MỞ ĐẦU Ngày nay các vấn đề ô nhiễm môi trường đang là mối quan tâm lớn của xã hội. Quá trình gia tăng dân số nhanh chóng, cách mạng công nghiệp và đô thị hóa dẫn đến các hình thức ô nhiễm môi trường khác nhau như ô nhiễm nước, đất, không khí. Trong đó ô nhiễm nguồn nước đã và đang ngày càng trở nên nghiêm trọng hơn. Nước thải không qua xử lý từ các hoạt động của con người trong sinh hoạt hằng ngày và nước thải công nghiệp, dịch vụ từ các nhà máy, khu sản xuất, nhà hàng đã đổ trực tiếp lượng lớn chất ô nhiễm vào các nguồn tiếp nhận như sông, hồ, đại dương.
Các chất ô nhiễm này bao gồm cacbon vô cơ, hữu cơ, chất dinh dưỡng (N, P) và kim loại nặng gây suy giảm chất lượng nước, ảnh hưởng tiêu cực đến hệ động, thực vật sống thủy sinh và nguy cơ tiềm ẩn đối với sức khỏe của con người thông qua chuỗi thức ăn. Vì vây, xử lý nước thải đang là nhiệm vụ quan trọng trong việc giảm thiểu ô nhiễm, duy trì hệ sinh thái đáp ứng nhu cầu dân số ngày càng tăng về nước sạch và các vấn đề môi trường tối thiểu. Các phương pháp xử lý hóa lý và sinh học dùng vi sinh vật (bùn hoạt tính và/hoặc xử lý yếm khí) được sử dụng trong xử lý nước thải có thể đạt được chất lượng nước trước khi xả vào môi trường hoặc tái sử dụng. Tuy nhiên, phương pháp này tạo ra một lượng bùn thải lớn và yêu cầu phải có diện tích phát sinh để tập kết và qui trình xử lý bùn phù hợp nhằm tránh gây ra ô nhiễm thứ cấp (phát sinh mùi hôi thối).
Do vậy, hiện nay phương pháp xử lý nước thải dùng vi tảo được phát triển nhằm khắc phục những hạn chế của các phương pháp xử lý nước thải truyền thống. Các chất dinh dưỡng (các hợp chất của các bon, nitơ và phốtpho) trong nước thải đô thị là nguồn dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển của vi tảo. Vì vậy, sự loại bỏ các chất ô nhiễm thông qua quá trình tiêu thụ chúng bởi vi tảo sẽ tạo ra sinh khối. Trong khi đó, sinh khối vi tảo thu được có hàm lượng cao các hợp chất cao phân tử như chất béo, proteins, carbohydrate có giá trị tiềm năng để sản xuất nhiên liệu sinh học, thức ăn chăn nuôi, phân bón cây trồng, phụ gia thực phẩm, hoạt tính sinh học trong ngành công nghiệp mỹ phẩm và dược phẩm.
Vi tảo lục đơn bào Chlorella sp. là một trong những loại vi tảo được áp dụng rộng rãi trên thế giới để xử lý nước thải do tốc độ tăng trưởng 6 nhanh, hàm lượng lipids cao và đã được chứng minh khả năng loại bỏ các bon, nitơ và phốtpho. Vì vậy, nghiên cứu này được thực hiện để đánh giá hiệu suất loại bỏ chất dinh dưỡng khi sử dụng vi tảo này trong nước thải đô thị khu vực quận Cầu Giấy (Hà Nội) trên hệ phản ứng mở quy mô thử nghiệm (500 L) với tên đề tài “Nghiên cứu khả năng loại bỏ các hợp chất của nitơ, phốtpho trong nước thải đô thị bằng vi tảo Chlorella sp. trên hệ phản ứng mở”.
Mục tiêu nghiên cứu: (1) Nghiên cứu đặc tính của nước thải đô thị Quận Cầu Giấy, Hà Nội; (2) Nghiên cứu sự sinh trưởng và năng suất sinh khối của Chlorella sp. nuôi trong nước thải đô thị Quận Cầu Giấy trên hệ phản ứng mở; (3) Đánh giá về khả năng loại bỏ N, P trong nước thải đô thị Quận Cầu Giấy bởi Chlorella sp. và các thông số nước thải sau xử lý theo QCVN 14:2008/BTNMT. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.
TỔNG QUAN VỀ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ 1. Khái niệm, thành phần nước thải đô thị Nước thải đô thị là thuật ngữ chung chỉ chất lỏng trong hệ thống cống thoát của một thành phố, đó là hỗn hợp của các loại nước thải bao gồm nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp và nước mưa thấm qua [1]. Lưu lượng nước thải đô thị phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện khí hậu, tính chất đặc trưng của thành phố. Lưu lượng và hàm lượng của nước thải thường dao động trong phạm vi rất lớn, tính chất nước thải thay đổi theo mùa, theo ngày làm việc, ngày nghỉ trong tuần [2].
Đặc điểm nước thải đô thị Nước thải sinh hoạt chiếm đến 50% nước thải đô thị, là nước đã được sử dụng và thải ra từ các hộ gia đình, bệnh viện, khách sạn, trường học, khu vui chơi giải trí, chứa các chất thải trong quá trình sinh hoạt, vệ sinh của con người [1-3]. Khoảng 65-85% lượng nước cung cấp cho một người thường trở thành nước thải. Lượng nước thải sinh hoạt phụ thuộc vào dân số, tiêu chuẩn cấp thoát nước và đặc điểm của hệ thống thoát nước của mỗi khu dân cư [4]. Nước thải sinh hoạt thường có màu xám hoặc hơi vàng do chứa các hàm lượng lớn chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học bao gồm các hợp chất protein (40-50%), hydrat cacbon (40-50%) gồm tinh bột, đường, xenluozo và chất béo (5-10%), ngoài ra còn có các thành phần vô cơ dinh dưỡng (phốtpho, nitơ), vi sinh vật, vi trùng gây bệnh nguy hiểm [4, 5].
Hàm lượng các chất gây ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt phụ thuộc vào điều kiện sống, thói quen sinh hoạt, lượng nước sử dụng và hệ thống tiếp nhận nước thải [1]. Nước thải công nghiệp (nước thải sản xuất) là nước thải sau quá trình sản xuất đến từ các xí nghiệp công nghiệp, thủ công nghiệp, giao thông vận tải và chiếm 36% trong nước thải đô thị. Nước thải công nghiệp không có đặc điểm chung mà phụ thuộc vào từng ngành sản xuất, quy trình công nghệ của từng loại sản phẩm. Đặc tính ô nhiễm và nồng độ của nước thải công nghiệp vì thế rất khác nhau tùy thuộc vào loại hình, chế độ công nghiệp lựa chọn 8 cũng như quy mô doanh nghiệp.
Thành phần nước thải công nghiệp cũng rất đa dạng, thậm chí ngay trong một ngành công nghiệp, số liệu có thể thay đổi đáng kể do mức độ hoàn thiện của công nghệ sản xuất hoặc điều kiện môi trường, vì vậy độ độc hại gây ô nhiễm cũng khác nhau [2, 4]. Trong nước thải công nghiệp chứa hàm lượng cao các chất hữu cơ như protein, các dạng cacbonhydrat, dầu mỡ (công nghiệp chế biến thực phẩm), hemuxenluloza, lignin (công nghiệp sản xuất giấy). Ngoài ra nước thải từ các nhà máy thuộc da thường chứa nhiều kim loại nặng và sulfua. Nước thải từ nhà máy sản xuất acquy có nồng độ axit và chì cao.
Nước thải của các cơ sở xi mạ chứa hàm lượng kim loại nặng cao và pH thấp [1, 6]. Nước thải là nước mưa (hay nước thấm): là nước mưa chảy tràn trên mặt đất và kéo theo các chất cặn bã, dầu mỡ…đi vào hệ thống thoát nước (chiếm khoảng 14% nước thải đô thị) [3, 4]. Hiện nay, tại các quốc gia phát triển đã sử dụng mạng lưới cống thoát riêng biệt giữa nước thải và nước mưa. Do vậy, lượng nước thải đi về các nhà máy xử lý sẽ chỉ bao gồm: nước thải sinh hoạt, nước thải sản xuất và nước ngầm thâm nhập.
Tuy nhiên, hầu hết các thị trấn, thị xã và thành phố ở nước ta thường sử dụng mạng lưới cống, kênh mương chung cho thoát nước thải và nước mưa. Vì vậy, lượng nước chảy về nhà máy gồm nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, nước ngầm thâm nhập và một phần nhỏ là nước mưa. Hiện trạng nước thải đô thị ở Việt Nam Theo báo cáo đánh giá hoạt động quản lý nước thải đô thị Việt Nam năm 2013 của ngân hàng thế giới, tình trạng ô nhiễm môi trường ở Việt Nam ngày càng gia tăng đặc biệt ở các thành phố lớn như Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng, Huế, Nam Định, Hải Dương…Một phần nguyên nhân do tốc độ đô thị hóa ở nước ta diễn ra khá nhanh nhưng không phát triển cân xứng với cơ sở hạ tầng kỹ thuật, đặc biệt là hệ thống xử lý nước thải [2]. Hệ thống thoát nước thải đô thị dùng chung cho thoát nước mưa, nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, nước thải y tế, rác thải nhưng không có hệ thống xử lý nước thải tập trung và phân tán qua nhiều thời kỳ khác nhau.
Đa số các nguồn thải đều được xả thẳng xuống các kênh, mương, 9 sông, hồ. Bên cạnh đó, sự gia tăng dân số, các hoạt động phát triển kinh tế - xã hội đã và đang làm phát sinh một lượng không nhỏ các loại nước thải gây ảnh hưởng đến các nguồn tiếp nhận [6]. Theo số liệu của Bộ Xây dựng, tính đến năm 2017, trên cả nước đã có 39 nhà máy/trạm xử lý nước thải (XLNT) tập trung được xây dựng tại các đô thị từ loại III trở lên đã đi vào hoạt động với công suất thiết kế 907. Tuy nhiên, do mạng lưới cấp thoát nước thiếu đồng bộ nên một số nhà máy XLNT không hoạt động hết công suất do không đủ nước thải đầu vào.
Tại Hà Nội, khoảng 20,62% tổng lượng nước thải thành phố được xử lý, trong khi tại Thành phố Hồ Chí Minh, tỷ lệ nước thải xử lý chỉ là 13% [7]. Theo thống kê, lượng nước thải công nghiệp phát sinh tại một số khu công nghiệp lớn như thành phố Hồ Chí Minh là 278.000 m3/ngày đêm trong đó 82,5% nguồn thải trên 50 m3/ngày đêm có hệ thống xử lý, 69,5% nguồn nước thải lưu lượng từ 30-50 m3/ngày đêm được xử lý, lưu lượng nước thải từ 10- 30 m3/ngày đêm khả năng xử lý đạt 60,5%; lượng nước thải công nghiệp ở Bình Dương cũng tương đối lớn với lượng thải 136.700 m3/ngày đêm; tại Hà Nội, trung bình mỗi ngày đêm, lượng nước thải công nghiệp mà thành phố tiếp nhận là 75.000 m3 trong đó lượng nước thải được xử lý chỉ chiếm một phần nhỏ [7]. Báo cáo của Sở Tài nguyên và Môi trường thành phố Đà Nẵng năm 2015 có 37 cơ sở doanh nghiệp đang hoạt động sản xuất chế biến thủy hải sản với tổng lượng nước thải đạt 3.000 m3/ngày đêm, cao điểm 4. Tuy nhiên hiện nay hệ thống XLNT của khu công nghiệp dịch vụ hải sản Đà Nẵng đã bị quá tải gây ô nhiễm môi trường khu vực xung quanh [7].
Tại Hà Nội, thực tế các kênh mương, sông, hồ nội thành từ lâu đã trở thành nơi chứa nước thải của thành phố. Sông Tô Lịch, sông Kim Ngưu, sông Sét, sông Lừ là các con sông chính tiếp nhận lượng nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý khu vực nội đô Hà Nội.