng hệ thống đất ngập nước nhân tạo xử lý nước thải đô thị ở thành phố đông hà tỉnh, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng

• Tác giả: Nguyễn Xuân Cường
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Thị Loan
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Môi trường đất và nước
• Đề tài: Nghiên Cứu Ứng Dụng Hệ Thống Đất Ngập Nước Nhân Tạo Xử Lý Nước Thải Đô Thị Ở Thành Phố Đông Hà, Tỉnh Quảng Trị
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Nước thải đô thị và công nghệ xử lý
• 1.2. Đặc trưng nước thải đô thị và hệ thống quản lý
• 1.3. Đất ngập nước nhân tạo
• 1.4. Động học và mô hình loại bỏ ô nhiễm
• 1.5. Cải thiện hiệu suất của đất ngập nước nhân tạo. Cấp khí chủ động và bị động. Tuần hoàn nước thải
• 1.6. Cấp nước gián đoạn
• 1.7. Thiết kế tối ưu
• 1.8. Nghiên cứu và ứng dụng đất ngập nước nhân tạo
• 1.8.1. Trên thế giới
• 2. CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.1.2. Phạm vi nghiên cứu
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.2.1. Phương pháp thu thập tài liệu
• 2.2.2. Phương pháp thực nghiệm
• 2.2.3. Phương pháp lấy, xử lý và phân tích mẫu
• 2.2.4. Phương pháp phân tích và xử lý số liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Hiện trạng và tính chất nước thải thành phố Đông Hà
• 3.1.1. Thành phần và tính chất
• 3.1.2. Hiện trạng thu gom và xử lý
• 3.2. Kết quả nghiên cứu quy mô phòng thí nghiệm
• 3.2.1. Tính chất nước thải đầu vào
• 3.2.2. Hiệu quả loại bỏ ô nhiễm
• 3.2.3. Nhận xét kết quả nghiên cứu
• 3.3. Kết quả nghiên cứu quy mô thực địa
• 3.3.1. Tính chất nước thải đầu vào
• 3.3.2. Hiệu quả loại bỏ ô nhiễm
• 3.3.3. Mô hình động học
• 3.3.4. Nhận xét kết quả nghiên cứu
• 3.4. Đề xuất mô hình xử lý nước thải cho thành phố Đông Hà
• 3.4.1. Tính toán đề xuất mô hình xử lý
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống đất ngập nước nhân tạo xử lý nước thải đô thị

Hệ thống đất ngập nước nhân tạo (CW) đã trở thành một giải pháp hiệu quả trong việc xử lý nước thải đô thị. Công nghệ này không chỉ tiết kiệm chi phí mà còn bảo vệ môi trường. CW hoạt động dựa trên các quá trình sinh học và vật lý để loại bỏ ô nhiễm trong nước thải. Việc áp dụng CW tại các đô thị như TP Đông Hà, tỉnh Quảng Trị, đang được nghiên cứu và triển khai nhằm cải thiện chất lượng nước và bảo vệ nguồn nước.

1.1. Đặc điểm và nguyên lý hoạt động của hệ thống đất ngập nước nhân tạo

Hệ thống CW bao gồm các lớp vật liệu lọc và cây trồng, giúp xử lý nước thải thông qua các quá trình như lắng, hấp thụ và phân hủy sinh học. Cây trồng trong CW không chỉ tạo ra môi trường sống cho vi sinh vật mà còn giúp cải thiện chất lượng nước.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng hệ thống đất ngập nước nhân tạo

Sử dụng CW mang lại nhiều lợi ích như giảm chi phí đầu tư, tiết kiệm năng lượng và dễ dàng vận hành. Hệ thống này cũng giúp cải thiện cảnh quan và tạo ra môi trường sống cho động thực vật.

II. Vấn đề ô nhiễm nước thải đô thị và thách thức trong xử lý

Nước thải đô thị ở Việt Nam đang gặp nhiều vấn đề nghiêm trọng. Chỉ khoảng 10% nước thải được xử lý, phần còn lại xả thải trực tiếp ra môi trường. Điều này dẫn đến ô nhiễm nguồn nước và ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng. Các thách thức trong việc xử lý nước thải bao gồm chi phí cao, công nghệ phức tạp và thiếu nguồn lực.

2.1. Tình trạng ô nhiễm nước thải đô thị tại TP Đông Hà

TP Đông Hà hiện đang xả khoảng 6.248 m3 nước thải mỗi ngày ra môi trường mà không qua xử lý. Điều này gây ô nhiễm cho sông Hiếu và các hồ nội thành, ảnh hưởng đến sức khỏe người dân.

2.2. Các thách thức trong công nghệ xử lý nước thải hiện nay

Công nghệ xử lý nước thải truyền thống như bùn hoạt tính gặp nhiều khó khăn về chi phí và hiệu quả. Nhiều nhà máy không hoạt động hiệu quả và tiêu tốn nhiều năng lượng, dẫn đến việc cần tìm kiếm các giải pháp thay thế như CW.

III. Phương pháp nghiên cứu và ứng dụng hệ thống đất ngập nước nhân tạo

Nghiên cứu ứng dụng CW trong xử lý nước thải đô thị tại TP Đông Hà được thực hiện thông qua các phương pháp thực nghiệm và phân tích số liệu. Mô hình CW được thiết kế để đánh giá hiệu quả loại bỏ ô nhiễm từ nước thải đô thị.

3.1. Thiết kế mô hình nghiên cứu hệ thống đất ngập nước nhân tạo

Mô hình CW được thiết kế với các lớp vật liệu lọc và cây trồng phù hợp, nhằm tối ưu hóa hiệu quả xử lý nước thải. Các thông số như thời gian lưu nước và tải trọng ô nhiễm được điều chỉnh để đạt hiệu quả cao nhất.

3.2. Phương pháp thu thập và phân tích dữ liệu

Dữ liệu được thu thập từ các mẫu nước thải trước và sau khi xử lý. Các chỉ tiêu như BOD5, COD, TSS được phân tích để đánh giá hiệu quả của hệ thống CW trong việc loại bỏ ô nhiễm.

IV. Kết quả nghiên cứu và hiệu quả xử lý nước thải đô thị

Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ thống CW có khả năng loại bỏ ô nhiễm hiệu quả, đạt tiêu chuẩn xả thải theo quy định. Các chỉ tiêu BOD5, COD và TSS đều giảm đáng kể sau khi qua hệ thống xử lý.

4.1. Hiệu quả loại bỏ ô nhiễm của hệ thống đất ngập nước nhân tạo

Hệ thống CW đã cho thấy khả năng loại bỏ BOD5 lên đến 80% và COD lên đến 75%. Điều này chứng tỏ tính hiệu quả của công nghệ này trong xử lý nước thải đô thị.

4.2. So sánh hiệu quả giữa các mô hình CW khác nhau

Nghiên cứu so sánh hiệu quả giữa các mô hình CW khác nhau cho thấy mô hình kết hợp giữa dòng chảy ngang và dòng chảy đứng đạt hiệu quả xử lý cao nhất, phù hợp với điều kiện khí hậu và nguồn nước tại Đông Hà.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của hệ thống đất ngập nước nhân tạo

Hệ thống đất ngập nước nhân tạo là một giải pháp bền vững cho vấn đề xử lý nước thải đô thị tại TP Đông Hà. Nghiên cứu này mở ra hướng đi mới cho việc ứng dụng công nghệ CW trong các đô thị khác ở Việt Nam.

5.1. Tầm quan trọng của việc phát triển hệ thống đất ngập nước nhân tạo

Việc phát triển CW không chỉ giúp xử lý nước thải mà còn góp phần bảo vệ môi trường và cải thiện chất lượng sống cho người dân. Đây là một giải pháp cần thiết trong bối cảnh đô thị hóa nhanh chóng.

5.2. Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Cần tiếp tục nghiên cứu và thử nghiệm để hoàn thiện mô hình CW, tìm kiếm các loại cây trồng và vật liệu lọc phù hợp hơn, nhằm nâng cao hiệu quả xử lý nước thải đô thị trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 1. Nước thải đô thị và công nghệ xử lý 1. Đặc trưng nước thải đô thị và hệ thống quản lý 1. Đặc trưng nước thải đô thị Nguồn nước và chất lượng nước phản ánh sự phát triển của xã hội.

Quá trình đô thị hóa và tiêu thụ tăng mạnh ở các đô thị làm gia tăng mức độ ô nhiễm và thách thức trong quản lý nguồn nước. Có khoảng ½ dân số toàn cầu không có phương tiện xử lý và thải bỏ nước thải hợp lý. NTĐT là nguồn chứa đựng nhiều vi khuẩn gây bệnh và ảnh hướng rất lớn đến sức khỏe [171]. NTĐT được hiểu là nước thải trong các hệ thống cống thu gom của các đô thị (thị trấn, thị xã và TP).

Tùy vào đặc trưng và hệ thống quản lý nước thải ở từng đô thị, NTĐT có thể bao gồm hỗn hợp nhiều loại nước thải như nước thải sinh hoạt, nước thải dịch vụ - thương mại, nước thải sản xuất… Ở các đô thị có thệ thống thu gom và quản lý nước thải tốt, NTĐT thường là nước thải sinh hoạt và kinh doanh – dịch vụ thông thường. Thành phần NTĐT thay đổi phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tiêu chuẩn dùng nước trên đầu người, chất lượng nước cấp, điều kiện thoát nước và thói quen của người dân. Hệ thống cống hỗn hợp cả nước mưa và nước thải thường có giá trị BOD5 thấp hơn và NH4-N cao hơn hệ thống thoát riêng [2]. Về thành phần, NTĐT có thể chứa chất rắn vô cơ (cát, sỏi, mãnh vỡ…), vật chất nổi (dầu, mỡ…), kim loại, chất dinh dưỡng, HCHC, VSV (phổ biến E.coli và coliform) và mầm bệnh.

Mức độ ô nhiễm của NTĐT có thể phân thành các mức độ thấp - trung bình - cao (Bảng 1. 5 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.1: Phân cấp mức độ ô nhiễm của nước thải đô thị [95] Thông số Đơn vị Thấp Trung bình Cao TSS mg/L 100 220 350 BOD5 mg/L 110 220 400 COD mg/L 250 500 1.000 TN mg/L 20 40 85 NH4-N mg/L 12 25 50 N – hữu cơ mg/L 8 15 35 TP mg/L 4 8 15 Tcol MPN/100 106 - 107 107 – 108 108 – mg/L 109 Thành phần và tính chất của NTĐT ở Việt Nam rất khác nhau giữa các địa phương.2 cho thấy giá trị BOD5 và COD ở TP Đà Lạt và Buôn Ma Thuật cao hơn Hà Nội và TP Hồ Chí Minh từ 3 – 5 lần. Trong khi đó, BOD5 ở Quảng Ninh thậm chí còn thấp hơn QCVN 14:2008/BTNMT (cột B).2: Đặc tính nước thải đầu vào nhà máy XLNT ở Việt Nam [170] Nhà máy BOD5 COD TSS NH4-N TN Hà Nội 73 156,7 71,3 23 40,3 TP Hồ Chí Minh 60,3 169 76 18 11 Đà Nẵng 60,3 108,7 50,5 - 21,5 Quảng Ninh 40,5 74 118 1,2 0,15 Đà Lạt 380 604 792 68 95 Buôn Ma Thuột 336 564 285 36 93 QCVN 14:2008/BTNMT 50 100 100 10 - Đơn vị: mg/L 6 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Quản lý nước thải đô thị Quản lý NTĐT được xem là một công cụ quan trọng để cải thiện và duy trì tính toàn vẹn của môi trường và chức năng kinh tế của hệ sinh thái.

Hệ thống quản lý NTĐT bao gồm 04 hợp phần chính sau [149]:  Chính sách và cách tiếp cận quản lý;  Thỏa thuận mang tính hành chính của các bên tham gia (nhà nước, tư nhân, người sử dụng.);  Công nghệ lựa chọn;  Tài chính. Có 02 cách tiếp cận cơ bản trong quản lý NTĐT, gồm quản lý tập trung và quản lý phân tán. Quản lý NTĐT tập trung là hệ thống quản lý trong đó việc cung cấp cơ sở hạ tầng công cộng chủ yếu bởi chính quyền. Hệ thống thu gom NTĐT của khu vực được kết nối với nhau và được xử lý hoặc thải bỏ tập trung.

Quản lý NTĐT phân tán là hệ thống quản lý chú trọng đến sự hữu dụng của công nghệ, trong đó có thể xử lý NTĐT ở nơi phát sinh [155]. Hệ thống thu gom và XLNT phân tán thường là các hệ thống quy mô nhỏ, linh động và gắn với tái sử dụng nước [98]. Với khoảng 90% nước thải không được xử lý và xả trực tiếp ra môi trường, NTĐT nói chung và nước thải sinh hoạt nói riêng đang là nguyên nhân hàng đầu gây ô nhiễm nguồn nước ở Việt Nam. Chất lượng nước các hệ thống sông chính, đặc biệt khu vực hạ lưu trong những năm qua suy giảm nghiêm trọng.

Các thông số TSS, BOD5, COD, NH4-N, NO3-N và Tcol ở nhiều khu vực vượt QCVN 08:2015/BTNMT [2]. Xem xét hiện trạng quản lý NTĐT ở Việt Nam cho thấy: khoảng 60% các hộ gia đình có đấu nối với hệ thống cống thải công cộng, tuy nhiên chỉ có 10% NTĐT được xử lý. Khoảng 90% người dân ở đô thị có bể tự hoại với mức độ quản lý bùn thấp, trong đó chỉ 4% bùn thải được xử lý. 77% hộ gia đình có bể tự hoại để xử lý sơ bộ nước thải, trong đó 55% số bể tự hoại có thoát nước đấu nối với hệ thống cống thải công cộng và 22% bể tự hoại có thoát nước tự thấm ra môi trường (Hình 1.

Sự tham gia của các đơn vị ngoài nhà nước vào hệ thống quản lý NTĐT không hiệu quả. 7 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.1: Trạng thái quản lý nước thải đô thị ở Việt Nam [170] Nhìn chung, quản lý nhà nước về thoát nước và xử lý NTĐT có liên quan đến nhiều Bộ, ngành và chính quyền địa phương. Trên cơ sở quy hoạch, kế hoạch và phân bổ ngân sách hằng năm, UBND tỉnh trực tiếp quản lý đầu tư cơ bản thoát và XLNT ở các đô thị (Hình 1.2: Sơ đồ quản lý nhà nước về thoát nước và xử lý NTĐT ở Việt Nam 8 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail. Công nghệ xử lý nước thải đô thị Xử lý NTĐT là tập hợp các quá trình vật lý, hóa học và sinh học, hoạt động để loại bỏ chất rắn, vật chất hữu cơ, mầm bệnh, kim loại và đôi khi là chất dinh dưỡng.

Công nghệ xử lý NTĐT phát triển từ xử lý đơn giản đến xử lý nâng cao và tái sử dụng nước thải. Các nhà máy xử lý NTĐT trước đây (cuối những năm 1980), chủ yếu chú trọng loại bỏ thành phần hữu cơ, SS, vật chất nổi và VSV gây bệnh với công nghệ SH truyền thống [102, 146]. Những năm gần đây, công nghệ XLNT tập trung loại bỏ chất dinh dưỡng, vi khuẩn và thậm chí sử dụng công nghệ UV và màng (UF/siêu lọc, NF/Lọc nano và RO/thẩm thấu ngược) cho mục đích tái sử dụng nước thải [90, 102, 144, 146]. Tuy nhiên, công nghệ xử lý SH vẫn phổ biến hơn các công nghệ khác.

Nghiên cứu ở 6 quốc gia ở Châu Mỹ - La Tinh cho thấy có đến 80% nhà máy xử lý NTĐT sử dụng công nghệ hồ ổn định, bùn hoạt tính và kị khí dòng ngược (UASB/Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor) [110]. Các nhà máy xử lý NTĐT hiện nay trên thế giới chủ yếu là nhà máy xử lý tập trung với quy mô nhỏ đến lớn [58, 152]. Tuy nhiên, công nghệ xử lý phân tán gồm các công trình xử lý tại chỗ hay tổ hợp bể tự hoại, lọc đất, CW. cũng đang được mở rộng ứng dụng cho NTĐT.

Công nghệ này góp phần làm giảm áp lực của hệ thống thu gom và phù hợp với các nước đang phát triển [95, 151]. Nhìn chung, công nghệ xử lý NTĐT giữa các khu vực và quốc gia khá đa dạng. Tùy theo bản chất công nghệ và mục đích xử lý có thể phân chia các nhóm công nghệ xử lý NTĐT như sau:  Công nghệ xử lý sơ bộ: Bao gồm các công trình như song/lưới chắn rác, bể tách dầu mỡ, lắng cát và lọc cát. 9 TIEU LUAN MOI download : [e-mail]  Công nghệ xử lý bậc 2: Bao gồm các quá trình xử lý và loại bỏ HCHC như công nghệ bùn hoạt tính, sinh học bám dính và hồ sinh học.

 Công nghệ xử lý bằng đất: Bao gồm các hệ thống lọc đất chậm và nhanh.  Công nghệ đất ngập nước nhân tạo: Bao gồm các hệ thống CW đơn hoặc kết hợp.  Công nghệ khử trùng: Bao gồm khử trùng bằng Clo, Ozon và UV.  Công nghệ xử lý nâng cao: Bao gồm các công nghệ hóa lý (keo tụ - kết bông, hấp thụ, màng, trao đổi ion, thấm thấu ngược), quá trình xử lý dinh dưỡng (N, P) và thấp phụ các bon.

Việc lựa chọn công nghệ xử lý NTĐT phụ thuộc vào thành phần và đặc trưng của nước thải và hệ thống quản lý. Ngoài ra, quy chuẩn xả thải cũng là một yếu tố quyết định đến quy mô và trình độ công nghệ áp dụng trong xử lý NTĐT. Đối với các nước đang phát triển, công nghệ xử lý NTĐT quan tâm nhiều đến các yếu tố bền vững như: chi phí thấp, không dùng hoặc ít dùng năng lượng và hóa chất, hiệu quả cao và bùn sinh ra ít. Các công nghệ phù hợp gồm hồ kị khí, hồ tùy nghi, và hoàn thiện và CW [95, 139].

Một số quá trình và công nghệ xử lý NTĐT được trình bày ở Bảng 1. 10 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.3: Một số công nghệ/quá trình xử lý nước thải đô thị [152] Công nghệ/Quá trình Ứng dụng xử lý Thiết bị/công Rác SS BOD5 NH4- NO3- P VSV Độc Quá trình nghệ /Cát N N chất Song chắn rác * thô/lắng cát Sơ bộ và Lưới chắn rác * * Bậc 1 siêu mịn Bể lắng 1 * * Tuyển Tuyển nổi khí * nổi hòa tan Lọc thường * * Lọc Lọc nano và * * * thẩm thấu ngược Tháp lọc * * Trao đổi ion * * Keo tụ Bậc 1 nâng cao * * Lọc khử nitơ * * * Ôxy hóa Cl, OH-… * * Oxít nhôm * Hấp phụ Than hoạt tính * * * Khử Cl, O3, Br, UV * trùng Bám dính, * Kị khí tương tác Bùn hoạt tính * * Bùn hoạt Sinh học theo * * * tính mẻ; màng Lọc sinh học * * Kết hợp Hiếu – kị khí * * * * Nhìn chung, công nghệ của các nhà máy xử lý NTĐT ở Việt Nam bao gồm 03 giai đoạn/hợp phần chủ yếu: Xử lý sơ bộ, xử lý bậc 2 – công nghệ sinh học và khử trùng. Một số nhà máy xử lý chú trọng đến loại bỏ chất dinh 11 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] dưỡng (như công nghệ kị khí - thiếu khí – hiếu khí ở nhà máy Kim Liên – Trúc Bạch, Hà Nội) hay khử mùi khép kín (như nhà máy xử lý NTĐT Hòa Xuân và Phú Lộc, TP Đà Nẵng) (Hình 1.