Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu kỹ thuật sử dụng nước thải sinh hoạt cho tưới cây trồng

• Tác giả: Somlay Lathavane
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Thị Hing Nga
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Kỹ thuật tài nguyên nước
• Đề tài: Nghiên cứu kỹ thuật sử dụng nước thải sinh hoạt để tưới cho cây trồng
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC HỈNH
• DANH MỤC BẰNG
• CÁC CHỮ VIẾT TAT
• MỞ DAU
• 1. Tính cấp thiết của đề tài
• 2. Mục dich của để tài
• 3. ĐT tượng và phạm vi nghiên cứu
• 3.1. ĐT tượng nghiên cứu
• 3.2. Phạm vì nghiên cứu
• 4. Cách tấp cận và phương pháp nghiền cứa
• 4.1. Cách tiếp cân
• 4.2. Phương pháp nghiên cứu
• 4.2.1. Phương pháp điều tra thu thập số liệu và lấy mẫu nước thải
• 4.2.2. Phương pháp thí nghiệm trong phòng thí nghiệm
• 4.2.3. Phương pháp phân tích các thông số trong phòng thí nghiệm
• 4.2.4. Phương pháp đánh giá và xử lý số liệu
• 1. NGHIÊN CUU TONG QUAN
• 1.1. Tổng quan về nước thải sinh hoạt
• 1.1.1. Thành phần và tính chất của nước thải sinh hoạt
• 1.2. Hiện trạng nước thai sinh hoạt ở Việt Nam
• 1.2.1. Hiện trang ô nhiễm nước thải sinh hoạt ti Việt Nam
• 1.2.2. Tình hình xử lý nước thả sinh hoạt tại Việt Nam
• 1.2.3. Hiện trang nước thải tại Lào
• 1.3. Nước thải từ hộ gia định
• 1.4. Nước thải ừ công nghiệp và các ngành địch vụ khác
• 1.5. Chất lượng nước tại kênh rạch và sông ở đô thị
• 2. Tổng quan vé mot số kỹ thuật xử lý nước thải sinh hoạt
• 2.1. Xử lý cơ học li
• 3. Xứ lý sinh học B
• 2.2. Cong nghệ Phản ứng ky khí dang vách ngăn ABR (Anaerobic Baffled Reactor)
• 2.3. Hệ thống xử lý nước tha bằng hồ sinh vật ết hợp môi cá
• 2.4. Xứ lý nước thải bằng thực vật Is
• 3. Các chức năng của dat và các ứng dung trong xứ lý nước thải
• 3.1. Chức năng xử lý chat 6 nhiễn của đất
• 3.2. Tidm năng đất kắt vin đá ong và các ứng dung trong XLNT ở Lao
• 4. Nhu cầu định đường của mộtsốcây trằng ngn ngày
• 4.1. Nhu cầu dink dưỡng cho lúa
• 4.2. Nhu cầu dinh duéng cho lúa địa phương
• 4.3. Nhu cầu định dưỡng cho giống lúa cải tiền
• 4.4. Nhu cầu định đường cho giống lúa lai
• 4.5. Nhu cầu dinh dưỡng cho ngõ
• 4.6. Nhu cẦu dink dưỡng cho rau
• 4.7. Các nghiên cửu về sit dug nước thải để tưới cho cây trồng
• 2. CHƯƠNG 2: VAT LIEU VA PHƯƠNG PHAP NGHIÊN CUU
• 2.1. Cơ sở lựa chọn vật liệu
• 1.1. Đắt két von dé ong (Laterite sai)
• 2.2. Than hot tính
• 2.3. Vật liệu sử dụng trong nghiên cứu
• 2.4. Phương pháp nghiền cin
• 3.1. Cơ sở xếp lớp hon hợp vật liệu
• 3.2. Bo trí thí nghiệm xử lý nước thai (mô hình phòng thí nghiệm)
• 3.3. Phân tích thông kê
• 3. CHVONG 3: KET QUA NGHIÊN COU VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Yêu cầu vé chat lượng nước của một số loại cây trằng
• 1.1. Chat lượng nước tưới ru (Tiêu chuẩn VietGap)
• 1.2. Chit lượng mước trổ cho lúu và ngô
• 3.2. Kế quả sử l nước tải di sĩ đụng
• 3.1. Lấy mẫu nước thí nghiệm
• 3.2. Kết quả phân tích chất lượng nước thải dau vào
• 3.3. Kết quả thí nghiện xử lý nước ái sử dụng
• 2.1. Thay đội pH của nước thải
• 2.2. Chất hữu cơ nên COD
• 3.3. Ning độ POs sỊ
• 3.4. Thay đội độ due trong nước
• 3.5. Tổng carbon hữu cơ (TOC)
• 3.6. Tổng chat rắn hòa tan (TDS)
• 3.7. Thay đổi nông độ Amoni (NHỊ°)
• 3.8. Kim loại năng
• 3.9. Tổng vi sinh
• 3.4. Đánh giá chất lượng nước sau xử lý để tới cho cây tring
• 4.1. Đánh giá chất lượng nước sau xứ lý để tưới cho rau(theo tiêu chuẩn Việt Gap)
• 4.2. Đánh giả chit lượng nước sau xử lý dé ti hia và cây tring can (ngô. đâutương, ú
• 3.5. Đánh giá hiệu quả xử lệ nước thải để tưới cây ring
• 5.1. Hiệu quả sử dụng phân bón
• 5.2. Hiệu quả bảo vệ môi trường
• KET LUẬN VÀ KIEN NGHỊ
• 6. Kiến nghị
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC HÌNH VE
• DANH MỤC BANG BIEU
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU,CHỮ VIET TAT

I. Tính cấp thiết của đề tài

Nghiên cứu sử dụng nước thải sinh hoạt để tưới cây trồng là một vấn đề cấp thiết trong bối cảnh hiện nay. Tình trạng ô nhiễm môi trường và khan hiếm nước đã trở thành thách thức lớn đối với nông nghiệp và đời sống con người. Theo thống kê, khoảng 10% dân số thế giới đang phải tái chế nước đã qua sử dụng, con số này dự kiến sẽ gia tăng trong tương lai. Việc sử dụng nước thải sinh hoạt để tưới cây trồng không chỉ giúp tiết kiệm nguồn nước mà còn tận dụng được các chất dinh dưỡng có trong nước thải như N, P, K. Tuy nhiên, việc sử dụng nước thải trực tiếp mà không qua xử lý có thể dẫn đến ô nhiễm đất và thực phẩm, ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Do đó, nghiên cứu này nhằm tìm ra phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt để đảm bảo an toàn cho cây trồng và sức khỏe người tiêu dùng.

II. Mục đích của đề tài

Mục đích của nghiên cứu là phát triển kỹ thuật sử dụng nước thải sinh hoạt đã qua xử lý để tưới cho cây trồng, từ đó giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tăng cường hiệu quả sử dụng tài nguyên nước. Nghiên cứu tập trung vào việc tìm kiếm các vật liệu tự nhiên có chi phí thấp để xử lý nước thải, nhằm tái sử dụng nguồn nước này cho nông nghiệp. Việc này không chỉ giúp giảm thiểu lượng nước thải ra môi trường mà còn cung cấp các chất dinh dưỡng cần thiết cho cây trồng, góp phần nâng cao năng suất nông nghiệp. Các tiêu chuẩn về chất lượng nước tưới cũng được áp dụng để đảm bảo an toàn cho sản phẩm nông nghiệp.

III. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài bao gồm nước thải sinh hoạt từ các hộ gia đình và các vật liệu tự nhiên có sẵn tại địa phương để xử lý nước thải. Phạm vi nghiên cứu chủ yếu tập trung vào nước thải sinh hoạt có nồng độ chất hữu cơ cao, với mục tiêu đạt chất lượng theo tiêu chuẩn QCVN 39:2011/BTNMT. Nghiên cứu sẽ thực hiện mô hình thí nghiệm trong phòng thí nghiệm để tìm ra các giải pháp xử lý nước thải phù hợp nhằm tưới cho các loại cây trồng phổ biến như lúa, rau và ngô. Điều này không chỉ có ý nghĩa trong việc bảo vệ môi trường mà còn trong việc cải thiện chất lượng sản phẩm nông nghiệp.

IV. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Cách tiếp cận nghiên cứu dựa trên khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước thải và tận dụng các chất dinh dưỡng từ nước thải để phục vụ cho cây trồng. Phương pháp nghiên cứu bao gồm thu thập số liệu về đặc điểm nước thải tại Hà Nội và Vieng Chăn, Lào. Nghiên cứu cũng sử dụng các phương pháp thí nghiệm trong phòng thí nghiệm để đánh giá hiệu quả xử lý nước thải. Các thông số chất lượng nước sẽ được phân tích theo các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành. Kết quả nghiên cứu sẽ được xử lý bằng các phương pháp thống kê để đảm bảo độ tin cậy của dữ liệu.

V. Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc xử lý nước thải sinh hoạt có thể đạt được chất lượng tốt để tưới cho cây trồng. Các thông số như pH, COD, BOD, và nồng độ các chất dinh dưỡng trong nước thải đã được cải thiện đáng kể sau khi xử lý. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc sử dụng nước thải đã qua xử lý không chỉ giúp tiết kiệm nước mà còn cung cấp thêm dinh dưỡng cho cây trồng, từ đó nâng cao năng suất nông nghiệp. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng việc giám sát chất lượng nước tưới là rất quan trọng để đảm bảo an toàn cho sức khỏe con người và môi trường.

VI. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của việc sử dụng nước thải sinh hoạt đã qua xử lý để tưới cho cây trồng, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển nông nghiệp bền vững. Cần có các chính sách hỗ trợ và khuyến khích việc áp dụng công nghệ xử lý nước thải trong nông nghiệp. Đề nghị các cơ quan chức năng tăng cường giám sát chất lượng nước tưới và thực hiện các chương trình tuyên truyền, giáo dục cộng đồng về lợi ích của việc sử dụng nước thải đã qua xử lý trong sản xuất nông nghiệp.

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu và gia tăng dân số, nguồn nước sạch ngày càng trở nên khan hiếm, đặc biệt tại các khu vực đô thị và nông thôn ở Việt Nam và Lào. Theo ước tính, khoảng 10% dân số thế giới phải tái sử dụng nước thải sinh hoạt cho các mục đích nông nghiệp nhằm duy trì sản xuất lương thực. Nước thải sinh hoạt có thành phần phức tạp, chứa nhiều chất hữu cơ, dinh dưỡng như N, P, K và các chất ô nhiễm nguy hại như kim loại nặng, vi sinh vật gây bệnh. Việc sử dụng nước thải chưa qua xử lý để tưới cây trồng có thể gây tích lũy độc tố trong đất và sản phẩm nông nghiệp, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường.

Luận văn tập trung nghiên cứu kỹ thuật xử lý nước thải sinh hoạt có hàm lượng chất hữu cơ cao bằng vật liệu tự nhiên có chi phí thấp như đất kết von đá ong, than hoạt tính, zeolite và đá vôi nhằm tái sử dụng nước thải cho tưới cây trồng. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi nước thải sinh hoạt tại Hà Nội, Việt Nam và so sánh với nước thải tại Viêng Chăn, Lào, trong khoảng thời gian từ tháng 11/2017 đến tháng 1/2018. Mục tiêu chính là đạt được chất lượng nước sau xử lý theo quy chuẩn QCVN 39:2011/BTNMT, đảm bảo an toàn cho cây trồng như lúa, rau và ngô, đồng thời tận dụng nguồn dinh dưỡng trong nước thải để giảm lượng phân bón hóa học, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển nông nghiệp bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình xử lý nước thải sinh hoạt, bao gồm:

• Lý thuyết hấp phụ và trao đổi ion của khoáng vật sét: Đất kết von đá ong chứa các khoáng vật như goethite, kaolinite, boehmite có khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ trong nước thải thông qua các cơ chế hấp phụ cơ học, hóa học và trao đổi ion.

• Mô hình xử lý nước thải đa lớp (Multi Soil Layering - MSL): Kỹ thuật phối trộn các lớp vật liệu tự nhiên như đất kết von đá ong, zeolite, than hoạt tính, đá vôi và cát sỏi theo một trình tự nhất định để xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt, kết hợp quá trình phân hủy yếm khí và hiếu khí của vi sinh vật.

• Khái niệm về chất lượng nước tưới theo QCVN 39:2011/BTNMT: Tiêu chuẩn quốc gia quy định các giới hạn về pH, BOD, COD, tổng chất rắn hòa tan (TDS), các chất dinh dưỡng (N, P, K), kim loại nặng và vi sinh vật để đảm bảo an toàn cho cây trồng và môi trường.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nước thải sinh hoạt được thu thập từ hệ thống thoát nước các khu dân cư ven Hà Nội, Việt Nam và so sánh với nước thải tại Viêng Chăn, Lào. Mẫu nước thải được lấy theo tiêu chuẩn, phân tích các thông số hóa lý và vi sinh.

• Phương pháp thí nghiệm trong phòng thí nghiệm: Thiết kế mô hình xử lý nước thải dạng cột inox kích thước 0,3 x 2,0 m, bố trí 4 lớp vật liệu gồm đá vôi (lớp đệm), đất trộn (zeolite và đất kết von đá ong), đất thấm (đá ong và cát), và lớp cát sỏi. Nước thải được bơm liên tục với lưu lượng 20 m³/ngày, thời gian lưu nước tối đa 5 ngày. Thí nghiệm kéo dài từ 24/11/2017 đến 08/01/2018.

• Phân tích các thông số: Sử dụng các tiêu chuẩn TCVN và ISO để đo pH, COD, BOD, tổng chất rắn hòa tan (TDS), tổng nitơ (TN), amoni (NH₄⁺), photphat (PO₄³⁻), kim loại nặng (As, Cu, Fe), tổng vi sinh vật (E.coli), và các chỉ tiêu khác.

• Phân tích thống kê: Kết quả trung bình của 3 lần lặp mẫu, loại bỏ các kết quả không tin cậy theo nguyên tắc thống kê.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Chất lượng nước thải đầu vào và sau xử lý: Nước thải sinh hoạt có pH dao động từ 6,5 đến 7,5, COD ban đầu khoảng 300-400 mg/L, BOD khoảng 200-300 mg/L. Sau xử lý qua mô hình MSL, COD giảm 65-75%, BOD giảm 55-70%, đạt mức dưới 100 mg/L, phù hợp tiêu chuẩn QCVN 39:2011/BTNMT.

2. Giảm nồng độ các chất dinh dưỡng và kim loại nặng: Nồng độ tổng nitơ (TN) giảm khoảng 60%, amoni (NH₄⁺) giảm 50-60%, photphat (PO₄³⁻) giảm trên 90%. Kim loại nặng như As, Cu giảm trên 70%, tổng vi sinh vật (E.coli) giảm hơn 90%, đảm bảo an toàn cho tưới tiêu.

3. Hiệu quả sử dụng nước thải sau xử lý cho cây trồng: Nước thải sau xử lý cung cấp lượng dinh dưỡng tương đương với 24 kg ure, 104 kg superphotphat và 158 kg kali clorua trên 1000 m³ nước, giúp giảm đáng kể lượng phân bón hóa học cần thiết. Năng suất lúa tưới bằng nước thải đạt 7,8 tấn/ha, cao hơn 9,8% so với ruộng đối chứng (7,1 tấn/ha).

4. So sánh với nước thải tại Viêng Chăn, Lào: Thành phần nước thải sinh hoạt tại Viêng Chăn tương tự Việt Nam về hàm lượng chất hữu cơ và dinh dưỡng, tuy nhiên hệ thống xử lý nước thải còn hạn chế, tỷ lệ thu gom thấp (7-26 m³/ngày). Nghiên cứu áp dụng tiêu chuẩn Việt Nam QCVN 39:2011/BTNMT để đánh giá chất lượng nước tưới tại Lào.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy mô hình xử lý nước thải sinh hoạt bằng vật liệu tự nhiên phối trộn theo kỹ thuật MSL có hiệu quả cao trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ, dinh dưỡng và kim loại nặng. Việc giảm COD và BOD đạt trên 60% giúp giảm tải ô nhiễm cho môi trường. Khả năng hấp phụ và trao đổi ion của đất kết von đá ong, zeolite và than hoạt tính đóng vai trò quan trọng trong xử lý các chất ô nhiễm.

So với các nghiên cứu trước đây về xử lý nước thải bằng công nghệ ABR và hồ sinh vật kết hợp nuôi cá, mô hình MSL có ưu điểm chi phí thấp, dễ vận hành và phù hợp với điều kiện nông thôn. Việc sử dụng nước thải sau xử lý để tưới cây trồng không chỉ tận dụng nguồn dinh dưỡng tự nhiên mà còn giảm thiểu lượng phân bón hóa học, góp phần bảo vệ môi trường và nâng cao năng suất nông nghiệp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện sự giảm nồng độ COD, BOD, TN, PO₄³⁻ và kim loại nặng trước và sau xử lý, cùng bảng so sánh năng suất cây trồng và lượng phân bón tiết kiệm khi sử dụng nước thải sau xử lý.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai mô hình xử lý nước thải MSL tại các khu vực nông thôn và ven đô thị: Áp dụng kỹ thuật phối trộn các lớp vật liệu tự nhiên để xử lý nước thải sinh hoạt, đảm bảo chất lượng nước tưới theo QCVN 39:2011/BTNMT. Thời gian thực hiện trong vòng 1-2 năm, chủ thể là các cơ quan quản lý môi trường và nông nghiệp địa phương.

2. Khuyến khích sử dụng nước thải sau xử lý làm nguồn tưới cho cây trồng: Tận dụng nguồn dinh dưỡng trong nước thải để giảm lượng phân bón hóa học, nâng cao hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường. Thời gian áp dụng ngay sau khi có hệ thống xử lý ổn định, chủ thể là nông dân và các hợp tác xã nông nghiệp.

3. Xây dựng chương trình đào tạo và hướng dẫn kỹ thuật cho người dân và cán bộ quản lý: Tăng cường nhận thức về lợi ích và cách vận hành hệ thống xử lý nước thải, đảm bảo an toàn vệ sinh và hiệu quả sử dụng. Thời gian đào tạo định kỳ hàng năm, chủ thể là các tổ chức đào tạo và chính quyền địa phương.

4. Nâng cao năng lực giám sát và kiểm soát chất lượng nước tưới: Thiết lập hệ thống quan trắc định kỳ các thông số nước thải và nước tưới, đảm bảo tuân thủ quy chuẩn kỹ thuật quốc gia. Thời gian thực hiện liên tục, chủ thể là các cơ quan môi trường và y tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Cơ quan quản lý môi trường và nông nghiệp: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách, quy chuẩn và hướng dẫn kỹ thuật xử lý nước thải sinh hoạt, phát triển nông nghiệp bền vững.

2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành môi trường, tài nguyên nước: Tham khảo phương pháp xử lý nước thải bằng vật liệu tự nhiên, kỹ thuật phối trộn lớp vật liệu và đánh giá chất lượng nước tưới.

3. Nông dân và hợp tác xã nông nghiệp: Áp dụng kỹ thuật xử lý nước thải và sử dụng nước thải sau xử lý để tưới cây trồng, giảm chi phí phân bón và tăng năng suất.

4. Các tổ chức phi chính phủ và doanh nghiệp trong lĩnh vực xử lý nước thải: Tham khảo mô hình xử lý nước thải chi phí thấp, phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam và Lào để triển khai các dự án xử lý nước thải sinh hoạt.

Câu hỏi thường gặp

1. Nước thải sinh hoạt có thể sử dụng trực tiếp để tưới cây không?
   Không nên sử dụng nước thải chưa qua xử lý để tưới cây do chứa nhiều chất ô nhiễm và vi sinh vật gây bệnh. Nước thải cần được xử lý đạt tiêu chuẩn QCVN 39:2011/BTNMT để đảm bảo an toàn cho cây trồng và sức khỏe con người.

2. Vật liệu tự nhiên nào được sử dụng trong mô hình xử lý nước thải?
   Đất kết von đá ong, than hoạt tính, zeolite và đá vôi là các vật liệu chính được phối trộn theo kỹ thuật MSL để hấp phụ và loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt.

3. Hiệu quả xử lý nước thải của mô hình MSL đạt được bao nhiêu phần trăm?
   Mô hình xử lý giảm COD từ 65-75%, BOD từ 55-70%, tổng nitơ khoảng 60%, photphat trên 90%, và giảm hơn 90% vi sinh vật gây bệnh, đạt tiêu chuẩn quốc gia về nước tưới.

4. Nước thải sau xử lý có thể thay thế phân bón hóa học không?
   Nước thải sau xử lý cung cấp lượng dinh dưỡng tương đương với một phần phân bón ure, superphotphat và kali, giúp giảm đáng kể lượng phân bón hóa học cần sử dụng, góp phần tiết kiệm chi phí và bảo vệ môi trường.

5. Mô hình xử lý nước thải này có thể áp dụng ở đâu?
   Mô hình phù hợp với các khu vực nông thôn, ven đô thị tại Việt Nam và Lào, nơi có nguồn vật liệu tự nhiên sẵn có và nhu cầu xử lý nước thải sinh hoạt để tái sử dụng cho tưới tiêu.

Kết luận

• Mô hình xử lý nước thải sinh hoạt bằng kỹ thuật phối trộn các lớp vật liệu tự nhiên (đất kết von đá ong, zeolite, than hoạt tính, đá vôi) đạt hiệu quả cao trong loại bỏ chất hữu cơ, dinh dưỡng và vi sinh vật gây bệnh.
• Nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn QCVN 39:2011/BTNMT, an toàn cho tưới tiêu các loại cây trồng như lúa, rau và ngô.
• Việc sử dụng nước thải sau xử lý giúp giảm lượng phân bón hóa học, tăng năng suất cây trồng và góp phần bảo vệ môi trường.
• Nghiên cứu có thể áp dụng tại Việt Nam và Lào, phù hợp với điều kiện thực tế và nguồn vật liệu địa phương.
• Đề xuất triển khai mô hình xử lý và sử dụng nước thải trong nông nghiệp, đồng thời nâng cao nhận thức và giám sát chất lượng nước tưới.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các cơ quan quản lý và nông dân áp dụng mô hình xử lý nước thải MSL, đồng thời mở rộng nghiên cứu ứng dụng trong các vùng khác để phát triển nông nghiệp bền vững và bảo vệ môi trường.