TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN
NGUYỄN TRÙNG DƯƠNG
Luận văn tốt nghiệp Đại học
Chuyên ngành Khoa học Môi Trường
KHẢ NĂNG XỬ LÝ NH4+, NO3-, PO43- TRONG
NƯỚC THẢI SINH HOẠT CỦA HỆ THỐNG ĐẤT
NGẬP NƯỚC KIẾN TẠO NGẦM NGANG
TRỒNG CÂY HUỆ NƯỚC (Canna sp.)
Cán bộ hướng dẫn: Ts. Ngô Thụy Diễm Trang
Cần Thơ, 2014
i
PHÊ DUYỆT CỦA HỘI ĐỒNG
Luận văn kèm theo đây, với tựa đề là “Khả năng xử lý NH4+, NO3-, PO43trong nước thải sinh hoạt của hệ thống đất ngập nước kiến tạo ngầm ngang trồng
cây Huệ nước (Canna sp.)” được thực hiện và báo cáo bởi sinh viên Nguyễn Trùng
Dương đã thông qua trước hội đồng.
Cán bộ phản biện
Cán bộ phản biện
Ts. Nguyễn Xuân Lộc
Ths. Trần Sỹ Nam
Nguyễn Trùng Dương
iii
TÓM TẮT
Đạm, lân là nguyên nhân gây hiện tượng phú dưỡng trong hầu hết các thủy vực,
hai dưỡng chất này có nguồn gốc chính từ nước thải sinh hoạt… Do đó cần phải xử lý
và làm giảm nồng độ đạm, lân trong nước thải đến mức cho phép trước khi thải ra môi
trường. Nhằm góp phần vào nghiên cứu khả năng xử lý nước thải sinh hoạt bằng hệ
thống đất ngập nước kiến tạo, đề tài “Khả năng xử lý NH4+, NO3-, PO43- trong nước
thải sinh hoạt của hệ thống đất ngập nước kiến tạo ngầm ngang trồng cây Huệ
nước (Canna sp.)” được thực hiện với lưu lượng tải nạp là 1000L/ngày và vận hành
trong 5 tháng. Thí nghiệm được bố trí trên hệ thống đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm
theo phương ngang tại khu I – Đại học Cần Thơ. Hiệu suất xử lý của hệ thống được
đánh giá với hai nghiệm thức không trồng cây và có trồng cây Huệ nước (Canna sp.).
Kết quả cho thấy nồng độ NH4-N và PO4-P giảm dần sau khi qua hệ thống. Hiệu suất
xử lý NH4-N ở nghiệm thức có cây (55,5%) thấp hơn so với nghiệm thức không cây
(74,3%). Tương tự, hiệu suất xử lý PO4-P ở nghiệm thức có cây (67,8%) thấp hơn
nghiệm thức không cây (79%). Do thời gian thí nghiệm rất ngắn, nên cây Huệ nước
chưa phát huy tốt vai trò trong việc xử lý chất ô nhiễm cụ thể đạm, lân hòa tan trong
nước thải. Vì vậy cần kéo dài thời gian nghiên cứu để đánh giá rõ hơn vai trò của cây
Huệ nước.
Từ khóa: Cây Huệ nước (Canna sp.), đất ngập nước kiến tạo, xử lý đạm, xử lý lân,
nước thải sinh hoạt, hiệu suất xử lý
iv
2.4 Cây Huệ nước ..................................................................................................... 10
2.5 Một số nghiên cứu ứng dụng Huệ nước trong xử lí nước thải sinh hoạt trên đất
ngập nước kiến tạo ............................................................................................. 11
CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................................................... 13
3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu ....................................................................... 13
3.2 Vật liệu và phương tiện nghiên cứu ..................................................................... 13
3.3 Mô tả hệ thống thí nghiệm .................................................................................. 13
3.4 Bố trí thí nghiệm ................................................................................................. 16
3.5 Vận hành hệ thống .............................................................................................. 16
3.6 Phương pháp thu và phân tích mẫu ..................................................................... 17
3.7 Phương pháp xử lý số liệu ................................................................................... 18
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ - THẢO LUẬN .................................................................. 19
4.1 Chất lượng nước ................................................................................................ 19
4.1.1 Chất lượng nước dọc hệ thống .................................................................... 19
4.1.2 Chất lượng nước đầu vào và đầu ra của hệ thống ........................................ 28
4.2 Hiệu suất xử lý đạm, lân của hệ thống ................................................................. 31
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ ................................................................. 33
5.1 Kết luận .............................................................................................................. 33
5.2 Kiến nghị ............................................................................................................ 33
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
vi
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
ĐNNKT
Đất ngập nước kiến tạo
Oxy hòa tan
TN
Tổng nitơ
TKN
Tổng N Kjeldahl
FWS
Đất ngập nước kiến tạo chảy mặt
SSF
Đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm
WHO
Tổ chức y tế thế giới
UNICEF
Quỹ Nhi đồng Liên hợp quốc
vii
DANH SÁCH HÌNH
Bảng 2.2 Các thông số tiêu biểu thiết kế đất ngập nước kiến tạo .............................. 6
Bảng 3.1 Thời gian thu mẫu tại các vị trí trên hệ thống thí nghiệm ......................... 17
Bảng 3.2 Các chỉ tiêu và phương pháp phân tích mẫu nước ................................... 18
Bảng 4.1 Thành phần và chất lượng của nước thải đầu vào ................................... 19
Bảng 4.2 Chất lượng nước thải đầu vào và đầu ra giữa hai nghiệm thức có cây và
không cây trên hệ thống xử lý ................................................................................ 29
Bảng 4.3 Hiệu suất xử lý đạm, lân của hệ thống ở hai nghiệm thức không cây và có
cây ......................................................................................................................... 31
ix
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU
1.1
Đặt vấn đề
Ngày nay, Việt Nam đã và đang phải đối mặt với tình trạng ô nhiễm nước trầm
trọng do con người gây ra. Tình trạng ô nhiễm nước thấy rõ nhất là ở các đô thị lớn, nơi
tập trung đông dân cư cùng các hoạt động dịch vụ thương mại, nước thải sinh hoạt
không có hệ thống xử lý tập trung mà trực tiếp thải ra sông, hồ... Theo Báo cáo Hiện
trạng môi trường 2012 – Môi trường nước mặt của Tổng Cục Môi trường, tại một số
thành phố, đô thị lớn mới chỉ đầu tư một vài trạm xử lý nước thải sinh hoạt tập trung
nhưng đều ở quy mô nhỏ, công suất xử lý không đáp ứng yêu cầu thực tế.
Một trong những chỉ tiêu cần phải quan tâm trong nước thải sinh hoạt là hàm
lượng nitơ, photpho. Quá nhiều nitơ và photpho trong nước thải khi thải ra môi trường
sẽ làm tăng hàm lượng chất dinh dưỡng, gây hiện tượng phú dưỡng dẫn đến sự phát
triển mạnh mẽ của các loại rong, tảo gây tình trạng thiếu oxy trong nước, phá vỡ chuỗi
thức ăn, giảm chất lượng nước... gây độc cho động vật thuỷ sinh. Khi xử lý nitơ trong
khi không trồng cây đạt 22,2%. Các loài thực vật được nghiên cứu trước đây đều chỉ
giới hạn ở khả năng xử lý nước thải và có thể sử dụng sinh khối làm phân ủ compost
hay làm thức ăn gia súc, tuy nhiên không có giá trị về mặt mỹ quan (không thể trồng để
tạo cảnh quan đô thị, khu dân cư vì các loài cây này thường không có hoa)... Huệ nước
là một loài thực vật có khả năng xử lý nước khá tốt (Trang, 2009) và được trồng nhiều
trên các tuyến đường trong các khu đô thị để tạo cảnh quan. Do đó đề tài “Khả năng
xử lý NH4+, NO3-, PO43- trong nước thải sinh hoạt của hệ thống đất ngập nước kiến
tạo ngầm ngang trồng cây Huệ nước (Canna sp.)” được thực hiện tại khu I – Đại học
Cần Thơ nhằm góp phần khẳng định thêm khả năng xử lý nước thải sinh hoạt của Huệ
nước cũng như khả năng thích nghi sinh trưởng của chúng trên hệ thống đất ngập nước.
1.2
Mục tiêu đề tài
1.2.1 Mục tiêu tổng quát: Góp phần giảm thiểu tác động môi trường từ nước thải sinh
hoạt.
1.2.2 Mục tiêu cụ thể: Xác định vai trò xử lý NH4-N, NO3-N và PO4-P của hệ thống
đất ngập nước kiến tạo nền cát chảy ngầm ngang.
1.3 Nội dung nghiên cứu: Tìm hiểu khả năng xử lý nước thải của hệ thống ĐNNKT
và vận hành hệ thống liên tục với hai nghiệm thức là không trồng cây và có trồng cây
trong hai tháng; thu mẫu và phân tích NH4-N, NO3-N và PO4-P (trong nước thải đầu
vào và trong nước sau khi qua hệ thống) để so sánh hiệu suất xử lý NH4-N,
NO3-N và PO4-P của hệ thống có trồng cây và không trồng cây.
2
CHƯƠNG 2
LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU
2.1 Vai trò của nước đối với sự sống con người
3
2.2.2 Thành phần, tính chất của nước thải sinh hoạt
Đặc trưng của nước thải sinh hoạt là chứa nhiều tạp chất khác nhau, trong đó
khoảng 52% là các chất hữu cơ, 48% là các chất vô cơ và một số lượng lớn vi sinh vật
ở dạng các virus và vi khuẩn gây bệnh như tả lỵ, thương hàn… Đồng thời trong nước
thải cũng chứa các vi khuẩn không có hại có tác dụng phân hủy các chất thải. Thành
phần nước thải sinh hoạt phụ thuộc vào tiêu chuẩn cấp nước, đặc điểm hệ thống thoát
nước, điều kiện trang thiết bị vệ sinh,…
Bảng 2.1 Đặc tính của nước thải sinh hoạt
Chỉ tiêu
Nồng độ ô nhiễm
Đơn vị
BOD5
COD
Đạm hữu cơ
Đạm amôn
Đạm tổng số
Lân tổng số
Tổng chất rắn
Tổng chất rắn lơ lửng
Cao
400
1000
35
20
4
350
100
(Nguồn: Lê Hoàng Việt, 2003)
2.2.3 Ảnh hưởng của nước thải sinh hoạt đến con người và sinh vật
Ảnh hưởng đến con người:
-
Ở nhiều khu vực nội thành và ngoại ô nước thải sinh hoạt chưa được xử lý mà
thải trực tiếp ra sông, kênh, rạch tạo điều kiện cho mầm bệnh lây lan và gây bệnh cho
người dân khi sử dụng.
Theo thống kê của WHO, mỗi năm có 4 tỷ ca mắc bệnh tiêu chảy trên toàn thế
giới vì nước không an toàn, vệ sinh môi trường và vệ sinh cá nhân kém; 6 triệu người
bị mù do bệnh đau mắt hột (một bệnh phổ biến ở các cộng đồng nông thôn nghèo thiếu
phương tiện vệ sinh cá nhân cơ bản, thiếu nước sạch và điều kiện vệ sinh môi trường).
Theo báo cáo của WHO/UNICEF, 95% dân số Việt Nam có thể tiếp cận nước được cải
thiện nhưng chỉ 23% dân số được hưởng nước máy tại hộ gia đình. Khoảng 76% dân số
có thể tiếp cận các phương tiện vệ sinh môi trường được cải thiện, trong khi đó 4% vẫn
còn phóng uế bừa bãi.
-
Ảnh hưởng đến sinh vật:
4
Ô nhiễm nước ảnh hưởng trực tiếp đến các sinh vật sống trong nước, đặc biệt là
5
Trong đó, đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm được chia thành hai loại theo dòng chảy
là:
Đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm theo phương đứng
Đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm theo phương ngang
Các thông số thiết kế hệ thống đất ngập nước kiến tạo:
Bảng 2.2 Các thông số tiêu biểu để thiết kế đất ngập nước kiến tạo
Thông số thiết kế
Thời gian tồn lưu nước
Chiều sâu nước
Lưu lượng nạp BOD5
Lưu lượng nạp nước
Diện tích riêng
Loại hệ thống
Đơn vị
ngày
m
2
g/m .ngày
m3/m2.ngày
ha/(103 m3/ngày)
FWS
4 – 15
0,09 – 0,61
< 6,77
cao 1200 L/ngày đã cho thấy có hiện tượng chảy tràn bề mặt và hàm lượng đạm trong
nước thải đầu ra vượt tiêu chuẩn loại A QCVN 24:2009. Do đó, lưu lượng nạp nước
được đề xuất trong nghiên cứu hiện tại là 1000 L/ngày.
2.3.4 Cơ chế loại bỏ đạm trong hệ thống đất ngập nước chảy ngầm ngang
Trong nước thải Nitơ hiện diện dưới dạng Nitơ hữu cơ, NH3, NH4+, NO2-, NO3và N2 . Cơ chế loại bỏ Nitơ là cơ chế chuyển hóa Nitơ hữu cơ thành NH4+ (amôn hóa),
sau đó NH4+ sẽ được chuyển hóa thành NO2- và NO3- nhờ hoạt động của vi sinh vật
hiếu khí (nitrate hóa). Trong đất ngập nước chảy ngầm ngang, điều kiện yếm khí chiếm
ưu thế. Những vùng sát hệ thống rễ và gần bề mặt hệ thống sẽ có điều kiện hiếu khí.
(Vymazal, 2007).
Nhìn chung Nitơ trong đất ngập nước có thể bị loại bỏ bởi các cơ chế sau (Lê
Hoàng Việt, 2003)
Sự amôn hoá
Hấp phụ bởi chất nền
Bị hấp thu bởi thực vật và sau đó thực vật được thu hoạch và đưa ra khỏi hệ
thống.
Sự bay hơi của amonia (NH3).
Quá trình nitrate hóa và khử nitrate hóa của vi sinh vật.
a. Quá trình amôn hóa:
Nitơ hữu cơ sẽ biến đổi thành NH4+ trong quá trình khoáng hóa. Sự khoáng hóa
là kết quả của quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ bởi hoạt động của vi sinh vật hiếu
khí và kị khí.
NH4+ + OH-
NH3 + H2O
Sau khi hình thành, NH4+ có thể được cây hoặc tảo hấp thu và biến ngược lại
thành chất hữu cơ (Hình 2.2).
b. Quá trình nitrate hóa:
NH4+ bị oxy hóa thành NO2- và NO3- nhờ hoạt động của vi sinh vật hiếu khí, quá
trình này gọi là sự nitrate hóa. Vi khuẩn tham gia quá trình nitrate hóa gồm 2 nhóm:
NO3-
NO2-
NO
N2O
N2
Ba sản phẩm sau cùng là các chất khí sẽ được phóng thích vào khí quyển.
Quá trình khử nitrate được thực hiện bởi các vi khuẩn thuộc các giống
Achromobacter, Aerobacter, Alcaligenes, Bacillus, Brevibacterium, Flavobacterium,
Pseudomonas, Lactobacillus,...
Tốc độ khử nitrate phụ thuộc vào các yếu tố sau:
+ Oxy hòa tan (DO): Quá trình khử nitrate xảy ra trong điều kiện thiếu khí nên
nồng độ DO ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả của quá trình vỡ oxy trong nước thải ức
8
chế các enzim khử nitrate. Loài Pseudomonas bị ức chế ở DO ≥ 0,2 mg/L, quá trình
khử nitrate bị dừng khi DO là 0,13 mg/L. Tốc độ khử nitrate ở DO = 0,2 mg/L chỉ bằng
một nửa tốc độ khử nitrate ở DO là 0 mg/L, khi DO tăng lên 2 mg/L thì tốc độ khử
nitrate chỉ bằng 10% ở DO là 0 mg/L.
+ pH: Quá trình khử nitrate không thể xảy ra khi pH thấp vì sẽ ức chế vi khuẩn
khử nitrate hoạt động. Theo Lê Hoàng Việt (2003) pH từ 7 – 8 là khoảng thích hợp
nhất cho quá trình khử nitrate xảy ra tối ưu, pH thấp (4 – 8) hoặc cao hơn (8 – 9,5) sẽ
làm tốc độ khử nitrate giảm.
+ Nhiệt độ: Tốc độ tăng lên gấp đôi khi tăng nhiệt độ lên 10°C trong khoảng
nhiệt độ 5 - 25°C.
Trong đó, quá trình chính loại bỏ lân trong đất ngập nước là quá trình kết tủa, hấp phụ
của chất nền, hấp thu của thực vật và vi sinh vật (Lê Hoàng Việt, 2003).
Hình 2.3 Chu trình phospho trong đất ngập nước
(Mitsch & Gosselink, 2000 vẽ lại bởi Lê Anh Tuấn và ctv., 2009)
2.4 Cây Huệ nước
Tên khoa học: Canna sp.
Họ: Cannaceae (Chuối Hoa)
Cây Huệ Nước hay còn gọi là cây Ngãi Hoa, cây thân cỏ, cao 1 - 1,5m, gốc có
thân rễ bò dài. Lá rộng màu xanh bóng hay màu đỏ, gân lông chim nổi rõ. Tốc độ sinh
trưởng nhanh. Cây ưa sáng, nhu cầu nước cao, ưa khí hậu mát ẩm. Nhân giống bằng
cách tách bụi, cây mọc khỏe cây phát triển rộng rãi trong tự nhiên, cây có hoa đầy màu
sắc, cây không chỉ có tác dụng làm đẹp cho cảnh quan mà còn có tác dụng xử lý nước
thải. Theo nghiên cứu của Nguyễn Hồng Kiểm (2010), khi dùng cây Huệ Nước trồng
10
trên hệ thống đất ngập nước dòng chảy ngầm ngang để xử lý nước thải sinh hoạt cho
kết quả nước thải đầu ra đạt quy chuẩn xả thải (QCVN 14:2008), hiệu suất xử lý BOD5
(77,89%), TN (81,67%), TP (58%).
2.5 Một số nghiên cứu ứng dụng Huệ nước trong xử lý nước thải sinh hoạt trên
đất ngập nước kiến tạo
Trên thế giới, xử lý nước thải bằng đất ngập nước kiến tạo đã được áp dụng
khoảng 100 năm nay ở Mỹ và Châu Âu và gần đây nhất là ở các nước Châu Á và Châu
Úc. Việc nghiên cứu kỹ thuật đất ngập nước kiến tạo khá nhiều trong khoảng hơn 20
năm nay, đặc biệt là các công trình của Kadlec & Knight (1996), US-EPA (1988),
Moshiri (1993), Kadllec et al. (2000), Solano et al. (2003), Vymazal (2005),… cho
thấy hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm như nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5), nhu cầu oxy
hóa học (COD), lượng oxy hòa tan (DO), tổng lượng chất rắn lơ lửng (TSS), đạm tổng
Thụy Diễm Trang (2013) được thực hiện trên mô hình đất ngập nước kiến tạo chảy
ngầm theo phương ngang với cây trồng được sử dụng là Bồn bồn (Typha orientalis C.
Presl.) xử lý nước thải sinh hoạt và nước mưa, kết quả cho thấy nồng độ tổng Nitơ (TN)
có xu hướng giảm dần dọc theo hệ thống. Bồn bồn phát triển rất tốt trên hệ thống, đặc
biệt tại phân đoạn đầu tiên (3 m). Ngoài ra, hiệu suất xử lý TN tương ứng ở từng giai
đoạn thích nghi (70 ngày) và giai đoạn hoạt động (98 ngày) của hệ thống là 88,5% và
60,8%.
12
CHƯƠNG 3
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1 Thời gian và địa điểm nghiên cứu
- Thời gian nghiên cứu: Đề tài được thực hiện trong vòng 05 tháng, từ tháng
06/2014 đến tháng 11/2014.
- Địa điểm nghiên cứu: Khu thực nghiệm xử lý nước thải bằng đất ngập nước
kiến tạo ở khu I – Đại học Cần Thơ, TP. Cần Thơ.
3.2 Vật liệu và phương tiện nghiên cứu
- Dụng cụ thu, bảo quản và phân tích mẫu: chai nhựa, cốc thủy tinh, bình tam
giác, ống hút nhỏ giọt, pipet, bình định mức,...
- Các loại thiết bị đo nhanh các chỉ tiêu pH, EC, DO, nhiệt độ.
- Hóa chất, dụng cụ để phân tích các chỉ tiêu NH4+, NO3- và PO43-.
- Thực vật nghiên cứu: Huệ nước được thu phía nhà xe tại khoa Môi trường và
trồng trong thời gian bố trí nghiệm thức không trồng cây (trồng tại khoa) để cây sinh
trưởng đồng đều, sau đó lựa chọn những cây đạt kích thước cần thiết và tương đối đồng
nhất với trung bình chiều dài thân và rễ tương ứng khoảng 70 cm và 15 cm, rửa sạch
cát bằng nước máy và trồng trên hệ thống (đối với nghiệm thức trồng cây).
3.3 Mô tả hệ thống thí nghiệm
Hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt bằng đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm
(Hình 3.3).
c. Bể lọc xơ dừa
Sau bể than đước, nước thải sẽ được chảy qua một đập tràn thành mỏng 0,15 m
x 0,1 m x 0,1 m để đến bể lọc xơ dừa 0,4 m x 1,6 m x 1,05 m (dài x rộng x cao). Bể lọc
xơ dừa được ngăn cách với bể cát xử lý phía sau bằng một tấm lưới thép, trong bể có
14
kẹp xơ dừa để ngăn cát tràn ngược về phía trước và ngăn không cho các mảnh vụn của
than cũng như các mảnh vụn hữu cơ có kích thước lớn đi vào bể phía sau (Hình 3.3)
Hình 3.3 Bể lọc than đước – xơ dừa
d. Bể cát xử lý có trồng thực vật
Phần chính của hệ thống là bể xử lý cát có trồng thực vật bên trên với kích thước
12 m x 1,6 m (dài x rộng), tuy nhiên 1 m đầu của bể (ngay sau bể lọc xơ dừa) là khu
vực trũng với độ cao cát là 0,5 m và được ngăn cách với bể lọc phía sau bằng 1 tấm
thép nhằm tránh cát tràn ngược về phía sau và nước sẽ không chảy tràn bề mặt khi lưu
lượng bơm cao. Đây là khu vực chứa nước sau khi lọc qua bể xơ dừa sẽ chảy từ từ vào
bể lọc cát có trồng thực vật. Chiều cao đầu khu đất là 1,75 m, chiều cao cuối khu đất là
2 m, đáy bể được đặt nghiêng hướng bể đầu ra với độ dốc i = 1%. Bên trong bể được
đặt 3 ống nhựa đường kính 150 mm để đo mực nước bên trong. Phía dưới dọc theo
chiều dài của hệ thống có đặt 5 van lấy mẫu nước cách vị trí đầu vào lần lượt là 1,9; 3,8;
5,9; 7,9 và 9,9 m (Hình 3.4)
Hình 3.4 Bể xử lý cát trồng thực vật
15
Giai đoạn 1: chạy hệ thống không trồng cây, hệ thống hoạt động với lưu
lượng nạp nước là 1000 L/ngày trong một tháng (4 tuần) để hệ vi sinh vật thích nghi
trong điều kiện hệ thống không trồng cây, sau đó tiến hành thu mẫu nước.
Giai đoạn 2: chạy hệ thống có trồng cây, trước khi tiến hành thí nghiệm,
chọn các cây gần đồng dạng để trồng lên hệ thống với mật độ cây trồng là 5 cây/m2,
tổng số cây trồng là 88 cây. Sau đó tiến hành trồng cây và cho hệ thống hoạt động liên
16
Copyright: Tài liệu đại học ©