Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải sinh hoạt xám tại chỗ bằng vật liệu laterit (đá ong)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:151

Thêm vào BST

Báo xấu

37
lượt xem 13
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu chung: Xác định khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm chính trong nước thải sinh hoạt xám của đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đa tầng. Mời các bạn tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải sinh hoạt xám tại chỗ bằng vật liệu laterit (đá ong)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHƢƠNG THỊ HẢI YẾN NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƢỚC THẢI SINH HOẠT XÁM TẠI CHỖ BẰNG VẬT LIỆU LATERIT (ĐÁ ONG) LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƢỚC THẢI SINH HOẠT XÁM TẠI CHỖ BẰNG VẬT LIỆU LATERIT (ĐÁ ONG) Chuyên ngành: Kỹ thuật tài nguyên nƣớc Mã số: 62580212 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS Phạm Thị Minh Thƣ 2. PGS.TS Nguyễn Thị Kim Cúc HÀ NỘI, NĂM 2016
LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dƣới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Chữ ký Khƣơng Thị Hải Yến i
LỜI CÁM ƠN Tác giả xin trân trọng cám ơn PGS.TS Phạm Thị Minh Thƣ, PGS.TS Nguyễn Thị Kim Cúc và các thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp, gia đình đã giúp đỡ và đóng góp ý kiến cho Luận án tiến sĩ này. Tác giả cũng xin cám ơn TS Nguyễn Thị Hằng Nga đã nhiệt tình giúp đỡ trong suốt quá trình làm luận án. Cảm ơn trƣờng Đại Học Thủy Lợi là nơi NCS theo học đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho quá trình học tập và nghiên cứu; cảm ơn trƣờng Cao đẳng Xây dựng Công trình Đô thị là nơi NCS công tác đã giúp đỡ rất nhiều trong việc xây dựng và vận hành các mô hình thí nghiệm, thực nghiệm và xét nghiệm mẫu nƣớc. Đặc biệt, luận án là công trình của tác giả dành tặng cha – cũng là ngƣời thầy đã đồng hành cùng tác giả trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu nhƣng đã đột ngột ra đi mà không thể chứng kiến thành quả mà tác giả đã nỗ lực đạt đƣợc. Do thời gian nghiên cứu có hạn nên luận án không tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp của các thầy cô, các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp. Xin trân trọng cảm ơn! ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... i DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ................................................................................. vi MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 1.1 Tính cấp thiết của đề tài .................................................................................. 1 1.2 Mục tiêu của nghiên cứu ................................................................................. 2 1.2.1 Mục tiêu chung ........................................................................................ 2 1.2.2 Mục tiêu cụ thể ........................................................................................ 2 1.3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ................................................................... 2 1.3.1 Đối tƣợng nghiên cứu .............................................................................. 2 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu.................................................................................. 2 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................ 3 1.5 Những đóng góp mới ...................................................................................... 4 1.5.1 Tính mới của luận án................................................................................ 4 1.5.2 Giá trị khoa học........................................................................................ 4 1.5.3 Giá trị thực tiễn ........................................................................................ 4 1.6 Cấu trúc của luận án ....................................................................................... 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ........................... 6 1.1 Nƣớc thải xám ................................................................................................ 6 1.1.1 Khái niệm chung ...................................................................................... 6 1.1.2 Các phƣơng pháp xử lý nƣớc thải xám ..................................................... 7 1.1.3 Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc về xử lý nƣớc thải xám . 10 1.2 Đá ong và ứng dụng đá ong trong lĩnh vực xử lý nƣớc thải ........................... 13 1.2.1 Sơ lƣợc về đá ong (laterit) ...................................................................... 13 1.2.2 Khoáng vật trong đá ong có ích cho quá trình xử lý một số chất ô nhiễm có trong nƣớc thải. ............................................................................................. 15 1.2.3 Những công trình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc ứng dụng đá ong trong lĩnh vực xử lý nƣớc thải ..................................................................................... 21 1.3 Kỹ thuật xếp lớp đa tầng ............................................................................... 27 1.3.1 Khái niệm chung .................................................................................... 27 iii
1.3.2 Các công trình nghiên cứu về kỹ thuật xếp lớp đa tầng đƣợc thực hiện trong phòng thí nghiệm ...................................................................................... 28 1.3.3 Các công trình thực tiễn ứng dụng kỹ thuật xếp lớp đa tầng trong lĩnh vực xử lý nƣớc thải. .................................................................................................. 33 CHƢƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC, VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƢỚC THẢI XÁM BẰNG ĐÁ ONG THEO KỸ THUẬT XẾP LỚP ĐA TẦNG ........................................................................................................ 38 2.1 Cơ sở khoa học nghiên cứu xử lý nƣớc thải xám bằng đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đất đa tầng ................................................................................................. 38 2.1.1 Quá trình hấp phụ................................................................................... 38 2.1.2 Quá trình phân hủy sinh học................................................................... 45 2.2 Vật liệu nghiên cứu....................................................................................... 53 2.2.1 Đá ong tự nhiên (VL1) ........................................................................... 53 2.2.2 Đá ong biến tính nhiệt (VL2) ................................................................. 55 2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu .............................................................................. 58 2.3.1 Lấy và bảo quản mẫu nƣớc thải .............................................................. 58 2.3.2 Bố trí thí nghiệm .................................................................................... 59 CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƢỚC THẢI XÁM BẰNG ĐÁ ONG THEO KỸ THUẬT XẾP LỚP ĐA TẦNG ....................................................... 71 3.1 Tính chất nƣớc thải xám nhà cao tầng trên địa bàn thành phố Hà Nội ........... 71 3.2 Kết quả nghiên cứu mô hình xếp lớp đa tầng quy mô phòng thí nghiệm ....... 75 3.2.1 Sự di chuyển của dòng nƣớc qua các lớp đá ong .................................... 75 3.2.2 Xác định hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ nền (qua thông số BOD5, COD) và chuyển hóa nitơ (qua thông số NH4+-N) theo số lớp đá ong trong hệ thống xếp lớp đa tầng. ........................................................................................ 94 3.3 Kết quả nghiên cứu mô hình thử nghiệm (pilot) xử lý tại chỗ nƣớc thải sinh hoạt xám của nhà B5 – Yên Thƣờng .................................................................... 103 3.3.1 Xác định số lƣợng lớp vật liệu cần thiết để xử lý nƣớc thải sinh hoạt xám nhà B5 - Yên Thƣờng ...................................................................................... 103 3.3.2 Xác định kích thƣớc mô hình thực nghiệm (pilot) theo lƣu lƣợng nƣớc thải sinh hoạt xám cần xử lý ............................................................................. 104 3.3.3 Quá trình khởi động mô hình thử nghiệm (pilot) .................................. 105 3.3.4 Kết quả nghiên cứu mô hình thử nghiệm xử lý tại chỗ nƣớc thải xám cho nhà B5 – Yên Thƣờng. ..................................................................................... 106 iv
3.4 Giải pháp công nghệ xử lý nƣớc thải xám bằng đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đa tầng ................................................................................................................. 113 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................. 116 1. Kết luận ...................................................................................................... 116 2. Kiến nghị .................................................................................................... 117 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ........................... 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 120 v
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Sơ đồ thoát nƣớc trong các nhà cao tầng ...................................................... 6 Hình 1.2: Công trình xử lý nƣớc thải xám tại Jordan .................................................. 11 Hình 1.3: Xây dựng bể lọc để xử lý nƣớc thải xám tại Ấn Độ [18] ............................. 11 Hình 1.4: Sơ đồ xử lý nƣớc thải xám nhà B23-ĐH Cần Thơ ...................................... 13 Hình 1.5: Đá ong tự nhiên .......................................................................................... 14 Hình 1.6: Cấu trúc không gian tinh thể Bruxit ............................................................ 16 Hình 1.7: Cấu trúc không gian tinh thể Gibbsit .......................................................... 17 Hình 1.8: Cấu trúc không gian tinh thể Boehmit ........................................................ 17 Hình 1.9: Cấu trúc không gian tinh thể lepidocrokit và goethite ................................. 18 Hình 1.10: Cấu trúc không gian tinh thể montmorillonit ............................................ 20 Hình 1.11: Sơ đồ cấu tạo hệ thống xếp lớp đa tầng .................................................... 27 Hình 1.12: Sự chuyển động của dòng nƣớc qua các đơn vị đất [42] ........................... 29 Hình 1.13: Mối quan hệ giữa tải trọng thủy lực và thời gian lƣu nƣớc [39] .................. 32 Hình 1.14: Hệ thống xếp lớp đa tầng xử lý nƣớc thải xám tại Nhật [45] ..................... 34 Hình 1.15: Sơ đồ hệ thống xếp lớp đa tầng tại Nhật Bản [46] ...................................... 34 Hình 1.16: Hệ thống xếp lớp đa tầng xử lý nƣớc thải sinh hoạt tại Thái Lan [45]. ...... 35 Hình 1.17: Xử lý nƣớc thải sinh hoạt và nƣớc sông tại Philipin và Indonesia [46] ..... 35 Hình 2.1: Quá trình hấp phụ của đá ong [48] ............................................................. 39 Hình 2.2: Điểm tích điện không của một khoáng vật là 6,6 ........................................ 39 Hình 2.3: Sơ đồ biểu diễn cấu trúc lớp kép có thể đánh dấu sự khác nhau giữa thể bề mặt và thế Zeta .......................................................................................................... 40 Hình 2.4: Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir; tg  =1/qmax ..................................... 44 Hình 2.5: Sự phụ thuộc của C f / q và C f .................................................................. 44 Hình 2.6: Các trạng thái tồn tại của amoni theo pH .................................................... 47 Hình 2.7: Ảnh hƣởng của pH đến các dạng tồn tại của sắt ......................................... 48 Hình 2.8: Ảnh hƣởng của nồng độ oxi đến quá trình phân hủy nitơ ........................... 50 Hình 2.9: Kết quả đo XRD của mẫu đá ong khu vực Thạch Thất, Hà Nội .................. 54 Hình 2.10: Sắt tập trung cao chiếm hầu hết hạt sét trong đá ong ................................ 55 Hình 2.11: Vi cấu trúc của đá ong .............................................................................. 55 Hình 2.12: Vật liệu đá ong tự nhiên (VL1)................................................................. 55 Hình 2.13: Đƣờng cong DSC khi nung nóng laterit (đá ong) đến 13000C [62] ........... 56 Hình 2.14: Cấu trúc bề mặt của đá ong trƣớc và sau khi nung (Ảnh chụp SEM – độ phóng đại 25.000 lần) ................................................................................................ 58 Hình 2.15: Vật liệu đá ong nung biến tính nhiệt (VL2) .............................................. 58 Hình 2.16: Mô hình xếp lớp đất đa tầng quy mô phòng thí nghiệm ............................ 60 Hình 2.17: Mô hình MSL6......................................................................................... 60 Hình 2.18: Mô hình MSL3......................................................................................... 60 Hình 2.19: Hệ thống phân phối .................................................................................. 60 vi
Hình 2.20: Mô hình thử nghiệmMSL6-PL ................................................................. 61 Hình 2.21: Mặt cắt mô hình thử nghiệm MSL6-PL .................................................... 62 Hình 3.1: Mô phỏng dòng nƣớc di chuyển trong các lớp đá ong ................................ 75 Hình 3.2: Dòng nƣớc di chuyển trong mô hình thí nghiệm ......................................... 75 Hình 3.3: Sự thay đổi nồng độ BOD5 trƣớc và sau khi xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTNB ..................................................................................................... 78 Hình 3.4: Sự thay đổi nồng độ BOD5 trƣớc và sau khi xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTPL...................................................................................................... 78 Hình 3.5: Sự thay đổi nồng độ COD trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTNB ................................................................................................................. 81 Hình 3.6: Sự thay đổi nồng độ COD trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTPL .................................................................................................................. 81 Hình 3.7: Sự thay đổi nồng độ NH4+-N trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTNB ................................................................................................................. 82 Hình 3.8: Sự thay đổi nồng độ NH4+-N trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTPL .................................................................................................................. 83 Hình 3.9: Sự thay đổi nồng độ NO2--N trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTNB ................................................................................................................. 84 Hình 3.10: Sự thay đổi nồng độ NO2--N trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTPL .................................................................................................................. 84 Hình 3.11: Sự thay đổi nồng độ NO3--N trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTNB ................................................................................................................. 86 Hình 3.12: Sự thay đổi nồng độ NO3--N trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTPL .................................................................................................................. 86 Hình 3.13: Sự thay đổi nồng độ T-N trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTNB ................................................................................................................. 87 Hình 3.14: Sự thay đổi nồng độ T-N trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTPL .................................................................................................................. 87 Hình 3.15: Ảnh hƣởng của pH đến sự hấp phụ các ion trên bề mặt đá ong ................. 89 Hình 3.16: Cơ chế cân bằng điện tích trong việc keo tụ chất rắn lơ lửng .................... 89 Hình 3.17: Sự thay đổi nồng độ PO43--P trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTNB ................................................................................................................. 90 Hình 3.18: Sự thay đổi nồng độ PO43--P trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTPL .................................................................................................................. 90 Hình 3.19: Sự chuyển hóa và hấp thụ PO43--P của vi sinh vật [15] ............................. 92 Hình 3.20: Sự thay đổi nồng độ T-P trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTNB........................................................................................................................ 92 Hình 3.21: Sự thay đổi nồng độ T-P trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTPL......................................................................................................................... 93 Hình 3.22: Đẳng hấp phụ P bằng đá ong ở 25oC và pH = 6 ....................................... 93 vii
Hình 3.23: Mối quan hệ giữa nồng độ BOD5 và số lớp đá ong có trong mô hình ........ 96 Hình 3.24: Mối quan hệ giữa nồng độ COD và số lớp đá ong có trong mô hình ......... 97 Hình 3.25: Mối quan hệ giữa lnC0C và số lớp đá ong có trong mô hình ................... 100 Hình 3.26: Cơ chế làm việc của hệ thống MSL với đá ong làm vật liệu chính .......... 102 Hình 3.27: Sự biến đổi nồng độ của NH4+-N, NO2-, NO3- trong giai đoạn khởi động mô hình pilot ........................................................................................................... 106 Hình 3.28: Độ pH của nƣớc thải xám trƣớc và sau xử lý qua mô hình thử nghiệm ... 107 Hình 3.29: Nồng độ và hiệu suất xử lý BOD5 của nƣớc thải xám qua mô hình thử nghiệm..................................................................................................................... 107 Hình 3.30: Nồng độ và hiệu suất xử lý COD của nƣớc thải xám qua mô hình thử nghiệm..................................................................................................................... 108 Hình 3.31: Nồng độ và hiệu suất xử lý NH4+-N của nƣớc thải xám qua mô hình thử nghiệm..................................................................................................................... 109 Hình 3.32: Nồng độ và hiệu suất xử lý T-N của nƣớc thải xám qua mô hình thử nghiệm..................................................................................................................... 109 Hình 3.33: Nồng độ và hiệu suất xử lý PO43-- P của nƣớc thải xám qua mô hình thử nghiệm..................................................................................................................... 111 Hình 3.34: Nồng độ T-P trong nƣớc thải xám trƣớc và sau khi xử lý ....................... 111 Hình 3.35: Nồng độ TSS trong nƣớc thải xám trƣớc và sau khi xử lý ...................... 112 viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Đặc điểm của nƣớc thải xám theo nguồn thải [11], [2]. ................................ 6 Bảng 1.2: Tính chất nƣớc thải xám tại một số nƣớc trên thế giới.................................. 7 Bảng 1.3: Chất lƣợng nƣớc thải xám trƣớc và sau khi xử lý [8]. ................................ 10 Bảng 1.4: Chất lƣợng nƣớc thải xám sau xử lý qua cát lọc và hỗn hợp đất [14]. ........ 12 Bảng 1.5: Thay đổi tính chất của nƣớc thải xám theo thời gian tại Hà Lan [19]. ........ 12 Bảng 1.6: Thành phần các nguyên tố chính trong laterit [7]. ...................................... 14 Bảng 1.7: Hiệu quả xử lý một số chất ô nhiễm chính trong nƣớc thải [43]. ................ 30 Bảng 1.8: Hiệu suất xử lý (%) chất ô nhiễm theo tải trọng thủy lực [43]. ..................... 31 Bảng 2.1: PZC của một số oxit và khoáng vật [47]. ................................................... 40 Bảng 2.2: Công thức và tỷ lệ thành phần các chất hữu cơ có trong nƣớc thải [54]. ..... 46 Bảng 2.3: Các bƣớc phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí .............................. 49 Bảng 2.4: Thành phần khoáng vật học của đá ong [35], [7]........................................ 53 Bảng 2.5: Thành phần hóa học của đá ong dùng trong nghiên cứu [33]...................... 54 Bảng 2.6: Phƣơng pháp và tiêu chuẩn phân tích thông số nhiễm. ............................... 66 Bảng 3.1: Tính chất nƣớc thải xám nhà cao tầng trên địa bàn TP. Hà Nội [3]. .......... 71 Bảng 3.2: So sánh mức độ đậm đặc của nƣớc thải xám .............................................. 72 Bảng 3.3: So sánh chất lƣợng nƣớc thải xám với QCVN 14:2008/BTNMT và chất lƣợng nƣớc thải đô thị. ............................................................................................... 72 Bảng 3-4: Tỷ lệ (C/N) tối ƣu với nhiều loại chất hữu cơ khác nhau đƣợc sử dụng cho quá trình khử nitơ [15]. .............................................................................................. 73 Bảng 3.5: Tính chất nƣớc thải xám nguyên bản và pha loãng đầu vào........................ 76 Bảng 3.6: Độ pH của nƣớc thải xám trƣớc và sau khi xử lý qua các mô hình MSL .... 77 Bảng 3.7: Nồng độ và hiệu suất trung bình xử lý BOD5 qua các mô hình MSL .......... 78 Bảng 3.8: Nồng độ và hiệu suất trung bình xử lý COD qua các mô hình MSL .......... 80 Bảng 3.9: Nồng độ và hiệu suất xử lý NH4+-N qua các mô hình MSL........................ 82 Bảng 3.10: Nồng độ NO2--N trƣớc và sau khi xử lý qua các mô hình MSL ................ 84 Bảng 3.11: Nồng độ NO3--N trƣớc và sau khi xử lý qua các mô hình MSL ................ 85 Bảng 3.12: Nồng độ T-N trƣớc và sau khi xử lý qua các mô hình MSL ..................... 86 Bảng 3.13: Nồng độ PO43--P trƣớc và sau khi đi qua các lớp đá ong .......................... 90 Bảng 3.14: Nồng độ T-P trƣớc và sau khi đi qua các lớp đá ong ................................ 92 Bảng 3.15: Đẳng hấp phụ P trên bề mặt đá ong .......................................................... 93 Bảng 3.16: Khả năng hấp phụ P của một số loại vật liệu ............................................ 94 Bảng 3.17: Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ nền (ks) qua các lớp đá ong. .............. 98 Bảng 3.18: Hệ số tốc độ chuyển hóa amoni (NH4+-N) qua các lớp đá ong ................. 99 Bảng 3.19: Nồng độ và hiệu suất xử lý nƣớc thải xám nhà B5-Yên Thƣờng ........... 106 Bảng 3.20: Hiệu suất xử lý T-N của MSL6-PL với một số công nghệ xử lý nƣớc thải tại Việt Nam hiện nay [1], [5], [80]. ......................................................................... 110 Bảng 3.21: So sánh tính chất nƣớc thải xám trƣớc và sau khi xử lý bằng MSL6-PL với các QCVN 14:2008 (BTNMT) và QCVN 08:2008/BTNMT. ................................... 113 ix
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT A2O Công nghệ mƣơng oxi hóa tuần hoàn BGBL Môi trƣờng tăng sinh (Brilliant Green Bile Lactose Broth) BOD5 Nhu cầu oxy hóa sinh học sau 5 ngày (Biological Oxygen Demand) (mg/L) C0 Nồng độ chất ô nhiễm ban đầu (mg/L) COD Nhu cầu oxy hoá học (Chemical Oxygen Demand) (mg/L) Cra Nồng độ chất ô nhiễm trong nƣớc thải xám đầu ra (mg/L) Ct Nồng độ chất ô nhiễm tại thời điểm t (mg/L) Cvào Nồng độ chất ô nhiễm trong nƣớc thải xám đầu vào (mg/L) DSC Phân tích nhiệt quét vi sai (Differential scanning calorimetry) ĐVT Đơn vị tính HRT Thời gian lƣu nƣớc (giờ) IEP Điểm đẳng nhiệt JICA Văn phòng hợp tác quốc tế Nhật Bản (The Japan International Cooperation Agency) K Tốc độ chuyển hóa nitơ (lớp-1) Kbh Hệ số bão hòa ks Hệ số tốc độ phân hủy sinh học chất hữu cơ (lớp-1) LVL Lớp vật liệu MBR Công nghệ màng lọc sinh học (Membrane Bio Reactor) MPN Mật độ tế bào vi khuẩn lớn nhất (most probable number) MSL Xếp lớp đa tầng (Multi Soil Layering) (mg/L) MSLn Hệ thống có n lớp đá ong NH4+-N Nồng độ Amoni quy về nồng độ nitơ (mg/L) NMXLNT Nhà máy xử lý nƣớc thải - NO2 -N Tổng nồng độ nitrit quy về nồng độ nitơ (mg/L) - NO3 -N Tổng nồng độ nitrat quy về nồng độ nitơ (mg/L) NTNB Nƣớc thải xám nguyên bản NTPL Nƣớc thải xám pha loãng PO43--P Tổng hàm lƣợng Phốt phát trong nƣớc thải quy về nồng độ phốt pho (mg/L) POP Các chất hữu cơ khó phân hủy PZC Điểm điện tích không (point of zero charge) QCVN Quy chuẩn Việt Nam. x
QCVN 08:2008/ Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lƣợng nƣớc mặt BTNMT QCVN 14:2008 Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nƣớc thải sinh hoạt. /BTNMT SBR Công nghệ bùn hoạt tính dạng mẻ (Sequencing Batch Reactor) SEM Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope) SEM Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy) SRT Thời gian lƣu bùn (giờ) TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam. T-N Tổng nồng độ các chất nitơ quy về nồng độ nitơ (mg/L) T-P Tổng nồng độ các chất Phốt pho quy về nồng độ phốt pho (mg/L) TSS Tổng các chất rắn lơ lửng (mg/L) UV Tia cực tím (Ultraviolet Visble) VACNE Hội bảo vệ thiên nhiên và môi trƣờng Việt Nam WHO Tổ chức y tế thế giới XRD Nhiễu xạ tia (X-ray diffraction) xi
MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết của đề tài Quá trình đô thị hóa tại Việt Nam đang diễn ra nhanh, nhiều khu đô thị mới với các tòa nhà cao tầng mọc lên và có xu hƣớng ngày càng xa trung tâm. Cơ sở hạ tầng chƣa đƣợc đầu tƣ mở rộng tƣơng xứng nên một số khu đô thị mới việc thu gom nƣớc thải sinh hoạt vào hệ thống thoát nƣớc chung để đƣa đi xử lý gặp nhiều khó khăn và là một trong những nguyên gây ô nhiễm môi trƣờng [1]. Trong nƣớc thải sinh hoạt, nƣớc thải xám chiếm đến 69% tổng lƣu lƣợng [2]; có nồng độ các chất ô nhiễm, mầm bệnh thấp hơn nƣớc thải đen và hầu hết đang đƣợc xả thẳng ra ngoài môi trƣờng không qua xử lý. Tại Việt Nam, nƣớc thải sinh hoạt xám có tỷ lệ COD:BOD5 là 1,97 < 2 [3] - phù hợp cho việc xử lý bằng phƣơng pháp sinh học [4]; chủ yếu bị ô nhiễm bởi chất hữu cơ, chất dinh dƣỡng và chất rắn lơ lửng với mức độ thấp nên xử lý đơn giản hơn so với nƣớc thải đen. Các công nghệ sinh học đang áp dụng tại Việt Nam hiện nay nhƣ SBR, A2O chỉ hiệu quả với các nhà máy xử lý nƣớc thải tập trung công suất lớn, hiệu quả xử lý nitơ thấp, vận hành phức tạp và có diện tích chiếm đất lớn [5]. Cần nghiên cứu một giải pháp xử lý phù hợp với quy mô và tính chất nƣớc thải sinh hoạt xám theo tiêu chí đơn giản trong vận hành, hiệu suất xử lý nitơ cao, tiết kiệm đƣợc diện tích chiếm đất và hƣớng tới công nghệ bền vững [6]. Đá ong (laterit) là vật liệu địa phƣơng, có sẵn tại nhiều nhiều vùng trên đất nƣớc Việt Nam. Đá ong có cấu trúc dạng khung xƣơng, chứa nhiều khoáng chất nhƣ các loại sét (kaolinit, bentonit), các hyđroxit sắt, nhôm, zeolite, bruxit, gibbsit, goethite [7]…là những chất có tính phân cực trong môi trƣờng nƣớc, có khả năng trao đổi ion trong cấu trúc tinh thể, có độ lỗ rỗng và diện tính bề mặt riêng lớn nên dễ dàng hấp phụ, trao đổi ion, liên kết tĩnh điện một số các chất ô nhiễm có trong nƣớc. Từ lâu đá ong đƣợc biết đến nhƣ một loại vật liệu lọc tiềm năng, có khả năng hấp phụ các ion kim loại nặng, flo trong nƣớc. Tuy nhiên khả năng hấp phụ này giảm nhanh theo thời gian kèm theo đó là quá trình tắc nghẽn do sự tích tụ cặn và hình thành lớp màng vi sinh bao quanh. Kỹ thuật xếp lớp đa tầng có thể hạn chế vấn đề tắc nghẽn và tăng hiệu quả xử lý bằng phƣơng pháp sinh học. 1
Đề tài “Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải sinh hoạt xám tại chỗ bằng vật liệu laterit (đá ong)” đƣợc thực hiện nhằm xác định khả năng xử lý nƣớc thải sinh hoạt xám của đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đa tầng. Thành công của nghiên cứu mở ra một hƣớng mới trong việc sử dụng vật liệu địa phƣơng, thân thiện với môi trƣờng để xử lý tại chỗ nƣớc thải sinh hoạt xám góp phần giảm áp lực cho các nhà máy xử lý nƣớc thải tập trung, số lƣợng đƣờng ống vận chuyển cho mạng lƣới thoát nƣớc đô thị và hạn chế ô nhiễm môi trƣờng. Nƣớc thải sinh hoạt xám sau xử lý đạt tiêu chuẩn cho phép và có thể sử dụng vào mục đích tƣới (hoặc các mục đích tƣơng đƣơng) góp phần chủ động trong việc cấp nƣớc tƣới, tiết kiệm nguồn tài nguyên nƣớc cho tƣơng lai và hƣớng đến phát triển bền vững. 1.2 Mục tiêu của nghiên cứu 1.2.1 Mục tiêu chung Xác định khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm chính trong nƣớc thải sinh hoạt xám của đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đa tầng. 1.2.2 Mục tiêu cụ thể - Xác định tính chất nƣớc thải sinh hoạt xám của một số nhà cao tầng trên địa bàn thành phố Hà Nội; - Đánh giá đƣợc khả năng xử lý các chất ô nhiễm trong nƣớc thải sinh hoạt xám qua các mô hình thí nghiệm xếp lớp đa tầng với đá ong là vật liệu chính; - Ứng dụng thành công mô hình thử nghiệm xử lý tại chỗ nƣớc thải sinh hoạt xám cho nhà cao tầng. Nƣớc thải sinh hoạt xám sau xử lý đạt chất lƣợng nƣớc tƣới. 1.3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 1.3.1 Đối tượng nghiên cứu Kỹ thuật xếp lớp đa tầng sử dụng đá ong làm vật liệu chính để xử lý nƣớc thải sinh hoạt xám của nhà cao tầng trên địa bàn thành phố Hà Nội. 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu đƣợc thực hiện trong phạm vi nhƣ sau: 2
- Nƣớc thải sinh hoạt xám của một số nhà cao tầng trên địa bàn thành phố Hà Nội; - Kỹ thuật xếp lớp đa tầng sử dụng vật liệu chính là đá ong tự nhiên và đá ong biến tính nhiệt; - Nghiên cứu đƣợc thực hiện trong phòng thí nghiệm trên các mô hình thí nghiệm và mô hình thử nghiệm (pilot). 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu Trong luận án sử dụng các phƣơng pháp nghiên cứu chính sau: - Điều tra và thu thập mẫu nƣớc thải: Tìm hiểu và thu thập các số liệu liên quan đến thoát nƣớc của các nhà cao tầng. Mẫu nƣớc thải tổng hợp đƣợc lấy trên đƣờng ống dẫn nƣớc thải sinh hoạt xám của một số nhà cao tầng trên địa bàn thành phố Hà Nội; - Kế thừa: Kế thừa các kết quả nghiên cứu lý thuyết về khả năng hấp phụ của đá ong và bố trí vật liệu trong kỹ thuật xếp lớp đa tầng; - Phân tích trong phòng thí nghiệm: Các thông số BOD5, COD, T-N, T-P, NH4+-N, PO43--P, TSS, E.coli, Coliform đƣợc phân tích theo Standard Methods và các TCVN tƣơng đƣơng; mẫu nƣớc thải xám đƣợc thu và bảo quản theo TCVN 5998:1995; - Mô hình thí nghiệm: Xây dựng các mô hình thí nghiệm có từ 3 đến 7 lớp đá ong tự nhiên; hiệu suất xử lý, hệ số phân hủy sinh học chất hữu cơ nền (k s), hệ số chuyển hóa amoni (K) đƣợc xác định dựa trên các kết quả thực nghiệm thu đƣợc từ việc phân tích các mẫu nƣớc thải sinh hoạt xám; - Mô hình thử nghiệm (pilot): Thiết kế pilot 6 lớp đá ong (MSL6-PL) để xử lý tại chỗ nƣớc thải sinh hoạt xám cho một số căn hộ nhà B5-Yên Thƣờng; - Thống kê: Xử lý các số liệu bằng thuật toán xác xuất thống kê, các kết quả phân tích mẫu đƣợc nhập vào exel 2007. Thiết lập xu hƣớng dự đoán qua phƣơng pháp hồi quy tuyến tính, hồi quy phi tuyến tính và hệ số xác định R2; - Chuyên gia: Lấy ý kiến chuyên gia về cách bố trí mô hình thí nghiệm và đánh giá khả năng xử lý nƣớc thải sinh hoạt xám bằng đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đất đa tầng. 3
1.5 Những đóng góp mới 1.5.1 Tính mới của luận án - Xác định đƣợc tính chất và đặc thù nƣớc thải sinh hoạt xám một số nhà cao tầng trên địa bàn thành phố Hà Nội; - Xác định đƣợc vai trò nhóm liên kết hydro dạng -O-H-O-H-O trong cấu trúc phân tử của khoáng vật có trong đá ong đến quá trình loại bỏ chất hữu cơ và nitơ có trong nƣớc thải xám nhà cao tầng; - Xác định hệ số tốc độ phân huỷ BOD5, COD và chuyển hóa NH4+-N có trong nƣớc thải sinh hoạt xám theo số lớp đá ong trong hệ thống xếp lớp đa tầng; - Xử lý tại chỗ thành công nƣớc thải sinh hoạt xám nhà cao tầng bằng hệ thống xếp lớp đa tầng với đá ong là vật liệu chính. 1.5.2 Giá trị khoa học - Xây dựng cơ sở tính toán, thiết kế hệ thống xếp lớp đa tầng sử dụng đá ong làm vật liệu chính để xử lý nƣớc thải sinh hoạt xám; - Xác định đƣợc khả năng xử lý chất hữu cơ, chất dinh dƣỡng, tổng chất rắn lơ lửng có trong nƣớc thải sinh hoạt xám bằng đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đa tầng. 1.5.3 Giá trị thực tiễn Ứng dụng vào thực tiễn để xử lý nƣớc thải sinh hoạt xám cho các nhà cao tầng trên địa bàn thành phố Hà Nội. Nƣớc sau xử lý đạt chất lƣợng theo yêu cầu, góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng và hƣớng tới phát triển bền vững. 1.6 Cấu trúc của luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị thì luận án gồm 3 chƣơng. Phần MỞ ĐẦU Gồm 5 trang (từ trang 01 đến trang 5), trình bày tính cấp thiết, mục tiêu, đối tƣợng và phƣơng pháp nghiên cứu, những đóng góp mới và cấu trúc luận án. Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4
Gồm 32 trang (từ trang 6 đến trang 37) trình bày các vấn đề liên quan kỹ thuật xếp lớp đa tầng, nƣớc thải xám và ứng dụng đá ong trong lĩnh vực xử lý nƣớc thải. Chƣơng 2: CƠ SỞ KHOA HỌC, VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƢỚC THẢI SINH HOẠT XÁM BẰNG ĐÁ ONG THEO KỸ THUẬT XẾP LỚP ĐA TẦNG Gồm 43 trang (từ trang 38 đến trang 70) trình bày cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đa tầng; lựa chọn, gia công vật liệu đá ong và các phƣơng pháp cụ thể để thực hiện việc nghiên cứu. Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Gồm 43 trang (từ trang 71 đến trang 115) trình bày các kết quả thu đƣợc từ quá trình nghiên cứu. Phần KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Gồm 3 trang (từ trang 116 đến trang 118) trình bày những kết luận rút ra trong quá trình nghiên cứu, những tồn tại và hƣớng nghiên cứu tiếp theo. 5
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Nƣớc thải xám 1.1.1 Khái niệm chung Nƣớc thải từ các công trình hiện nay bao gồm: nƣớc thải đen, nƣớc thải xám và nƣớc mƣa. Trong đó, nƣớc thải đen đƣợc xử lý sơ bộ bằng bể tự hoại còn nƣớc thải xám và nƣớc mƣa thƣờng không qua xử lý mà xả thẳng ra mạng lƣới thoát nƣớc đô thị hay môi trƣờng Hình 1.1: Sơ đồ thoát nƣớc trong các nhà cao tầng (Hình 1.1). Nƣớc thải sinh hoạt xám là một phần của nƣớc thải sinh hoạt chƣa qua xử lý và đƣợc thu từ vòi hoa sen, chậu rửa tay, bồn tắm, chậu rửa bát (trừ bệ xí và âu tiểu) [8]. Nƣớc thải xám chiếm chiếm 50-75% (trung bình 69%) lƣu lƣợng nƣớc nƣớc thải sinh hoạt trong hộ gia đình [2]. Nồng độ các chất ô nhiễm có trong nƣớc thải xám phụ thuộc vào thói quen, mức sống, phong tục tập quán, điều kiện kinh tế, quản lý, phƣơng thức thu gom và nguồn thải; so với nƣớc thải đen thì nƣớc thải xám có nồng độ các chất ô nhiễm,vi khuẩn ít hơn [9], [10] và đƣợc mô tả tại Bảng 1.1, Bảng 1.2. Bảng 1.1: Đặc điểm của nƣớc thải xám theo nguồn thải [11], [2]. Nguồn thải Đặc tính Từ máy giặt Vi khuẩn, virut, chất tẩy trắng, pH cao, nitrate, COD, dầu mỡ, phosphate, độ mặn, xà phòng, nitrat, natri, xơ vải, chất rắn lơ lửng và độ đục Chậu rửa bát Vi khuẩn, bọt, pH cao, thức ăn thừa, chất tạo bọt, nƣớc nóng, phốt phát, dầu, mỡ, COD, độ mặn, nƣớc tẩy rửa, chất rắn lơ lửng và độ đục 6
Nhà tắm (chậu tắm, Vi khuẩn, tóc, dầu gội, thuốc nhuộm, chất béo, kem đánh vòi sen..) răng, nƣớc nóng, chất béo, mùi, chất hữu cơ, xà phòng, xơ, chất lơ lửng, độ màu. Chậu rửa nhà bếp Vi khuẩn, thức ăn thừa, nƣớc nóng, dầu và mỡ, chất hữu cơ, chất thải rắn, xà phòng, chất tẩy rửa, độ màu (Ghi chú: Các loại nước thải xám tại Việt Nam không được tách riêng thành các nguồn riêng biệt như trên mà trộn lẫn tạo thành nước thải xám tổng hợp nên bảng trên chỉ mang tính chất tham khảo) Bảng 1.2: Tính chất nƣớc thải xám tại một số nƣớc trên thế giới TT Thông số ĐVT Ấn Độ Trung Jordan Mỹ Đức [12] Đông [13] [6] [14] [15] 1 pH - 7,7 6,6-6,86 8,35 7 5-9 2 COD mg/L - 1391-2405 - - 501 3 BOD5 mg/L 170 941-997 225-2287 128,9 228 4 TSS mg/L 190 36-396 575-875 53 158 5 PO43--P mg/L - - 0,9 - 6 T-P mg/L 0,1-0,8 - 3-6 - 6 7 NH4+-N mg/L 1-26 25-45 - - 5,7 8 T-N mg/L 2-23 - 15-35 11,9 17 Nếu xử lý đúng cách, nƣớc thải xám có thể tái sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau nhƣ: tƣới cây, rửa xe, dội bồn cầu [9]… góp phần tiết kiệm nguồn nƣớc cho tƣơng lai, giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng và hƣớng tới phát triển bền vững. Trong luận án từ đây nƣớc thải sinh hoạt xám đƣợc gọi tắt là nƣớc thải xám. 1.1.2 Các phương pháp xử lý nước thải xám Lựa chọn phƣơng pháp xử lý nƣớc thải xám thích hợp dựa trên: - Chất lƣợng nƣớc thải xám cần xử lý; - Yêu cầu chất lƣợng nƣớc sau xử lý; - Hiệu quả xử lý của công nghệ; - Dễ vận hành và bảo trì; - Kinh tế; 7