Khoá luận tốt nghiệp nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp lọc sinh học hiếu khí kết hợp với thảm thực vật từ cây phát lộc

Khóa luận nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng lọc sinh học hiếu khí kết hợp thảm thực vật từ cây phát lộc, hiệu quả và thân thiện môi trường.

• Tác giả: Bùi Thái Ninh
• Người hướng dẫn: Ths. Nguyễn Thị Cẩm Thu
• Trường học: Trường Đại học Dân lập Hải Phòng
• Chuyên ngành: Môi trường
• Đề tài: Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng lọc sinh học hiếu khí và cây phát lộc
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Hải Phòng

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
• 1.1. Nước thải sinh hoạt
• 1.1.1. Nước thải và phân loại nước thải
• 1.1.2. Các chỉ tiêu đánh giá nước thải và đặc trưng nước thải sinh hoạt
• 1.1.2.1. Các chỉ tiêu đánh giá nước thải
• 1.1.2.2. Đặc trưng của nước thải sinh hoạt
• 1.2. Các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt
• 1.2.1. Phương pháp cơ học
• 1.2.2. Phương pháp hóa học và hóa lý
• 1.2.3. Phương pháp sinh học
• 1.3. Xử lý nước thải bằng lọc sinh học (BIOFILTER)
• 1.3.1. Lọc sinh học
• 1.3.2. Điều kiện và quá trình làm việc của lọc sinh học
• 1.3.3. Ưu nhược điểm của lọc sinh học khi xử lý nước thải
• 1.4. Xử lý nước thải giàu chất hữu cơ bằng phương pháp lọc sinh học hiếu khí kết hợp thảm thực vật từ cây “phát lộc”
• 1.4.1. Phương pháp xử lí nước thải bằng thảm thực vật
• 1.4.2. Đặc điểm của cây “phát lộc”
• 2. CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 2.1. Đối tượng nghiên cứu
• 2.1.1. Mục đích nghiên cứu
• 2.1.2. Đối tượng nghiên cứu
• 2.1.3. Dụng cụ thiết bị và hóa chất
• 2.1.3.1. Dụng cụ thiết bị
• 2.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2.2.1. Phương pháp khảo sát thực địa
• 2.2.2. Phương pháp lấy mẫu nước thải sinh hoạt
• 2.2.3. Phương pháp Pilot
• 2.2.4. Phương pháp phân tích tổng hợp tài liệu
• 2.2.5. Phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm
• 2.2.5.1. Phương pháp xác định NH4+
• 2.2.5.2. Phương pháp xác định COD
• 2.3. Quy trình thực nghiệm
• 2.3.1. Lọc sinh học
• 2.3.2. Thảm thực vật
• 3. CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Khảo sát đặc tính của nước thải giàu hợp chất hữu cơ
• 3.2. Kết quả xử lí nước thải bằng phương pháp lọc sinh học hiếu khí
• 3.2.1. Kết quả trong quá trình tiến hành xử lý
• 3.2.2. Nhận xét chung
• 3.3. Kết quả quá trình xử lí bổ xung bằng thảm thực vật
• 4. CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Xử lý nước thải sinh hoạt

Xử lý nước thải sinh hoạt là một vấn đề cấp thiết trong bối cảnh đô thị hóa và công nghiệp hóa hiện nay. Nước thải sinh hoạt chứa nhiều chất hữu cơ, vô cơ và vi sinh vật gây ô nhiễm môi trường nếu không được xử lý đúng cách. Các phương pháp xử lý truyền thống như cơ học, hóa học và sinh học đều có ưu nhược điểm riêng. Trong đó, phương pháp sinh học được đánh giá cao do hiệu quả kinh tế và thân thiện với môi trường. Lọc sinh học hiếu khí là một trong những công nghệ tiên tiến, sử dụng vi sinh vật để phân hủy chất hữu cơ trong nước thải.

1.1. Đặc điểm nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt có thành phần phức tạp, bao gồm chất hữu cơ dễ phân hủy (hydratcacbon, protein, chất béo) và chất vô cơ (kim loại nặng, ion). Các chỉ tiêu đánh giá như BOD, COD, pH, và hàm lượng chất rắn giúp xác định mức độ ô nhiễm. Đặc biệt, BOD và COD là hai chỉ số quan trọng để đánh giá khả năng phân hủy sinh học của nước thải. Nước thải sinh hoạt thường có pH từ 7.2 đến 7.6, phù hợp cho quá trình xử lý sinh học.

1.2. Phương pháp xử lý nước thải

Các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt bao gồm cơ học, hóa học và sinh học. Phương pháp sinh học được ưa chuộng do hiệu quả cao và ít gây ô nhiễm thứ cấp. Lọc sinh học hiếu khí là một công nghệ tiên tiến, sử dụng vi sinh vật để phân hủy chất hữu cơ. Quá trình này diễn ra trong điều kiện có oxy, giúp tăng hiệu suất xử lý. Tuy nhiên, phương pháp này cũng có nhược điểm như tốn diện tích và yêu cầu kiểm soát chặt chẽ các điều kiện môi trường.

II. Lọc sinh học hiếu khí

Lọc sinh học hiếu khí là một công nghệ xử lý nước thải hiệu quả, sử dụng vi sinh vật để phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện có oxy. Quá trình này giúp giảm đáng kể các chỉ số BOD và COD trong nước thải. Hệ thống lọc sinh học bao gồm các lớp vật liệu lọc như đá, sỏi hoặc nhựa, nơi vi sinh vật bám dính và phát triển. Ưu điểm của phương pháp này là hiệu quả cao, dễ vận hành và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, nhược điểm là tốn diện tích và yêu cầu kiểm soát chặt chẽ các điều kiện như nhiệt độ, pH và nồng độ oxy.

2.1. Nguyên lý hoạt động

Lọc sinh học hiếu khí hoạt động dựa trên nguyên lý sử dụng vi sinh vật hiếu khí để phân hủy chất hữu cơ trong nước thải. Quá trình này diễn ra trong điều kiện có oxy, giúp tăng hiệu suất xử lý. Các vi sinh vật bám dính trên bề mặt vật liệu lọc, tạo thành màng sinh học. Khi nước thải chảy qua lớp vật liệu lọc, chất hữu cơ được vi sinh vật phân hủy thành CO2, H2O và các sản phẩm khác. Quá trình này giúp giảm đáng kể các chỉ số BOD và COD trong nước thải.

2.2. Ưu nhược điểm

Lọc sinh học hiếu khí có nhiều ưu điểm như hiệu quả xử lý cao, dễ vận hành và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, phương pháp này cũng có một số nhược điểm như tốn diện tích, yêu cầu kiểm soát chặt chẽ các điều kiện môi trường (nhiệt độ, pH, nồng độ oxy) và chi phí đầu tư ban đầu cao. Ngoài ra, quá trình vận hành cần được theo dõi thường xuyên để đảm bảo hiệu quả xử lý.

III. Cây phát lộc trong xử lý nước thải

Cây phát lộc được sử dụng như một giải pháp bổ sung trong xử lý nước thải bằng thực vật. Cây có khả năng hấp thụ các chất dinh dưỡng và kim loại nặng từ nước thải, giúp cải thiện chất lượng nước. Kết hợp lọc sinh học hiếu khí với thảm thực vật từ cây phát lộc mang lại hiệu quả xử lý cao, đặc biệt với nước thải giàu chất hữu cơ. Phương pháp này không chỉ giảm ô nhiễm mà còn tạo cảnh quan xanh, thân thiện với môi trường.

3.1. Đặc điểm của cây phát lộc

Cây phát lộc có khả năng sinh trưởng nhanh, dễ thích nghi với môi trường nước thải. Cây có thể hấp thụ các chất dinh dưỡng như nitơ, photpho và kim loại nặng từ nước thải, giúp giảm ô nhiễm. Ngoài ra, cây phát lộc còn có tác dụng làm đẹp cảnh quan và tạo môi trường sống cho các loài sinh vật khác. Đây là một giải pháp xử lý nước thải thân thiện với môi trường và có chi phí thấp.

3.2. Hiệu quả kết hợp với lọc sinh học

Kết hợp lọc sinh học hiếu khí với thảm thực vật từ cây phát lộc mang lại hiệu quả xử lý cao. Phương pháp này giúp giảm đáng kể các chỉ số BOD, COD và kim loại nặng trong nước thải. Ngoài ra, thảm thực vật còn tạo cảnh quan xanh, thân thiện với môi trường. Đây là một giải pháp bền vững, phù hợp với các khu vực đô thị và khu công nghiệp.

IV. Ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng lọc sinh học hiếu khí và cây phát lộc có giá trị thực tiễn cao. Phương pháp này không chỉ giảm ô nhiễm mà còn tạo cảnh quan xanh, thân thiện với môi trường. Ứng dụng công nghệ này tại các khu đô thị, khu công nghiệp và khu dân cư sẽ góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững. Nghiên cứu cũng mở ra hướng đi mới trong việc kết hợp các phương pháp xử lý nước thải hiệu quả và thân thiện với môi trường.

4.1. Hiệu quả kinh tế

Phương pháp xử lý nước thải bằng lọc sinh học hiếu khí và cây phát lộc có chi phí đầu tư ban đầu thấp, dễ vận hành và bảo trì. Hiệu quả kinh tế được thể hiện qua việc giảm chi phí xử lý nước thải và tạo cảnh quan xanh, thân thiện với môi trường. Đây là một giải pháp bền vững, phù hợp với các khu vực đô thị và khu công nghiệp.

4.2. Bảo vệ môi trường

Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng lọc sinh học hiếu khí và cây phát lộc góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững. Phương pháp này không chỉ giảm ô nhiễm mà còn tạo cảnh quan xanh, thân thiện với môi trường. Ứng dụng công nghệ này tại các khu đô thị, khu công nghiệp và khu dân cư sẽ góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa và tốc độ đô thị hóa nhanh chóng tại Việt Nam đã kéo theo những áp lực lớn đối với môi trường sống, trong đó ô nhiễm môi trường nước là vấn đề nổi cộm. Tại nhiều khu đô thị, hạ tầng thu gom và trạm xử lý nước thải chưa được đầu tư đồng bộ; lượng lớn nước thải sinh hoạt từ các hộ gia đình, khu dân cư, chợ dân sinh chưa qua xử lý được xả trực tiếp vào các kênh rạch, sông ngòi và hệ thống thoát nước chung. Tình trạng này làm suy thoái nghiêm trọng chất lượng nước mặt, nước ngầm, gây ảnh hưởng xấu tới cảnh quan và sức khỏe cộng đồng.

Trong các giải pháp kiểm soát ô nhiễm nước, xử lý sinh học là phương pháp có chi phí đầu tư và vận hành thấp, ít tiêu tốn năng lượng, thân thiện với môi trường và không tạo ra các sản phẩm phụ độc hại như một số phương pháp hóa học hay hóa lý. Phương pháp này tận dụng hoạt động phân giải chất hữu cơ của hệ vi sinh vật và khả năng hấp thụ dưỡng chất của thực vật thủy sinh. Nhằm giải quyết yêu cầu thực tiễn về xử lý nước thải sinh hoạt phân tán có hàm lượng hữu cơ cao, khóa luận tốt nghiệp ngành Môi trường của tác giả Bùi Thái Ninh (năm 2011, Trường Đại học Dân lập Hải Phòng, dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Thị Cẩm Thu) đã triển khai đề tài: "Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp lọc sinh học hiếu khí kết hợp với thảm thực vật từ cây phát lộc".

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể trong văn bản:

1. Đánh giá tính chất ô nhiễm và hàm lượng các hợp chất hữu cơ, chất dinh dưỡng có trong nước thải sinh hoạt thực tế tại địa bàn khảo sát.
2. Thiết kế và chế tạo mô hình thí nghiệm dạng pilot gồm tháp lọc sinh học hiếu khí sử dụng các lớp vật liệu lọc thông dụng (đá, than củi, sỏi, cát) kết hợp bể nuôi thảm thực vật từ cây phát lộc.
3. Khảo sát hiệu quả làm sạch nước thải của hệ thống thông qua việc theo dõi diễn biến nồng độ COD, amoni ($NH_4^+$) và giá trị pH theo thời gian vận hành qua từng bậc lọc.

Đối tượng nghiên cứu của khóa luận là nước thải sinh hoạt có hàm lượng chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học cao, được lấy tại kênh thoát nước thải khu dân cư đường Quán Nam (quận Lê Chân và quận Ngô Quyền, thành phố Hải Phòng). Đây là kênh hở tiếp nhận nước thải sinh hoạt từ các cụm dân cư dọc tuyến đường bao Nguyễn Văn Linh và khu vực họp chợ cóc buổi sáng, hoàn toàn không có nước thải công nghiệp. Phạm vi thực nghiệm được thực hiện trên các đợt lấy mẫu vào tháng 09/2011 (các ngày 19/09/2011, 24/09/2011 và 29/09/2011).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận thiết lập cơ sở lý luận dựa trên lý thuyết xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ sinh học bám dính và đất ngập nước kiến tạo (bãi lọc trồng cây):

• Đặc trưng nước thải sinh hoạt và các chỉ tiêu phân tích: Nước thải sinh hoạt chứa khoảng 52% chất hữu cơ và 48% chất vô cơ cùng vi sinh vật. Tác giả tổng hợp cơ sở lý thuyết về các chỉ số vật lý, hóa lý và sinh học gồm: pH, hàm lượng chất rắn (tổng chất rắn TS, chất rắn lơ lửng SS, chất rắn hòa tan DS, chất rắn bay hơi VS), oxy hòa tan (DO), nhu cầu oxy sinh hóa ($BOD_5$), nhu cầu oxy hóa học (COD), amoni ($NH_4^+$), tổng nitơ (TN), tổng photpho (TP), chỉ số độc tính $LC_{50}$ và vi sinh vật chỉ thị (E. coli). Để áp dụng xử lý sinh học hiếu khí, tỷ số $BOD_5/COD$ cần đạt $\ge 0,5$ và tỷ lệ dinh dưỡng tối ưu $BOD_5:N:P$ thường được duy trì ở mức $100:5:1$. Tiêu chuẩn đối chiếu để đánh giá chất lượng nguồn thải là QCVN 24:2009/BTNMT (Cột B - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp, áp dụng đối với nguồn thải xả vào nguồn tiếp nhận không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt).
• Cơ chế lọc sinh học (Biofilter) dạng nhỏ giọt không ngập nước: Dựa vào hoạt động của màng vi sinh vật (biofilm) dày khoảng 0,1 - 0,4 mm hình thành trên bề mặt các vật liệu mang rắn. Màng gồm ba lớp: ngoài cùng là vi khuẩn hiếu khí (như trực khuẩn Bacillus), lớp trung gian là vi khuẩn tùy tiện (Alcaligenes, Flavobacterium, Micrococcus), và lớp sâu bên trong là vi khuẩn kỵ khí. Khi nước thải tưới nhỏ giọt qua lớp đệm, chất hữu cơ được hấp phụ và phân hủy sinh hóa giải phóng $CO_2$, $H_2O$. Song song đó, quá trình nitrat hóa diễn ra qua hai giai đoạn: vi khuẩn Nitrosomonas oxy hóa amoni thành nitrit ($NH_4^+ + 1,5O_2 \rightarrow NO_2^- + H_2O + 2H^+$) và vi khuẩn Nitrobacter tiếp tục oxy hóa nitrit thành nitrat ($NO_3^-$).
• Cơ chế xử lý bằng thảm thực vật cây phát lộc: Ứng dụng nguyên lý bãi lọc thực vật thủy sinh nhân tạo nhằm loại bỏ tiếp các chất hữu cơ còn lại, nitơ và photpho thông qua sự hấp thụ của rễ cây, sự lắng đọng cơ học và hoạt động chuyển hóa của hệ vi sinh vật quanh vùng rễ (rhizosphere). Cây phát lộc (còn gọi là phất lộc, dân gian gọi là cây sống đời) có đặc tính thân thảo, rễ chùm phát triển khỏe, ưa ẩm, có thể sống ngập nước trong thời gian dài và vận chuyển oxy từ thân xuống rễ tạo nên các tiểu vùng hiếu khí cục bộ.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được tác giả triển khai bao gồm:

• Phương pháp khảo sát thực địa và lấy mẫu: Thu thập mẫu nước thải tại miệng cống xả khu dân cư đường Quán Nam theo các quy định của Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN), bảo quản lạnh và chuyển ngay về phòng thí nghiệm.
• Phương pháp mô hình pilot: Chế tạo hệ thống thử nghiệm quy mô phòng thí nghiệm gồm cột lọc sinh học và bể thảm thực vật để theo dõi các thông số công nghệ.
• Phương pháp tổng hợp, phân tích tài liệu: Kế thừa tài liệu của APHA, GTZ (1989) và Metcalf & Eddy (1991) về đặc trưng nước thải và tính toán công nghệ xử lý.
• Phương pháp phân tích hóa nghiệm:
  • Xác định amoni ($NH_4^+$): Phương pháp so màu quang phổ với thuốc thử Nessler ($K_2HgI_4$) trong môi trường kiềm (có mặt dung dịch Xegnhet $KNaC_4H_4O_6$ và Complexon III để chống kết tủa canxi, magie), phản ứng tạo phức màu vàng nâu $NH_2Hg_2I_3$. Mật độ quang được đo tại bước sóng 425 nm (chương trình 380) sau khi lập đường chuẩn với dung dịch chuẩn $NH_4Cl$ ($5\text{ mg/l}$).
  • Xác định COD: Phương pháp oxy hóa bằng $K_2Cr_2O_7$ dư trong môi trường axit $H_2SO_4$ đặc, sử dụng xúc tác bạc sunfat ($Ag_2SO_4$) và thủy ngân sunfat ($HgSO_4$) để loại bỏ nhiễu của ion clorua ($Cl^-$). Hỗn hợp được phá mẫu trên bếp nung COD ở $150^\circ\text{C}$ trong 2 giờ, sau đó đo mật độ quang ở bước sóng 600 nm (chương trình 440), xây dựng đường chuẩn với dung dịch chuẩn Kali hydro phtalat (KHP).
  • Xác định pH: Đo bằng giấy thử pH chuyên dụng.

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu

Trình bày tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh công nghiệp hóa, đô thị hóa làm gia tăng lượng nước thải sinh hoạt xả thẳng ra nguồn tiếp nhận tại Việt Nam. Khẳng định ưu thế của phương pháp xử lý sinh học không dùng hóa chất, an toàn sinh thái, chi phí thấp và giới thiệu mục tiêu kết hợp lọc sinh học hiếu khí với cây phát lộc.

Chƣơng I: Tổng quan

Cung cấp bức tranh toàn diện về lý thuyết nước thải và công nghệ xử lý:

• Khái niệm, nguồn gốc phát sinh và phân loại nước thải thành nước thải sinh hoạt, công nghiệp, nước thấm qua, tự nhiên và đô thị. Thống kê tải lượng phát sinh nước thải sinh hoạt trung bình tại Việt Nam đạt từ 100 - 150 lít/người/ngày (tính cả sản xuất khoảng 250 lít/người/ngày).
• Dẫn xuất các bảng số liệu kinh điển về thành phần nước thải của GTZ (1989), Metcalf & Eddy (1991) và tiêu chuẩn xả thải theo ngành nghề.
• Phân tích ưu nhược điểm của ba nhóm giải pháp: phương pháp cơ học (song chắn rác, lắng, tuyển nổi, lọc), phương pháp hóa học - hóa lý (trung hòa, keo tụ, khử trùng clo/ozone), và phương pháp sinh học (hiếu khí, kỵ khí, ao hồ tự nhiên, cánh đồng tưới, aerotank, biofilter).
• Phân tích nguyên lý làm việc của tháp lọc sinh học nhỏ giọt không ngập nước: tiết kiệm năng lượng thông khí tự nhiên, giảm công vận hành nhưng dễ tắc nghẽn nếu nước thải chứa cặn thô. Giới thiệu cấu tạo, phân loại bãi lọc thực vật đất ngập nước kiến tạo và các đặc tính sinh học của cây phát lộc.

Chƣơng II: Đối tƣợng, phƣơng pháp và nội dung nghiên cứu

Chi tiết hóa đối tượng nghiên cứu, thiết bị, hóa chất và quy trình thực nghiệm:

• Hóa chất sử dụng: $K_2Cr_2O_7$, $H_2SO_4$ (98,8%), $HgSO_4$, $HgCl_2$, $NaOH$, $KOH$, $NH_4Cl$, $HgI_2$, $KI$, $ZnSO_4$, $Ag_2SO_4$, Kali hydro phtalat (KHP), dung dịch Xegnhet, Complexon III. Thiết bị gồm tủ sấy, bếp nung COD, máy trắc quang phổ kế, cuvet thủy tinh, cân phân tích.
• Trình bày chi tiết quy trình dựng đường chuẩn nồng độ - mật độ quang cho amoni (đo ở bước sóng 425 nm) và COD (chuẩn KHP nồng độ từ 0 đến 1000 mg/l, đo ở bước sóng 600 nm).
• Cấu tạo và thông số kỹ thuật của mô hình pilot lọc sinh học kết hợp thảm thực vật:
  • Cột lọc sinh học nhỏ giọt: chiều cao tổng thể $h_1 = 100\text{ cm}$, đường kính trong $d_1 = 50\text{ cm}$, thể tích hữu dụng $V = 30\text{ lít}$. Chiều cao tầng vật liệu nhồi bên trong là $h_2 = 60\text{ cm}$, xếp thành 4 lớp từ đáy lên đỉnh: lớp đá cuội dày $10\text{ cm}$ ($h_3$), lớp than củi dày $15\text{ cm}$ ($h_4$), lớp sỏi dày $15\text{ cm}$ ($h_5$), và lớp cát lọc dày $20\text{ cm}$ ($h_6$).
  • Bể thực vật xử lý bổ sung: xô nhựa thể tích $40\text{ lít}$, chứa cây phát lộc tươi khỏe, rễ chùm phát triển, mật độ cây chiếm khoảng $1/3$ thể tích xô để đảm bảo không gian trao đổi chất và tiếp xúc dinh dưỡng.
• Quy trình vận hành: Nước thải sau khi gạn lắng sơ bộ được cấp vào đỉnh tháp lọc sinh học, tưới nhỏ giọt qua các lớp đệm. Lấy mẫu phân tích COD, $NH_4^+$ và pH định kỳ 2 giờ, 4 giờ, 6 giờ. Khi giá trị COD của dòng ra tháp lọc giảm về khoảng 300 - 400 mg/l thì mở van xả chuyển nước sang bể nuôi cây phát lộc để xử lý bổ sung và theo dõi chất lượng nước sau 24 giờ.

Chƣơng III: Kết quả và thảo luận

Đánh giá mức độ ô nhiễm đầu vào và hiệu quả xử lý qua từng giai đoạn:

• Phân tích nước thải thô khu dân cư Quán Nam: COD dao động từ 720 - 760 mg/l (vượt giới hạn Cột B QCVN 24:2009/BTNMT từ 7 đến 8 lần), amoni dao động từ 10,34 - 13,55 mg/l (vượt chuẩn 1,3 đến 1,4 lần), pH từ 7 đến 9 (đạt quy chuẩn).
• Kết quả xử lý bằng lọc sinh học hiếu khí qua 3 đợt thí nghiệm:
  • Hàm lượng amoni giảm mạnh: sau 2 giờ lọc, nồng độ $NH_4^+$ ở tất cả các mẫu đều giảm xuống dưới ngưỡng 10 mg/l, đạt tiêu chuẩn xả thải theo QCVN 24:2009/BTNMT. Tuy nhiên, tại các mẫu đợt 2 và 3, ở giai đoạn đầu (từ 0 đến 2 giờ), nồng độ amoni có hiện tượng tăng nhẹ do sự phân hủy hiếu khí các hợp chất protein, axit amin hữu cơ tạo thành $NH_4^+$ trước khi vi khuẩn nitrat hóa chuyển hóa tiếp thành nitrit và nitrat.
  • Hàm lượng COD giảm dần theo thời gian: tại mốc 6 giờ xử lý, mẫu ngày 19/09 giảm từ 760 mg/l xuống còn 411 mg/l (hiệu suất xử lý đạt 46%). Tuy nhiên, nước sau lọc 6 giờ vẫn chưa đạt giới hạn xả thải $100\text{ mg/l}$ của QCVN 24:2009/BTNMT, khẳng định việc bổ sung công đoạn xử lý bằng thảm thực vật là bắt buộc.
  • Phân tích ảnh hưởng của thời gian lưu: nếu kéo dài thời gian lưu nước trong bể lọc đến 24 giờ, hiệu suất khử COD không tăng thêm mà có xu hướng giảm nhẹ do lớp màng vi sinh vật trên giá thể bị già cỗi, tự phân hủy và bong tróc vào dòng nước.

Chƣơng IV: Kết luận và kiến nghị

Tổng kết các kết quả đạt được từ mô hình thực nghiệm và đưa ra các đề xuất nhằm hoàn thiện, ứng dụng công nghệ vào thực tiễn xử lý nước thải sinh hoạt tại chỗ.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã cung cấp số liệu thực nghiệm định lượng về chất lượng nước thải sinh hoạt tại Hải Phòng và hiệu năng xử lý của mô hình pilot lọc sinh học kết hợp thảm thực vật:

Thông số theo dõi	Nước thải đầu vào (Khu Quán Nam)	Sau lọc sinh học hiếu khí (2h)	Sau lọc sinh học hiếu khí (6h)	QCVN 24:2009/BTNMT (Cột B)
pH	7,0 – 9,0	7,2 – 7,6	7,2 – 7,5	5,5 – 9,0
$NH_4^+$ (mg/l)	10,34 – 13,55	< 10 (Đạt quy chuẩn)	Tiếp tục giảm	10
COD (mg/l)	720 – 760	~550 – 600	411 (Hiệu suất đạt 46%)	100

Các kết quả và đóng góp chính của tác giả:

• Chứng minh tính khả thi của mô hình tháp lọc sinh học nhỏ giọt không ngập nước sử dụng hệ vật liệu lọc phân tầng rẻ tiền, sẵn có tại địa phương (đá dăm cuội, than củi, cát, sỏi) trong việc xử lý triệt để amoni (đạt chuẩn xả thải sau 2 giờ vận hành) và loại bỏ gần 50% tải lượng COD sau 6 giờ.
• Đề xuất quy trình công nghệ kết hợp hai bậc: sử dụng tháp biofilter để cắt giảm nhanh hàm lượng hữu cơ thô và nitơ dinh dưỡng đưa COD về khoảng 300 - 400 mg/l, sau đó dùng thảm thực vật cây phát lộc xử lý tinh bổ sung.
• Xác định khả năng thích ứng sinh học của cây phát lộc (Dracaena sanderiana) trong môi trường nước thải sinh hoạt có nồng độ ô nhiễm cao. Đây là loài cây cảnh thông dụng, có hệ rễ chùm dày đặc, sinh trưởng bền bỉ trong nước, giúp giải quyết đồng thời mục tiêu làm sạch môi trường nước và nâng cao giá trị cảnh quan thẩm mỹ tại nơi cư trú.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận ghi nhận một số hạn chế dựa trên điều kiện thực nghiệm được trình bày trong văn bản:

• Mô hình thử nghiệm pilot được vận hành theo chế độ gián đoạn (từng mẻ) ở quy mô phòng thí nghiệm ($30 - 40\text{ lít}$), chưa vận hành dòng chảy liên tục và chưa khảo sát đầy đủ tác động của các chế độ tải trọng thủy lực biến thiên.
• Thời gian khảo sát tương đối ngắn, chỉ thực hiện qua 3 đợt lấy mẫu trong tháng 09/2011; chưa theo dõi được biến động thành phần nước thải theo các mùa trong năm hoặc sự suy giảm hoạt tính của màng sinh học và khả năng tích lũy chất bẩn của cây sau thời gian dài.
• Chỉ tiêu phân tích thực nghiệm chỉ mới tập trung vào COD, $NH_4^+$ và pH; chưa phân tích định lượng đầy đủ các chỉ tiêu quan trọng khác như $BOD_5$, tổng nitơ (TN), tổng photpho (TP), chất rắn lơ lửng (SS) và vi sinh vật chỉ thị (Coliform).
• Hiện tượng bong tróc màng sinh học sau thời gian dài (trên 24 giờ) gây đục nước và làm tăng COD thứ cấp do hệ thống chưa có bể lắng thứ cấp hoàn chỉnh để thu gom màng vi sinh bong tróc.

Các hướng nghiên cứu tiếp được đề xuất:

• Mở rộng nghiên cứu vận hành hệ thống ở chế độ dòng chảy liên tục, xác định tải trọng bề mặt và tải trọng thể tích tối ưu.
• Lắp đặt thêm bể lắng thứ cấp sau bể lọc sinh học để tách hoàn toàn cặn màng vi sinh trôi ra trước khi dẫn nước sang bể thực vật.
• Nghiên cứu khả năng hấp thu các ion khoáng và kim loại nặng của cây phát lộc cũng như vòng đời, thời gian thay thế sinh khối thực vật nhằm duy trì hiệu suất ổn định.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận là tài liệu học thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho:

• Sinh viên và học viên chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường, Quản lý Môi trường, Công nghệ Sinh học Môi trường: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình chế tạo, lắp ráp mô hình pilot lọc sinh học nhiều tầng vật liệu lọc (đá, sỏi, cát, than củi) và kỹ thuật thiết lập thảm thực vật thủy canh trong xử lý nước thải.
• Cán bộ nghiên cứu và kỹ thuật viên phòng thí nghiệm phân tích môi trường: Cung cấp quy trình thực hành chuẩn xác về pha chế hóa chất, xây dựng đường chuẩn trắc quang xác định COD (bằng phương pháp nung bicromat đo ở 600 nm) và amoni (bằng thuốc thử Nessler đo ở 425 nm).
• Các đề tài xử lý nước thải phân tán: Gợi ý giải pháp công nghệ sinh thái quy mô nhỏ, chi phí thấp, tận dụng cây phát lộc làm thảm thực vật cảnh quan cho các khu dân cư nông thôn, biệt thự, hộ gia đình hoặc trạm xử lý nước thải phi tập trung.

Câu hỏi thường gặp

1. Nước thải sinh hoạt tại khu dân cư Quán Nam (Hải Phòng) có mức độ ô nhiễm như thế nào so với quy chuẩn xả thải?

Nước thải sinh hoạt lấy tại miệng kênh Quán Nam có mức độ ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng cao: nồng độ COD dao động từ 720 đến 760 mg/l, vượt từ 7 đến 8 lần so với giới hạn Cột B của QCVN 24:2009/BTNMT ($100\text{ mg/l}$); nồng độ amoni ($NH_4^+$) dao động từ 10,34 đến 13,55 mg/l, vượt từ 1,3 đến 1,4 lần so với quy chuẩn ($10\text{ mg/l}$). Giá trị pH của nước thải nằm trong khoảng 7,0 đến 9,0, đạt giới hạn cho phép.

2. Mô hình cột lọc sinh học pilot trong nghiên cứu có quy cách và cấu tạo vật liệu như thế nào?

Cột lọc sinh học có chiều cao tổng thể $h_1 = 100\text{ cm}$, đường kính $d_1 = 50\text{ cm}$ và thể tích bể $V = 30\text{ lít}$. Chiều cao lớp vật liệu nhồi là $h_2 = 60\text{ cm}$, bao gồm 4 tầng vật liệu xếp từ dưới lên trên: lớp đá dăm cuội dày $10\text{ cm}$ ($h_3$), lớp than củi dày $15\text{ cm}$ ($h_4$), lớp sỏi dày $15\text{ cm}$ ($h_5$), và lớp cát lọc dày $20\text{ cm}$ ($h_6$).

3. Tại sao trong vài giờ đầu sau khi cấp nước vào cột lọc sinh học, nồng độ amoni ở một số mẫu lại tăng lên?

Hiện tượng nồng độ $NH_4^+$ tăng nhẹ ở giai đoạn đầu (từ 0 đến 2 giờ) tại một số mẫu thực nghiệm là do nitơ trong nước thải sinh hoạt ban đầu chủ yếu tồn tại dưới dạng hợp chất hữu cơ (protein, axit amin). Khi nước thải tiếp xúc với màng vi sinh vật, các hợp chất này bị vi khuẩn dị dưỡng phân hủy và amoni hóa tạo ra lượng lớn ion $NH_4^+$. Sau đó, quá trình oxy hóa sinh hóa của các vi khuẩn nitrat hóa (Nitrosomonas và Nitrobacter) mới phát huy tác dụng chuyển hóa amoni thành nitrit và nitrat, làm nồng độ $NH_4^+$ giảm dần.

4. Hiệu quả xử lý COD và amoni qua cột lọc sinh học hiếu khí đạt được mức độ nào?

Sau 2 giờ vận hành lọc, toàn bộ các mẫu nước thải đều có nồng độ $NH_4^+$ giảm xuống dưới $10\text{ mg/l}$, đáp ứng tiêu chuẩn xả thải Cột B của QCVN 24:2009/BTNMT. Đối với chỉ tiêu COD, nồng độ giảm dần và đạt hiệu quả tối ưu tại mốc 6 giờ xử lý (mẫu ngày 19/09 giảm từ 760 mg/l xuống còn 411 mg/l, đạt hiệu suất khử 46%).

5. Tiêu chí nào được tác giả sử dụng để chuyển nước sang bể xử lý bổ sung bằng thảm thực vật cây phát lộc?

Theo quy trình công nghệ đề ra, nước thải sau khi lọc sinh học đạt giá trị COD trong khoảng 300 - 400 mg/l sẽ được mở van dẫn sang bể nuôi cây phát lộc (dung tích 40 lít với mật độ cây chiếm $1/3$ thể tích bể) để tiến hành xử lý bổ sung nhằm tiếp tục hạ thấp COD và các chất dinh dưỡng còn lại đạt tiêu chuẩn xả thải.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Bùi Thái Ninh đã khảo sát thực trạng ô nhiễm nước thải sinh hoạt tại khu dân cư Quán Nam (Hải Phòng) và thực nghiệm thành công mô hình pilot lọc sinh học hiếu khí nhiều tầng vật liệu kết hợp thảm thực vật cây phát lộc. Kết quả cho thấy tháp lọc sinh học nhỏ giọt khử triệt để amoni đạt quy chuẩn xả thải chỉ sau 2 giờ và cắt giảm hiệu quả gần 50% hàm lượng COD sau 6 giờ vận hành. Nghiên cứu khẳng định tiềm năng ứng dụng của cây phát lộc trong các công trình xử lý sinh thái phân tán, vừa giảm thiểu chi phí kỹ thuật vừa tạo cảnh quan thân thiện cho môi trường đô thị.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Đất nước ta đang trên đà phát triển về mọi mặt nhất là trong lĩnh vực công nghiệp hoá, hiện đại hoá nền kinh tế, nhằm đạt mục tiêu chiến lược là trở thành một nước công nghiệp tiên tiến vào năm 2020. Song song với các hoạt động để đạt mục tiêu đó, một trong những nhiệm vụ không thể thiếu phần quan trọng là bảo vệ môi trường và phát triển bền vững nền kinh tế. Trong nhịp điệu phát triển chung của cả nước, các đô thị Việt Nam không ngừng mở rộng và phát triển theo hướng công nghiệp hoá, hiện đại hoá. Tốc độ đô thị hoá ngày càng cao, đời sống của người dân được cải thiện đã làm nảy sinh những vấn đề nghiêm trọng về môi trường.

Công tác bảo vệ môi trường chưa được đầu tư đúng cách, các hoạt động thương mại, dịch vụ, sinh hoạt là nguồn phát sinh ô nhiễm nghiêm trọng cũng chưa được quan tâm. Trong đó ô nhiễm môi trường nước đang là vấn đề đáng báo động. Đặc biệt, tình trạng nước thải sinh hoạt cũng như nước thải công nghiệp chưa được xử lý đã thải trực tiếp vào nguồn tiếp nhận, gây ô nhiễm nghiêm trọng các nguồn nước mặt, nước ngầm, đồng thời tác động xấu đến cảnh quan đô thị và ảnh hưởng trực tiếp đến sức khoẻ con người. Có rất nhiều phương pháp xử lý nước thải, nhưng do tích chất và thành phần của nước thải khác nhau cần lựa chọn phương pháp xử lý cho phù hợp.

Hiện nay, có rất nhiều phương pháp xử lý được đưa ra như phương pháp cơ học, hóa lý, hóa học, sinh học… Trong đó phương pháp sinh học là phương pháp đem lại hiệu quả cao về mặt kinh tế, không để lại nhiều ảnh hưởng tới môi trường, phù hợp và dễ áp dụng ngoài thực tế. Trong một phạm vi nhất định, phương pháp này không cần dùng đến hóa chất mà dùng chính hệ vi sinh vật có sẵn trong nước thải để phân hủy các chất bẩn. Do đó, “Nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp lọc sinh học hiếu khí kết hợp với thảm thực vật từ cây phát lộc” là việc làm cần thiết, đáp ứng được yêu cầu thực tiễn. Sinh viên: Bùi Thái Ninh – MT1101 4 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Dân lập Hải Phòng CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1.

Nƣớc thải sinh hoạt [10 ,11] 1. Nước thải và phân loại nước thải a, Vài nét về nước thải Nước bị ô nhiễm là nước bị thay đổi thành phần trong quá trình tuần hoàn của thủy quyển và qua sử dụng của con người. Nước thải là nước đã quá sử dụng cho các mục đích sinh hoạt,dịch vụ,tưới tiêu,sản xuất,chế biến…Tùy thuộc vào nguồn gốc phát sinh của nước thải mà người ta chia ra làm nhiều loại nước thải khác nhau: nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, nước thải đô thị, nước thấm qua, nước thải tự nhiên. Nước thải có chứa trong nó nhiều thành phần vô cơ, hữu cơ như sinh vật sống (bao gồm sinh vật thủy sinh và vi sinh vật).

Nếu các thành phần này có hàm lượng cao sẽ gây hại cho môi trường sống và con người. Các thành phần chính gây ô nhiễm trong nước thải: - Các chất hữu cơ bền vửng khó phân hủy. - Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy. - Các chất vô cơ, kim loại nặng, ion vô cơ.

- Các chất rắn, chất phóng xạ. - Các chất gây màu, mùi. - Các chất hoạt động bề mặt, dầu mỡ… - Thủy sinh và vi sinh vật. Sinh viên: Bùi Thái Ninh – MT1101 5 Khóa luận tốt nghiệp Trường Đại học Dân lập Hải Phòng Bảng 1.

Thành phần nước thải sinh hoạt phân tích theo các phương pháp của Apha ( GTZ, 1989).