Tổng quan nghiên cứu

Nước rỉ rác (NRR) từ các bãi chôn lấp (BCL) rác là nguồn ô nhiễm nghiêm trọng, đặc biệt tại các thành phố lớn như Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh, nơi tỷ lệ chôn lấp rác sinh hoạt chiếm tới 73-90%. NRR chứa hàm lượng cao các chất ô nhiễm như BOD5, COD, amoni, nitrat, photpho và kim loại nặng, với nồng độ COD có thể lên đến trên 50.000 mgO2/l ở các bãi rác mới. Việc xử lý NRR hiệu quả là thách thức lớn do tính phức tạp của thành phần và chi phí đầu tư cao của các công nghệ hiện đại. Trong bối cảnh đó, công nghệ sinh thái sử dụng bãi lọc trồng cây kiến tạo (constructed wetland) được xem là giải pháp khả thi, vừa thân thiện môi trường, vừa tiết kiệm chi phí vận hành.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào đánh giá hiệu quả xử lý NRR bằng bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang, ứng dụng mô hình mô phỏng Subwet 2.0 để dự báo hiệu quả xử lý và thiết kế mô hình công suất 20 m³/ngày đêm. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào NRR tại bãi rác Nam Sơn, Hà Nội, trong điều kiện khí hậu nhiệt đới. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc đề xuất công nghệ xử lý NRR phù hợp, giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường, bảo vệ nguồn nước và đất đai, đồng thời đáp ứng các tiêu chuẩn xả thải theo QCVN 25:2009/BTNMT cột B2.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết xử lý sinh học trong bãi lọc trồng cây: Quá trình phân hủy chất hữu cơ nhờ vi sinh vật hiếu khí và yếm khí, kết hợp hấp phụ và lắng các chất rắn lơ lửng.
  • Mô hình chuyển hóa Nitơ trong bãi lọc: Quá trình nitrat hóa và denitrat hóa diễn ra trong vùng hiếu khí và yếm khí quanh rễ cây, cùng với sự bay hơi amoniac và hấp thụ của thực vật.
  • Cơ chế loại bỏ photpho và kim loại nặng: Hấp thụ của thực vật, kết tủa hóa học, hấp phụ lên vật liệu lọc và lắng đọng trong lớp trầm tích.
  • Khái niệm bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang: Nước rỉ rác chảy ngầm qua lớp vật liệu lọc có rễ cây, tạo điều kiện cho các quá trình sinh học và hóa học xử lý ô nhiễm.

Các khái niệm chính bao gồm: BOD5, COD, thời gian lưu nước (HRT), tỷ lệ chiều dài và chiều rộng bãi lọc (L:W), quá trình nitrat hóa/denitrat hóa, hấp phụ và kết tủa.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu thành phần và tính chất NRR thu thập từ bãi rác Nam Sơn và các bãi rác tại TP. Hồ Chí Minh, cùng các tài liệu nghiên cứu trong và ngoài nước.
  • Phương pháp phân tích: Phân tích hóa lý các chỉ tiêu như pH, BOD5, COD, NH4+, NO3-, tổng P, kim loại nặng; sử dụng thiết bị chuyên dụng như máy đo pH, quang phổ kế.
  • Phương pháp mô hình hóa: Ứng dụng phần mềm Subwet 2.0 mô phỏng hiệu quả xử lý NRR trong bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang, hiệu chỉnh các thông số như tải trọng hữu cơ (BOD5), nitơ và photpho.
  • Thiết kế mô hình thí nghiệm: Xây dựng mô hình bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang công suất 20 m³/ngày đêm, sử dụng các loại cây như cỏ vetiver và sậy, kết hợp tiền xử lý hóa lý (keo tụ, kết tủa) trước khi đưa nước vào bãi lọc.
  • Timeline nghiên cứu: Thu thập và phân tích mẫu nước rỉ rác trong các tháng 2-3/2014, tiến hành thí nghiệm và mô phỏng trong vòng 6 tháng.

Phương pháp chọn mẫu dựa trên lấy mẫu định kỳ tại các điểm đầu vào và đầu ra của hệ thống xử lý, đảm bảo độ tin cậy và đại diện cho điều kiện thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả xử lý chất hữu cơ (BOD5, COD): Sau quá trình tiền xử lý hóa lý và xử lý sinh học bằng bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang, nồng độ BOD5 giảm từ khoảng 2000 mg/l xuống dưới 20 mg/l, đạt hiệu suất xử lý trên 90%. COD giảm từ trên 9.000 mg/l xuống dưới 300 mg/l, tương ứng hiệu quả xử lý khoảng 95%.

  2. Loại bỏ hợp chất Nitơ: Nồng độ NH4+ giảm đáng kể từ 800 mg/l xuống còn khoảng 25 mg/l, đạt tiêu chuẩn QCVN 25:2009/BTNMT cột B2. Hiệu suất khử nitơ tổng thể đạt 40-60%, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về bãi lọc dòng chảy ngang.

  3. Giảm photpho tổng (TP): Nồng độ photpho tổng giảm từ 30 mg/l xuống dưới 10 mg/l, hiệu suất xử lý đạt khoảng 65-70%. Quá trình hấp phụ và kết tủa trên vật liệu lọc đóng vai trò chính trong việc loại bỏ photpho.

  4. Loại bỏ chất rắn lơ lửng (TSS): TSS giảm từ 2.000 mg/l xuống dưới 20 mg/l, hiệu quả xử lý đạt trên 98%, nhờ cơ chế lắng và lọc trong bãi lọc.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô hình thí nghiệm và mô phỏng Subwet 2.0 cho thấy bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang có khả năng xử lý hiệu quả các chỉ tiêu ô nhiễm chính trong nước rỉ rác, đặc biệt là các chất hữu cơ và hợp chất nitơ. Việc kết hợp tiền xử lý hóa lý giúp giảm tải lượng ô nhiễm đầu vào, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình sinh học trong bãi lọc.

So sánh với các nghiên cứu trên thế giới, hiệu suất xử lý BOD5 và COD của mô hình nghiên cứu tương đương hoặc cao hơn, trong khi hiệu quả khử nitơ và photpho phù hợp với các hệ thống tương tự tại Na Uy và Thụy Điển. Sự khác biệt về hiệu suất xử lý photpho có thể do đặc tính vật liệu lọc và điều kiện vận hành.

Biểu đồ thể hiện sự giảm dần nồng độ BOD5, NH4+ và TP theo chiều dài bãi lọc minh họa rõ ràng quá trình xử lý diễn ra hiệu quả. Bảng so sánh chất lượng nước đầu vào và đầu ra cho thấy các chỉ tiêu đều đạt hoặc vượt mức yêu cầu của QCVN 25:2009/BTNMT cột B2.

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý bao gồm tỷ lệ L:W của bãi lọc (khuyến nghị ≥ 10:1), thời gian lưu nước (HRT), loại cây trồng (cỏ vetiver và sậy có khả năng chịu đựng và hấp thụ cao), cũng như điều kiện khí hậu nhiệt đới thuận lợi cho hoạt động vi sinh vật.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng hệ thống bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang quy mô công nghiệp với công suất tối thiểu 20 m³/ngày đêm, áp dụng tại các bãi rác lớn như Nam Sơn, nhằm xử lý nước rỉ rác đạt tiêu chuẩn QCVN 25:2009/BTNMT cột B2. Chủ thể thực hiện: các cơ quan quản lý môi trường và doanh nghiệp xử lý chất thải. Thời gian triển khai: 12-18 tháng.

  2. Tăng cường tiền xử lý hóa lý trước khi đưa nước rỉ rác vào bãi lọc để giảm tải lượng chất ô nhiễm, nâng cao hiệu quả xử lý sinh học. Động tác này giúp giảm chi phí vận hành và kéo dài tuổi thọ bãi lọc.

  3. Lựa chọn và duy trì các loài cây phù hợp như cỏ vetiver và sậy, có khả năng chịu đựng cao, hấp thụ kim loại nặng và hỗ trợ quá trình nitrat hóa/denitrat hóa. Chủ thể thực hiện: đơn vị vận hành và nghiên cứu môi trường. Thời gian theo dõi và bảo dưỡng: liên tục trong quá trình vận hành.

  4. Áp dụng mô hình mô phỏng Subwet 2.0 để thiết kế, hiệu chỉnh và dự báo hiệu quả xử lý trước khi xây dựng hệ thống thực tế, giúp tối ưu hóa chi phí và hiệu quả vận hành. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và đơn vị tư vấn kỹ thuật.

  5. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho cán bộ vận hành về công nghệ bãi lọc trồng cây, quy trình vận hành và bảo trì để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và bền vững.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà quản lý môi trường đô thị và bãi rác: Nhận diện công nghệ xử lý nước rỉ rác hiệu quả, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

  2. Các kỹ sư và chuyên gia kỹ thuật môi trường: Áp dụng kiến thức về bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang trong thiết kế và vận hành hệ thống xử lý nước thải sinh thái.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật môi trường: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, mô hình mô phỏng và kết quả thực nghiệm để phát triển các đề tài liên quan.

  4. Doanh nghiệp xử lý chất thải và công nghệ môi trường: Tìm hiểu giải pháp công nghệ thân thiện, chi phí thấp, phù hợp với điều kiện Việt Nam để đầu tư và triển khai.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang là gì?
    Là hệ thống xử lý nước thải sinh thái, trong đó nước rỉ rác chảy ngầm qua lớp vật liệu lọc có rễ cây, tạo điều kiện cho vi sinh vật phân hủy chất ô nhiễm. Ví dụ, mô hình này đã được áp dụng thành công tại nhiều nước châu Âu và Việt Nam.

  2. Hiệu quả xử lý BOD5 và COD của bãi lọc trồng cây đạt bao nhiêu?
    Nghiên cứu cho thấy hiệu suất xử lý BOD5 và COD đạt trên 90-95%, giảm nồng độ BOD5 từ khoảng 2000 mg/l xuống dưới 20 mg/l, phù hợp tiêu chuẩn xả thải.

  3. Loại cây nào thích hợp cho bãi lọc trồng cây?
    Cỏ vetiver và sậy là hai loại cây phổ biến, có khả năng chịu đựng điều kiện khắc nghiệt, hấp thụ kim loại nặng và hỗ trợ quá trình xử lý sinh học.

  4. Mô hình Subwet 2.0 có vai trò gì trong nghiên cứu?
    Subwet 2.0 là phần mềm mô phỏng hiệu quả xử lý nước rỉ rác trong bãi lọc trồng cây, giúp thiết kế và tối ưu hệ thống trước khi xây dựng thực tế.

  5. Chi phí xây dựng và vận hành bãi lọc trồng cây như thế nào?
    So với các công nghệ xử lý nước rỉ rác khác, bãi lọc trồng cây có chi phí đầu tư và vận hành thấp, sử dụng năng lượng mặt trời và vật liệu tự nhiên, phù hợp với điều kiện tài chính của nhiều địa phương.

Kết luận

  • Bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang là giải pháp hiệu quả, thân thiện môi trường để xử lý nước rỉ rác tại các bãi chôn lấp ở Việt Nam.
  • Hiệu suất xử lý BOD5, COD, NH4+, tổng P và TSS đạt mức cao, đáp ứng tiêu chuẩn QCVN 25:2009/BTNMT cột B2.
  • Mô hình mô phỏng Subwet 2.0 hỗ trợ thiết kế và dự báo hiệu quả xử lý, giúp tối ưu hóa hệ thống.
  • Việc lựa chọn cây trồng phù hợp và duy trì điều kiện vận hành là yếu tố then chốt đảm bảo hiệu quả lâu dài.
  • Đề xuất triển khai hệ thống quy mô công nghiệp tại các bãi rác lớn trong vòng 12-18 tháng, đồng thời đào tạo nhân lực vận hành.

Hành động tiếp theo: Các cơ quan quản lý và doanh nghiệp xử lý chất thải cần phối hợp triển khai nghiên cứu mở rộng, áp dụng công nghệ bãi lọc trồng cây để giảm thiểu ô nhiễm nước rỉ rác, bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.