Tóm tắt 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:27

Thêm vào BST

Báo xấu

30
lượt xem 6
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: Tóm tắt 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 & PTNT TRƯỜNG 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 nước Mã số: 62580212 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2016
Công trình được hoàn thành tại Trƣờng Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Phạm Thị Minh Thư Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Nguyễn Thị Kim Cúc Phản biện 1: TS Trịnh Xuân Lai, Hội Cấp thoát nƣớc Việt Nam Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Ngọc Dung, Bộ Xây dựng Phản biện 3: GS.TSKH Trần Hữu Uyển, Chuyên gia độc lập Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp trường - Trường Đại học Thủy lợi vào lúc 8 giờ 30 ngày 30 tháng 10 năm 2016 Có thể tìm hiểu luận án tại các thư viện: - Thư viện Quốc Gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi
MỞ ĐẦU 1.1 Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu Nước thải xám chiếm đến 69% 1 tổng lưu lượng nước thải sinh hoạt và có nồng độ các chất ô nhiễm thấp nhưng vẫn vượt quá giá trị cho phép theo quy chuẩn. Đa số nước thải xám tại Việt Nam không được xử lý mà xả thẳng ra ngoài môi trường. Quá trình vận hành các nhà máy xử lý nước thải có công nghệ SBR, A2O, OD…tại Việt Nam cho thấy: hầu hết các công nghệ này chỉ hiệu quả với các nhà máy xử lý nước thải tập trung công suất lớn; trong khi để giảm thiểu ô nhiễm môi trường thì cách tốt nhất là xử lý nước thải ngay tại nguồn. Cần nghiên cứu một giải pháp xử lý phù hợp với quy mô và tính chất nước thải sinh hoạt xám theo tiêu chí đơn giản trong vận hành, hiệu suất xử lý cao, diện tích chiếm đất ít và hướng tới công nghệ bền vững. Đá ong (laterit) là vật liệu địa phương, có sẵn tại nhiều nhiều vùng trên đất nước Việt Nam. Đá ong có cấu trúc dạng khung xương, chứa nhiều khoáng chất như các loại sét (kaolinit, bentonit), các hyđroxit sắt, nhôm, zeolite, bruxit, gibbsit, goethite2… là những chất có tính phân cực trong môi trường nước, 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 do vậy đá ong có nhiều tiềm năng trong lĩnh vực xử lý nước. Tuy nhiên, các khả năng này thường giảm nhanh theo thời gian kèm theo quá trình tắc nghẽn do phát triển của lớp màng vi sinh. Vấn đề này có thể khắc phục bằng cách sử dụng đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đa tầng3. Đề tài “Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải sinh hoạt xám tại chỗ bằng vật liệu laterit (đá ong)” được thực hiện nhằm xác định khả năng xử lý nước thải sinh hoạt xám bằng đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đa tầng. Thành công của nghiên cứu mở ra một hướng mới trong việc sử dụng vật liệu địa phương, thân thiện với môi trường để xử lý tại chỗ nước thải sinh hoạt xám; góp phần giảm: áp lực cho các nhà máy xử lý nước thải tập trung, số lượng đường ống vận chuyển của mạng lưới thoát nước đô thị và ô nhiễm môi trường. Nước thải xám sau xử lý có thể dùng làm nước tưới tiêu, xả bồn cầu… góp phần chủ động 1 Barnes, D và cộng sự, Water and Wastewater Engineering Systems, Pitman Books Ltd., ed. London, 1981. 2 Nyle C.Brandy, The nature and the Properties of soils, 2nd ed.: ISBN: 9780130167637, 2001. 3 T.Masunaga et al, "Characteristics of wastewater treatment using a Multi Soil Layering system in relation to wastewater contamination level and hydrolic loading rates," Soil Science and Plant Nutrition, pp. 123-125, 2007. 1
nguồn cấp nước cho bản thân công trình và tiết kiệm nguồn tài nguyên nước cho tương lai. 1.2 Mục tiêu nghiên cứu Khảo sát tính chất nước thải xám một số nhà cao tầng trên địa bàn thành phố Hà Nội; Đánh giá khả năng xử lý chất hữu cơ, amoni có trong nước thải xám bằng đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đa tầng; Xác định hệ số tốc độ phân hủy sinh học chất hữu cơ nền (ks) và tốc độ chuyển hóa amoni (K) theo số lớp đá ong có trong mô hình thí nghiệm xếp lớp đa tầng; Ứng dụng xử lý thử nghiệm nước thải sinh hoạt xám nhà B5-Yên Thường bằng MSL6-PL và đánh giá chất lượng nước thải sau xử lý vào mục đích tưới. 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 nước thải xám của nhà cao tầng trên địa bàn thành phố Hà Nội. 1.3.2 Phạm vi nghiên cứu Nước thải sinh hoạt xám của một số nhà cao tầng trên địa bàn thành phố Hà Nội; kỹ thuật xếp lớp đa tầng với vật liệu đá ong tự nhiên và đá ong biến tính nhiệt. 1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu Các phương pháp chính sử dụng trong luận án: điều tra và thu thập mẫu, kế thừa, phân tích trong phòng thí nghiệm, mô hình thí nghiệm, mô hình thử nghiệm, phương pháp thống kê. 1.5 Nội dung nghiên cứu Khảo sát tính chất nước thải xám một số nhà cao tầng trên địa bàn Hà Nội; Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải xám của đá ong qua các mô hình thí nghiệm; Ứng dụng kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm vào thiết kế mô hình thử nghiệm dạng pilot để xử lý nước thải sinh hoạt xám tại chỗ cho nhà B5-Yên Thường. 1.6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 1.6.1 Ý nghĩa khoa học 2
Xác định hệ số tốc độ phân huỷ BOD5, COD và NH4+-N làm cơ sở cho việc tính toán số lớp đá ong cần thiết trong kỹ thuật xếp lớp đa tầng; Xác định nguyên lý và hiệu suất loại bỏ một số chất ô nhiễm chính có trong nước thải sinh hoạt xám bằng đá ong theo kỹ thuật xế p lớp đất đa tầng. 1.6.2 Ý nghĩa thực tiễn Ứng dụng xử lý nước thải sinh hoạt xám cho các nhà cao tầng trên địa bàn Hà Nội. Nước sau xử lý đạt QCVN 14:2008/BTNMT, QCVN 08:2008/BTNMT. 1.7 Cấu trúc của luận án Cấu trúc của Luận án ngoài phần mở đầu; phần kết luận và kiến nghị; phần danh mục các công trình, bài báo đã công bố; phần tài liệu tham khảo; các phụ lục; luận án được trình bày trong ba chương gồm: Chƣơng 1. Tổng quan các vấn đề nghiên cứu Chƣơng 2. Cơ sở khoa học; vật liệu và phương pháp nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt xám bằng đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đa tầng Chƣơng 3. Kết quả nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt xám tại chỗ bằng đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đa tầng CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Nƣớc thải xám Nước thải sinh hoạt xám là một phần của nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý được thu từ vòi hoa sen, chậu rửa tay, bồn tắm, chậu rửa bát (trừ bệ xí và âu tiểu) và chiếm khoảng 69% lưu lượng nước nước thải sinh hoạt. So với nước thải đen, nước thải xám có nồng độ ô nhiễm chất hữu cơ (BOD5, COD), chất dinh dưỡng (N, P) và mầm bệnh thấp hơn. Nồng độ các chất ô nhiễm có trong nước thải xám phụ thuộc vào thói quen, mức sống, phong tục tập quán, điều kiện kinh tế, quản lý, phương thức thu gom và nguồn thải của từng vùng. Nước thải xám được xử lý bằng nhiều phương pháp: hóa – lý, sinh học, cơ học. Trên thế giới có nhiều công trình nghiên cứu, xử lý nước thải xám nhằm tăng cường khả năng chủ động cấp nước cho công trình, tiết kiệm nguồn nước cho 3
tương lai hoặc giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Một số nghiên cứu điển hình như: M. Halalsheh, 2008 (Jordan); Peter L.M. Veneman và Bonnie Stewart, 2002 (Mỹ); Elmitwalli và cộng sự, 2000 (Hà Lan). Tại Việt Nam, Stefania Paris và Celine Schlapp, 2010; N.V.Anh và cộng sự, 2012; K.T.H. Yến và cộng sự, 2014 cũng nghiên cứu về nước thải xám. Kết quả cho thấy nhiều chỉ tiêu về hóa, lý, vi sinh vượt quá giá trị cho phép được quy định trong QCVN 14:2008/BTNMT. Vì thế, bắt buộc phải xử lý nước thải xám trước khi xả ra ngoài môi trường. 1.2 Đá ong và ứng dụng đá ong trong lĩnh vực xử lý nƣớc thải 1.2.1 Khoáng vật trong đá ong có ích cho quá trình xử lý một số chất ô nhiễm có trong nước thải. Đá ong có cấu trúc cơ bản gồm các khối tứ diện tạo nên từ Si và O, các khối bát diện từ OH- và các cation kim loại Al3+, Fe3+. Các ion Al3+, Fe3+ này có khả năng liên kết với các ion trái dấu là các keo âm có trong nước thải 4. Trong đá ong có nhiều khoáng vật như: sét (kaolinit, bentonit), các hyđroxit sắt, nhôm, zeolit, điatomit. Đặc biệt khoáng vật boehmit, diaspor có cấu trúc liên kết H theo dạng -O-H-O-H-O lỏng lẻo. Nhóm OH- dễ kết hợp với các ion trái dấu trong khi nguyên tử oxi trong liên kết này có thể tham gia liên kết với chất hữu cơ, amoni có trong nước thải để tạo thành peroxyt. Chất này có chứa một nửa oxi kết hợp ở trạng thái “hoạt động” được xem như là chất mang oxi hoạt hóa, oxi này sẽ oxi hóa chất khác. Tế bào sống của vi sinh vật phân giải peroxyt hoạt hóa và sử dụng oxi của chúng để oxi hóa chất khó oxi hóa hơn dưới sự ảnh hưởng của các enzym đặc biệt là catalase và peroxydase; các đơn vị cấu trúc cơ bản gồm các khối tứ diện tạo nên từ Si và O, các khối bát diện từ OH- và các cation kim loại Al3+, Fe3+. Các ion Al3+, Fe3+ này có khả năng liên kết với các ion trái dấu là các keo âm có trong nước thải 5. 1.2.2 Những công trình nghiên cứu trong và ngoài nước ứng dụng đá ong trong lĩnh vực xử lý nước thải Nhiều công trình nghiên cứu sử dụng đá ong như vật liệu lọc có tính hấp phụ 4 Đỗ Thị Vân Thanh, "Laterit - đá ong hóa và sự thoái hóa đất của một số tỉnh vùng đồi Trung du miền Bắc Việt Nam," 1995 5 Đỗ Thị Vân Thanh, "Laterit - đá ong hóa và sự thoái hóa đất của một số tỉnh vùng đồi Trung du miền Bắc Việt Nam," 1995 4
cao để xử lý chất ô nhiễm có trong nước thải. Điển hình như nghiên cứu của R. B. Wood và C. F. Mc Atamne, 1996 (Mỹ); Avinash M và cộng sự, (Ấn Độ); Mitali Sarkar và cộng sự, 2006 (Ấn Độ); Saynor MJ & Harford, 2010 (Mỹ); Yu Xiaohong và cộng sự, 2009 (Trung Quốc); Felix Udoeyo và cộng sự, 2010 (Mỹ); Liang Zhang và cộng sự, 2011 (Trung Quốc); I.M.M Ranhman và cộng sự, 2008 (Nhật Bản);…. Tại Việt Nam, Nguyễn Thị Hằng Nga, 2014; Trần Hồng Côn, 2010; Đặng Đức Truyền, 2011 nghiên cứu về đá ong tự nhiên và đá ong biến tính hóa học để làm vật liệu lọc nước thải. Kết quả nghiên cứu cho thấy, đá ong có khả năng xử lý flo, kim loại nặng hiệu quả; nồng độ chất hữu cơ trong nước thải giảm nhưng lại tạo ra nhiều cặn gây tắc hệ thống nhanh. Phần lớn các nghiên cứu trên được thực hiện trong phòng thí nghiệm với các chất ô nhiễm giả định nên khi áp dụng với nước thải ngoài thực tế sẽ có sự sai lệch. 1.3 Kỹ thuật xếp lớp đa tầng Xếp lớp đất đa tầng (Multi Soil Layering) là sử dụng nhiều lớp vật liệu có nguồn gốc từ đất, sắp xếp theo một trình tự nhất định để xử lý các chất gây ô nhiễm trong nước thải, được T.Matsunaga nghiên cứu, phát triển từ những năm 1990 tại Nhật Bản như một giải pháp xử lý nước thải chi phí thấp (Hình 1.12). Đầu vào Các đơn vị đất: cấu tạo từ các sản phẩm có nguồn gốc từ đất có tác dụng hoàn thành quá trình phân hủy chất hữu cơ, chất dinh dưỡng…nhờ hoạt động của các vi khuẩn hiếu khí, kỵ khí và tùy tiện. Vật liệu chèn: Dùng than hoạt tính, zeolite, sỏi,…để phân hủy và hấp phụ các chất gây ô nhiễm trong nước thải nhờ khả năng hấp phụ của vật liệu và hoạt động của vi sinh vật hiếu khí. Đầu ra Hình 1.12: Sơ đồ cấu tạo hệ thống xếp lớp đa tầng Một số nghiên cứu về kỹ thuật xếp lớp đa tầng thực hiện trong phòng thí nghiệm có tính chất kế thừa trong luận án như: Chiều dày và độ lớn của các đơn vị đất ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý: cấu trúc càng dày to thì hiệu quả loại bỏ 5
nitơ cao tuy nhiên thường xảy ra tắc nghẽn; mỏng thì hiệu quả xử lý chất hữu cơ cao nhưng hiệu suất xử lý nitơ lại giảm; cấu trúc dày và hẹp cho hiệu suất xử lý vừa phải và chịu được tải trọng thủy lực cao, ít xảy ra tắc nghẽn và tải trọng thủy lực tỷ lệ nghịch với thời gian nước lưu trong lớp vật liệu6. Mức độ ô nhiễm của các chất trong nước thải đầu vào ít ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý chất lơ lửng, chất hữu cơ và nitơ nhưng lại ảnh hưởng đến phốt pho; tải trọng thủy lực tăng thì hiệu suất xử lý phốt pho giảm7; Việc sắp xếp cấu trúc vật liệu chỉ có ý nghĩa và cho hiệu suất xử lý cao khi tải trọng thủy lực ≤ 2.000 L/m2.ngày; khi tải trọng thủy lực > 2.000 L/m2.ngày thì cấu trúc của hệ thống không còn ảnh hưởng nhiều8. 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 2.1 Cơ sở khoa học nghiên cứu xử lý nƣớc thải xám bằng đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đất đa tầng - Các phản ứng hấp phụ chủ yếu xảy ra theo mô hình động học hấp phụ biểu kiến bậc nhất. Để khảo sát khả năng hấp phụ các chất gây ô nhiễm của đá ong tác giả sử dụng phương trình Langmuir sau: (2-1) - Chất hữu cơ, chất dinh dưỡng có trong nước thải xám được loại bỏ nhờ tác động của các vi sinh vật có mặt trong lớp vật liệu. Mô hình phân hủy Monod được sử dụng để xác định hệ số phân hủy sinh học và được viết dưới dạng sau9: (2-2) 6 Sato K., Masunaga T., Inada K., Tanaka T., Arai Y., Unno S. and Wakatsuki T., "The development of high speed treatment of polluted river water by the multi-soil-layering method, Examination of various materials and structure," .Jpn J. Soil Sci. Plant Nutr., vol. 200, 2005. 7 T.Masunaga et al, "Characteristics of wastewater treatment using a Multi Soil Layering system in relation to wastewater contamination level and hydrolic loading rates," Soil Science and Plant Nutrition, pp. 123-125, 2007. 8 Xin CHEN et al, "Effect of structural difference on wastewater treatment efficiency in Multil Soil Layering systems: Relationship between soil mixture," Soil Science and Plant Nutrition, vol. 53, p. 206–214, 2007. 9 Lawrence A.W. and McCarty P.L., "A unified basis for biologycal treatment design and operation," Journal of the Sanitary Engineering Division , American Society of Chemical Engineers, vol. 96, p. 757, 1970. 6
2.2 Vật liệu nghiên cứu Vật liệu chính dùng trong nghiên cứu là đá ong tự nhiên được gia công với kích thước LxBxH = 30x15x5 cm và đá ong biến tính nhiệt ở 9500C dạng hạt đường kính 1-3mm. 2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 2.3.1 Mô hình thí nghiệm Các mô hình thí nghiệm được làm bằng thép sơn chống gỉ, hình hộp có kích thước Dài x Rộng x Cao = 15 x 50 x (33-76) cm (Hình 2.14). MSL7 MSL6 MSL5 MSL4 MSL3 Hình 2.14: Mô hình thí nghiệm xếp lớp đa tầng Bên trong được cấu tạo bởi 3,4,5,6,7 lớp vật liệu đá ong tự nhiên xếp thành từng lớp so le nhau (ký hiệu MSL3, MSL4, MSL5, MSL6, MSL7); các lớp cách nhau 3 cm, các hàng cách nhau 2,5cm và được chèn bằng đá ong biến tính nhiệt dạng hạt đường kính 1-3mm; phía dưới cùng là lớp sỏi đỡ đường kính 4-6 cm dày 10cm.Nước thải xám sau khi loại bỏ rác được dẫn tới các mô hình thí nghiệm liên tục 24 tiếng/ngày với tải trọng thủy lực 2.000 lít/m2.ngày. Mẫu được lấy tại điểm đầu vào và ra khỏi các mô hình 5 ngày một lần 2.3.2 Mô hình thử nghiệm (pilot) Mô hình thử nghiệm được thiết kế dựa trên hệ số ks, K; nước sau xử lý đạt 7
QCVN08:2008/BTNMT(B1) – Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt (nước mặt dùng phục vụ mục đích tưới tiêu thủy lợi). Tính toán lựa chọn mô hình thử nghiệm 6 lớp đá ong (MSL6-PL) kích thước LxBxH = 0,95x0,5x0,68m để xử lý tại chỗ nước thải xám cho một số căn hộ của nhà B5- Yên Thường (Hình 2.18). 4 5 14 6 13 7 1 10 8 9 2 11 i=1 5% 12 3 Hình 2.18: Sơ đồ mặt cắt mô hình thử nghiệm MSL6-PL Ghi chú: 1. Nước thải xám đầu vào; 2. Thùng chứa 200 lít; 3. Máy bơm; 4. Thiết bị định lượng; 5. Ngăn phân phối; 6. Hệ thống phân phối; 7. Đá ong tự nhiên; 8. Đá ong biến tính nhiệt; 9. Sỏi đỡ; 10. Ngăn thu nước; 11. Ngăn chứa nước sau xử lý; 12. Ống dẫn nước sau xử lý; 13. Ngăn xả tràn; 14. Thiết bị định lượng. Mô hình MSL6-PL làm bằng kính chịu lực dày 1,2 ly và đặt trong một khung thép, bên trong có 6 lớp đá ong tự nhiên xếp thành từng lớp so le nhau; các lớp 8
cách nhau 3 cm, các hàng cách nhau 2,5 cm và được chèn bằng đá ong biến tính nhiệt dạng hạt đường kính 1-3mm; phía dưới cùng là lớp sỏi đỡ đường kính 4-6 cm dày 10 cm. Nước thải xám thu từ nhà B5-Yên Thường được loại bỏ rác và dẫn tới thùng chứa 200 lít, sau đó được bơm định lượng vào mô hình với tải trọng thủy lực 2.000 lít/m2.ngày. Bên dưới có van để lấy mẫu nước sau xử lý. Hệ thống được vận hành liên tục 24 tiếng/ngày. Mẫu được lấy tại điểm đầu vào và ra khỏi mô hình 10 ngày một lần 2.3.3 Phân tích trong phòng thí nghiệm Phân tích mẫu theo Standard Method và tiêu chuẩn Việt Nam tương đương. 2.3.4 Phân tích thống kê Nồng độ các chất ô nhiễm là giá trị trung bình của tất cả các lần phân tích của các mẫu có tính đến độ lệch chuẩn. Mối quan hệ giữa số lớp vật liệu với nồng độ các chất ô nhiễm được thể hiện qua các phương trình hồi quy tuyến tính hoặc phương trình logarit và đánh giá theo hệ số xác định R2. CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƢỚC THẢI XÁM TẠI CHỖ BẰNG ĐÁ ONG THEO KỸ THUẬT XẾP LỚP ĐA TẦNG 3.1 Tính chất nƣớc thải xám một số nhà cao tầng trên địa bàn thành phố Hà Nội Nồng độ trung bình các chất ô nhiễm có trong các mẫu nước thải xám thu thập từ một số nhà cao tầng (CT5B – Mễ Trì, chung cư 11 tầng Đức Giang và nhà B5 – Yên Thường) tại Bảng 3.1 cho thấy: nồng độ chất hữu cơ, nitơ, tổng chất rắn lơ lửng vượt quá nhiều lần giá trị được quy định trong QCVN14:2008/BTNMT (B) – Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt. Bắt buộc phải xử lý nước thải trước khi xả ra ngoài môi trường. Bảng 3.1: Tính chất nước thải xám nhà cao tầng trên địa bàn thành phố Hà Nội TT Thông số ĐVT Trung bình QCVN14:2008/BTNMT (B) Ghi chú 1 pH - 8,13±0,12 5-9 Đạt 2 COD mg/L 234,10±67,2 - - 3 BOD5 mg/L 121,87±21,24 50 Không COD: BOD5 - 1,97:1 9
4 TSS mg/L 258,20±29,8 100 Không 5 PO43--P mg/L 2,60±0,54 10 Đạt 6 T-P mg/L 4,89±0,65 - - 3- PO4 -P/ T-P (%) 52,7±5,54 7 NH4+-N mg/L 8,90±1,26 10 Đạt 8 T-N mg/L 17,73±1,21 - NH4+-N/ T-N (%) 49,93 ±4,65 BOD5/T-N - 6,87:1 Nước thải xám của nhà cao tầng có đặc thù riêng như: tỷ lệ COD:BOD5 = 1,97 thấp (tỷ lệ này ở Anh10 là 4,4) - thích hợp để xử lý bằng phương pháp sinh học; tỷ lệ BOD5:TN = 6,8 >5 - đủ chất cacbon nền để quá trình khử nitơ diễn ra triệt để. Tổng nitơ trung bình là 17,73 mg/L cao hơn kết quả nghiên cứu cho các nhà phân tán tại Việt Nam là 13 mg/l11. Amoni và phốt phát lần lượt chiếm 49,93% T-N và 52,7% T-P có trong nước thải xám. Theo H.Henze thì thì nước thải xám có nồng độ chất ô nhiễm tương đương với nước thải rất loãng12. 3.2 Kết quả nghiên cứu trên các mô hình xếp lớp đa tầng quy mô phòng thí nghiệm 3.2.1 Sự di chuyển c a d ng nước qua các lớp đá ong Sau ngày đầu tiên, cột nước thí nghiệm tổng giảm 30 cm - tương đương 30% lượng nước đưa vào do nước ngấm vào vật liệu. Sang ngày thứ 2, cột nước tổng chỉ giảm khoảng 1,5% và hầu như không giảm trong ngày thứ 3; quan sát thấy nước chảy ra tại các vòi phía dưới các mô hình ổn định dần; vật liệu ở trạng thái bão hòa nước từ ngày thứ 3. 3.2.2 Biến đổi chất lượng nước thải xám qua các lớp đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đa tầng 3.2.2.1 Chất hữu cơ nền (BOD5, COD) Hiệu suất xử lý BOD5 tỷ lệ thuận với số lớp đá ong và nồng độ BOD5 trong nước thải đầu vào. Hiệu suất xử lý BOD5 đạt 77,22%- 90,60%; nồng độ sau xử 10 Eriksson, E., Auffarth, K., Henze, M. and Ledin, A. (2002). Characteristics of grey wastewater. Urban Water, 4(1), 85–104. 11 Do Thu Nga et al, Assessing nutrient fluxes in a Vietnamese rural area despite limited and highly uncertain data, Resources, Conservation and Recycling, volume 55, 2011, Page 849–856 12 Harremoes Henze and La Cour Jansen Arvin , "Wastewater Treatment: Biological Process," 1996. 10
lý giảm xuống dưới 20 mg/L - với nước thải xám nguyên bản và dưới 10mg/L - với nước thải xám pha loãng; BOD5 giảm nhanh nhất sau 3-4 lớp đá ong phía trên (Hình 3.3, Hình 3.4). 120 NTNB Nồng độ BOD5 100 80 (mg/L) 60 Nước thải sau MSL3 Nước thải sau MSL4 Nước thải sau MSL5 Nước thải sau MSL6 40 Nước thải sau MSL7 Nước thải đầu vào 20 0 Hình 3.3: Nồng độ BOD5 trước và sau khi xử lý của NTNB 60 Nước thải đầu vào Nước sau MSL3 Nồng độ BOD5 50 Nước sau MSL4 Nước sau MSL5 NTPL Nước sau MSL6 Nước sau MSL7 (mg/L) 40 30 20 10 0 Hình 3.4: Nồng độ BOD5 trước và sau khi xử lý của NTPL Hiệu suất xử lý COD đạt 45,72%- 71,61%, nồng độ COD sau xử lý giảm xuống dưới 50 mg/L - với nước thải xám nguyên bản và đạt 42,01% -59,32%, nồng độ COD sau xử lý giảm xuống dưới 30mg/L – với nước thải xám pha loãng; để xử lý COD cầu cần nhiều lớp hơn so với BOD5; nồng độ COD của nước thải xám sau xử lý ổn định và giảm xuống dưới 50 mg/L sau 5-6 lớp đá ong. Quá trình loại bỏ chất nền chủ yếu diễn ra trong điều kiện hiếu khí, tại quá trình tăng trưởng của vi sinh. Càng xuống các lớp đá ong phía dưới, lượng chất nền cấp cho vi sinh vật càng ít (do thời gian lưu nước tăng), lượng oxi hòa tan trong nước cũng giảm nhưng do đá ong có nhiều khoáng chất có liên kết dạng O-H- O-H-O lỏng lẻo, trong khi nhóm OH- dễ dàng tách ra để liên kết với cation NH4+ làm dư thừa một nguyên tử oxi (Hình 3.5, Hình 3.6). 11
200 Nồng độ COD (mg/L) Nước thải đầu vào Nước thải sau MSL3 NTNB 160 Nước thải sau MSL4 Nước thải sau MSL5 Nước thải sau MSL6 Nước thải sau MSL7 120 80 40 0 Hình 3.5: Nồng độ COD trước và sau xử lý của NTNB 200 Nồng độ COD (mg/L) 160 Nước thải đầu vào Nước thải sau MSL3 NTPL Nước thải sau MSL4 Nước thải MSL5 120 Nước thải sau MSL6 Nước thải sau MSL7 80 40 0 Hình 3.6: Nồng độ COD trước và sau xử lý của NTPL Theo thuyết peroxyt của Bach và được được Criegee phát triển thì chất hữu cơ sẽ tham gia liên kết cùng 2 nguyên tử oxi để tạo thành peroxyt theo dạng: Theo đó, peroxyt được tạo thành có chứa một nửa oxi kết hợp ở trạng thái “hoạt động” được xem như là chất mang oxi hoạt hóa, oxi này sẽ oxi hóa chất khác. Tế bào sống của vi sinh vật phân giải peroxyt hoạt hóa và sử dụng oxi của chúng để oxi hóa chất khó oxi hóa hơn dưới sự ảnh hưởng của các enzym đặc biệt là catalase và peroxydase. Do vậy, tăng khả năng loại bỏ các chất hữu cơ trong nước thải xám. 3.2.2.2 Nitơ và hợp chất của nitơ Hiệu suất xử lý NH4+-N tăng dần từ 66,49% đến 94,58% và từ 79,68% đến 12
89,91% lần lượt với nước thải nguyên bản và nước thải pha loãng và tỷ lệ thuận với số lớp đá ong. Nồng độ NH4+-N giảm nhanh từ 8,71 mg/L xuống còn 2,84 mg/L sau lớp đá ong thứ 3 và 2,19 mg/L sau lớp đá ong thứ 4; giảm chậm sau lớp thứ 6, 7 tương ứng còn 0,58 mg/L và 0,46 mg/L. Điều đặc biệt là hiệu quả xử lý NH4+-N sau lớp vật liệu thứ 3 và thứ 4 của nước thải xám pha loãng lần lượt là 79,68 % và 82,48 % lại cao hơn so với nước thải xám nguyên bản là 66,49 % và 74,16 %; hiệu suất này chỉ tương đương nhau sau lớp thứ 5 và thay đổi vị trí sau lớp đá ong thứ 6 (Hình 3.7, Hình 3.8). 20 Nồng độ NH4+ -N Nước thải vào Nước thải sau MSL3 NTNB Nước thải sau MSL4 Nước thải sau MSL5 15 Nước thải sau MSL6 Nước thải sau SML7 (mg/L) 10 5 0 Hình 3.7: Nồng độ NH4+-N trước và sau xử lý của NTNB 6 Nồng độ NH4+ -N 5 Nước thải vào Nước thải sau MSL3 NTPL Nước thải sau MSL4 Nước thải sau MSL5 Nước thải sau MSL6 Nước thải sau MSL7 (mg/L) 4 3 2 1 0 Hình 3.8: Nồng độ NH4+-N trước và sau xử lý của NTPL Nồng độ NH4+-N sau xử lý xuống dưới thấp hơn 4mg/L với nước thải xám nguyên bản và 2 mg/L với nước thải xám pha loãng sau tất các các mô hình; sau 5 lớp đá ong hiệu suất xử lý amoni ổn định và có độ chênh lệch không nhiều giữa các lớp. Nồng độ NH4+-N giảm do quá trình biến đổi sinh học tạo thành N2 tự do thoát ra khí quyển (chiếm 80-85%) và một phần biến đổi thành NO3--N, NO2--N; ngoài ra, một phần NH4+-N được giữ lại trên bề mặt đá ong 13
nhờ cơ chế hấp phụ bề mặt và cân bằng ion của hạt khoáng goethite và hemathite trong thành phần đá ong. Vi sinh tự dưỡng lấy thức ăn là cacbon vô cơ trong CO2, HCO3-, CO32- tác động đến quá trình biến đổi chất để oxi hóa NH4+-N thành NO3- (trong phương trình này oxi là chất nhận electron và N hóa trị âm 5 là chất cho electron); 1gr NH4+-N cần 4,25g O2 và 7,14 g kiềm theo CaCO3 – oxi cần cho oxi hóa BOD là 1:1. Nhờ vào cấu trúc của đá ong liên kết 6 nguyên tử oxi quanh một nguyên tử Fe3+ và Al3+ nên có phân cực O-H-O-H-O liên kết lỏng lẻo nên ion NH4+ có khả năng kết hợp với nhóm OH-, còn nguyên tử oxi tham gia vào quá trình oxi hóa nội bào của vi sinh vật tự dưỡng để oxi hóa NH4+-N thành nitrit và nitat. Ngoài ra, với nồng độ pH của nước thải xám trung bình là 7,71 thì dạng tồn tại của sắt chủ yếu là ở dạng Fe(OH)3 – đây là keo lưỡng tính và có biểu hiện keo dương khi pH< 7,1 và biểu hiện keo âm khi pH > 7,1 (điểm đẳng điện tại pH=7,1). Do vậy, phần lớn keo này có xu hướng hấp phụ cation dương là NH4+ theo phản ứng sau: Fe(OH)3-+ NH4+ FeNH4(OH)3 (3-9) Quá trình chuyển hóa amoni thành NO2- và NO3- làm nồng độ các thông số này thay đổi (Bảng 3.2). Bảng 3.2: Nồng độ NO2-, NO3- trước và sau khi xử lý nước thải xám Ký hiệu Nồng độ NO2-, NO3- của NTNB Nồng độ NO2-, NO3- của NTPL CraNO2- (mg/L) Cra NO3- (mg/L) CraNO2- (mg/L) Cra NO3- (mg/L) MSL3 2,17 ±0,68 1,18±0,26 1,14±0,44 1,49±0,12 MSL4 2,42±0,84 1,84±0,42 0,51±0,21 0,64±0,09 MSL5 1,87±0,6 2,41±0,34 0,14±0,11 1,16±0,12 MSL6 0,78±0,29 2,69±0,33 0,06±0,07 1,54±0,13 MSL7 0,75±0,22 2,49±0,33 0,06±0,07 1,62±0,23 Kết quả cho thấy quá trình tạo thành nitrit xảy ra chủ yếu tại lớp thứ 1-3, cực đại tại lớp số 4 và giảm dần tại các lớp thứ 5,6,7; từ lớp thứ 6,7 nồng độ nitrit còn rất thấp, một số trường hợp còn thấp hơn ngưỡng đo của thiết bị đo khi thực hiện với nước thải pha loãng do đã biến đổi thành nitrat, đỉnh hình thành giá trị NO3--N cao nhất được tạo ra tại lớp vật liệu thứ 6 với đầu vào là nước 14
thải xám nguyên bản và tại lớp vật liệu thứ 7 với đầu vào là nước thải xám pha loãng. Trong môi trường nước thải xám có pH lớn hơn 5, đá ong có khả năng hấp phụ các ion âm có trong nước thải xám như NO3--N, NO2--N. Các ion âm này đã di chuyển để gắn vào các hạt khoáng sét goethite (có chứa ion Fe) và gibsite (có chứa ion Al) mang điện tích dương có trong thành phần của đá ong tự nhiên theo cơ chế cân bằng điện tích. Các hạt điện tích âm liên tục kết gắn với các hạt điện tích dương tạo ra các mảng chất keo tụ kích thước lớn hơn và lắng xuống đáy của khối vật liệu. Nồng độ T-N giảm chủ yếu do quá trình loại bỏ amoni, nitrit, nitrat bởi quá trình phân hủy sinh học và đá ong hấp phụ các ion trái dấu. Hiệu suất xử lý nitơ tỉ lệ thuận với số lớp đá ong có trong mô hình, đạt 46,67% - 70,31% và 44,85% - 57,29% lần lượt với nước thải nguyên bản và nước thải pha loãng. 3.2.2.3 Phốt pho (T-P) và phốt phát (PO43--P) Loại bỏ T-P được nghiên cứu chủ yếu thông qua việc loại bỏ phốt phát (PO43-- P) nhờ khả năng hấp phụ bề mặt của đá ong và do quá trình tiêu thụ phốt phát như chất dinh dưỡng của vi sinh vật. Với nồng độ phốt phát trung bình của nước thải xám nguyên bản và pha loãng lần lượt là 2,15mg/L và 0,79mg/L thì hiệu suất xử lý phốt phát đạt 87,31%-98,84% và 89,01%-97,61% qua các mô hình thí nghiệm 3-7 lớp đá ong. Nồng độ phốt phát trong nước thải sau xử lý đều xuống rất thấp thậm chí một vài mẫu còn nhỏ hơn giới hạn phát hiện của thiết bị - điều này chứng tỏ tiềm năng loại bỏ phốt phát trong nước thải bằng đá ong là rất cao (Hình 3.18, Hình 3.19). Cơ chế hấp phụ bề mặt diễn ra do đá ong có chứa hạt khoáng sét geothite và hemathite. Nhóm chức bề mặt hydroxit sắt của chúng sẽ tạo phức chất với ion HPO42- sau đó được giữ lại cố định trên lớp vật liệu đá ong theo phản ứng hóa học dưới đây Fe-OH+ HPO42- + H = Fe-OPO32- +H2O (3-1) Ngoài phần phốt pho được hấp phụ bề mặt đá ong thì sự loại bỏ phốt pho trong nước thải còn nhờ hấp phụ sinh học. Phốt phát được coi là một trong các chất dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển của vi sinh vật, cụ thể là quá trình trao đổi chất của vi sinh vật (chủ yếu là vi sinh vật hiếu khí) theo phản ứng: 15
C2H4O2 + 0,16NH4+ + 1,2O2 + 0,2PO43- → (3-12) 0,16C5H7O2 +1,2CO2 + 0,2(HPO3) + 0,44OH- +1,44H2O 4,0 Nước thải vào Nước thải sau MSL3 Nồng độ PO43--P NTNB 3,0 Nước thải sau MSL4 Nước thải sau MSL5 Nước thải sau MSL6 Nước thải sau MSL7 (mg/L) 2,0 1,0 0,0 Hình 3.18: Nồng độ PO43--P trước và sau xử lý của NTNB 2,0 Nồng độ PO43--P Nước thải vào Nước thải sau MSL3 NTPL 1,5 Nước thải sau MSL4 Nước thải sau MSL5 (mg/L) Nước thải sau MSL6 Nước thải sau MSL7 1,0 0,5 0,0 Hình 3.19: Nồng độ PO43--P trước và sau xử lý của NTPL Ước tính lượng phốt pho được hấp phụ nhờ vi sinh theo COD như sau: trong đó: A: nồng độ COD đã biết (mg/L) x là lượng phốt pho được tiêu thụ (mg/L) Hiệu quả loại bỏ T-P tăng tỷ lệ với số lớp đá ong có trong hệ thống và chậm hơn PO43-P. Với nồng độ đầu vào trung bình là 4,02mg/L và 1,62mg/L thì hiệu suất đạt 48,13%-97,19% và 61,04%-95,04% lần lượt với nước thải nguyên bản và pha loãng; hiệu suất này ổn định sau lớp thứ 6 đạt trên 90%. 3.2.3 Xác định tỷ lệ phân h y chất hữu cơ nền (BOD5, COD) và chuyển hóa amoni qua các lớp đá ong trong hệ thống xếp lớp đa tầng 3.2.3.1 Xác định hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ nền (qua thông số BOD5, COD) theo số lớp đá ong trong hệ thống xếp lớp đa tầng Tỷ lệ chuyển hóa chất hữu cơ (ks) được xác định theo công thức của T. Pfeiffer, R. Malone: 16
(3-21) Quá trình biến đổi theo logarit và hồi qui phi tuyến tính các kết quả thực nghiệm thu được từ nghiên cứu trên các mô hình thí nghiệm cho kết quả tại Hình 3.23, Hình 3.24, Bảng 3.17. 80 BOD5 Nồng độ BOD5 NTNB còn lại (mg/L) 60 NTPL y = Co.e-0.21x y= Co.e-0.34x 40 Expon. (NTNB) R² = 0.876 R² = 0.969 Expon. (NTPL) 20 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Số lớp đá ong Hình 3.23: Mối quan hệ giữa nồng độ BOD5 và số lớp đá ong Nồng độ COD còn lại (mg/L) 150 COD NTNB 100 y = Co.e-0.22x NTPL y = Co.e-0.18x R² = 0.835 Expon. (NTNB) R² = 0.915 Expon. (NTPL) 50 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Số lớp đá ong Hình 3.24: Mối quan hệ giữa nồng độ COD và số lớp đá ong Bảng 3.17: Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ của NTNB và NTPL TT Thông số Nồng độ vào( mg/L) Hệ số ks (lớp-1) R2 76,71 0,34 0,969 1 BOD5 34,72 0,21 0,876 136,43 0,22 0,835 2 COD 66,61 0,18 0,915 3.2.3.2 Xác định hệ số tốc độ loại bỏ Nitơ. Nitơ trong nước thải xám được loại bỏ thông qua việc chuyển hóa amoni (NH4+-N) bên trong hệ thống xếp lớp đa tầng nhờ quá trình phân hủy sinh học và hấp phụ. Tỷ lệ phân hủy amoni theo sinh học được thể hiện theo phương trình lên men Monod; tỷ lệ nitơ được chuyển hóa theo cơ chế hấp phụ được 17
xác định theo phương trình đẳng nhiệt Langmuir. Quá trình phân hủy sinh học và hấp phụ xảy ra song song với nhau và xác đinh theo công thức: r = rsinh học + rhấp phụ= k1.(C0 C) + k2.(C0 C) (3-26) Logarit hóa hai vế được phương trình có dạng hồi qui tuyến tính: Kt = (3-31) Tiến hành khảo sát hàm số phụ thuộc tuyến tính theo số lớp vật liệu t với độ dốc của đồ thị xác định hệ số tốc độ phản ứng K. Kết quả được thể hiện trên Hình 3.25. 4 NTNB 3 NTPL y = 0,4014x lnCo/C R² = 0,9698 2 y = 0,3828x R² = 0,8859 1 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Số lớp đá ong Hình 3.25: Mối quan hệ giữa và số lớp đá ong Bảng 3.18: Hệ số chuyển hóa amoni (NH4+-N) qua các lớp đá ong TT Thông số Nồng độ vào (mg/L) Hệ số K (lớp-1) R2 7,82 0,401 0,969 1 NH4+-N 3,04 0,382 0,885 3.2.3.3 Cơ chế xử lý chất ô nhiễm chính có trong nước thải xám bằng đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đa tầng. Các quá trình hóa lý và sinh học phức tạp diễn ra trong vùng hiếu khí (không ngập nước) và vùng kỵ khí (ngập nước). Chất hữu cơ và nitơ có trong nước thải xám được loại bỏ nhờ cơ chế lọc, hấp phụ, phân hủy để tạo thành phức chất giữ lại trong lớp đá ong hoặc thành thức ăn cho vi sinh vật; hầu hết các quá trình xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải xám xảy ra ở những lớp đất phía trên trong điều kiện hiếu khí. 3.3 Kết quả nghiên cứu mô hình thực nghiệm (pilot) xử lý tại chỗ nƣớc thải sinh hoạt xám của nhà B5 – Yên Thƣờng 18