Luận văn: Xử lý nước thải nông thôn bằng vật liệu có nguồn gốc từ đất

Luận văn nghiên cứu xử lý nước thải nông thôn bằng vật liệu đất tự nhiên. Khám phá mô hình hiệu quả, chi phí thấp và khả năng tái sử dụng nước thải.

• Tác giả: Nguyễn Tuấn Long
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Hằng Nga
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội, Trung tâm Nghiên cứu Tài nguyên và Môi trường
• Chuyên ngành: Môi trường và phát triển bền vững
• Đề tài: Nghiên cứu xử lý nước thải nông thôn bằng các vật liệu có nguồn gốc từ đất
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về xử lý nước thải nông thôn

Xử lý nước thải nông thôn là một trong những thách thức lớn nhất trong quản lý môi trường hiện nay. Nước thải nông thôn có đặc trưng riêng biệt, chứa các chất ô nhiễm hữu cơ, nitơ, phốt pho và vi khuẩn gây bệnh. Các phương pháp xử lý truyền thống thường tốn kém và không phù hợp với điều kiện kinh tế nông thôn. Do đó, việc tìm kiếm các giải pháp xử lý hiệu quả, tiết kiệm chi phí và bền vững là cấp thiết. Xử lý nước thải bằng vật liệu đất mở ra một hướng đi mới, kết hợp khả năng lọc tự nhiên của đất với công nghệ hiện đại. Phương pháp này không chỉ giải quyết vấn đề ô nhiễm mà còn cho phép tái sử dụng nước sau xử lý cho các mục đích khác nhau trong nông nghiệp.

1.1. Đặc trưng và nguồn gốc nước thải nông thôn

Nước thải nông thôn bao gồm nước thải sinh hoạt từ các hộ gia đình và một phần nước thải từ hoạt động nông nghiệp nhỏ. Thành phần chủ yếu là chất hữu cơ, nitơ, phốt pho và các vi sinh vật. Nồng độ các chất ô nhiễm thường thấp hơn nước thải đô thị nhưng phân tán và khó quản lý. Nước thải nông thôn có tỷ lệ B/C cao, phù hợp với xử lý bằng các phương pháp sinh học tự nhiên.

1.2. Các phương pháp xử lý nước thải hiện nay

Các phương pháp xử lý nước thải hiện nay bao gồm xử lý vật lý, hóa học và sinh học. Tuy nhiên, các phương pháp này thường tốn kém, yêu cầu kỹ thuật cao và tạo ra các sản phẩm phụ gây hại. Xử lý bằng vật liệu đất như đá ong, khoáng sét mang lại hiệu quả cao, chi phí thấp và thân thiện với môi trường, phù hợp với điều kiện kinh tế nông thôn.

II. Vai trò của đất và vật liệu có nguồn gốc từ đất

Đất và các vật liệu có nguồn gốc từ đất như đá ong tự nhiên và khoáng sét có khả năng xử lý chất ô nhiễm thông qua các quá trình vật lý và hóa học phức tạp. Vật liệu đất có cấu trúc lỗ xốp, diện tích bề mặt lớn giúp hấp thụ và chuyển hóa các chất ô nhiễm. Đặc biệt, các khoáng vật trong đất như montmorillonit, aluminium hydroxide có khả năng trao đổi ion mạnh. Những vật liệu này không độc hại, có sẵn tại địa phương, giá thành rẻ và có thể tái sử dụng hoặc thải bỏ một cách an toàn. Công nghệ xử lý nước thải bằng vật liệu đất kết hợp các lớp vật liệu khác nhau tạo nên hệ thống lọc đa tầng hiệu quả.

2.1. Tính chất và cấu trúc của đá ong tự nhiên

Đá ong tự nhiên là một loại đá kết von có nguồn gốc từ đất, có cấu trúc lỗ xốp và xốp giúp hấp thụ nước. Thành phần hóa học chủ yếu gồm silica dioxide, aluminium oxide và các oxide kim loại khác. Đá ong có khả năng giữ nước mạnh, diện tích bề mặt lớn, phù hợp làm vật liệu lọc trong các hệ thống xử lý nước thải.

2.2. Khoáng sét và quá trình xử lý chất ô nhiễm

Khoáng sét như montmorillonit có khả năng trao đổi cation mạnh, giúp loại bỏ các chất dinh dưỡng như nitơ, phốt pho và các kim loại nặng. Cấu trúc tinh thể hai lớp của khoáng sét cho phép các ion chuyển động và trao đổi. Các khoáng vật như bruxit, gibbsit giàu nhôm có khả năng hydro hóa, giúp xử lý chất hữu cơ và vi sinh vật gây bệnh hiệu quả.

III. Hệ thống xử lý nước thải bằng xếp lớp đa tầng

Hệ thống xử lý nước thải xếp lớp đa tầng kết hợp nhiều vật liệu khác nhau tạo nên một quy trình xử lý toàn diện. Hệ thống lọc đa tầng sử dụng vật liệu có nguồn gốc từ đất được sắp xếp theo thứ tự: lớp cát, lớp đá ong, lớp khoáng sét, và các lớp hỗ trợ khác. Mỗi lớp có chức năng riêng: lớp cát loại bỏ chất rắn lơ lửng, lớp đá ong hấp thụ chất dinh dưỡng, lớp khoáng sét xử lý vi sinh vật. Nước đi qua từng lớp được xử lý từng bước, hiệu suất loại bỏ chất ô nhiễm cao. Xử lý nước thải đa tầng có khả năng loại bỏ 70-90% chất hữu cơ, 60-80% nitơ và phốt pho, trên 95% vi khuẩn gây bệnh.

3.1. Cơ chế hoạt động và hiệu suất xử lý

Cơ chế xử lý nước thải bao gồm: lọc cơ học (loại bỏ chất rắn lơ lửng), hấp thụ (xử lý chất dinh dưỡng và chất ô nhiễm hữu cơ), trao đổi ion (loại bỏ cation và anion), và xử lý sinh học (phân hủy chất hữu cơ). Hiệu suất xử lý phụ thuộc vào: loại vật liệu, kích thước hạt, độ sâu lớp lọc và tốc độ dòng chảy. Các nghiên cứu cho thấy hiệu suất loại bỏ nitơ cao hơn so với các công nghệ xử lý nước thải truyền thống.

3.2. Thay đổi các thông số chất lượng nước qua các lớp

Thay đổi chất lượng nước được theo dõi tại các điểm khác nhau trong hệ thống. Nước đầu vào có nồng độ BOD5, COD, nitơ, phốt pho cao. Sau khi đi qua lớp cát, chất rắn lơ lửng giảm 80-90%. Lớp đá ong và khoáng sét làm giảm nitơ, phốt pho lần lượt 60-80%, các vi sinh vật giảm trên 95%. Nước đầu ra đạt tiêu chuẩn sinh hoạt, có thể tái sử dụng cho tưới cây, nuôi cá.

IV. Tái sử dụng nước thải sau xử lý

Sau khi xử lý bằng vật liệu đất, nước thải có thể được tái sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau, góp phần tiết kiệm nước ngọt và bảo vệ môi trường. Tái sử dụng nước thải là một phần quan trọng của kinh tế tuần hoàn. Nước xử lý được có thể dùng cho tưới cây, nuôi cá, rửa nhà vệ sinh mà không gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người hay môi trường. Các thí nghiệm cho thấy nước sau xử lý có chất lượng phù hợp với các tiêu chuẩn tái sử dụng nước. Tái sử dụng nước thải giúp giảm áp lực lên nguồn nước ngọt, tiết kiệm chi phí cấp nước và tạo ra mô hình kinh tế xanh bền vững cho cộng đồng nông thôn.

4.1. Tái sử dụng nước cho nuôi cá và tưới cây

Nước tái sử dụng cho nuôi cá phải có nồng độ nitơ, phốt pho thích hợp để duy trì sinh trưởng cá mà không gây độc. Nước xử lý được kiểm tra chỉ số BOD5, COD, ammonia, nitrit để đảm bảo phù hợp. Tương tự, nước tưới cây cần có nồng độ muối và chất ô nhiễm thấp. Nước từ hệ thống lọc đa tầng đáp ứng tiêu chuẩn này, giúp cây hấp thụ dinh dưỡng tốt hơn, tăng năng suất.

4.2. Tái sử dụng nước sinh hoạt và dự tính chi phí

Tái sử dụng nước sinh hoạt (rửa nhà vệ sinh, bồn cầu) là một bước tiến trong quản lý nước. Nước phải đạt tiêu chuẩn an toàn vi sinh học với E. coli < 1000 CFU/100ml. Dự tính chi phí cho 1 hộ gia đình xử lý nước thải bể lọc 3m³ bao gồm: chi phí xây dựng khoảng 3-5 triệu đồng, vật liệu lọc 1-2 triệu đồng, bảo trì hàng năm 200-500 nghìn đồng, rẻ hơn các hệ thống xử lý khác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan các vấn đề nghiên cứu Chương 2. Địa điểm, thời gian, phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu Chương 3. Kết quả nghiên cứu Kết luận và kiến nghị Phụ lục kết quả nghiên cứu 3 CHƢƠNG I: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.

Nƣớc thải nông thôn và các phƣơng pháp xử lý 1. Đặc trƣng nƣớc thải nông thôn Nước thải nông thôn gồm nước thải sinh hoạt, làng nghề và chăn nuôi, chiếm trên 30% tổng lượng thải trực tiếp ra các sông hồ, hay kênh rạch dẫn ra sông [Nguyễn Quang Vinh, 2016]. Nước thải nông thôn là nước thải đầu ra của các hoạt động sinh hoạt của con người bao gồm cả nước thải xám và nước thải toilet kết hợp với nước thải chăn nuôi gia súc và nước thải sản xuất làng nghề được thải vào hệ thống cống rãnh tiêu thoát nước trước khi xả thải vào hệ thống kênh tiêu. Thành phần nước thải nông thôn gồm 2 loại: - Nước thải nhiễm bẩn do chất bài tiết của con người, gia súc: chuồng trại, toilet; - Nước thải nhiễm bẩn do các chất thải sinh hoạt: cặn bã từ nhà bếp, các chất rửa tẩy, vệ sinh, sàn nhà.

Nước thải sinh hoạt chứa các chất hữu cơ dễ bị phân huỷ sinh học, ngoài ra còn có cả các thành phần vô cơ, vi sinh vật và vi trùng gây bệnh rất nguy hiểm. Chất hữu cơ chứa trong nước thải bao gồm các hợp chất như protein (40-50%); hydrat cacbon (40-50%). Nồng độ chất hữu cơ trong nước thải dao động trong khoảng 150-450mg/l theo trọng lượng khô. Có khoảng 20-40% chất hữu cơ khó bị phân huỷ sinh học.

Ở những khu dân cư đông đúc, điều kiện vệ sinh thấp kém, nước thải sinh hoạt không được xử lý thích đáng là một trong những nguồn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Tính chất của nước thải nông thôn được thể hiện trong Bảng 1.1: Đặc trƣng một số nguồn nƣớc thải tại vùng nông thôn, khu ven đô và làng nghề Mẫu nƣớc đầu vào COD BOD TSS Coliform pH chƣa xử lý (mgO/l) (mgO/l) (mg/L) MPN/100mL Nước thải Mùa 6,4 264,5 183,7 126,7 133.103 4 Mẫu nƣớc đầu vào COD BOD TSS Coliform pH chƣa xử lý (mgO/l) (mgO/l) (mg/L) MPN/100mL sinh hoạt khô làng nghề Mùa Vân Hà - mưa 6,6 260,8 180,6 106,7 130.103 Bắc Giang Nước thải Chăn 7,48 9.103 tại xã Hồng nuôi Hà, Chương Nước Mỹ - HN thải 7,22 5.103 chung Nước thải Tái chế 7,6 252,0 116,7 112,5 110.103 vùng nông giấy thôn ven đô Chăn 7,05 1348,0 671,3 277,9 16.103 và làng nuôi nghề Sinh 7,22 244.103 hoạt Nước thải tập trung trên kênh – xã Minh 6,47 1600,9 960,3 955,9 60.103 Khai – Hoài Đức – Hà Nội Nước thải tập trung 6,82 896,52 537.103 trên kênh – Thị trấn 5 Mẫu nƣớc đầu vào COD BOD TSS Coliform pH chƣa xử lý (mgO/l) (mgO/l) (mg/L) MPN/100mL Lim – Tiên Du - Bắc Ninh. Nước thải chế biến 6,9 1536 783 1594 60.103 tinh bột Tân Hòa Nước thải chế biến 6,7 3236 1456 276 10.103 rượu Đại Lâm Nguồn: [Nguyễn Quang Vinh, 2016] Bảng 1.2: So sánh tính chất nƣớc thải nông thôn với nƣớc thải đô thị TT Thông số ĐVT Nƣớc thải Nƣớc thải QCVN đô thị Nông thôn 14:2008/ BTNMT 1 pH - 6,5-8,5 7,6-8,6 5-9 2 COD mg/L 225-480 120-380 - 3 BOD5 mg/L 150-240 76-200 30 4 TSS mg/L 220 163-330 50 5 PO43--P mg/L - 0,5-3,8 6 6 T-P mg/L 8 1,3-6,4 - 7 NH4+-N mg/L - 3,12-12,6 10 8 T-N mg/L 23,3 7,8-23,2 5 9 Coliforms MPN/100mL - (110-500).000 6 TT Thông số ĐVT Nƣớc thải Nƣớc thải QCVN đô thị Nông thôn 14:2008/ BTNMT 10 E.Coli MPN/100mL - (35-112).103 - Nguồn: [Nguyễn Quang Vinh, 2016] Nhìn chung, nước thải nông thôn có nồng độ chất ô nhiễm thấp hơn nước thải đô thị. Thành phần đặc trưng của nước thải chăn nuôi có hàm lượng hữu cơ, vô cơ, khoáng…hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải chăn nuôi chiếm khoảng 70- 80 %, bao gồm protein, lipid, hydrocacbon và các dẫn xuất như cellulose, acid amin.

Hàm lượng các chất vô cơ chiếm từ 20 - 30% bao gồm đất, cát, bụi muối phosphate, muối nitrat, ion Cl-, SO4 2-, PO4 3-…, lượng Nito, Photpho lớn, có mùi, có màu. Ngoài ra, trong loại nước thải này chứa nhiều vi khuẩn, vi trùng gây bệnh cho con người, ảnh hưởng tới môi trường như E.coli, samonella, shigenla…chúng là tác nhân gây nên bệnh tả, thương hàn, kiết lỵ… Vì vậy, rất cần thiết phải xử lý nước thải chăn nuôi trước khi thải ra môi trường 1. Các phƣơng pháp xử lý nƣớc thải nông thôn Phƣơng pháp Hóa - Lý Bản chất của phương pháp hóa lý là đưa vào nước thải chất phản ứng nào đó để gây tác động với các tạp chất bẩn, biến đổi hóa học tạo thành chất khác dưới dạng cặn hoặc chất hòa tan không độc hại hay không gây ô nhiễm môi trường, trong đó hấp phụ và trao đổi ion là phương pháp hóa – lý thường áp dụng nhất. Hấp phụ: Là một hiện tượng (quá trình) xảy ra khi một chất khí hay chất lỏng bị hút trên bề mặt một chất rắn xốp, gây ra sự tăng nồng độ của một chất trên bề mặt tiếp xúc giữa hai pha (rắn-khí; rắn-lỏng; lỏng-khí).

Quá trình ngược lại của hấp phụ gọi là quá trình giải hấp phụ hay nhả hấp phụ. Trong quá trình hấp phụ có toả ra một nhiệt lượng, gọi là nhiệt hấp phụ, bề mặt càng lớn tức độ xốp của chất hấp phụ càng cao thì nhiệt hấp phụ toả ra càng lớn. 7 Nhiệt độ thấp, tốc độ hấp phụ hoá học chậm. Khi tăng nhiệt độ, tốc độ hấp phụ hoá học tăng nhưng lại làm giảm quá trình hấp phụ vật lý.

Vật liệu hấp phụ thường là có độ rỗng, xốp được đặc trưng bởi kích thước và hình dạng bên trong của khoảng trống và lỗ xốp, được tạo thành do tổng hợp nhân tạo hay tự nhiên. Giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học thật ra khó phân biệt, có khi nó tiến hành song song, có khi chỉ có giai đoạn hấp phụ vật lý tuỳ thuộc tính chất của bề mặt của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, tuỳ thuộc vào điều kiện quá trình (nhiệt độ, áp suất. Trao đổi ion: Là quá trình trao đổi ion dựa trên sự tương tác hóa học giữa ion trong pha lỏng và pha ion trong pha rắn. Trao đổi ion bao gồm các phản ứng hóa học đổi chỗ (phản ứng thế) giữa các ion trong pha lỏng và pha rắn.

Tùy thuộc từng loại vật liệu trao đổi ion mà có sự thế chỗ ion âm hay dương. Vật liệu trao đổi ion có thể là tự nhiên hay nhân tạo có nguồn gốc hữu cơ hay vô cơ, chúng được coi là nguồn tích trữ ion và có khả năng trao đổi được với bên ngoài và thường là dạng rắn không tan trong nước và hầu hết các dung môi hữu cơ. Trên bề mặt chất rắn tồn tại các nhóm chức, trong từng nhóm chức chứa hai thành phần tích điện: Của nhóm chức cố định và của ion linh động có thể trao đổi được. Các loại chất trao đổi ion yếu chỉ có thể tích điện âm ở pH cao đối với cationit và ở pH thấp đối với anionit, nếu không nhóm chức của chúng tồn tại ở trạng thái không phân li, điện tích tổng của nhóm chức bằng không.

Chất trao đổi ion lưỡng tính thì khác, ở vùng pH nhất định chúng thể hiện khả năng trao đổi anion hay cation, chỉ tồn tại ở trạng thái trung hòa tại điểm đẳng. Phƣơng pháp sinh học Dựa vào hoạt động sống của các vi sinh vật để oxi hóa chất bẩn hữu cơ ở dạng keo và dạng hòa tan trong nước thải. Nhóm các vi sinh vật mà trong đó chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng có trong nước thải làm nguồn dinh dưỡng và tạo ra năng lượng. 8 Quá trình phát triển làm chúng sinh sản, tăng sinh khối đồng thời làm sạch các chất hữu cơ ở dạng hòa tan và dạng keo.

Sản phẩm phân hủy của quá trình này là khí CO2, nước, khí nitơ…, Công trình xử lý sinh học chia làm hai nhóm chính: Xử lý trong điều kiện tự nhiên (cánh đồng tưới, cánh đồng lọc, hồ sinh học) và xử lý trong điều kiện nhân tạo (Biofin, aeroten, mương oxi hóa tuần hoàn…). Các công trình xử lý trong điều kiện nhân tạo thường có quá trình xử lý diễn ra nhanh, cường độ mạnh, có khả năng giảm chất hữu cơ BOD 5 từ 40-95% tùy thuộc vào từng công trình và yêu cầu xử lý. Phƣơng pháp cơ học Nhằm mục đích tách các chất không hòa tan và một phần chất keo ra khỏi nước thải. Các công trình cơ học thường là lưới chắn rác, các loại bể lắng, bể lọc.

Phương pháp này có thể loại bỏ đến 60% các tạp chất không hòa tan trong nước thải sinh hoạt và làm giảm 20% BOD5. Trong một công trình có thể diễn ra nhiều phương pháp xử lý, khó có thể tách bạch rõ ràng. Hiệu suất xử lý của một công trình là tổng hợp của tất cả các quá trình diễn ra trong nó. Chức năng của đất trong xử lý ô nhiễm môi trƣờng Do trong đất có chứa những keo mang điện tích, nên có khả năng hấp thụ.

Nếu xử lý đất bằng một muối phân ly trung tính (KCl) thì K + của muối này bị đất hấp phụ và trong dung dịch đất lại xuất hiện một cation khác. Khả năng giữ lại những chất ở trạng thái hòa tan hoặc một phần khoáng chất phân tán ở dạng keo hay những hạt rất nhỏ, vi sinh vật và những thể huyền phù thô khác gọi là khả năng hấp phụ của đất. Khả năng hấp phụ của đất được chia ra 5 dạng sau: 1. Hấp phụ cơ học: Là khả năng đất giữ lại những hạt tương đối thô trong các khe, lỗ hỏng.

Đất là một thể xốp, chứa nhiều lỗ hổng có kích thước khác nhau nên có khả năng giữ lại một cách cơ học những hạt có kích thước lớn hơn kích thước của lỗ hổng, hay các chổ uốn cong của mao quản. Hấp phụ lý học (hấp thụ phân tử): Là khả năng giữ lại những hạt có kích thước nhỏ, những phân tử, nguyên tử trên bề mặt keo đất. Các hạt đất có kích thước nhỏ thường có năng lượng bề mặt lớn. Hấp thụ lý học phụ thuộc nhiều vào thành phần cơ giới, nếu đất nào có nhiều hạt sét (thành phần cơ giới nặng) thì có năng lượng bề mặt lớn do đó khả năng hấp phụ lý học càng lớn.

Hấp phụ hóa học: Là khả năng giữ lại trong đất các chất hoa tan ở dạng kết tủa, không tan, ít tan do kết quả của những phản ứng hóa học xảy ra trong dung dịch đất.