Dự thảo tóm tắt Luận án - Nghiên cứu ứng dụng phương pháp đất ngập nước nhân tạo xử lý nước thải sinh hoạt ở thành phố Đông hà, tỉnh Quảng Trị

Loan Phản biện: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Phản biện: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Phản biện: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia chấm Luận án Tiến sĩ họp tại Trường ĐHKH Tự nhiên vào hồi giờ .. ngày .. tháng năm 2017. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam; - Trung tâm Thông tin - Thư viện, Đại học Quốc gia Hà Nội MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Nước thải sinh hoạt (NTSH) thành phố Đông Hà, tỉnh Quảng Trị có lưu lượng 6.248 m3/ngày và đang xả trực tiếp ra môi trường. Là một đô thị nhỏ và có tiềm lực kinh tế hạn chế, Đông Hà cần lựa chọn công nghệ xử lý nước thải (XLNT) có chi phí đầu tư thấp. Đất ngập nước nhân tạo (CW) là một trong những phương phương pháp XLNT linh động, chi phí thấp và thân thiện môi trường. CW đã được nghiên cứu và áp dụng khá khá nhiều, tuy nhiên việc ứng dụng cho một địa phương với điều kiện môi trường và quy chuẩn xả thải cụ thể đòi hỏi có nghiên cứu chi tiết. Ngoài ra, sử dụng vật liệu lọc và cây trồng địa phương (chưa được nghiên cứu) cũng mở ra cơ hội để cải thiện, nâng cao hiệu quả và khả năng ứng dụng CW cho một loại nước thải cụ thể. Từ đó, tác giả thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng phương pháp đất ngập nước nhân tạo xử lý nước thải sinh hoạt ở thành phố Đông Hà, tỉnh Quảng Trị”. 2. Mục tiêu nghiên cứu Đánh giá được khả năng xử lý NTSH bằng phương pháp CW; Đưa ra được mô hình CW, xử lý NTSH thành phố Đông Hà đạt tiêu chuẩn (Cột B, QCVN 14: 2008/BTNMT) 3. Luận điểm khoa học Còn nhiều “lỗ hổng” trong các nghiên cứu về CW: Thứ nhất, cây trồng, vật liệu lọc và các thông số hoạt động chi phối và ảnh hưởng lớn đến CW. Các nhân tố này luôn thay đổi, và các kết quả công bố có mức độ biến động lớn. Thứ hai, các quá trình loại bỏ chất ô nhiễm chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi yếu tố địa phương. Thứ ba, sự khác nhau về yêu cầu xử lý dẫn đến các đòi hỏi khác nhau về kiểu mô hình và yêu cầu thiết kế CW. 1 Đề tài giải quyết các câu hỏi: 1) Ứng dụng mô hình CW nào có hiệu suất xử lý tốt hơn; 2) Cây trồng nào thích nghi và có hiệu quả cao; 3) Thông số thiết kế và vận hành nào phù hợp với NTSH. 4. Nội dung nghiên cứu Khảo sát hiện trạng NTSH thành phố Đông Hà; Nghiên cứu khả năng loại bỏ ô nhiễm của các kiểu CW. Đề xuất mô hình CW xử lý nước thải tp Đông Hà. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: Luận án đưa ra dữ liệu nghiên cứu về CW xử lý NTSH trong điều kiện khí hậu Việt Nam. Ý nghĩa thực tiễn: Luận án góp phần đưa ra phương án lựa chọn khả thi và có thể ứng dụng cho việc XLNT tp Đông Hà, tỉnh Quảng Trị. 6. Những đóng góp mới của đề tài Xác định được khả năng xử lý và thích nghi của cây môn nước, môn đốm và phát lộc trong môi trường CW. Đây là các loại cây chưa được nghiên cứu và công bố nhiều trên thế giới và Việt Nam CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 1.1. Nước thải sinh hoạt và công nghệ xử lý 1.1.1. Đặc trưng nước thải sinh hoạt NTSH Việt Nam rất khác nhau giữa các địa phương, hầu hết vượt quá tiêu chuẩn. BOD5 và COD ở Đà Lạt và Buôn Ma Thuột (200 – 300 mg/L) cao hơn Hà Nội và tp Hồ Chí Minh từ 3 – 5 lần. 1.1.2. Công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt Trước đây (1980s): loại bỏ BOD5, TSS, và VSV với công nghệ SH truyền thống như bùn hoạt tính. Gần đây: loại bỏ dinh dưỡng, vi khuẩn, kim loại nặng với công nghệ cao, hợp khối, UV, Nano Ở Việt Nam, các nhà máy xử lý NTSH tập trung của các đô thị chủ yếu áp dụng bùn hoạt tính hoặc bùn hoạt tính kết hợp (WB, 2003). 2 1.2. Đất ngập nước nhân tạo 1.2.1. Giới thiệu CW là một hệ thống, mô phỏng hệ sinh thái đất ngập nước tự nhiên để cải thiện chất lượng nước và xử lý nước thải. 1.2.1.1. Mô hình dòng chảy tự do bề mặt (FWS) FWS có dòng chảy trên mặt nhiều hơn dòng chảy dưới bề mặt. FWS thường dùng xử lý hoàn thiện sau bậc 2, bậc 3 (Hình 1.1). Hình 1.1: Đất ngập nước nhân tạo dòng chảy tự do bề mặt 1.2.1.2. Mô hình dòng chảy ngang (HF) Trong HF, nước cấp chảy chủ yếu theo chiều ngang, song song với mặt nước. HF xử lý tốt đối với với BOD5 và SS (Hình 1.2). Hình 1.2: Đất ngập nước nhân tạo dòng chảy ngang 1.2.1.3. Mô hình dòng chảy thẳng đứng (VF) VF cấp nước theo chiều thắng đứng. VF loại bỏ tốt chất hữu cơvà TSS nhưng hạn chế quá trình phản nitrat (Hình 1.3). 3 Hình 1.3: Đất ngập nước dòng chảy thẳng đứng 1.2.1.4. Mô hình tích hợp (ICW) ICW là kết hợp HF, VF và FWS thành các kiểu bố trí khác nhau. ICW tăng hiệu quả, cân bằng ưu điểm và nhược điểm các CW. 1.2.2. Thành phần 1.2.2.1. Nước CW thiếu nước ảnh hưởng đến thực vật, VSV và hiệu quả. Nước đi vào CW bằng nguồn cấp dòng vào (nước thải) và mưa. 1.2.2.2. Chất nền Chất nền gồm: cát, sỏi, đất, đá và vật liệu nhân tạo (bùn phèn nhôm, sét trương nở nhẹ). Ngày nay, CW không dùng đất hoặc vật liệu có kích thước nhỏ làm vật liệu nền. 1.2.2.3. Thực vật Hiện nay, 150 loài đã dùng CW và phổ biến nhất là cây sậy (Phragmites spp.), cỏ nến (Typha spp.), cói (Scirpus spp.). TV góp phần giảm tốc độ dòng nước, tăng lắng, giảm tảo 1.2.2.4. Vi sinh vật Vi sinh vật (VSV) oxy hóa hợp chất hữu cơ, chuyển hóa N, P và ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ của cây. VSV trong trong CW bao gồm các loài hiếu khí, yếm khí và tùy nghi. 4 1.2.3. Cơ chế xử lý 1.2.3.1. Giới thiệu Quá trình loại bỏ chất ô nhiễm trong CW gồm: lắng; chuyển hóa hóa học; lọc; kết tủa hóa học; phá hủy, chuyển hóa bởi VSV và TV. 1.2.3.2. Cơ chế loại bỏ chất rắn lơ lửng Bằng quá trình lắng, hấp thụ vào màng sinh học và tái phân tán trong CW. Quá trình phân tán có thể làm tăng SS trong nước đầu ra. 1.2.3.3. Cơ chế chuyển hóa hợp chất hữu cơ - Quá trình tách vật lý: Hạt cỡ lớn/keo được tách như TSS. Bay hơi cũng góp phần vào làm giảm hợp chất hữu cơ. - Quá trình chuyển hóa sinh học: Đây là quá trình quan trọng nhất để giảm BOD và nhân tố thúc đẩy là VSV. 1.2.3.4. Cơ chế chuyển hóa nitơ Nitơ trong CW chủ yếu được xử lý bằng quá trình nitrat – phản nitrat hóa. Ngoài ra, còn có hấp thụ, hấp phụ và bay hơi. 1.2.3.5. Cơ chế chuyển hóa phốt pho Phốt phát hạt lắng xuống đáy hoặc kết dính vào thực vật hoặc màng SH và dạng hòa tan hấp thụ vào màng SH. 1.2.3.6. Cơ chế loại bỏ mầm bệnh Cơ chế gồm: hấp phụ VSV gây bệnh, tia UV khử mầm bệnh, vi khuẩn đơn bào, thực khuẩn... ăn VSV gây bệnh. 1.2.4. Động học và mô hình loại bỏ ô nhiễm 1.2.4.1. Mô hình hằng số tốc độ phản ứng Mô hình động học bậc Bậc 1 đã được ứng dụng khá phổ biến. Tuy nhiên, điều kiện hoạt động và các yếu tố không được phản ánh đầy đủ trong mô hình này. Do đó, mô hình kết hợp Bậc 1 với các giả thiết kiểu dòng chảy đẩy (PFR/Plus Flow Reactor) và dòng chảy rối liên tục (CSTR/Continuously Stirring Reactor Tank) có hiệu quả hơn. Trong nghiên cứu ngày, tác giả đề cập đến 03 mô hình động học kết hợp như sau: 5 - Mô hình bậc 1 với C* và PFR (dòng chảy đẩy): ∗ Ln ∗ = / (1) - Mô hình bậc 1 với CSTR (dòng chảy rối) (C − C) = C/ (2) - Mô hình Monod với CSTR ( − )( + ) = / (3) Trong đó: 2 k1 (m/ng), k2 (m/ng), k3 (g/m .ngày) là hằng số loại bỏ bậc 1; Ci là nồng độ đầu vào (mg/L); Co là nồng độ đầu ra (mg/L); HLR là thời gian lưu. HLR = Q/A (ngày); C* nồng độ nền; Ch là hằng số bán bão hòa giới hạn (mg/L). 1.2.4.2. Mô hình hồi quy tuyến tính Mô hình hồi quy tuyến tính đa biến (MR/mutilple regression) được biểu diễn bằng phương trình sau: y = α + β1 x1 + β2 x2 + + βp xp Co hoặc Lr = f (Ci, HLR, Li) Trong đó: y là biến phụ thuộc (giải thích) (Co and Lr); xi,p là biến độc lập (được giải thích) (Ci, Li and q); βi,p là hệ số tuyến tính; α là “chặn” (intercept); Ci là nồng độ đầu vào (mg/L); Co là nồng độ đầu ra (mg/L); HLR là tải trọng thủy lực (m/ngày); 2 2 Li là tải lượng vào (g/m .ngày Lr là tải lượng loại bỏ (g/m .ngày). 1.3. Cải thiện hiệu suất của đất ngập nước nhân tạo 1.3.1. Cấp khí chủ động và bị động Tăng cường O2 cho hệ thống CW bằng các kĩ thuật như: hệ thống “hút” khí chủ động tự nhiên, tháp “lai” và cấp khí nhân tạo. 6 1.3.2. Tuần hoàn nước thải Tuần hoàn làm tăng thời gian tiếp xúc giữa nước thải và CW và tăng hiệu quả, cần thiết đối với nước thải ô nhiễm cao. Ngoài ra, hồi lưu còn làm gia tăng nồng độ oxy tự do trong CW. 1.3.3. Cấp nước gián đoạn Cấp nước theo mẻ, chu kì tạo môi trường hiếu, thiếu và kị khí trong CW, thúc đẩy loại bỏ hợp chất hữu cơ và dinh dưỡng. Cấp nước theo mẻ có thể cấp bảo hòa bề mặt hoặc làm đầy – khô. 1.3.4. Thiết kế tối ưu Các nghiên cứu xếp chồng các đơn nguyên hoặc tháp “lai” đã được thực hiện nhằm làm giảm diện tích bề mặt và tăng hiệu quả. 1.4. Nghiên cứu và ứng dụng đất ngập nước nhân tạo 1.4.1. Trên thế giới CW bắt đầu nghiên cứu ứng dụng vào những năm 1980 và phát triển mạnh vào đầu những năm 1990. Giai đoạn này chủ yếu là FWS (Bắc Mỹ) và HF (Châu Âu) sử dụng chủ yếu cho sử lý nước thải đô thi. Từ 1990s, CW mở rộng Châu Á, Úc và Phi. Giai đoạn này sử dụng nhiều VF và ICW, và mở rộng với nhiều loại nước thải. 1.4.2. Ở Việt Nam Nghiên cứu và ứng dụng CW chưa nhiều. Các nghiên cứu các tác giả như Nguyễn Thị Loan (2005), Nguyễn Việt Anh và nnk (2010), Ngô Thụy Diễm Trang và nnk (2010, 2012)... sử dụng CW xử lý NTSH, nuôi trồng thủy sản và làng nghề. Một số cơ sở sản xuất đã dùng CW vào XLNT: nhà máy chế biến thủy sản – Cty cổ phần xuất khẩu thủy sản 2, tỉnh Quảng Ninh); Công trình CW, kị khí và hồ SH, xử lý NTSH tại phường Bách Quang, thị xã Sông Công (tỉnh Thái Nguyên); công trình CW hoàn thiện của nhà máy Dệt may Hòa Thọ, Đà Nẵng... 7 CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là NTSH ở tp Đông Hà, tỉnh Quảng Trị và mô hình CW. NTSH được hiểu là nước thu gom từ các hộ gia đình, văn phòng và hoạt động thương mại, không bao gồm nước thải sản xuất. Phạm vi của nghiên cứu này là tp Đông Hà, tỉnh Quảng Trị. Cụ thể là nước thải tại cống thải phường 1 (16°49'30.4" Vĩ độ Bắc 107°05'38.5" Kinh độ Đông) và phường Đông Lễ (thuộc đường Lê Lợi, 16°48'27.3" Vĩ độ Bắc và 107°06'40.4" Kinh độ Đông). 2.2. Phương pháp nghiên cứu 2.2.1. Phương pháp lấy, xử lý và phân tích mẫu Trong nghiên cứu thí nghiệm: Mẫu 3 ngày 1 lần, 12 tuần. Thông số: pH, BOD5, TSS, NH4-N, NO3-N, PO4-P, Tcol. Mô hình ở thực địa: Mẫu 1 lần/tuần, 06 tháng. Thông số: pH, BOD5, TSS, NH4-N, TN, NO3-N, COD, PO4-P, Tcol. 2.2.2. Phương pháp thực nghiệm 2.2.2.1. Nghiên cứu ở quy mô phòng thí nghiệm a. Bố trí thí nghiệm: Nghiên cứu quy mô thí nghiệm gồm 4 hệ thống: 2 hệ thống chính gồm: Hệ thống I gồm 03 bể theo thứ tự HF (03 bể), VF và FWS và hệ thống II gồm 03 bể, thứ tự VF, HF (03 bể) và FWS. 2 hệ thống bể đối chứng gồm: III (bể không trồng cây) và IV (bể không trồng cây và không có lớp vật liệu lọc) (Hình 2.1). Chi tiết cấu tạo các bể được thể hiện ở Hình 2.2. 8 Hình 2.1: Sơ đồ bố trí nghiên cứu quy mô phòng thí nghiệm Hình 2.2: Chi tiết các bể thí nghiệm b. Kích thước và vật liệu: Kích thước (Dài x Rộng x Cao) (cm): VF (70 x 50 x 40); HF (70 x 50 x 60). FWS thể tích 80L, D 48,5 cm, cao 54,5 cm (Hình 2.2). Vật liệu lọc gồm đá, sỏi được sắp xếp thành 3 lớp: + Lớp dưới: cỡ hạt 3 – 8 cm. Chiều cao trong HF là 20; VF là 30 cm + Lớp giữa: cỡ hạt 1 – 3 cm. Chiều cao trong HF là 15, VF là 20 cm. + Lớp trên: cỡ hạt 0,1 – 0,9 cm. Chiều cao HF là 15, VF là 20 cm. c. Cây trồng: 9 + Cây chuối hoa (Canna indica) trong VF; + Cây môn nước (Colocasia esculenta) trong bể HF1; + Cây môn đốm (Caladium bicolor) trong bể HF2; + Cây phát lộc (Dracaena sanderiana) trong HF3; + Cây hoa súng (Nymphaea pubescens) được trồng FWS. d. Thông số vận hành: Thông số vận hành gồm tải trọng thủy lực (HLR), thời gian lưu (HRT) và lưu lượng (Q), được thể hiện trong Bảng 2.1. Bảng 2.1: Tổng hợp thông số vận hành mô hình thí nghiệm Thông số vận hành Giai đoạn vận hành 1 2 Q (Lít/ngày) (L/ng) 80 160 HLR (mét/ngày) (m/ng) 0,05 0,1 HRT (ngày) 3,65 1,82 2.2.2.2. Nghiên cứu ở quy mô thực địa a. Sơ đồ và vị trí bố trí thí nghiệm: Nghiên cứu quy mô thực địa là hệ thống 2 giai đoạn, gồm: bể VF và HF (Hình 2.3). Mô hình đặt tại cống thải chính, giao cắt tại đường Lê Lợi, phường Đông Lễ, thành phố Đông Hà, tỉnh Quảng Trị. Hình 2.3: Sơ đồ bố trí thí nghiệm thực địa b. Kích thước và vật liệu: 10 - Kích thước: + Bể VF có kích thước: 1,2/1,2/1,2 (Dài/rộng/cao); + Bể HF: 3,0/1,0/1,0 (m) (Dài/rộng/cao) - Vật liệu lọc: như trong mô hình thí nghiệm (Mục 2.2.2.1,b). c. Các loại cây trồng: Chuối hoa trồng trong bể VF và cây môn nước ở bể HF. d. Thông số vận hành của mô hình: Bảng 2.2: Tổng hợp các thông số vận hành Thông số vận hành Giai đoạn vận hành 1 2 3 Q (m3/ng) 0,444 0,888 0,666 HLR (m/ng) 0,1 0,2 0,15 HRT (ngày) 2,65 1,32 1,76 2.2.3. Phương pháp phân tích và xử lý số liệu Phân tích thống kê mô tả, phương sai và vẽ biểu đồ dùng phần mềm R (version 3.2.2). Sử dụng t test và phân tích ANOVA (Tukey HSD) để kiểm định thống kê, độ tin cậy 95%. Phương pháp LMG (Lindeman, Merenda and Gold) sử dụng để xác định mức độ quan trọng của các biến và phương pháp Bayes (BMA) được sử dụng để đánh giá và lựa chọn mô hình MR tối ưu. Phương trình tối ưu là phương trình có R2 (hệ số xác định) cao, BIC (tiêu chuẩn thông tin Bayes) thấp và PP (xác suất hậu định) cao). CHƯƠNG 3 – KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1. Hiện trạng và tính chất nước thải thành phố Đông Hà 3.1.1. Thành phần và tính chất Kết quả phân tích mẫu NT qua các đợt khảo sát có khoảng giá trị: BOD5 103 - 289; TSS 131 - 460; NH4-N 4,83 - 35,1 (mg/L). Thông số TSS, BOD5, NH4-N và Tcol cao hơn QCVN 14/2008/BTNMT và đạt mức trên trung bình so với nước thải đầu vào các nhà máy XLNT tập trung ở các thành phố Việt Nam. 11 3.1.2. Hiện trạng thu gom và xử lý NTSH tp Đông Hà vẫn chưa được xử lý và thoát bằng cống hỗn hợp. Hệ thống thoát nước chia làm 14 lưu vực và khá tách biệt. Nước thải của thành phố chủ yếu là các hộ gia đình, công sở hoặc cơ sở kinh doanh, dịch vụ. NT công nghiệp và y tế được xử lý riêng. 3.2. Kết quả nghiên cứu quy mô phòng thí nghiệm 3.2.1. Đặc trưng nước thải đầu vào Nồng độ nước thải đầu vào khá cao: BOD5 = 209, TSS = 192, NH4-N = 35,1 (mg/L) và Tcol = 103.000 MPN/100mL. 3.2.2. Hiệu quả loại bỏ ô nhiễm 3.2.2.1. Chất rắn lơ lửng Loại bỏ TSS của I là 70,9 ± 13% và II là 71,2 ± 11,1%. Hệ thống đối chứng thấp hơn, với III 65 ± 8% và IV là 7 ± 8,5% (Hình 3.1). Vai trò của lớp lọc được ghi nhận trong loại bỏ TSS giữa hệ thống IV (không có lớp lọc) và I, II (hệ thống đầy đủ). Khi tăng HLR, loại bỏ TSS giảm. Sự khác biệt nồng độ TSS đầu ra giữa các HLR có ý nghĩa thống kê (P <0,05). Hình 3.1: Hiệu quả loại bỏ và nồng độ TSS đầu ra 12 3.2.2.2. Hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học Loại bỏ BOD5 của I và II khá cao (I là 82 ± 7%, II là 84 ± 5,2%). Hệ thống III thấp hơn, đạt 63 ± 12%, trong khi đó hệ thống IV chỉ đạt đạt 10,6 ± 16,4% (Hình 3.2). Điều này là do thời gian lưu ngắn và thiếu giá thể để VSV bám dính trong rễ cây và lớp lọc, nên quá trình phân hủy sinh học diễn ra chậm. Loại bỏ BOD5 ở VF và HF 40% - 60%, FWS là 22 - 26%. 280 90 260 80 240 220 70 200 60 180 160 50 140 40 120 100 BOD5(%) bỏ Loại 30 Giá trị BOD5 (mg/L) BOD5 trị (mg/L) Giá 80 20 60 40 10 20 0 BL I II III IV I II III IV Mô hình thí nghiệm Mô hình thí nghiệm Hình 3.2: Đầu ra và hiệu quả loại bỏ BOD5 của các mô hình Tải lượng loại bỏ BOD5 (Lrb) của I là 11,6 và II là 11,9 2 g/m .ngày. Loại bỏ BOD5 giữa các bể HF không có sự khác biệt mang ý nghĩa thống kê (P >0,05). Hiệu quả loại bỏ trung bình (%) của HF1 cao hơn các bể còn lại. Khi tăng HLR, loại bỏ BOD5 giảm. Không có sự khác biệt đáng kể BOD5 ra giữa các HLR (P >0,05), ngoại trừ hệ thống III. 3.2.2.3. Chất dinh dưỡng Nồng độ NH4-N trong nước thải đầu vào có giá trị trung bình là 34 mg/L, cao hơn nhiều so với QCVN 14:2004/BTNMT (10 mg/L). NH4-N giảm nhanh trong bể VF so với bể HF và FWS. 13 Hình 3.3: Giá trị và loại bỏ NH4-N và PO4-P trong các hệ thống Loại bỏ NH4-N khá cao, hệ thống I là 87 ± 6%, II là 91 ± 5,6%, III là 84,5 ± 6% và IV là 87,7 ± 3,6% (Hình 3.3). Như vậy, sự khác nhau giữa các hệ thống không ảnh hưởng nhiều đến NH4-N. Bể đối chứng không trồng cây và lớp lọc có hiệu quả loại bỏ NH4-N khá cao là do dòng chảy tự do, tái xâm nhập oxy từ không khí thuận lợi bởi khuếch tán và quang hợp của tảo. Đầu ra NH4-N thấp, 2 – 7 mg/L. Hiệu quả PO4-P không ổn định và thấp: I là 13,7 ± 21%, II 28,2 ± 19,4%, III 4 ± 28% và IV 2,2 ± 0,2%. Tải trọng NH4-N: I 2,2, 2 II 2,5, III 2,19 và IV 2,16 (g/m .ng). Khi tăng HLR: loại bỏ NH4-N của I không biến đổi (87%), II, III và IV giảm. 3.2.2.4. Coliform Nồng độ Tcol đầu vào khá cao, trung bình 146.000 MPN/100mL (5,11 đơn vị log). Đầu ra Tcol luôn đạt yêu cầu xả thải. Loại bỏ Tcol đạt cao, trên 90%, cụ thể I đạt 98,7 ± 1,4%, II 99 ± 0,8%, III 98,4 ± 1,8% và IV 95,4 ± 6,6%. Khả năng loại bỏ Tcol của 2 hệ thống chính (I, II) đạt xấp xỉ 2,0 (đơn vị log). Các kết quả trước đây cho thấy, loại bỏ Tcol đối với NTSH từ 0,8 – 2,7. 14 3.3. Kết quả nghiên cứu quy mô thực địa 3.3.1. Đặc trưng nước thải đầu vào Nồng độ nước thải đầu vào thấp so với nước thải vận hành mô hình quy mô thí nghiệm (ví dụ Tcol chỉ bằng 1/18 lần, BOD5 bằng 2/3 lần). So với QCVN 14:2008/BTNMT, NO3-N và PO4-P thấp hơn, TSS và Tcol vượt không đáng kể, khoảng 1,2 – 1,7 lần. Nồng độ BOD5 và NH4-N có giá trị cao hơn, vượt từ 2,3 – 2,6 lần (Bảng 3.1). Bảng 3.1: Thông số nước thải đầu vào nghiên cứu thực địa (n = 23 mẫu) Thông Trung bình ± SD QCVN số Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giai đoạn 3 Trung bình 14:2008/ BTNMT pH 7,4 7,5 7,4 7,4 5-9 TSS 114,8 ± 13,8 117,3 ± 141,7 ± 26,1 123,8 ± 100 (mg/L) 11,8 20,5 BOD5 133,6 ± 11,6 118,1 ± 132 ± 6,8 127,7 ± 50 (mg/L) 11,5 11,6 COD 187,3 ± 14,1 178,0 ± 196,4 ± 7 186,8 ± - (mg/L) 13,8 12,3 NO3-N 1,3 ± 0,5 1,7 ± 14,6 1,6 ± 0,2 1,5 ± 0,5 50 (mg/L) NH4-N 21,7 ± 0,5 22,6 ± 14,6 25,1 ± 8,4 23,1 ± 5,8 10 (mg/L) TN (mg/L) 32,6 ± 4,4 34,1 ± 5,1 34,4 ± 8,1 33,6 ± 6 - PO4-P 1,0 ± 0,4 1,1 ± 23,0 1,1 ± 0,4 1,05 ± 0,4 10 (mg/L) Tcol 10.437 ± 7.825 ± 24 6.914 ± 8.456 ± 5.000 (MPN/100 5.955 1.715 4.022 mL) 3.3.2. Hiệu quả loại bỏ ô nhiễm 3.3.2.1. Chất rắn lơ lửng TSS ra của VF xấp xỉ TSS vào và có 4 lần TSS vượt 100mg/L (QCVN 14:2008/BTNMT). Loại bỏ TSS của VF khá thấp, chỉ đạt 3±10%. Cấp nước gián đoạn có thể là nguyên nhân dẫn đến TSS đầu 15 ra của bể VF tăng. Hiệu quả HF đạt 26±8% và tổng VF – HF đạt 28,4% (Hình 3.4 và Hình 3.5). Hình 3.4: Biến động giá trị TSS vào – ra các bể thí nghiệm Hình 3.5: Nồng độ và loại bỏ TSS qua các bể thí nghiệm Đầu ra TSS giữa các tải trọng khác nhau có sự phân hóa (theo chỉ số P. Có sự khác biệt giữa HLR1 - HLR2 và HLR1 - HLR3 (P 0,05). 16 3.3.2.2. Hợp chất hữu cơ Nhìn chung, COD có cùng xu hướng diễn biến so với BOD5. BOD5 biến động đáng kể theo từng giai đoạn nghiên cứu (Hình 3.7) Hình 3.6: Biến động nồng độ BOD5 dòng vào – ra 60 50 40 Loại bỏ COD (%) bỏ Loại 30 VF HF Bể xử lý Hình 3.7: Nồng độ và loại bỏ BOD5 và COD qua các bể Hình 3.7 cho thấy, loại bỏ BOD5 và COD tương ứng 74,9% ± 11,5% và 68,2 ± 10,3%. Loại bỏ BOD5 VF là 50,5% và HF là 50,9%. Kết quả này thấp hơn một số nghiên cứu tương đương. 2 Tải lượng loại bỏ BOD5 (Lrb) của VF là 30 g/m .ngày, HF là 6,9 2 và cả mô hình là 14,5 (g/m .ngày). Nồng độ BOD5 ra giữa HLR1 và 17 HLR2, HLR2 và HLR3 (P <0,05) có sự khác biệt đáng kể, ngược lại giữa HLR1 và HLR3 không có sự khác biệt (P > 0,05). Sau 6 tháng hoạt động, cây môn nước đạt được độ cao trung bình 1,0m với 220 nhánh/m2 và chuối hoa cao 0,7m với 50 nhánh/m2. 3.3.2.3. Chất dinh dưỡng NH4-N đầu vào cao hơn 10mg/L và ra (tại HF) ổn định, chiếm 8,6%, vượt QCVN 14/2008/BTNMT. NO3-N đầu vào thấp, 2 – 3 mg/L, tại VF nồng độ NO3-N biến động mạnh và khá cao (Hình 3.8). Hình 3.8: Hiệu quả loại bỏ và nồng độ NH4-N và TN Loại bỏ NH4-N đạt 76,2 ± 12,9% với VF 58,4 ± 17,4% và HF 45 ± 13,4%. Loại bỏ TN trong VF là 63 ± 7% và HF là 44 ± 12% và 2 tổng cộng là 79 ± 7%. Tải lượng loại bỏ NH4-N (Lrn) là 2,7 g/m .ngày, 2 trong đó Lrn của VF là 6,3 và của HF là (0,9 g/m .ngày). Tải lượng loại bỏ TN là 4,0 g/m2.ngày, trong đó VF là 9,7 g/m2.ngày và của HF là 2 1,2 g/m .ngày. PO4-P biến động mạnh và thấp, loại bỏ đạt 3,6 ± 43,7%. 3.3.2.4. Coliform Tcol trung bình là 8.456 MPN/100mL và giá trị cao nhất gấp hơn 4 lần quy định. Tại HF, Tcol thấp hơn quy chuẩn xả thải, với giá trị trung bình là 1.485 MPN/100mL (Hình 3.9). 18 90 80 70 60 50 40 Hiệu quả loại bỏ Tcol (%) Tcol bỏ loại quả Hiệu 30 20 VF HF Bể xử lý Hình 3.9: Giá trị và hiệu quả xử lý Tcol qua các bể thí nghiệm Loại bỏ Tcol đạt 82 ± 11,3%, VF là 61 ± 9,6% và HF là 57 ± 20,3%. Loại bỏ Tcol tính theo log là 0,8. 3.3.3. Hằng số tốc độ phản ứng và tương quan tuyến tính 3.3.3.1. Hằng số tốc độ phản ứng Kết quả tính từ (1), (2) và (3) (mục 1.2.4.1) thể hiện Bảng 3.2. Bảng 3.2. Hằng số tốc độ phản ứng của hợp chất hữu cơ và nitơ Stt BOD5 COD NH4-N TN Bậc 1 – k1 = 0,24±0.06 k1 = 0,19±0,04 k1 = 0,42±0,11 k1 = 0,3±0,08 PFR R2 = 0,49 R2 = 0,51 R2 = 0,28 R2 = 0,17 P 0,05 Bậc 1 – k2 = 0,51±0.2 k2 = 0,34±0,1 k2 = 0,65±0,43 k2 = 0,62±0,24 CSTR R2 = 0,04 R2 = 0,03 R2 = 0,04 R2 = 0,12 P >0,05 P >0,05 P >0,05 P >0,05 Monod k3 = 44,4±13,6 k3 = 25,2±5,1 k3 = 2,63±1,0 – R2 = 0,30 R2 = 0,6 R2 = 0,68 CSTR P <0,05 P <0,05 P <0,05 19 Bảng 3.2 cho thấy, phương trình Bậc 1 – CSRT (k2) không phản ánh tốt dữ liệu thực tế (P>0,05). Phương trình Bậc 1 – PFR (k1) và Monod – CSTR (k3) phù hợp tương đối với BOD5, COD và NH4-N 2 2 với R dao động 0,3 – 0,68. R của k3 cho COD và NH4-N cao nhất, đạt 0,60 và 0,68. 3.3.3.2. Mô hình tương quan tuyến tính a. Mô hình tuyến tính đơn biến Quan hệ tuyến tính cao giữa COD, PO4-P và TSS ra với HLR 2 có R tương ứng 0,61, 0,58 và 0,55. Tương quan BOD5, NH4-N đầu ra, đầu vào và HLR thấp. Nhìn chung, mô hình đơn biến không phản ảnh tốt dữ liệu thực tế của mô hình. b. Mô hình tuyến tính đa biến (MR) * Thông số BOD5: Kết quả phân tích mức độ quan trọng của các biến bằng phương pháp LMG được thể hiện ở Bảng 3.3 và phương trình MR tối ưu ở Bảng 3.4. Trong đó, r là hệ số tương quan, các biến phụ thuộc của MR gồm có nồng độ BOD5 ra (Cob) và tải lượng loại bỏ BOD5 (Lrb), và các biến độc lập (dự báo) bao gồm: nồng độ BOD5 vào (Cib), nồng độ TSS vào (Cits), nồng độ TN vào (Cit), nồng độ PO4-P vào (Cip), nồng độ NH4-N (Cin) và HLR. Bảng 3.3 cho thấy, HLR có tương quan tuyến tính khá cao với Cob (r = 0,7) và Lrb (r = 0,56). Cib và Cits có tương quan âm với Cob, tương ứng r = - 0,37 và - 0,31. Bảng 3.3. Hệ số tương quan và mức độ quan trọng các biến với Cob và Lrb. 20 2 Bảng 3.4 cho thấy: có 04 phương án tối ưu (M1-M4) với R = 0,6 – 0,7. MR tối ưu bao gồm các biến độc lập: HLR, Cits và Cib. Bảng 3.4: Kết quả phân tích tuyến tính đa biến của BOD5 * Thông số NH4-N: Bảng 3.5 cho thấy, NH4-N đầu vào (Cin) có tương quan cao nhất với Lrn (r = 0,83). HLR cũng có tương quan khá cao với Con và Lrn, r tương ứng 0,64 và 0,46. Cits và Con có tương quan âm, với r = - 0,46, trong khi đó tương quan các biến còn lại với Con và Lrn là khá thấp Bảng 3.5: Hệ số tương quan và mức độ quan trọng các biến với Con và Lrn Kết quả phân tích bằng phương pháp Bayes đưa ra kết quả 5 phương trình MR tối ưu và thể hiện trong Bảng 3.6. Hệ số xác định R2 2 các phương trình khá cao, trong đó phương trình M9 có R cao nhất, đạt 0,9. Điều này có nghĩa rằng, MR với các biến dự báo lựa chọn có thể giải thích được 90% sự biến thiên của Lrn. 21 Bảng 3.6. Kết quả phân tích tuyến tính đa biến của NH4-N 3.4. Đề xuất mô hình xử lý nước thải thành phố Đông Hà 3.4.1. Cơ sở đề xuất - Điều kiện, tự nhiên và kinh tế - xã hội tp Đông Hà - Kết quả nghiên cứu lý thuyết: - Kết quả nghiên cứu thí nghiệm và thực địa: 3.4.2. Tính toán đề xuất mô hình xử lý 3.4.2.1. Tính toán mô hình xử lý Từ kết quả nghiên cứu ở mô hình quy mô thí nghiệm (lựa chọn hệ thống: VF-HF-FWS) và quy mô thực địa (hoạt động của hệ thống VF-HF), tác giả đề xuất mô hình CW để XLNT thành phố Đông Hà gồm như sau (Hình 3.10). Hình 3.10: Đề xuất hệ thống xử lý nước thải tp Đông Hà Sử dụng HLR = 0,15 m/ngày để tính toán và thiết kế, diện tích CW yêu cầu xử lý toàn bộ NTSH là 63.780 m2 (6,378 ha) 22 3.4.2.2. Đề xuất khu vực xử lý Địa hình tp Đông Hà tương đối chia cắt, các hệ thống thoát nước khá riêng biệt, do đó nếu xây dựng nhà máy xử lý nước thải tập trung thì cần đến số lượng trạm bơm khá lớn. Nếu tận dụng địa hình dốc có thể tạo ra các khu vực thu gom nước thải cục bộ và tự chảy theo độ cao. Do đó, bố trí các hệ thống XLNT theo các vùng và khu vực nhỏ dựa trên 14 lưu vực thoát nước sẽ hiệu quả hơn. Trên cơ sở nghiên cứu về quỹ đất (diện tích đất chưa sử dụng, khả năng chuyển đổi mục đích sử dụng đất và đất dự trữ cho cơ sở hạ tầng), nhu cầu diện tích cho hệ thống CW, lưu vực thoát nước, khả năng ngập lụt và cơ sở hạ tầng thoát nước thải, tác giả đề xuất 6 khu vực xây dựng hệ thống CW xử lý NTSH thành phố Đông Hà như sau (Bảng 3.7): Bảng 3.7: Tổng hợp thông số các khu vực xử lý nước thải Khu vực Diện tích Lưu lượng NT Diện tích (m2) lưu vực (ha) (m3/ng) 1 1.000 1.423 9.487 2 957 1.362 9.080 3 99 141 940 4 934 1.329 8.860 5 2811 4.000 26.667 6 923 1.313 8.753 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN 1. NTSH ở tp Đông Hà chưa được xử lý, lưu lượng 6.248 m3/ng và có 14 khu vực thoát nước (cống hỗn hợp). Nồng độ: TSS 131 – 460 mg/L BOD5 103 – 289 mg/L, COD 157 – 436 mg/L, NH4-N 4,83 – 35,1, Tcol từ 4.022 – 335.000 MNP/100mL. 23 2. Hệ thống II (VF-HF-FWS) có hiệu quả cao và ổn định hơn. Loại bỏ TSS, BOD5 của I, II tương đương và cao hơn đối chứng (TSS: I 70,9%, II 71,2%, III 65% và IV 7%; BOD5: I 82%, II 84%, III 63% và IV 10,6%). Hiệu quả NH4-N của 4 hệ thống đạt 87% - 91%; PO4-P thấp (15 - 30%) và Tcol luôn >90% (2 log). Lrb của I là 11,6, II là 11,9, III là 7,6 và IV là 0,86 g/m2/ng. 3. Loại bỏ TSS nghiên cứu thực địa thấp, 28,4%. BOD5 là 74,9% và VF ~ HF (50%). NH4-N và TN tương ứng 76,2% và 79%. Lrb đạt 2 14,5 và Lrn là 2,7 g/m .ngày. Mô hình MR tối ưu cho Lrb và Lrn 2 gồm các biến HLR, Cin, Cib và Cits tương ứng với R = 0,7 (BOD5) và 0,9 (NH4-N). Tất cả các thông số đầu ra ở HLR1 và HLR3 đạt QCVN 14:2008/BTNMT (Cột B). 4. Cây môn nước trong HF1 loại bỏ BOD5 (52%) cao hơn môn đốm trong HF2 (48%) và phát lộc trong HF3 (49%). Trong nhiên cứu thực địa, cây môn nước phát triển nhanh hơn cây chuối hoa. 5. Hệ thống XLNT đề xuất gồm VF và HF nối tiếp nhau, diện tích CW cần thiết là 63.780 m2 và chia thành 6 khu vực xử lý. KIẾN NGHỊ 1. CW có ưu điểm là linh động, có thể bố trí XLNT phân tán theo lưu vực, phù hợp với kiểu thu - thoát nước tp Đông Hà. Ngoài ra, vật liệu lọc và thực vật (cây môn nước và chuối hoa) cũng sẵn có và dễ kiếm. Kết quả trong luận án này có thể sử dụng làm cở sở cho việc thiết kế, xây dựng và vận hành CW để xử lý NTSH cho thành phố Đông Hà. 2. CW là một hệ thống phức tạp và bị chi phối bởi nhiều yếu tố. Các thông tin về cân bằng vật chất, thu hoạch và quản lý cây trồng, và chi phí xây dựng cần được nghiên cứu thêm, nhằm đảm bảo việc đầu tư hệ thống CW quy mô lớn hiệu quả và bền vững. 24 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 1. Nguyễn Xuân Cường, Nguyễn Thị Loan (2016), “Hiệu quả xử lý NTSH của hệ thống Đất ngập nước nhân tạo tích hợp”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Các Khoa học Trái đất và Môi trường, Tập 32, Số 1, tr 10-17. 2. Nguyễn Xuân Cường, Nguyễn Thị Loan, Nguyễn Đình Diệp (2016), “Khảo sát hiệu quả xử lý NTSH của hệ thống Đất ngập nước nhân tạo tích hợp 3 giai đoạn (VF-HF-FWS)”, Tạp chí Đại học Huế: Chuyên san Khoa học Tự nhiên, Tập 117, S3, tr 5 – 13. 3. Cuong, N. X., Loan, N. T. (2017), “Performance evaluation of three native plants for sewage wastewater treatment in constructed wetland”, International Journal of Environment and Pollution Research, Vol.5, No.1, pp.1 - 7. 4. Cuong, N. X., Nguyen, D. D., Loan, N. T., Chang, S. W. (2017), “Potential of integrated vertical and horizontal flow constructed wetland with native plants for sewage treatment under different hydraulic loading rates”, Water Science and Technology. DOI https://doi.org/10.2166/wst.2017.217