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.

Chữ ký

Tác giả luận án

Khƣơng Thị Hải Yến

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!

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 củ a dò ng nƣớ c 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, +-N) theo số lớp đá ong trong hệ COD) và chuyển hóa nitơ (qua thông số NH4 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

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

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 .................................................................. 44 Hình 2.5: Sự phụ thuộc của và

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 lầ n) ................................................................................................ 58 Hình 2.15: Vật liệu đá ong nung biến tính nhiệt (VL2) .............................................. 58 Hình 2.16: Mô hình xế p lớ p đấ t đa tầ ng quy mô phò ng thí nghiệ m ............................ 60 Hình 2.17: Mô hình MSL6 ......................................................................................... 60 Hình 2.18: Mô hình MSL3 ......................................................................................... 60 Hình 2.19: Hệ thống phân phối .................................................................................. 60

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 dò ng nƣớc di chuyển trong cá c lớ p 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 +-N trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm Hình 3.7: Sự thay đổi nồng độ NH4 của NTNB ................................................................................................................. 82 +-N trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm Hình 3.8: Sự thay đổi nồng độ NH4 của NTPL .................................................................................................................. 83 --N trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm Hình 3.9: Sự thay đổi nồng độ NO2 của NTNB ................................................................................................................. 84 --N trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm Hình 3.10: Sự thay đổi nồng độ NO2 của NTPL .................................................................................................................. 84 --N trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm Hình 3.11: Sự thay đổi nồng độ NO3 của NTNB ................................................................................................................. 86 --N trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm Hình 3.12: Sự thay đổi nồng độ NO3 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 3--P trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm Hình 3.17: Sự thay đổi nồng độ PO4 của NTNB ................................................................................................................. 90 3--P trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm Hình 3.18: Sự thay đổi nồng độ PO4 của NTPL .................................................................................................................. 90 3--P của vi sinh vật [15] ............................. 92 Hình 3.19: Sự chuyển hóa và hấp thụ PO4 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

- trong giai đoạn khởi động

-, NO3

+-N của nƣớc thải xám qua mô hình thử

3-- P của nƣớc thải xám qua mô hình thử

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 +-N, NO2 Hình 3.27: Sự biến đổi nồng độ của NH4 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 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 PO4 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 phá p 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 +-N qua các mô hình MSL ........................ 82 Bảng 3.9: Nồng độ và hiệu suất xử lý NH4 --N trƣớc và sau khi xử lý qua các mô hình MSL ................ 84 Bảng 3.10: Nồng độ NO2 --N trƣớc và sau khi xử lý qua các mô hình MSL ................ 85 Bảng 3.11: Nồng độ NO3 Bảng 3.12: Nồng độ T-N trƣớc và sau khi xử lý qua các mô hình MSL ..................... 86 3--P trƣớc và sau khi đi qua các lớp đá ong .......................... 90 Bảng 3.13: Nồng độ PO4 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 +-N) qua các lớp đá ong ................. 99 Bảng 3.18: Hệ số tốc độ chuyển hóa amoni (NH4 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

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Công nghệ mƣơng oxi hóa tuần hoàn

A2O 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) Nồng độ chất ô nhiễm ban đầu (mg/L)

C0 COD Nhu cầu oxy hoá học (Chemical Oxygen Demand) (mg/L)

Nồng độ chất ô nhiễm trong nƣớc thải xám đầu ra (mg/L)

Nồng độ chất ô nhiễm tại thời điểm t (mg/L)

Nồng độ chất ô nhiễm trong nƣớc thải xám đầu vào (mg/L)

Cra Ct Cvào 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

Kbh ks LVL Văn phòng hợp tác quốc tế Nhật Bản (The Japan International Cooperation Agency) Tốc độ chuyển hóa nitơ (lớp-1) Hệ số bão hòa Hệ số tốc độ phân hủy sinh học chất hữu cơ (lớp-1) 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

Nồng độ Amoni quy về nồng độ nitơ (mg/L)

Nhà máy xử lý nƣớc thải

Tổng nồng độ nitrit quy về nồng độ nitơ (mg/L)

+-N NH4 NMXLNT --N NO2 --N NO3 NTNB

Tổng nồng độ nitrat quy về nồng độ nitơ (mg/L)

Nƣớc thải xám nguyên bản

Nƣớc thải xám pha loãng

NTPL 3--P PO4

POP Tổng hàm lƣợng Phốt phát trong nƣớc thải quy về nồng độ phốt pho (mg/L) Các chất hữu cơ khó phân hủy

PZC Điểm điện tích không (point of zero charge)

QCVN Quy chuẩn Việt Nam.

Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lƣợng nƣớc mặt

Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nƣớc thải sinh hoạt.

Công nghệ bùn hoạt tính dạng mẻ (Sequencing Batch Reactor) QCVN 08:2008/ BTNMT QCVN 14:2008 /BTNMT SBR

Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope) SEM

SEM

Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy) Thời gian lƣu bùn (giờ) SRT

Tiêu chuẩn Việt Nam. TCVN

Tổng nồng độ các chất nitơ quy về nồng độ nitơ (mg/L) T-N

T-P

Tổng nồng độ các chất Phốt pho quy về nồng độ phốt pho (mg/L) Tổng các chất rắn lơ lửng (mg/L) TSS

Tia cực tím (Ultraviolet Visble) UV

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)

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.

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:

- 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;

+-N, 3--P, TSS, E.coli, Coliform đƣợc phân tích theo Standard Methods và các TCVN

- Phân tích trong phòng thí nghiệm: Các thông số BOD5, COD, T-N, T-P, NH4

PO4

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 (ks), 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.

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

+-N có trong nƣớc

thải xám nhà cao tầng;

- Xác định hệ số tốc độ phân huỷ BOD5, COD và chuyển hóa NH4

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

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.

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

Chậu rửa bát

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 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

Nhà tắm (chậu tắm, vòi sen..)

Vi khuẩn, tóc, dầu gội, thuốc nhuộm, chất béo, kem đánh răng, nƣớc nóng, chất béo, mùi, chất hữu cơ, xà phòng, xơ, chất lơ lửng, 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)

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

Bảng 1.2: Tính chất nƣớc thải xám tại một số nƣớc trên thế giới

TT Thông số ĐVT Ấn Độ

[12] Trung Đông [13] Jordan [6] Mỹ [14] Đức [15]

7,7

6,6-6,86

8,35

5-9

- 1 pH

1391-2405

501

mg/L 2 COD

170

941-997

225-2287

128,9

228

mg/L 3 BOD5

190

36-396

575-875

158

mg/L 4 TSS

3--P

0,9

mg/L 5 PO4

0,1-0,8

3-6

mg/L 6 T-P

+-N

1-26

25-45

5,7

mg/L 7 NH4

2-23

15-35

11,9

mg/L 8 T-N

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;

- Hạn chế việc sử dụng năng lƣợng bên ngoài;

- Sử dụng vật liệu địa phƣơng sẵn….

1.1.2.1 Phương pháp Hóa-Lý

Các phƣơng pháp hóa lý đều dựa trên cơ sở ứng dụng các quá trình: hấp phụ, tuyển

nổi, trao đổi ion, tách bằng màng, trƣng bay hơi, trích ly, cô đặc, khử hoạt tính phóng

xạ, khử khí, khử mùi, khử muối... [16] trong đó hấp phụ và trao đổi ion là phƣơng

pháp hóa lý thƣờng áp dụng nhất.

 Hấp phụ: Dùng để tách chất hữu cơ và khí hòa tan ra khỏi nƣớc thải bằng cách

tập trung những chất đó trên bề mặt chất rắn (chất hấp phụ) hoặc bằng cách tƣơng tác

giữa các chất bẩn hòa tan với các chất rắn (hấp phụ hóa học) [16].

Trong quá trình hấp phụ có toả ra một nhiệt lƣợng, gọi là nhiệt hấp phụ, bề mặt càng

lớn tức độ xốp của chất hấp phụ càng cao thì nhiệt hấp phụ toả ra càng lớn. Nhiệt độ

thấp, tốc độ hấp phụ hoá học chậm. Khi tăng nhiệt độ, tốc độ hấp phụ hoá học tăng

nhƣng lại làm giảm quá trình hấp phụ vật lý

Vật liệu hấp phụ thƣờng là có độ rỗng, xốp đƣợc đặc trƣng bởi kích thƣớc và hình

dạng bên trong của khoảng trống và lỗ xốp, đƣợc tạo thành do tổng hợp nhân tạo hay

tự nhiên.

Giữa hấp phụ vật lý và hấp phụ hóa học thật ra khó phân biệt, có khi nó tiến hành song

song, có khi chỉ có giai đoạn hấp phụ vật lý tuỳ thuộc tính chất của bề mặt của chất

hấp phụ và chất bị hấp phụ, các điều kiện khác (nhiệt độ, áp suất... ).

 Trao đổi ion: Là phƣơng pháp thu hồi các cation và anion bằng chất trao đổi ion

(ionit) [16]. Tùy thuộc từng loại vật liệu trao đổi ion mà có sự thế chỗ ion âm hay

dƣơng. Vật liệu trao đổi ion có thể là tự nhiên hay nhân tạo có nguồn gốc hữu cơ hay

vô cơ, chúng đƣợc coi là nguồn tích trữ ion và có khả năng trao đổi đƣợc với bên

ngoài và thƣờng là dạng rắn không tan trong nƣớc và hầu hết các dung môi hữu cơ.

Trên bề mặt chất rắn tồn tại các nhóm chức, trong từng nhóm chức chứa hai thành

phần tích điện: của nhóm chức cố định và của ion linh động có thể trao đổi đƣợc. Các

loại chất trao đổi ion yếu chỉ có thể tích điện âm ở pH cao đối với cationit và ở pH

thấp đối với anionit, nếu không nhóm chức của chúng tồn tại ở trạng thái không phân

li, điện tích tổng của nhóm chức bằng không. Chất trao đổi ion lƣỡng tính thì khác, ở

vùng pH nhất định chúng thể hiện khả năng trao đổi anion hay cation, chỉ tồn tại ở

trạng thái trung hòa tại điểm đẳng điện (IEP).

1.1.2.2 Sinh học

Thực chất của phƣơng pháp này là dựa vào khả năng sống và hoạt động của các vi sinh

để phân hủy - oxi hóa chất bẩn hữu cơ ở dạng keo và dạng hòa tan trong nƣớc thải.

Công trình xử lý sinh học chia làm hai nhóm chính: Xử lý trong điều kiện tự nhiên

(cánh đồng tƣới, cánh đồng lọc, hồ sinh học) và xử lý trong điều kiện nhân tạo (biofin,

aeroten, mƣơng oxi hóa tuần hoàn…). Các công trình xử lý trong điều kiện nhân tạo

thƣờng có quá trình xử lý diễn ra nhanh, cƣờng độ mạnh, khả năng xử lý chất hữu cơ

dễ bị phân hủy BOD5 có thể đạt đến 90-95%, phụ thuộc vào từng loại công trình và

yêu cầu xử lý [16].

Nhóm các vi sinh vật mà trong đó chủ yếu là vi khuẩn dị dƣỡng hoại sinh sử dụng các

chất hữu cơ và một số chất khoáng có trong nƣớc thải làm nguồn dinh dƣỡng và tạo ra

năng lƣợng. Quá trình phát triển làm chúng sinh sản, tăng sinh khối đồng thời làm sạch

các chất hữu cơ ở dạng hòa tan và dạng keo. Sản phẩm phân hủy của quá trình này là

khí CO2, H2O, N2,…. [4].

1.1.2.3 Cơ học

Phƣơng pháp xử lý cơ học đƣợc sử dụng để tách các chất không hòa tan và một phần

chất keo ra khỏi nƣớc thải. Phƣơng pháp này có thể loại bỏ đến 60% các tạp chất

không hòa tan trong nƣớc thải sinh hoạt và làm giảm 20% BOD5. Các công trình cơ

học thƣờng là lƣới chắn rác, bể lắng cát, bể lắng tách các chất lơ lửng có trọng lƣợng

riêng khác với trọng lƣợng riêng của nƣớc thải, bể lọc… [16].

Trong một công trình thƣờng kết hợp nhiều phƣơng pháp xử lý và khó tách bạch rõ

ràng. Hiệu suất xử lý các chất ô nhiễm có trong nƣớc thải của một công trình là tổng

hợp của tất cả các quá trình diễn ra trong nó.

1.1.3 Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về xử lý nước thải xám

Với nồng độ các chất ô nhiễm thấp (trình bày cụ thể tại mục 1.1) nhƣng lại chiếm đến

69 % tổng lƣu lƣợng nƣớc thải sinh hoạt nên từ lâu nƣớc thải xám đƣợc coi là nguồn

thay thế, xử lý và tái sử dụng cho nhiều công trình tại các quốc gia khan hiếm nguồn

tài nguyên nƣớc nhƣ Ấn Độ, Jordan, Isarel. Tại các quốc gia này, xử lý và tận dụng

nƣớc thải sinh hoạt xám nhằm tăng cƣờng khả năng chủ động cấp nƣớc cho bản thân

công trình, tiết kiệm nguồn nƣớc cho tƣơng lai là tiêu chí chủ yếu; trong khi tại Nhật

Bản, Hà Lan, Mỹ thì đơn giản là giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng. Một số nghiên cứu

điển hình nhƣ: Tại Jordan nguồn cung cấp nƣớc ngọt khan hiếm nhƣng nhu cầu dùng

nƣớc luôn vƣợt quá nguồn cung nên chính phủ hạn chế tối đa nƣớc thải xả ra môi

trƣờng bên ngoài từ những năm 1930. Hầu hết nƣớc thải xám tại Jordan đƣợc xử lý và

tái cung cấp cho khoảng 70% nhu cầu dùng nƣớc trong các công trình [11]. Điển hình

nhƣ H. Al-Hamaiedeh và M. Bino [17] đã nghiên cứu tính chất và xử lý nƣớc thải xám

tại vùng ngoại ô Jordan. Nƣớc thải xám đƣợc thu gom, sục khí và đƣa đến các bể xử lý

gồm sỏi lọc. Nƣớc thải xám sau xử lý cung cấp cho hệ thống tƣới nhỏ giọt hoặc tƣới

cây. Chất lƣợng nƣớc thải xám trƣớc và sau xử lý tại Jordan đƣợc trình bày tại Bảng

1.3.

Bảng 1.3: Chất lƣợng nƣớc thải xám trƣớc và sau khi xử lý [8].

Thông số Trƣớc xử lý Sau xử lý ĐVT

pH - 7,2 7,2

mg/L 942 108

mg/L 1712 489

mg/L 52 11

mg/L 275 125

Chú ý: Giá trị trong bảng là là giá trị trung bình

BOD COD T-N TSS

Sam Godfrey và Pawan Labhasetwar [18] nghiên cứu xử lý và tái sử dụng nƣớc thải

xám cho trƣờng học tại Madhya - Ấn Độ. Nƣớc thải xám của trƣờng học đƣợc xử lý

qua các bể lọc cát có đƣờng kính hạt lọc khác nhau (Hình 1.3). Các cặn có kích thƣớc

lớn đƣợc giữ lại giữa các khe hở của các hạt vật liệu lọc có đƣờng kính lớn (20-40mm

và 2-4mm), phần lớn BOD5, nitơ, phốt pho đƣợc loại bỏ trong bể có đƣờng kính hạt

lọc nhỏ (0,5-0,8mm) nhờ lớp màng vi sinh đƣợc hình thành trong quá trình nƣớc chảy

qua lớp vật liệu lọc. Nƣớc sau xử lý đƣợc khử trùng và dùng tƣới cây. Tuy nhiên, việc

dùng vật liệu lọc là cát truyền thống này cho hiệu quả loại bỏ chất dinh dƣỡng thấp,

chiếm nhiều diện tích đất, bể lọc có đƣờng kính vật liệu lọc càng nhỏ thì càng nhanh

tắc.

Hình 1.2: Công trình xử lý nƣớc thải xám tại Jordan Hình 1.3: Xây dựng bể lọc để xử lý nƣớc thải xám tại Ấn Độ [18]

Tại Mỹ, Peter L.M. Veneman và Bonnie Stewart cũng nghiên cứu các đặc tính và xử

lý nƣớc thải xám qua các cột lọc đổ đầy các loại vật liệu khác nhau [14]. Tính chất

nƣớc thải xám đƣợc xác định qua các mẫu đƣợc lấy tại năm địa điểm khác nhau trong

tiểu bang Massachusetts. Kết quả cho thấy: nồng độ BOD5 =22,1-358,8 mg/L (trung

--N = 0,8-17,5 mg/L (trung bình 1,5 mg/L), PO4

bình 128,9mg/L), TSS = 8-200 mg/L (trung bình 53,0 mg/L), T-N= 3,1-32,7 mg/L 3--P = 0,5- (trung bình 11,9 mg/L), NO3

3,6 mg/L, pH = 5,3-10,8. Nƣớc thải xám trong nghiên cứu này có nồng độ nitơrát và

ortho-phốt phát trung bình nằm trong giới hạn cho phép trong khi các thông số vƣợt

quá các qui định cho phép là BOD5, TSS, T-N. Để nghiên cứu khả năng xử của các

loại vật liệu lọc khác nhau, nƣớc thải xám đƣợc dẫn qua các cột lọc đổ đầy cát có

đƣờng kính 0,5mm hay hỗn hợp đất pha cát (đƣợc lấy tại Montauk), sét, cát theo tỷ lệ

38:4:58 (%). Cột lọc cát đƣợc nghiên cứu với tốc độ di chuyển của nƣớc là 3 cm/ngày

và 12 cm/ngày; cột lọc hỗn hợp đƣợc nghiên cứu với tốc độ 1,2 cm/ngày và 5,2

cm/ngày với chiều dày lớp vật liệu là 30 cm, 60 cm và 90 cm. Kết quả cho thấy:

BOD5, TSS là những thông số bị ảnh hƣởng nhiều bởi chiều sâu cột lọc. Với tốc độ lọc

là 12 cm/ngày thì quá trình nitrat hóa hoàn thiện sau 60cm cát phía trên với vật liệu lọc

là cát; với tốc độ là 5,2 cm/ngày, vật liệu lọc là hỗn hợp với tỷ lệ nhƣ trên thì quá trình

nitrat hóa hoàn thiện sau 90 cm chiều dày cột vật liệu. Kết quả nghiên cứu đƣợc tóm

tắt tại Bảng 1.4.

Bảng 1.4: Chất lƣợng nƣớc thải xám sau xử lý qua cát lọc và hỗn hợp đất [14].

Loại đất Chiều dày (cm) Tốc độ (cm/ngày)

12 cát BOD5 (mg/L) 11,2 6,6 TSS (mg/L) 6 4 TKN (mg/L) 4 2,5

--N NO3 (mg/L) 4,5 12,1

3--P PO4 (mg/L) bd Bd

30 60

6 5 bd 9,7 bd 90

5,9 5 4 9 bd 30

5,2 2,1 4 2 14,5 bd 60 Hỗn hợp đất cát 4,4 10 15,5 90

2,9 <2 mg/L bd <0,5 mg/L

Ghi chú: bd là giá trị giới hạn dưới giới hạn phát hiện

Hà Lan xử lý nƣớc thải xám nhằm nâng cao chất lƣợng môi trƣờng và chủ đƣợc xử lý

bằng đất ngập nƣớc (wetland), lọc qua cát (sỏi), lọc sinh học. Nghiên cứu của

Elmitwalli và cộng sự [19] trên 32 ngôi nhà tại vùng Sneekcho thấy chất hữu cơ

(COD) trong nƣớc thải xám chiếm 50% trong nƣớc thải sinh hoạt vàđƣợc loại bỏ khá

hiệu quả qua quá trình xử lý thiếu khí (đến 76%), nồng độ COD đƣợc loại bỏ dần

trong trong tất cả quá trình và phụ thuộc vào thời gian lƣu nƣớc. Quan sát sự biến đổi

tính chất của nƣớc thải xám qua các hệ thống đất ngập nƣớc theo thời gian đƣợc trình

bày tại Bảng 1.5.

Bảng 1.5: Thay đổi tính chất của nƣớc thải xám theo thời gian tại Hà Lan [19].

Thông số ĐVT Giá trị trung bình từ Giá trị trung bình từ ngày 1-168 ngày 84-168

mg/L mg/L 833±188 41,2±27,2 827±204 29,9±11,0

+-N --N

1,0±0,7 mg/L 0,6±0,4

0,12±0,08 6,6±2,7 mg/L mg/L 0,12±0,07 5,8±1,4

COD T-N NH4 NO3 T-P Chú ý: Giá trị ghi trong bảng là giá trị trung bình ±độ lệch chuẩn

Tại Việt Nam có rất ít các công trình nghiên cứu về tính chất nƣớc thải xám. Nghiên

cứu của Stefania Paris và Celine Schlapp [20], xử lý nƣớc thải xám khu ký túc xá Đại

học Cần Thơ (nhà B23) bằng công nghệ màng lọc MBR. Với nồng độ trung bình các

chất ô nhiễm trong nƣớc thải xám đầu vào là: COD = 208 mg/L (223 mg/L trong mùa

khô và giảm xuống còn 137 mg/L khi đƣợc hòa lẫn nƣớc mƣa), T-N = 24,2 mg/L,

BOD5 = 151 mg/L, T-P = 4,9 mg/L và pH = 7,1; nƣớc sau xử lý qua màng lọc MBR

(của hãng HUBER) đƣợc khử trùng và tái sử dụng cho chính ký túc xá. Tuy nhiên,

công nghệ MBR có chi phí đầu tƣ cao, hay bị tắc, giá thành thay thế màng lọc đắt, vận

hành phức tạp là những nhƣợc điểm lớn của công nghệ MBR này (Hình 1.4).

Thổi khí

NT xám Dòng vào Rửa khí Bơm

MBR

Song chắn rác

Bể thu 3 3,6m Bể xử lý 3 2,8m Hình 1.4: Sơ đồ xử lý nƣớc thải xám nhà B23-ĐH Cần Thơ

Nghiên cứu của Sybille Biisser và cộng sự [21] về nƣớc thải xám cho một số nhà dân

phân tán khu nội thành và ngoại thành (làng Lai Xá), kết quả cho thấy: hàm lƣợng

trung bình COD là 18-37 g/ngƣời.ngày, T-P là 0,4-0,6 g/ngƣời.ngày, TSS là 16,7-29,9

g/ngƣời.ngày, amoni < 0,01-0,22 g/ngƣời.ngày, T-N là 0,6-1 g/ngƣời.ngày (trị số nhỏ

cho Lai Xá và lớn cho khu vực nội thành). Tuy nhiên, hàm lƣợng này đƣợc xác định

dựa trên tiêu chuẩn thoát nƣớc lý thuyết và chủ yếu phục vụ việc xác định tải lƣợng

các chất ô nhiễm thải ra từ nhà dân. Tính đến nay, chƣa có công trình nào nghiên cứu

về tính chất nƣớc thải xám nhà cao tầng tại Việt Nam.

1.2 Đá ong và ứng dụng đá ong trong lĩnh vực xử lý nƣớc thải

1.2.1 Sơ lược về đá ong (laterit)

Đá ong là sản phẩm của quá trình phong hóa đất rất phổ biến ở nƣớc ta, đặc biệt là ở

vùng giáp ranh giữa đồi núi và đồng bằng - những nơi có sự phong hoá quặng chứa sắt

và các dòng nƣớc ngầm có oxi hòa tan.

Việt Nam có trữ lƣợng đá ong rất lớn do nằm trong vùng nhiệt đới và quá trình phong

hóa liên tục xảy ra. Bằng phƣơng pháp khối địa chất các nhà khoa học đã xác định

đƣợc trữ lƣợng đá ong tại một số địa điểm tại Hà Nội nhƣ sau: Bình Yên – Thạch Thất

là 178.667 tấn, Hòa Lạc - Xuân Mai là 72.694 tấn, Miếu Môn – Thƣợng Lâm là trên

95.000 tấn và còn có trữ lƣợng rất lớn tại Quảng Ngãi, Bình Phƣớc, Lai Châu [22].

Có nhiều ý kiến khác nhau về nguồn gốc hình thành đá ong nhƣng đa số các tác giả

đồng tình với quan điểm cho rằng đá ong hình thành là do các oxit sắt theo các mạch

nƣớc ngầm di chuyển từ những nơi khác đến và cũng do sự ngấm dần các oxit sắt từ

tầng đất trên xuống phía dƣới, sự thay đổi mực nƣớc ngầm trong đất kết hợp với quá

trình oxi hoá làm cho đất bị khô lại và tạo thành đá ong [7]. Đá ong có thể cứng nhƣ đá

tảng, nhƣng khi ở trạng thái phân bố tự nhiên chúng lại rất mềm có thể cắt đƣợc bằng

dao, kéo (Hình 1.5).

Hình 1.5: Đá ong tự nhiên

Đá ong có cấu tạo gồm 2 phần chính là khung xƣơng và sét loang lổ nằm trong khung.

Khung có kết cấu vững chắc, dạng định hƣớng hoặc tổ ong, thƣờng có màu nâu đỏ,

nâu đen, đen hoặc màu rỉ sắt và sét thƣờng nằm trọn trong khung; tỷ lệ giữa phần

khung và phần sét dao động từ 1 đến 1,5 và tăng từ dƣới lên trên. Theo chiều thẳng

đứng, màu sắc của đá ong thay đổi từ nâu vàng, nâu đỏ ở phần dƣới chuyển lên nâu

đen ở phần trên, độ cứng của khung cũng tăng dần theo hƣớng đó. Đá ong có nguồn

gốc hình thành trên các đá mẹ khác nhau thì thành phần hóa học và khoáng vật cũng

khác nhau (Bảng 1.6).

Bảng 1.6: Thành phần các nguyên tố chính trong laterit [7].

Tên mẫu SiO2 Fe2O3 Fe2O3/ Al2O3 Al2O3

Laterit (1) 46,2 16,3 0,67 24,5

Granit (2) 73,3 16,3 3,1 0,19

Laterit (3) 39,2 26,9 19,7 0,73

Đất sét (4) 56,5 24,4 5,3 0,22

Laterit (5) 23,7 24,6 28,3 1,15

Basalt (6) 47,9 13,7 14,9 1,09

Laterit (7) 3,0 5,5 67 12,2

Serpentinit (8) 38,8 0,7 9,4 14,1

Đá ong chứa các oxit nhôm, sắt, silic, có độ xốp tƣơng đối cao, bề mặt riêng lớn nên

thƣờng đƣợc dùnglàm vật liệu hấp phụ. Một số trƣờng hợp biến tính hóa học hoặc

nhiệt - hóa làm đá ong làm tăng khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm của đá ong bằng

các liên kết tĩnh điện hay trao đổi ion.

1.2.2 Khoáng vật trong đá ong có ích cho quá trình xử lý một số chất ô nhiễm có

trong nước thải.

Một số khoáng vật có trong đá ong tính chất đặc trƣng nhƣ: tính phân cực trong môi

trƣờng nƣớc, khả năng trao đổi cation trong cấu trúc tinh thể, có lỗ rỗng lớn hoặc diện

tính bề mặt riêng lớn nên tạo ra các phản ứng trao đổi, hấp phụ hoặc liên kết tĩnh điện

để loại bỏ một số chất ô nhiễm có trong nƣớc thải. Các khoáng vật đó là khoáng sét

(kaolinit, bentonit), các hyđroxit sắt, nhôm, một số khoáng vật có cấu trúc tinh thể đặc

biệt nhƣ zeolit, điatomit.., [7], [23] và đƣợc trình bày chi tiết dƣới đây:

1.2.2.1 Bruxit: Mg(OH)2

Cấu trúc: Trong cấu trúc tinh thể của bruxit các nhóm (OH) đƣợc sắp xếp theo quy luật

chặt sít tối đa tạo thành các lớp hình lục giác (hecsagone), một đơn vị cấu trúc của

bruxit gồm hai lớp (OH) nêu trên và nối kết hai lớp này là nguyên tử Mg và nhƣ vậy:

Mỗi một nguyên tử Mg đƣợc bao bọc bởi sáu 6 nhóm (OH). Các đơn vị cấu trúc này

liên kết với nhau bằng lực liên kết bậc 2 (Van der van) lỏng lẻo giữa các lớp (OH).

Mỗi một nhóm (OH) một mặt liên kết với 3 nguyên tử Mg mặt khác liên kết với 3

nhóm (OH) của đơn vị cấu trúc kế tiếp .

Tính chất: Chính vì có cấu trúc này nên trong môi trƣờng nƣớc bruxit dễ bị phân li, và

khi bị phân li các lớp (OH) vẫn có xu thế hƣớng ra ngoài và tạo nên các thành phần có

tính phân cực, với điện tích âm (-).

Hình 1.6: Cấu trúc không gian tinh thể Bruxit

Khi bị nung nóng, cấu tinh thể của bruxit sẽ bị phá vỡ và bruxit từ dạng hyđroxit sẽ

chuyển dần sang dạng oxit có cấu trúc tinh thể bền vững một cách chậm chạp và khả

năng hấp phụ của nguyên liệu sẽ bị giảm. Quá trình chuyển đổi cấu trúc từ hyđroxit

sang oxit bắt đầu từ khoảng 350°C và mạnh mẽ nhất ở 500°C, kết thúc ở khoảng 550-

600°C. Vì vậy nếu nung quá 550°C hoạt tính của khoáng sẽ giảm. Ở dƣới 500°C -

550°C tuy cấu trúc tinh thể bị phá huỷ nhƣng khoáng mới chƣa đƣợc thành tạo,

nguyên liệu tồn tại dƣới dạng vô định hình (có hoạt tính) nên vẫn có khả năng hấp phụ.

1.2.2.2 Gibbsit Al(OH)3

Cấu trúc: kết tinh ở tinh hệ đơn tà. Cũng tƣơng tự cấu trúc của bruxit, hai lớp (OH)

cũng chồng khít lên nhau nhƣng chỉ khác ở chỗ chỉ có 2/3 lỗ hỗng đƣợc tạo thành từ

các nhóm (OH) đó đƣợc lấp đầy bằng nguyên tử Al và mặc dù mỗi một nguyên tử Al

vẫn đƣợc 6 nhóm (OH) vây quanh. Hơn nữa, trong cấu trúc của bruxit mỗi nhóm (OH)

tiếp xúc với 3 nhóm (OH) khác trong cùng lớp còn trong cấu trúc của gibbsit các nhóm

OH của lớp này lại trực tiếp tiếp xúc với các nhóm OH của lớp trên.

Tính chất: Cũng tƣơng tự bruxit, gibbsit cũng có khả năng phân li trong nƣớc có điện

tích âm hƣớng ra mặt ngoài nhƣng gibbsit lại có tính phân cực mạnh hơn (lệch) vì chỉ

có 2/3 số lỗ rỗng đƣợc lấp đầy nên khả năng hấp phụ thể hiện rõ ràng hơn.Khi bị nung

nóng ở nhiệt độ từ 240°C-450°C các nhóm OH bắt đầu bị thoát ra khỏi cấu trúc và một

biến thể trung gian đƣợc hình thành (boehmit) AlO(OH) với hoạt tính thấp hơn và từ

450°C- 600°C một lần nữa xảy ra quá trình mất nƣớc cấu trúc của boehmit mới đƣợc

hình thành trƣớc đó. Ở nhiệt độ cao hơn (1200°C) sẽ chuyển thành corindon bền vững

và không còn hoạt tính.

Hình 1.7: Cấu trúc không gian tinh thể Gibbsit

1.2.2.3 Boehmit AlO(OH)

Cấu trúc: Tinh thể Boehmit kết tinh ở tinh hệ thoi, có cấu trúc dạng lớp, mỗi một cation Al3+ đƣợc bao bọc bởi 6 nguyên tử O nhƣng các nguyên tử O này không nằm

thẳng hàng mà bị biến dạng thành các lớp, các lớp này liên kết với nhau bằng mối liên

kết H theo dạng -O-H-O-H-O.

Hình 1.8: Cấu trúc không gian tinh thể Boehmit

Tính chất: Cũng tƣơng tự các hyđroxit khác boehmit dễ dàng phân li trong nƣớc và

cũng có khả năng hấp phụ tuy nhiên do kết tinh ở tinh hệ khác nên độ bền nhiệt của

boehmit có sự khác biệt hơn so với các hyđroxit nhôm khác. Khi bị nung nóng cấu trúc

tinh thể bị phá huỷ, mất nƣớc cấu trúc xảy ra ở nhiệt độ từ 450°C- 600°C.

1.2.2.4 Diaspor: ά AlO(OH)

Cấu trúc: Là một biến thể của hyđroxit Al, kết tinh ở tinh hệ thoi. Nguyên tử O cũng

tạo nên sự sắp xếp chồng khít tuyệt đối hình lục giác, nguyên tử Al cũng đƣợc bao bọc

bởi 6 nguyên tử O, mỗi một nguyên tử O lại đƣợc bao quanh bởi 3 nguyên tử Al (3

nguyên tử Al này mới chiếm 3 nửa liên kết). Mỗi một nguyên tử H gắn kết với O một

cách đối xứng giữa 2 nguyên tử O.

Tính chất: Cũng tƣơng tự các hyđroxit khác trong môi trƣờng nƣớc tuy nhiên phản ứng

khi bị nung nóng lại khác hơn. Diaspore mất nƣớc cấu trúc trong khoảng T° từ 500-

600°C, cấu trúc tinh thể sẽ bị phá huỷ và dần chuyển sang dạng oxit ά Al2O3.

1.2.2.5 Goethite và lepidocrokit FeO(OH)

Cấu trúc: Là hai biến thể chủ yếu của hyđroxit sắt hay limonnit biến thể chứa 12-14%

nƣớc FeO(OH).nH2O. Goethite có cấu trúc tinh thể tƣơng tự cấu trúc của diaspor và

cũng có những tính chất tƣơng tự.

Hình 1.9: Cấu trúc không gian tinh thể lepidocrokit và goethite

Tính chất: Trong quá trình bị nung đốt cấu trúc của goethite bị phá huỷ bắt đầu từ

nhiệt độ từ 300-420°C và goethite chuyển dần sang dạng oxit άFe2O3 hematit. Nhƣng

nếu nung đến 680°C sẽ xảy ra quá trình ngƣợc lại chuyển đổi từ cấu trúc άFe2O3

hematit sang Fe2O3.

1.2.2.6 Khoáng vật sét

Về phƣơng diện hoá tinh thể các khoáng vật sét thuộc lớp silicat, đƣợc tạo nên từ các

đơn vị cấu trúc cơ bản gồm các khối tứ diện tạo nên từ Si và O và các khối bát diện từ OH và các cation kim loại Al3+, Fe3+… có hai loại cấu trúc chính: 1:1 tức là 1 lớp tứ

diện và 1 lớp bát diện và 2:1 tức gồm 2 lớp tứ diện và 1 lớp bát diện kẹp giữa. Điển

hình cho hai loại khoáng sét này là các khoáng sét thuộc lớp kaolinit và nhóm

montmorillonit.

1. Kaolinit: Là một loại sét có cấu trúc tinh thể thuộc loại 1:1, và các nhóm (OH)- đều

hƣớng ra ngoài nên khi bị phân li chúng cũng tạo nên các tấm mỏng mang điện tích

âm vì vậy đây cũng là nguyên nhân tạo nên tính hấp phụ của khoáng. Nhƣng khác với

bentonit các khoáng vật thuộc nhóm kaolinit không có khả năng trao đổi cation, bề mặt riêng cũng nhỏ hơn so với bentonit (khoảng 20m2/g). Khi bị nung nóng cũng xảy ra

các hiệu ứng tƣơng tự, nhƣng khi mất nƣớc hấp phụ ở nhiệt độ thấp, tính chất của

koáng chƣa thay đổi nhƣng nếu nung đến 450°C - 570°C - 600°C quá trình mất nƣớc

cấu trúc sẽ xảy ra và tinh thể khoáng vật sẽ bị phá huỷ, vật chất chuyển sang trạng thái

vô định hình và có độ hoạt tính nhất định đối với từng thành phần hoá học riêng biệt,

trong trƣờng hợp sét kaolin sau khi nung, kaolin có thể kết hợp với CaO tạo thành một chất kết dính nhƣ xi măng. Khi nung kaolinit tới 450-570-6000C diễn ra sự khử

hydroxyl thu nhiệt (hay nói cách khác là khử nƣớc) để sinh ra metakaolin (Al2Si2O7)

theo phản ứng:

2Al2Si2O5(OH)4 —> 2Al2Si2O7 + 4H2O

Chất này không có trật tự và làm kaolinit chuyển sang trạn thái vô định hình [24]

2. Montmorillonit: Đất đá cấu tạo chủ yếu từ các khoáng vật nhóm smectit (có khả

năng trƣơng nở) đƣợc gọi là bentonit. Nhóm khoáng vật smectit bao gồm:

monmorilonit, beidelit, nontronit và vài khoáng vật ít phổ biến khác. Khoáng vật nhóm

smectit có cấu trúc mạng tinh thể nhiều lớp đặc trƣng ô mạng cơ sở tạo thành 3 lớp.

Hai lớp ngoài (lớp dƣới và lớp trên), cấu tạo từ các tứ diện (Al, Si)O4 và đƣợc gọi là

lớp tứ diện. Giữa chúng phân bố lớp cation bát diện, trong đó các cation Al, Fe, Mg chiếm vị trí bát diện do cấu trúc dạng vòng của oxy trong tứ diện (SiO4)- và nhóm hydroxit (OH)-. Bình thƣờng các bát diện có thể lấp đầy bằng hai cation hoá trị III

hoặc ba cation hoá trị II. Do sự thay thế các nguyên tố hoá trị III (Al, Fe) trong lớp

giữa octahedral bằng các nguyên tố hoá trị II (Mg, Fe) hoặc Si hoá trị IV bằng Al hoá

trị III trong lớp tứ diện tạo nên sự dƣ thừa điện tích âm trên bề mặt giữa các lớp cấu trúc, hơn nữa mặt đáy của các lớp cấu trúc đƣợc tạo nên bởi các mối liên kết O-2 hoặc (OH)- cũng tạo cho bề mặt cấu trúc tinh thể của khoáng vật một điện tích âm.Để trung

hòa điện tích trong cấu trúc tinh thể, các khoáng này thƣờng đƣợc gắn thêm các cation trao đổi. Chủ yếu đó là các ion Na+, K+, Ca2+, Mg2+ và Fe2+.

Trong quá trình tƣơng tác với nƣớc xung quanh các cation này hình thành các lớp vỏ

hydrat và do đó dẫn đến hiện tƣợng trƣơng nở trong tập hợp các tập sét này. Khả năng

hydrat hoá cao nhất có ở các ion kim loại kiềm là natri. Khả năng trƣơng nở ít hơn là

các ion kim loại kiềm thổ - canxi và magie.

Hình 1.10: Cấu trúc không gian tinh thể montmorillonit

Khả năng trƣơng nở, tăng thể tích, cũng nhƣ hấp thụ hoặc trao đổi các cation trên bề

mặt giữa các lớp cấu trúc của smectit (từ 2- 20 lần) đã tạo nên tính năng công nghiệp

quý giá của chúng. Theo thành phần cation trao đổi, bentonit đƣợc chia làm loại: kiềm và kiềm thổ. Đối với bentonit kiềm, cation Na+ chiếm ƣu thế trong tổ hợp cation trao đổi. Do Na+ có khả năng thu hút một lƣợng lớn các nhóm hydrat mà monmorillonit có hàm lƣợng Na+ cao có khả năng trƣơng nở lớn nhất. Bentonit với Ca chiếm ƣu thế đƣợc gọi là bentonit canxi. Ngoài Ca2+, trong monmorillonit có thể có Mg2+ với số lƣợng đôi khi vƣợt cả Ca2+. Song thƣờng gặp hơn cả là biến thể của bentonit canxi-

magie.Trong môi trƣờng nƣớc, sét thuộc nhóm bentonit hay thƣờng gọi là smectit (7

khoáng vật chính), rất dễ phân li và tạo nên một dung dịch dạng huyền phù. Kích

thƣớc của khoáng sét nhìn chung rất nhỏ (sét thƣờng tập trung trong hợp phần dƣới 2

micromet). Do cấu trúc đặc biệt, sét bentonit có bề mặt riêng lớn (có thể đạt trên 200- 300m2/g), độ lỗ rỗng lơn nên khả năng hấp phụ lớn, mặt khác bentonit cũng nhƣ zeolit

lại còn là một khoáng chất có khả năng hấp thụ theo cơ chế trao đổi cation trong cấu

trúc tinh thể. Khi bị nung nóng, các tính chất này bị suy giảm do cấu trúc tinh thể bị

thay đổi, sét sẽ mất nƣớc hấp thụ trong khoảng 80-120°C, tiếp đó sẽ bị mất nƣớc cấu

trúc trong khoảng 450-570°C và cấu trúc tinh thể bị phá huỷ nhƣngcũng tƣơng tự các

khoáng khác nêu trên trong giai đoạn này tinh thể mới chƣa đƣợc hình thành, các oxit

mới Al2O3, SiO2 đang ở dạng vô định hình nên vẫn còn hoạt tính.

Nhìn chung đá ong thƣờng đƣợc chọn là vật liệu hấp phụ ở trạng thái tự nhiên hoặc

qua nâng cấp chất lƣợng bằng biến tính hóa học hay nhiệt học. Trong trƣờng hợp cần

nung nóng cần chú ý lựa chọn khoảng nhiệt độ thích hợp để phát huy khả năng của

khoáng chất chủ đạo.

1.2.3 Những công trình nghiên cứu trong và ngoài nước ứng dụng đá ong trong

lĩnh vực xử lý nước thải

1.2.3.1 Các công trình nghiên cứu ngoài nước ứng dụng đá ong trong lĩnh lực xử lý

nước thải.

1. Các công trình nghiên cứu ứng dụng đá ong tự nhiên để xử lý nước thải

Đá ong tự nhiên là loại vật liệu đƣợc nghiên cứu sử dụng nhƣ một loại vật liệu lọc phổ

biến và hiệu quả cao trong lĩnh vực môi trƣờng. Rất nhiều các công trình trong phòng

thí nghiệm và ngoài thực tế nghiên cứu khả năng xử lý các chất ô nhiễm trong nƣớc

thải bằng đá ong tự nhiên. Một số công trình nghiên cứu điển hình nhƣ: R. B. Wood và

C. F. McAtamne [25] đã thực hiện nghiên cứu trong phòng thí nghiệm với đá ong có

nguồn gốc từ đá bazan; thành phần hỗn hợp của nhôm, sắt và titan lần lƣợt chiếm

26,7%, 39,8% và 3,6 %. Khả năng hấp phụ phốt pho và các kim loại nặng có trong

nƣớc của đá ong đƣợc xác định thông qua hai thí nghiệm lắc. Thí nghiệm 1: Lấy 10 g

đá ong nghiền mịn cho vào trong 100 ml dung dịch photpho có nồng độ từ 5-50mg/l

và lắc đều. Kết quả cho thấy đá onghấp phụ tới 80-96% lƣợng phốt pho có trong dung

dịch. Thí nghiệm 2: Lấy 10 g đá ong nghiền mịn cho vào trong 100 ml dung dịch hỗn

hợp gồm crom, cadimi, niken, chì nồng độ 0,1 mg/L. Sau một thời gian lắc, hàm

lƣợng này đã mất hẳn trong dung dịch. Dựa trên các kết quả thu đƣợc, triển khai ứng

dụng ra ngoài thực tế bằng cách xây các bể chứa nƣớc thải có nền đáy là đá ong dày

0,8m. Kết quả hấp thụ phốt pho và kim loại nặng sau 7 ngày ngâm nƣớc cũng tƣơng tự

với kết quả nghiên cứu thực hiện trong phòng thí nghiệm.

Saynor MJ & Harford A [26] đã tiến hành thí nghiệm dạng cột dùng đá ong làm vật

liệu chính để xử lý asen trong nƣớc thải. Trong thí nghiệm này, các hạt laterit đƣợc

nghiền nhỏ với kích thƣớc nhỏ hơn 1-3 mm, rửa sạch các tạp chất và phơi khô ở nhiệt

độ phòng. Sau đó đổ vào cột thí nghiệm với chiều dày 0,5m, tiến hành cho nƣớc thải

sinh hoạt pha loãng với nồng độ các chất gây ô nhiễm cố định chảy qua. Kết quả cho

thấy ngoài asen thì chất hữu cơ, chất dinh dƣỡng, chất lơ lửng, mùi...có trong nƣớc thải

cũng giảm đáng kể nhờ khả năng hấp phụ của đá ong và cơ chế lọc để giữ lại các hạt

cặn.Thí nghiệm này đề xuất đƣợc đƣờng kính hợp lý của hạt đá ong và chỉ ra mối quan

hệ giữa hiệu suất và chiều sâu lớp vật liệu lọc nhƣng chƣa đề xuất đƣợc chiều dày lớp

vật liệu, vận tốc lọc và khả năng ứng dụng cột lọc này trong thực tế. Với mỗi loại đá

ong có thành phần hóa học và khoáng vật khác nhau thì hiệu quả xử lý các chất ô

nhiễm trong nƣớc thải cũng khác nhau. Vì thế cần có nghiên cứu độc lập từng loại đá

ong của từng vùng cụ thể.

Yu Xiaohong và cộng sự [27] đã nghiên cứu sự hấp thụ của Cr (VI) lên đá ong ở tỉnh

Guizhou - Trung Quốc. Đây là vùng địa chất karsto, đá ong có màu vàng đậm và sản

phẩm đã phong hóa hoàn toàn. Thí nghiệm đƣợc thực hiện trong phòng bằng cách lắc

1 g đá ong của nhiều mẫu khác nhau đƣợc thu thập từ vùng này trong dung dịch 25 ml

Cr (VI) nồng độ 0,15mg/L trong thời gian 2 giờ, sau đó ngâm dung dịch trong 22 giờ.

Kết quả cho thấy nồng độ đã giảm cao nhất là 0,1 mg/L, mẫu thấp nhất cũng loại đƣợc

Cr với nồng độ 0,06mg/L. Hiệu quả xử lý Cr phụ thuộc vào ảnh hƣởng của thành phần

khoáng vật silicate. Kaolinite đã giảm hiệu ứng hấp phụ trong khi oxit sắt, khoáng

không có cấu trúc tinh thể và gipsite lại làm tăng hiệu ứng hấp phụ Cr(VI). Hiệu ứng

hấp phụ Cr(VI) tốt nhất ở pH dung dịch thấp 2-5, khả năng hấp phụ giảm dần trong

môi trƣờng pH trung tính đến kiềm, hiệu quả xử lý chỉ đạt 50%. Nghiên cứu cũng chỉ

ra rằng phản ứng hấp phụ Cr(VI) lên đá ong diễn ra rất nhanh, 80% hàm lƣợng Cr (VI)

đã hấp phụ chỉ sau 2 giờ.

Felix Udoeyo và cộng sự [28] thử nghiệm khả năng hấp phụ kim loại nặng từ nƣớc

thải sinh hoạt và chế biến dầu tại khu vực đồng bằng Niger, Mỹ nơi có diện tích đất

ngập nƣớc lớn thứ 3 thế giới bằng đá ong. Kết quả: Đá ong không những hấp phụ tốt

kim loại nặng trong nƣớc, trầm tích và bùn cát. Khả năng làm sạch chì đạt 46-78%,

cadimium đạt 26,6-37,6%, asen đạt 13,8-30,2%. Hiệu quả xử lý tăng khi nồng độ kim

loại nặng giảm. Kết quả từ thí nghiệm tuyến tính với phƣơng trình đƣợc mô phỏng bởi Langmuir, các hệ số xác định R2 = 0,9-0,98.

Ấn Độ cũng là quốc gia có trữ lƣợng đá ong rất lớn và thƣờng đƣợc sử dụng phổ biến

làm vật liệu lọc nƣớc, khử kim loại nặng và asen. Tại Ấn Độ, nhiều nghiên cứu ứng

dụng đá ong trong lĩnh vực xử lý nƣớc thải nhƣ: Avinash M và cộng sự [29] đã nghiên

cứu khả năng lọc các chất ô nhiễm của đá ong bằng cách xây các công trình xử lý nƣớc

thải sinh hoạt trên nền khu vực đá ong (CFC) gồm các bể chứa đƣợc xây dựng có

chiều cao 1,1m trong đó 0,4 m ngập sâu trong nền đá ong, lớp dƣới cùng nền đáy đƣợc

rải lớp vật liệu chống thấm. Nƣớc thải đƣợc dẫn trực tiếp vào hồ chứa, sau thời gian

tƣơng tác sinh học khoảng vài ngày, tiến hành tháo nƣớc sang bể chứa khác. So sánh

chất lƣợng nƣớc giữa các hồ thấy nồng độ chất ô nhiễm giảm đi đáng kể. Độ pH của

nƣớc thải đầu ra là 7,4 – gần đạt đến giá trị trung tính, nồng độ oxi hòa tan tăng lên tới

4,8 mg/L, BOD5 giảm từ 91,7 mg/L xuống dƣới 10 mg/L; nồng độ COD trong nƣớc

thải đầu ra giảm 78,7 % so với đầu vào; tổng chất rắn lơ lửng TSS giảm 95,2 % (từ

145,3 -187,8 mg/L xuống còn 7,8-9,1mg/L). Công trình cũng loại bỏ đƣợc 55-67% +-N) có trong nƣớc thải; Kết quả cũng chất hữu cơ, photpho và 80-85% amoni (NH4

cho thấy nồng độ NO3-N trong nƣớc thải đầu ra lại tăng do sự ô xi hóa chƣa hoàn toàn +-N, tuy nhiên do amoni giảm từ 1,6 mg/L xuống còn 0,94 mg/L nên T-N vẫn NH4

giảm 34,8% so với nƣớc thải đầu vào. Ngoài ra, dƣới tác dụng của màng lọc vi sinh tổng Coliform đã giảm từ 3,5x108 xuống còn 2,4x105 CFU/100ml, Fecal coliform đã giảm từ 2x107 xuống còn 3x104 CFU/100ml. Hay Mitali Sarkar và cộng sự [30] đã

nghiên cứu khả năng hấp phụ flo của laterite đƣợc lấy từ huyện Bankura ở phía tây

Bengal, Ấn Độ. Thành phần chủ yếu là SiO2 chiếm 72,9%, Fe2O3 chiếm 3,7%, Al2O3

2- và NO3

chiếm 14,51 %, ngoài ra là oxit của titan và canxi. Kết quả cho thấy đá ong tự nhiên

xử lý đƣợc 74,4-83,3% flo trong nƣớc tự nhiên, đồng thời vật liệu này cũng xử lý hiệu -. Sanjoy Kumar và cộng sự quả nhiều thành phần anion khác nhƣ Cl-, SO4 [31] cũng đã đƣa ra kết luận rằng đá ong ở vùng này còn có khả năng khử As (V) trong

nƣớc ngầm nồng độ rất cao một phần do ảnh hƣởng từ chất thải một phần ảnh hƣởng

từ địa chất tự nhiên. Thí nghiệm dạng cột đƣợc thiết lập để xác định khả năng hấp phụ

của đá ong. Kết quả cho thấy 43% As (V) đƣợc loại bỏ và áp dụng cho nƣớc thải có

nồng độ As không vƣợt quá 0,05mg/L; Flo là nguyên tố cần thiết cho cơ thể sống,

song khi dƣ thừa hoặc thiếu hụt Flo đều ảnh hƣởng đến sức khoẻ của con ngƣời, biểu

hiện rõ rệt nhất là các bệnh Fluorosis về xƣơng và răng. Mitali Sarkar và cộng sự

(2006) [30] đã nghiên cứu khả năng hấp phụ flo của đá ong đƣợc lấy từ huyện

Bankura ở phía tây Bengal, Ấn Độ với thành phần hóa học chủ yếu là SiO2 (72,9%),

Fe2O3 chiếm 3,7%, Al2O3 chiếm 14,51 %, ngoài ra là oxit của titan và canxi. Kết quả

2- và NO3

cho thấy đá ong tự nhiên xử lý đƣợc 74,4-83,3% flo trong nƣớc tự nhiên, đồng thời vật liệu này cũng xử lý hiệu quả nhiều thành phần anion khác nhƣ Cl-, SO4

2. Các công trình nghiên cứu ứng dụng đá ong biến tính để xử lý nước thải

Độ bền và khả năng xử lý các chất ô nhiễm của đá ong đƣợc cải thiện bằng cách tạo ra

các vật liệu biến tính nhiệt hoặc hóa học từ đá ong. Điển hình cho các nghiên cứu về

đá ong biến tính nhiệt là công trình nghiên cứu của Liang Zhang và cộng sự [32] nghiên cứu về khả năng hấp phụ phốt pho lên vật liệu đá ong biến tính nhiệt ở 170oC.

Vật liệu đƣợc tạo ra từ đá ong thu thập ở thành phố Vũ Hán - Trung Quốc với hàm

lƣợng SiO2 chiếm 53,2%, Al2O3 chiếm 24,4%, và Fe2O3 chiếm 14,2%. Thí nghiệm

đƣợc thực hiện bằng cách cho 10g vật liệu đá ong biến tính nhiệt đã đƣợc nghiền mịn

vào trong mẫu nƣớc có nồng độ phốt pho từ 0-30mg/L và lắc trong 24 tiếng ở nhiệt độ

phòng. Kết quả phân tích dung dịch sau lắc cho thấy nồng độ phốt pho đã giảm khoảng

70%, tại điểm cân bằng khả năng hấp phụ phốt pho đạt 0,8 -1mg/g.

Alunite là một loại đá ong tự nhiên giàu nhôm thuộc nhóm Jarosite ở Thổ Nhĩ Kỳ;

Thành phần khoáng chủ yếu gồm SiO2 (43,6%), Al2O3 (22,6%), K2O (5,1%) và các

loại khoáng khác. Vì alunite tự nhiên là 1 loại khoáng không hòa tan trong nƣớc, vì

vậy để tăng hiệu suất hấp phụ, nghiên cứu đã tiến hành canxit hóa vật liệu tự nhiên ở nhiệt độ cao 950oC, sau đó đƣợc dùng làm chất hấp phụ phốt pho. Hàm lƣợng phốt

pho đƣợc hấp thụ tăng lên từ 10 mg/g đến 100 mg/g khi nồng độ P trong nƣớc tăng

tƣơng ứng từ 5mg/L đến 200mg/L. Khi pH = 4-5 thì hiệu suất xử lý phốt pho đạt cao

nhất [33];

I.M.M Ranhman và cộng sự [34] qua các mẫu đá ong ở Ogasawara - Nhật Bản, với

thành phần hóa học là 55% SiO2, 43% Al2O3 và 2% Fe2O3, kích thƣớc hạt đƣợc làm mịn tới 1mm, sau đó nung ở nhiệt độ 500oC, sau quá trình hấp phụ thì As còn lại trong

dung dịch thấp hơn tiên chuẩn WHO (0,01mg/L). Tác giả đề cao tính khả quan của kết

quả, tuy nhiên thí nghiệm này đƣợc thực hiện trong phòng với các mẫu nƣớc nhiễm As

giả định nên chƣa đánh giá hết độ nhiễu và ảnh hƣởng của ion và kim loại khác trong

nƣớc, vì thế cần đƣợc tiến hành các nghiên cứu thêm.

Hiệu quả loại bỏ các chất ô nhiễm lại phụ thuộc vào thành phần hóa học, nhiệt độ nung

đá ong, cách tạo tâm hấp phụ bằng hóa học, nồng độ các chất ô nhiễm, sự ảnh hƣởng lẫn

nhau của các chất có mặt trong nƣớc. Vì thế các nghiên cứu trên đƣợc dùng nhƣ tài liệu

tham khảo, định hƣớng cho việc nghiên cứu khả năng xử lý nƣớc thải sinh hoạt xám

bằng vật liệu đá ong tại Việt Nam.

1.2.3.2 Những công trình nghiên cứu trong nước ứng dụng đá ong trong lĩnh vực xử

lý nước thải.

1. Công trình nghiên cứu thực hiện với đá ong tự nhiên.

Tại Việt Nam, một số nghiên cứuvề khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm trong nƣớc đã

đƣợc thực hiện nhƣng chủ yếu là giải quyết một số vấn đề ở góc độ lý thuyết và tập

trung vào khả năng hấp phụ kim loại nặng của đá ong, nhƣ:

Nguyễn Thị Hằng Nga [35] nghiên cứu khả năng hấp phụ một số kim loại nặng trong

nƣớc nhƣ Cu, Pb và Cd bằng các hạt đá ong tự nhiên lấy tại Thạch Thất - Hà Nội. Sau

đó đƣợc rửa sạch, phơi khô ở nhiệt độ phòng tiến hành nghiền nhỏ và rây qua màng lọc

cỡ 2 mm để tạo thành vật liệu hấp phụ dạng hạt có kích thƣớc nhỏ hơn 2 mm. Phân tích

khả năng hấp phụ kim loại nặng đƣợc thực hiện trong phòng thí nghiệm với nƣớc thải

giả định và thay đổi độ pH. Kết quả cho thấy đá ong có khả năng hấp phụ 1-1,2 mgPb/g,

0,5-0,8 mgCu/g, lên đến 0,4 mgCd/g và quá trình hấp phụ các kim loại nặng chỉ xảy ra

khi pH ≥ 4 và gần nhƣ không xảy ra khi pH < 4.

Để xác định đƣợc khả năng hấp phụ Flo trong nƣớc bằng đá ong nguyên khai, Trần Thị

Thu Thủy đã tiến hành 2 thí nghiệm gồm: thí nghiệm lắc (xác định khả năng hấp phụ

tĩnh của đá ong) và thí nghiệm qua cột (hấp phụ động) với đá ong nguyên khai vùng

Yên Bình -Thạch Thất, Hà Nội. Sau hơn 3 tháng liên tục thực hiện thí nghiệm, tác giả đã

xác định đƣợc đá ong nguyên khai có khả năng xử lý trên 90% Flo có trong nƣớc. Tuy

nhiên thí nghiệm đƣợc thực hiện trên mẫu nhiễm Flo giả định, do vậy chỉ mang tính chất

thăm dò, kết quả chƣa thể khẳng định là phù hợp ngoài thực tế hay không vì trong nƣớc

còn chứa nhiều các thành phần tạp chất khác nhƣ cáccation kim loại, anion và hợp chất

hữu cơ mà trong thí nghiệm này chƣa đề cập đến [36].

2. Công trình nghiên cứu thực hiện với đá ong biến tính.

Khả năng hấp phụ các chất ô nhiễm có trong nƣớc thải của đá ong biến tính nhiệt, hóa

học, nhiệt – hóa học cao hơn so với đá ong tự nhiên và đƣợc thể hiện qua các công

trình nghiên cứu sau:

Trần Hồng Côn và cộng sự [37] dùng đá ong biến tính nhiệt (nung ở 900oC) để làm vật

liệu xử lý asen trong nƣớc thải đô thị. Kết quả nồng độ As (V) trong nƣớc thải giảm từ

0,5mg/L xuống dƣới 0,05mg/L (hiệu suất xử lý đạt đến 99%), cao hơn nhiều so với

hiệu suất hấp phụ asen của đá ong tự nhiên là 13,8-30,2% - theo Felix [28] hay 43% -

theo Mitali Sarkar [30].

Đặng Đức Truyền nghiên cứu và phát triển vật liệu dùng để lọc nƣớc từ đá ong tự nhiên

khai thác tại Hòa Bình [38]. Vật liệu lọc này đƣợc chế tạo từ đá ong biến tính nhiệt –

hóa học (phủ MnO2) và cho kết quả loại bỏ các kim loại nặng trong nƣớc tốt mà vẫn

không làm mất chất khoáng có trong nƣớc. Hạn chế của vật liệu này là giá thành đắt,

khả năng hấp phụ của vật liệu giảm nhanh do cặn bẩn bám vào bề mặt vật liệu tạo thành

lớp cách ly giữa nƣớc thải và các nhân hấp phụ nằm trên bề mặt hay trong khe rỗng của

vật liệu.

Ngô Thị Mai Việt và cộng sự [23] thực hiện nghiên cứu với đá ong nung ở nhiệt độ cao (900-9500C), gắn thêm tâm phốt phát. Kết quả cho thấy: đá ong biến tính nhiệt – hóa học này có khả năng hấp phụ 105 mg/g đối với Pb2+ và từ 20-40mg/g cho Co, Cu, Cd,

Ni là các ion kim loại nặng có trong nƣớc thải. Tuy nhiên kết quả đƣợc công bố dựa trên

nghiên cứu nƣớc thải giả định với nồng độ các kim loại nặng đƣợc tạo ra từ dung dịch

chuẩn pha loãng với nƣớc cất, môi trƣờng nƣớc thải giả định rất khác so với môi trƣờng

nƣớc thải thực tế, để áp dụng cho nƣớc thải thực thì cần nghiên cứu thêm.

Nhìn chung, đá ong biến tính có hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm trong nƣớc thải cao

nhƣng thƣờng có giá thành đắt,dễ bị tắctrong quá trình xử lý nƣớc thải nhất là nƣớc thải

sinh hoạt (chứa nhiều chất hữu cơ) do đƣợc chế tạo với kích thƣớc rất nhỏ để tăng diện

tích hấp phụ bề mặt nên ít đƣợc dùng trong thực tế.Ngoài ra, phần lớn các nghiên cứu

trên đƣợc thực hiện trong phòng thí nghiệm với các chất ô nhiễm giả định nên khi áp

dụng ra ngoài thực tiễn có sự sai khác. Bản thân nƣớc thải là môi trƣờng phức hợp,

ngoài các ion hòa tan trong nƣớc còn chứa rất nhiều các chất lơ lửng khác nhƣ khoáng

silicat, hợp chất hữu cơ, tảo. Khả năng hấp phụ của vật liệu phụ thuộc vào lực liên kết

ion của các nguyên tố và lực tƣơng tác điện tích của bề mặt hạt lơ lửng. Để xác định

tƣơng đối chính xác hiệu quả xử lý chất ô nhiễm của đá ong cần nghiên cứu và triển khai

trong điều kiện thực tế.

1.3 Kỹ thuật xếp lớp đa tầng

1.3.1 Khái niệm chung

Tƣ̀ lâu đấ t đƣợ c coi là mộ t trong cá c loạ i vậ t liệ u hƣ̃ u hiệ u để xƣ̉ lý nƣớ c thải với chi

phí thấp. Dƣ̣ a trên cá c tí nh chấ t vậ t lý , hóa học, sinh họ c củ a tƣ̀ ng loạ i đấ t mà hiệ u quả

xƣ̉ lý cá c chấ t ô nhiễ m khá c nhau . Tuy nhiên, xử lý nƣớc thải bằng hệ thống đất tự

nhiên thƣờng xảy ra tắc nghẽn và chỉ xử lý đƣợc với tải lƣợng thấp [39]. Sơ đồ cấu tạo

hệ thống xếp lớp đa tầng đƣợc thể hiện tại Hình 1.11.

thải

Nƣớc 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 dƣỡng…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 nƣớc thải nhờ khả năng hấp phụ của vật liệu và hoạt động của vi sinh vật hiếu khí.

Nƣớc sau xử lý Hình 1.11: Sơ đồ cấu tạo hệ thống xếp lớp đa tầng

Xế p lớ p đấ t đa tầ ng (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 nƣớc

thải [40]. Kỹ thuật xếp lớp đa tầng (Multi Soil Layering Engineering) đƣợc S.

Luanmanee và cộng sự nghiên cứu tại tại Nhật Bản từ những năm 1990 nhằm khắc

phục nhƣợc điểm hay tắc nghẽn và chỉ xử lý đƣợc với tải lƣợng thấp của đất tự nhiên

[41], sau đó đƣợc S. Luanmanee, K. Sato, X.Chen, T.Matsunaga, T.Attanandana,

Y.Yost và các cộng sự tiếp tục nghiên cứu, phát triển và ứng dụng ngoài thực tiễn nhƣ

một giải pháp xử lý nƣớc thải chi phí thấp để xử lý nƣớc thải sinh hoạt, nƣớc sông,

nƣớc thải xám tại Nhật Bản, Thái Lan, Ấn Độ, Mỹ, Philipin, Indonesia.

Hiệu quả loại bỏ các chất ô nhiễm trong nƣớc thải bằng kỹ thuật xếp lớp đa tầng rất

khác nhau và phụ thuộc vào: loại đất, kích thƣớc các đơn vị đất, số lƣợng lớp đất, hình

dạng sắp xếp,tính chất của nƣớc thải, nồng độ chất ô nhiễm cần xử lý và đƣợc khẳng

đinh qua kết quả của nhiều công trình nghiên cứu lý thuyết cũng nhƣ thực tế (đƣợc

trình bày rõ hơn trong tiểu mục 1.3.2).

1.3.2 Các công trình nghiên cứu về kỹ thuật xếp lớp đa tầng được thực hiện trong

phòng thí nghiệm

1.3.2.1 Đặc điểm chuyển động của dòng nước trong hệ thống xếp lớp đa tầng

Nƣớc chuyển động trong hệ thống xếp lớp đa tầng phụ thuộc vào cấu trúc vật liệu, quá

trình chuyển động này đƣợc K.Sato và cộng sự [40], [42] nghiên cứu trong phòng thí

nghiệm dựa trên định luật Darcy.

𝐻

𝑄 = 𝐾.

. 𝐹 (cm3/s)

Theo đó, lƣợng nƣớc thấm vào đất đƣợc xác định theo công thức:

𝐿 Q là lƣợng nƣớc thấm (cm3/s)

(1-1)

trong đó:

K: hệ số thấm (cm/s)

H: độ chênh lệch áp lực cột nƣớc ở đầu trên và đầu dƣới cột thấm (cm)

L: chiều dài đoạn đƣờng thấm (cm) F: tiết diện mặt cắt ngang của mẫu (cm2)

Công thức (1-1) còn đƣợc biểu thị dƣới dạng:

𝑄 = 𝐾. 𝐼 (cm3/s)

(1-2)

. 𝐹 ) là tốc độ thấm, đƣợc đo bằng mm/s, m/phút, m/ngày

𝐻 𝐿

trong đó: I (𝐼 =

Trong trƣờng hợp I = 1 thì K = V tức vận tốc thấm bằng hệ số thấm của đất.

Thực tế, nƣớc thƣờng chảy trong khe rãnh và lỗ rỗng của đất đá. Diện tích của các lỗ

𝑄

𝑉

rỗng, khe rãnh ứng với mặt cắt ngang F là F.n. Khi đó vận tốc thấm thực của đất là:

𝑈 =

𝐹.𝑛

𝑛

(cm/s) (1-3)

trong đó:

U là vận tốc thấm thực của đất (cm/s)

n là hệ số rỗng của đất đá, n luôn nhỏ hơn 1 nên tốc độ thấm thực của đất đá

luôn lớn hơn khi tính theo công thức (1-3).

- Tùy thuộc vào từng loại đất đá thì tốc độ thấm khác nhau đạt 10-40 L/m.ngày với

đất bình thƣờng; 1-8 L/m.ngày với đất không thấm nƣớcvà thƣờng xảy ra tắc nghẽn

[39]. Để cải thiện vấn đề này, K.Sato và cộng sự [40] đã nghiên cứu sự di chuyển của

dòng nƣớc qua các trƣờng hợp: lớp đất mỏng (Hình 1.2a); lớp đất dày (Hình 1.2b);

chia nhỏ lớp đất (Hình 1.2c).

Hình 1.12: Sự chuyển động của dòng nƣớc qua các đơn vị đất [42]

(a) (b) (c)

Tùy thuộc vào độ dày mỏng của các đơn vị đất mà quá trình thâm nhập của nƣớc vào

sâu bên trong cũng khác nhau, lớp đất càng dày thì các dòng nƣớc sẽ bị chia nhỏ và bị

phân ra nhiều hƣớng trong các đơn vị đất và ngƣợc lại. Kết quả cho thấy:

- Các đơn vị đất có kích thƣớc càng dày to thì dòng nƣớc sẽ đƣợc chia nhỏ và phân

ra nhiều hƣớng trong các đơn vị đất nên hiệu quả loại bỏ nitơ cao. Tuy nhiên, lƣợng

nƣớc đƣợc chuyền vào bên trong đơn vị ít làm quá trình tiếp xúc giữa nƣớc thải và đất

giảm nên không phát huy hết tiềm năng xử lý của các đơn vị đất và thƣờng xảy ra tắc

nghẽn;

- Với các đơn vị đất cấu trúc mỏng thì dòng nƣớc dễ dàng thâm nhập bên trong với

lƣu lƣợng lớn, làm tăng hiệu quả tiếp xúc giữa nƣớc thải và đất nên hiệu suất xử lý

trên một đơn vị đất có xu hƣớng tăng, tuy nhiên lại làm giảm hiệu quả xử lý nitơ do

chƣa có đủ môi trƣờng thiếu khí cho quá trình khử sâu nitơ. Kiểu cấu trúc này thƣờng

áp dụng cho nƣớc thải có nồng độ ô nhiễm chất hữu cơ lớn và hàm lƣợng nitơ không

quá cao;

- Với cấu trúc dày và hẹp, phần lớn nƣớc thải có xu hƣớng vƣợt qua bên ngoài của

các đơn vị đất, nhƣng nó có thể tiếp xúc với bề mặt của lớp cấu trúc này nên hiệu suất

xử lý vừa phải và tăng đƣợc tải trọng thủy lực mà ít xảy ra tắc nghẽn;

- Nếu bố trí nhiều lớp vật liệu chồng lên nhau theo kiểu so le, xếp gạch thì nƣớc di

chuyển qua các lớp vật liệu không đều nhau, lƣợng nƣớc đƣợc đi qua lớp vật liệu phía

dƣới luôn cao hơn phía trên. Tăng tải trọng nƣớc vào thì lƣợng nƣớc đi qua các lớp vật

liệu phía dƣới cũng tăng theo. Khi tải trọng nƣớc tăng 446 lần thì lƣu lƣợng dòng nƣớc

đi vào các đơn vị đất tăng 65%, điều này cho thấy phần lớn nƣớc đi qua lớp vật liệu

chèn giữa các lớp đất.

1.3.2.2 Ảnh hưởng của chất lượng nước đầu vào, tải trọng thủy lực và thời gian lưu nước đến hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải bằng kỹ thuật xếp lớp đa tầng.

Ảnh hƣởng của chất lƣợng nƣớc đầu vào,tải trọng thủy lực đến khả năng xử lý các

chất ô nhiễm đƣợc xác định theo phƣơng pháp của T.Masunaga và cộng sự [43], Xin

Chen và cộng sự [44].

1. Ảnh hưởng của chất lượng nước đầu vào đến hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm

trong nước thải bằng kỹ thuật xếp lớp đa tầng.

Theo T.Matsunaga và cộng sự [43] thì mức độ ô nhiễm của các chất trong nƣớc thải

đầu vào ít ảnh hƣởng đến hiệu suất xử lý chất lơ lửng, chất hữu cơ và nitơ nhƣng lại

ảnh hƣởng đến phốt pho. Khi mức độ ô nhiễm của nƣớc thải đầu vào tăng thì hiệu suất 3-P lên xử lý phốt pho tăng (khoảng 8%) do vật liệu còn nhiều khả năng hấp phụ PO4

bề mặt (Bảng 1.7).

Bảng 1.7: Hiệu quả xử lý một số chất ô nhiễm chính trong nƣớc thải [43].

Mức độ ô nhiễm TSS (mg/L) COD (mg/L) T-N (mg/L) T-P (mg/L) BOD5 (mg/L)

Vào 27,8±21,9 32,1±20,9 43,9±21,5 6,3±1,7 0,76±0,3

Thấp Ra 0,7±0,8 1,5±1,3 5,6±5,2 2,5±1,4 0,24±0,11

Hiệu suất (97,4%) (95,3%) (87,2%) (60,3%) (68,4%)

177±126 78,3±75,3 69,5±52,7 9,6±2,7 1,47±1,16 Vào

Cao 3,3±4,9 6,2± 8,1 12,1±7,6 3,9±2,4 0,34±0,2 Ra

Hiệu suất (98,1%) (92,1%) (82,5%) (59,3%) (76,8%)

Ghi chú: Giá trị ghi trong bảng là giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn, trong ( ) biểu thị phần trăm giảm.

2. Ảnh hưởng của tải trọng thủy lực đến hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm trong nước

thải bằng kỹ thuật xếp lớp đa tầng.

Cũng theo T.Matsunaga và cộng sự [43], khi tăng tải trọng thủy lực thì nƣớc thải chảy

qua lớp vật liệu nhanh hơn, làm giảm thời gian hấp phụ phốt phát của vật liệu nên hiệu

suất xử lý phốt pho giảm (Bảng 1.8)

Bảng 1.8: Hiệu suất xử lý (%) chất ô nhiễm theo tải trọng thủy lực [43].

Hiệu suất xử lý (%)

Tải trọng thủy lực (L/m2.ngày)

3- -P T-P

TSS BOD5 COD NH4

+-N T-N PO4 45

98 86 500 95 98 94 89

1000 96 94 92 98 54 82 85

1250 93 95 91 98 56 72 74

1500 92 94 90 96 48 64 71

2000 91 88 87 93 57 62 65

Xin Chen và cộng sự [44] cũng chứng minh có sự ảnh hƣởng qua lại giữa cấu trúc lớp

vật liệu, tải trọng thủy lực với hiệu suất xử lý các chất gây ô nhiễm trong nƣớc thải.

Nghiên cứu đƣợc thực hiện bằng cách thay đổi tải trọng thủy lực từ 250 -3000 L/m2.ngày. Kết quả cho thấy thấy: Khi tải trọng thủy lực nhỏ hơn hoặc bằng 2.000 L/m2.ngày thì việc sắp xếp cấu trúc vật liệu có ý nghĩa và cho hiệu suất xử lý các chất gây ô nhiễm cao, khi tải trọng phân phối nƣớc thải vƣợt quá 2.000 L/m2.ngày thì cấu

trúc của hệ thống không còn ảnh hƣởng nhiều và hiệu suất xử lý các chất gây ô nhiễm

giảm do nƣớc di chuyển chủ yếu qua lớp vật liệu chèn (phần hiếu khí) trong khi lƣợng

nƣớc thấm qua các đơn vị đất ít (phần thiếu khí). Do đó, hiệu suất xử lý các chất ô

nhiễm giảm.

Kết quả tại Bảng 1.7, Bảng 1.8 cho thấy: tải trọng thủy lực và nồng độ chất ô nhiễm

trong nƣớc thải đầu vào chủ yếu ảnh hƣởng đến hiệu suất xử lý phốt pho mà ít ảnh

hƣởng đến chất lơ lửng, chất hữu cơ và nitơ. Tải trọng thủy lực tỷ lệ nghịch trong khi

mức độ ô nhiễm của nƣớc thải đầu vào lại tỷ lệ thuận với hiệu suất xử lý phốt pho.

3. Ảnh hưởng thời gian nước lưu trong hệ thống đến hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm

trong nước thải bằng kỹ thuật xếp lớp đa tầng.

Việc xác định thời gian nƣớc lƣu trong hệ thống chủ yếu phụ thuộc vào loại cấu trúc

vật liệu và tải trọng thủy lực. Thời gian nƣớc lƣu trong hệ thống đƣợc xác định theo

phƣơng pháp của Sato và cộng sự [40]. Nghiên cứu này đƣợc K.Sato thực hiện với mô

hình có 6 lớp đất có chiều dày 5cm và xếp so le nhau. Thí nghiệm đƣợc thực hiện khi cho tải trọng thủy lực thay đổi từ 250 đến 6000 L/m2.ngày thì thấy thời gian nƣớc lƣu

trong hệ thống sẽ ngắn hơn do phần nƣớc đi qua lớp thấm là nhiều mà đi qua các đơn

vị đất ít hơn. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đƣợc K.Sato và cộng sự mô tả bằng

công thức Langmuir (1-4).

Y = 4069.lnx-0,9495 (1-4)

trong đó: x là tải trọng thủy lực

Y là thời gian nƣớc lƣu trong hệ thống

và thiết lập đƣợc đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa tải trọng thủy lực và thời gian lƣu

nƣớc trong hệ thống (Hình 1.13).

Hình 1.13: Mối quan hệ giữa tải trọng thủy lực và thời gian lƣu nƣớc [39]

Kết quả nghiên cứu trên cho thấy: Tải trọng thủy lực tỷ lệ nghịch với thời gian nƣớc

lƣu trong lớp vật liệu. Xác định tải trọng thủy lực phải đặt trong mối tƣơng quan giữa

mức độ ô nhiễm của nƣớc thải đầu vào và khả năng xử lý các chất gây ô nhiễm của kỹ

thuật xếp lớp đa tầng (khả năng loại bỏ chất gây ô nhiễm của vật liệu dùng trong hệ thống). Hệ số xác định R2= 0,999 chứng tỏ độ chênh lệch giữa đƣờng mô phỏng và kết

quả thực nghiệm thu đƣợc là rất nhỏ (gần nhƣ trùng khít).

Nhƣ vậy, khi áp dụng kỹ thuật xếp lớp đất đa tầng cần lƣu ý:

- Việc sắp xếp cấu trúc lớp vật liệu theo kỹ thuật xếp lớp đa tầng chỉ có ý nghĩa khi tải trọng thủy lực nhỏ hơn hoặc bằng 2.000 L/m2.ngày;

- Nồng độ chất ô nhiễm trong nƣớc thải đầu vào chủ yếu ảnh hƣởng đến hiệu suất

loại bỏ phốt pho mà ít ảnh hƣởng đến chất lơ lửng, chất hữu cơ và nitơ. Nồng độ phốt

pho trong nƣớc thải đầu vào tỷ lệ thuận với hiệu suất xử lý;

- Tải trọng thủy lực tỷ lệ nghịch với thời gian nƣớc lƣu trong lớp vật liệu. Thời gian

lƣu nƣớc càng lâu thì hiệu suất xử lý càng cao;

- Việc xác định tải trọng thủy lực phải đặt trong mối tƣơng quan giữa mức độ ô

nhiễm của nƣớc thải đầu vào và khả năng xử lý các chất gây ô nhiễm của kỹ thuật xếp

lớp đa tầng (khả năng loại bỏ chất gây ô nhiễm của vật liệu dùng trong hệ thống).

1.3.3 Các công trình thực tiễn ứng dụng kỹ thuật xếp lớp đa tầng trong lĩnh vực xử

lý nước thải.

Một số nƣớc nhƣ Nhật Bản, Thái Lan, Indonesia, Trung Quốc áp dụng kỹ thuật xếp

lớp đa tầng vào thực tiễn để xử lý nƣớc thải, nƣớc sông và cho kết quả khá tốt. Điển

hình nhƣ S. Luanmanee và cộng sự [41] đã lắp đặt một hệ thống xếp lớp đa tầng để xử

lý nƣớc thải xám cho một gia đình tại thành phố Matsue, Nhật Bản từ năm 1990. Vật

liệu chính gồm đất trộn sợi đay, hạt sắt và zeolit. Sau 10 năm theo dõi hệ thống vẫn

hoạt động tƣơng đối tốt, hiệu suất loại bỏ chất hữu cơ và phốt pho trung bình của năm

thứ 9 vẫn lần lƣợt đạt 91 ± 4,5% và 89,04 ± 4,4%, trong khi hiệu suất xử lý nitơ tăng

lên đến 89% và có sự thay đổi theonồng độ chất ô nhiễm trong nƣớc thải đầu vào và

lƣợng oxi có trong hệ thống. Trong quá trình hoạt động, vẫn chƣa xảy ra tắc nghẽn

trầm trọng hay cần thay thế lớp vật liệu, khả năng làm việc tự khôi phục lại sau khi

cho ngăn tắc tạm nghỉ một thời gian ngắn.

Sơ đồ hệ thống xếp lớp đa tầng xử lý nƣớc thải xám tại Nhật Bản đƣợc mô tả theo

Hình 1.14, Hình 1.15.

Hình 1.14: Hệ thống xếp lớp đa tầng xử lý nƣớc thải xám tại Nhật [45]

Ống dẫn vào

Phần xử lý chính

Nƣớc sau xử lý

Ống thông khí

Hình 1.15: Sơ đồ hệ thống xếp lớp đa tầng tại Nhật Bản [46]

Hay nhƣ hệ thống xếp lớp đa tầng đƣợc T.Attanandana và cộng sự [45] thiết kế và lắp

đặt tại Đại học Kasetsart – Thái Lan để xử lý nƣớc thải sinh hoạt cho hệ thống căng tin

của trƣờng. Vật liệu chính sử dụng trong hệ thống là đất sét, tro núi lửa và hạt sắt theo

tỷ lệ 75:10:15 (%) dựa trên trọng lƣợng khô và chèn bằng zeolite. Nƣớc thải sinh hoạt

và từ nhà vệ sinh của căng tin sẽ đƣợc xử lý sơ bộ qua song chắn rác và bể lắng cát

trƣớc khi phân phối vào hệ thống với tải trọng thủy lực là 600 L/m2.ngày, thời gian

nƣớc lƣu trong hệ thống dao động từ 5-32 giờ. Hiệu suất loại bỏ BOD5, COD trong

những tháng đầu không bổ sung thêm khí trong hệ thống lần lƣợt là 90% và 84%, hiệu

quả loại bỏ nitơ có thể đạt đến 100% nếu hệ thống nằm trong điều kiện kỵ khí hoàn

toàn (Hình 1.16).

Hình 1.16: Hệ thống xếp lớp đa tầng xử lý nƣớc thải sinh hoạt tại Thái Lan [45].

Hình 1.17: Xử lý nƣớc thải sinh hoạt và nƣớc sông tại Philipin và Indonesia [46]

Ngoài ra, kỹ thuật xếp lớp đa tầng cũng đƣợc thực hiện thí điểm để xử lý nƣớc thải

sinh hoạt tại Philipin, nƣớc sông Sumatra tại Indonesia [43] (Hình 1.17) nhƣng không

đạt đƣợc kết quả nhƣ mong muốn. Nguyên nhân chủ yếu là do nƣớc thải đầu vào có

nồng độ các chất ô nhiễm cao, vƣợt quá khả năng xử lý của kỹ thuật xếp lớp đất đa

tầng. Đồng thời thói quen xả thẳng nƣớc từ bồn cầu ra sông mà không có công trình xử

lý sơ bộ cũng đƣợc coi là một trong những nguyên nhân thất bại khi ứng dụng kỹ thuật

xếp lớp đất đa tầng tại Indonesia. Điều này dƣờng nhƣ mâu thuẫn với kết quả nghiên

cứu trong phòng thí nghiệm của T.Matsunaga đã trình bày phía trên là chất lƣợng nƣớc

thải đầu vào chủ yếu chỉ ảnh hƣởng đến hiệu quả xử lý phốt pho và ít ảnh hƣởng đến

hiệu quả xử lý các chất khác. Nhƣ vậy, giữa thí nghiệm và thực tế có sự chênh lệch, có

thể trong thí nghiệm thực hiện với nồng độ chất ô nhiễm rất thấp nên không thấy rõ

ảnh hƣởng rõ rệt của nồng độ chất ô nhiễm đầu vào đến hiệu quả xử lý BOD5, COD,

TN của kỹ thuật xếp lớp đa tầng. Để đánh giá sát khả năng xử lý của kỹ thuật xếp lớp

đa tầng cần lựa chọn vật liệu và loại nƣớc thải cần xử lý cụ thể.

Tóm lại, trong thực tế tùy theo từng trƣờng hợp áp dụng kỹ thuật xếp lớp đa tầng cụ

thể mà cho kết quả khác nhau. Có trƣờng hợp thành công với hiệu suất xử lý ổn định,

lâu dài nhƣng cũng có trƣờng hợp thất bại. Việc thành công hay thất bại của kỹ thuật

xếp lớp đất đa tầng phụ thuộc nhiều vào nhiều yếu tố nhƣ: chất lƣợng nƣớc thải đầu

vào, loại vật liệu và các yếu tố kỹ thuật (cấu trúc lớp vật liệu, tải trọng thủy lực,...).

KẾT LUẬN CHƢƠNG 1

Kỹ thuật xếp lớp đa tầng đƣợc nghiên cứu và phát triển nhằm cải thiện nguy cơ tắc

nghẽn và chỉ xử lý đƣợc với tải lƣợng thấp của đất tự nhiên. Với ƣu điểm có thể xây

ngầm nên tiết kiệm diện tích, hiệu suất xử lý nitơ cao, vận hành đơn giản, tận dụng vật

liệu địa phƣơng và thân thiện với môi trƣờng nên kỹ thuật xếp lớp đa tầng là giải pháp

thích hợp cho xử lý các nguồn nƣớc thải có nồng độ chất ô nhiễm đầu vào và yêu cầu

chất lƣợng sau xử lý không quá cao. Kỹ thuật xếp lớp đa tầng không quá phổ biến

nhƣng đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn tại một số nƣớc trên thế giới nhƣ Nhật

Bản, Trung Quốc, Indonesia, Philipin, Mỹ và cho kết quả khả quan; tại Việt Nam chƣa

có công trình nào nghiên cứu về kỹ thuật xếp lớp đa tầng. Theo nghiên cứu của

T.Matsunaga và K. Sato thì hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm trong nƣớc thải của kỹ thuật

xếp lớp đa tầng phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ: loại vật liệu, cấu trúc vật liệu, tính chất

nƣớc thải đầu vào và tải trọng thủy lực nên hiệu quả xử lý đƣợc xác định tùy trƣờng hợp

cụ thể.

Đá ong có trữ lƣợng lớn tại Việt Nam, có nhiều khoáng chất tốt cho xử lý nƣớc thải. Từ

lâu đá ong đã đƣợc các nhà khoa học chứng minh nhƣ một loại vật liệu lọc (tự nhiên

hoặc biến tính) có khả năng hấp phụ hay trao đổi với các ion có trong nƣớc thải cao. Tuy

nhiên, trong nƣớc thải nói chung và nƣớc thải xám nói riêng còn có chất hữu cơ và dinh

dƣỡng, các chất này chỉ đƣợc loại bỏ hiệu quả bằng phƣơng pháp sinh học và là nguyên

nhân gây tắc trong lớp vật liệu lọc đá ong. Về lý thuyết có thể kết hợp đá ong theo kỹ

thuật xếp lớp đất đa tầng, vừa phát huy thế mạnh của đá ong là khả năng hấp phụ, trao

đổi ion, vừa tăng cƣờng khả năng loại bỏ chất hữu cơ và dinh dƣỡng có trong nƣớc thải

xám nhờ hệ vi sinh vật sống trong môi trƣờng thiếu khí, kỵ khí đƣợc tạo ra do kỹ thuật

xếp lớp đa tầng.

Nƣớc thải xám có nồng độ các chất ô nhiễm thấp nhƣng lại chiếm 50-75% (trug bình

69%) lƣu lƣợng nƣớc thải sinh hoạt. Nếu đƣợc tách ra và xử lý tại chỗ sẽ tiết kiệm đƣợc

1/3 số lƣợng đƣờng ống trong mạng lƣới thoát nƣớc đô thị, giảm áp lực xử lý cho các

nhà máy xử lý nƣớc thải tập trung (đang còn thiếu và yếu) đồng thời góp phần giảm ô

nhiễm môi trƣờng đô thị. Trên thế giới đặc biệt là tại các quốc gia có nguồn tài nguyên

nƣớc khan hiếm, nƣớc thải xám đƣợc coi là nguồn thay thế, góp phần tiết kiệm nguồn

nƣớc cho tƣơng lai; nƣớc thải xám nếu xử lý đúng cách có thể tái sử dụng lại cho bản

thân công trình. Trừ Nhật Bản lắp đặt thử nghiệm hệ thống xử lý nƣớc thải xám cho một

nhà dân theo kỹ thuật xếp lớp đất đa tầng sử dụng vật liệu chính là đất trộn sợi đay, hạt

sắt và zeolite thì các nƣớc khác đều sử dụng phƣơng pháp lọc truyền thống bằng cát

(sỏi) nên nhanh bị tắc và hiệu quả loại bỏ nitơ, phốt pho không cao.

Tính đến nay, chƣa có công trình nào nghiên cứu về khả năng xử lý tại chỗ nƣớc thải

xám bằng đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đất đa tầng.

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

Các chất ô nhiễm có trong nƣớc thải xám đƣợc xử lý nhờ sự kết hợp giữa khả năng

hấp phụ các ion của đá ong với khả năng phân hủy chất hữu cơ và dinh dƣỡng bằng

các vi sinh vật sống trong môi trƣờng hiếu khí và kỵ khí đƣợc tạo ra do 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

2.1.1 Quá trình hấp phụ

Hấp phụ trong hoá học là quá trình xảy ra khi một chất khí hoặc lỏng bị hút trên bề

mặt chất rắn xốp. Trong quá trình hấp phụ có toả ra một nhiệt lƣợng, gọi là nhiệt hoá

học. Dựa vào bản chất của lực hấp phụ, ngƣời ta phân biệt hấp phụ vật lý và hấp phụ

hóa học. Hấp phụ vật lý gây ra bởi lực vật lý (lực tƣơng tác phân tử), còn hấp phụ hóa

học gây ra bởi lực mang bản chất hóa học (lực của liên kết hóa học). Giữa hấp phụ vật

lý và hấp phụ hoá học thật ra khó phân biệt, có khi chỉ có giai đoạn hấp phụ vật lý tuỳ

thuộc vào tính chất bề mặt của chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, tuỳ thuộc vào điều

kiện quá trình (nhiệt độ, áp suất,…). Theo thuyết Langmuir nguyên nhân của sự hấp

phụ là:

1. Sự có mặt những phần tử hóa trị không bão hòa trên bề mặt chất hấp phụ. Khi

hấp phụ do tác dụng lực hóa trị mà sinh ra liên kết hóa học.

2. Khoảng cách tác dụng của lực hóa trị rất ngắn không quá đƣờng kính phân tử

do đó chỉ hấp phụ một lớp.

3. Quá trình hấp phụ chỉ xảy ra trên những điểm đặc biệt gọi là tâm hấp phụ chứ

không xảy ra trên toàn bộ bề mặt chất hấp phụ. Hoạt tính chất hấp phụ phụ

thuộc vào số lƣợng tâm hấp phụ.

Vật liệu hấp phụ thƣờng dạng hạt có kích thƣớc từ 2.10 -5 mm đến 6-10 mm và có độ

xốp lớn, đƣợc hình thành do những mạch mao quản li ti nằm trên khối vật liệu. Kích

thƣớc lỗ rỗng đóng vai trò quan trọng làm cho vật liệu hấp phụ đƣợc chất này hoặc

chất khác, tức là hấp phụ có tính chọn lọc. Trong hấp phụ, chất tan bám vào bề mặt của

các hạt rắn và đƣợc mô tả tại Hình 2.1

Hình 2.1: Quá trình hấp phụ của đá ong [48]

2.1.1.1 Điểm điện tích không của một số khoáng vật trong đá ong

Điểm điện tích không (point of zero charge- PZC) là khái niệm liên quan đến hiện

tƣợng hấp phụ, mô tả tình trạng khi mật độ điện tích trên bề mặt bằng không. Giá trị

pH mà ở đó mật độ các ion tích điện trên bề mặt ở trạng thái cân bằng gọi là điểm điện

tích không PZC. Giá trị của độ pH đƣợc sử dụng để mô tả PZC chỉ dùng cho các hệ thống trong đó H +/OH - là các ion xác định.

Hình 2.2: Điểm tích điện không của một khoáng vật là 6,6

- Nếu độ pH nhỏ hơn giá trị PZC, hệ thống này đƣợc gọi là "phía dƣới PZC". Khi ấy nƣớc cho ion H+ nhiều hơn OH- vì vậy các bề mặt đƣợc tích điện dƣơng kết quả là hấp

phụ anion tốt hơn.

- Ngƣợc lại ở trên PZC bề mặt chất hấp phụ mang điện tích âm sẽ hấp phụ Cation tốt

hơn. PZC giữ một vai trò quan trọng trong lĩnh vực khoa học môi trƣờng, vì nó xác

định một cách dễ dàng một bề mặt có khả năng hấp thu các ion gây hại. Hình 2.2 thể

hiện PZC cho một nguyên liệu khoáng có pH PZC = 6,6. Kosmulski M. [47] đã nghiên

cứu và tổng kết điểm PZC cho một số oxit kim loại một số khoáng vật có trong đá ong

nhƣ trong Bảng 2.1

Bảng 2.1: PZC của một số oxit và khoáng vật [47].

Khoáng vật Chất điện ly Giá trị thể hiện PZC

pH 6,5 Fe2O3 NaNO3 0,1M

NaCl 0,001M pH 5,4 Cr2O3

NaCl 0,01M pH 5,4 Cr(OH)3

Kaolinite KCl 0,01M và 0,0001M pH 5,5-6

Zeolite tự nhiên - pH <2

Bauxit - pH 6-7,8

2.1.1.2 Thế Zeta.

Thế zeta đƣợc đo ở mặt phẳng trơn nhƣ là hạt chuyển động so với chất lỏng (dung dịch

nƣớc), nó có thể đƣợc giả thiết bằng thế ở mặt Helmholtz ngoài.

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

Một đặc trƣng về pH mà ở đó thế zeta bằng không, là điểm đẳng điện (IEP). Đối với

đa số khoáng, PZC và IEP là nhƣ nhau nếu không xảy ra hấp phụ đặc biệt, nhƣng

trong vài trƣờng hợp, thì PZC và IEP có thể khác nhau

2.1.1.3 Cơ sở khoa học xác định khả năng hấp phụ của vật liệu

Nồng độ của các chất ô nhiễm trong pha lỏng và rắn (khả năng hấp phụ) ở trạng thái

cân bằng phụ thuộc vào quá trình hấp phụ đẳng nhiệt. Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt mô

tả mối quan hệ giữa khối lƣợng đƣợc hấp phụ và còn lại trong pha lỏng. Để khảo sát

khả năng hấp phụ các chất gây ô nhiễm của vật liệu, Domenico và Schwartz sử dụng

phƣơng trình Langmuir và Freundlich [48].

Các mô hình động học đƣợc sử dụng để nghiên cứu động học của quá trình hấp phụ

ion trong môi trƣờng nƣớc bằng các vật liệu rắn, đó là: phƣơng trình biểu kiến bậc

nhất, phƣơng trình biểu kiến bậc hai và phƣơng trình bậc nhất hai giai đoạn.

- Phƣơng trình động học hấp phụ biểu kiến bậc nhất [49].

(2-1) = 𝑘1(𝑞𝑒 − 𝑞𝑡) 𝑑𝑞𝑡 𝑑𝑡

trong đó:

k1 (mg/g.phút) là hằng số tốc độ của mô hình hấp phụ biểu kiến bậc nhất

qe và qt (mg/g) lần lƣợt là dung lƣợng hấp phụ tại thời điểm cân bằng và thời

điểm t; qt đƣợc xác định bởi công thức:

(2-2) 𝑞𝑡 = 𝐶0 − 𝐶𝑡). 𝑉 𝑚

trong đó:

Co và Ct lần lƣợt là nồng độ của chất bị hấp phụ ban đầu và nồng độ tại thời

điểm t (mg/L)

V là thể tích dung dịch bị hấp phụ (mL)

m là khối lƣợng của chất hấp phụ (g)

Sau khi lấy tích phân và ứng dụng điều kiện biên t = 0 và qt = 0 đến qt = qt ta thu đƣợc

dạng tích phân của phƣơng trình trên là:

(2-3) qt = qe(1 − e−kt )

- Phƣơng trình biểu kiến bậc hai [51] (The Pseudo- Second Order Equation) đƣợc

biểu diễn dƣới dạng sau:

dqt dt

(2-4) = k2. (qe − qt)2

trong đó:

k2 (mg/g.phút) là hằng số tốc độ của mô hình hấp phụ biểu kiến bậc hai. Các đại

lƣợng khác nhƣ trên.

Dạng tích phân của phƣơng trình (2-5) là:

2. k2. t qe (1 + qe. k2. t)

(2-5) qt =

Các đại lƣợng k1, k2, qe đƣợc tính bằng phƣơng pháp hồi quy phi tuyến tính trong exel.

- Mô hình bậc nhất hai giai đoạn [52]:

(2-6) qt = qe − qt,1. e−k1t − qt,2. e−k2t

trong đó:

qt,1 và qt,2 là lƣợng hấp phụ cao nhất của giai đoạn 1

k1, k2 lần lƣợt là hằng số tốc độ hấp phụ của giai đoạn 1 và giai đoạn 2

Phƣơng trình (2-6) đƣợc mở rộng với n giai đoạn:

(2-7) qt = qe − qt,1. e−k1t − qt,2. e−k2t − ⋯ . −qn. e−kn t

Giả thiết ở thời điểm ban đầu t=0 thì q0 = 0 và thời điểm cân bằng t = ∞ thì: qt = qe và

qe = q1 + q2 + q3 + ... + qn.

Sự ảnh hƣởng của nhiệt độ đến hằng số tốc độ hấp phụ đƣợc mô tả bằng phƣơng trình

Arrhenius:

(2-8) ) k2 = A. exp⁡( −EA R. T

trong đó:

k2 là hằng số tốc độ hấp phụ (mg/g.phút)

EA là năng lƣợng hoạt hóa Arrhenius (J/mol)

A là hằng số Arrhenius

R là hằng số khí (8,314 J/mol.K )

T là nhiệt độ tuyệt đối

Lấy logarit phƣơng trình trên:

(2-9) lnk2 = lnA − −EA R. T

Xây dựng đồ thị tƣơng quan lnk2 theo 1/T, từ độ dốc của đƣờng thẳng tuyến tính ta xác

định đƣợc EA. Độ lớn của giá trị năng lƣợng hoạt hóa EA có thể khẳng định quá trình

hấp phụ là quá trình vật lí hay hóa học.

2.1.1.4 Đường đẳng nhiệt hấp phụ

Mục tiêu của việc nghiên cứu đẳng nhiệt hấp phụ là xác định dung lƣợng hấp phụ và

giải thích cơ chế của sự kết hợp ion vào chất hấp phụ. Hai mô hình đƣờng đẳng nhiệt

hấp phụ phổ biến nhất để mô tả trạng thái cân bằng hấp phụ là theo phƣơng trình

Langmuir và phƣơng trình Freundlich.

Mô tả quá trình hấp phụ một lớp đơn phân tử trên bề mặt của vật rắn. Phƣơng trình

Langmuir đƣợc thiết lập với giả thiết sau:

- Các phần tử đƣợc hấp phụ đơn lớp phân tử trên bề mặt chất hấp phụ;

- Sự hấp phụ chọn lọc;

- Giữa các phần tử chất hấp phụ không có tƣơng tác qua lại với nhau .

- Bề mặt chất hấp phụ đồng nhất về mặt năng lƣợng, tức sự hấp phụ xảy ra trên

bất kỳ chỗ nào thì nhiệt hấp phụ vẫn là giá trị không đổi hay trên bề mặt chất

hấp phụ không có trung tâm hoạt động.

Phƣơng trình Langmuir [50] đƣợc thể hiện ở công thức:

(2-10) qe = qmax . KL. Cf 1 + KL. Cf

trong đó:

qe : Tải trọng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g)

qmax : Tải trọng hấp phụ cực đại (mg/g)

K𝐿: Hằng số hấp phụ Langmuir (L/mg) đặc trƣng cho ái lực của tâm hấp phụ

Khi nồng độ chất hấp phụ nằm giữa 2 giới hạn trên thì đƣờng đẳng nhiệt biểu diễn là

một đoạn cong. Để xác định các hằng số trong quá trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir,

ta có thể sử dụng phƣơng pháp đồ thị bằng cách đƣa phƣơng trình trên về phƣơng trình

đƣờng thẳng:

(2-11) = + Cf q 1 KL. qmax Cf qmax

Hình 2.4: Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Hình 2.5: Sự phụ thuộc của và

Langmuir; tg =1/qmax ON=1/b.qmax

Xây dựng đồ thị sự phụ thuộc Cf/q vào Cf sẽ xác định đƣợc hằng số trong phƣơng trình

của Langmuir.

Mô hình đẳng nhiệt Freundlich dựa trên giả thuyết cho rằng bề mặt chất hấp phụ là

không đồng nhất với các tâm hấp phụ khác nhau về số lƣợng và năng lƣợng hấp phụ.

Quan hệ giữa dung lƣợng hấp phụ cân bằng và nồng độ cân bằng của chất bị hấp phụ

đƣợc biểu diễn bằng phƣơng trình (2-12):

1/n

(2-12) q = KF. Ce

Phƣơng trình này biến đổi thành dạng tuyến tính sau:

(2-13) lnq = lnKF + lnCe 1 n

trong đó:

q là dung lƣợng hấp phụ tại thời điểm cân bằng (mg/g), Ce là nồng độ hấp phụ

cân bằng (mg/L), KF (L/g) và 1/n là các hằng số Freundlich.

KF và 1/n có thể đƣợc tính toán lần lƣợt từ độ dốc và giao điểm với trục tung

của đồ thị biểu diễn quan hệ lnqe theo lnCe.

2.1.2 Quá trình phân hủy sinh học

Phân hủy sinh học là một quá trình quan trọng nhất xảy ra trong hệ thống xếp lớp đa

tầng. Các chất hữu cơ, chất dinh dƣỡng có trong nƣớc thải xám đƣợc loại bỏ nhờ tác

động của các vi sinh vật tự nhiên có mặt trong vật liệu hoặc hình thành qua quá trình

hoạt động của hệ thống. Theo Tchobanoglous và cộng sự, các vi sinh vật đƣợc tìm

thấy trong hệ thống xử lý nƣớc thải sinh học bao gồm vi khuẩn, vi rút và nấm [51]

trong đó quan trọng và chiếm tỷ lệ nhiều nhất là các loài vi khuẩn có khả năng phân

hủy các hữu cơ và cũng là vi sinh vật quan trọng nhất xúc tác cho quá trình oxy hóa

khử diễn ra. Hiệu quả xử lý đƣợc thể hiện qua tỷ lệ phân hủy sinh học và bị ảnh hƣởng

Thành phần và số lƣợng vi sinh vật;

Khả năng hòa tan nƣớc và độc tính hóa học của chất hữu cơ hoặc các sản

phẩm của chúng với các vi sinh vật;

Nhiệt độ, độ pH;

Sự hiện diện của các chất dinh dƣỡng khác cần thiết cho sự trao đổi chất

của vi sinh vật;

-), sắt (III)

bởi một số nguyên nhân sau:

- Sự hiện diện của các chất nhận electron nhƣ oxy (O2), nitrat (NO3

hydroxit (Fe (OH)3), mangan dioxide (MnO2) Và các hợp chất hữu cơ bị

oxy hóa khác và khả năng oxy hóa khử [52].

Quá trình phân hủy chất hữu cơ nền, chất dinh dƣỡng nhờ cơ chế trao đổi chất của vi

sinh vật, xảy ra trong quá trình ổn định của nƣớc thải liên quan đến các phản ứng đồng

hóa, dị hóa và xảy ra rất phức tạp. Để đơn giản hóa có thể chia thành: phân hủy trong

môi trƣờng hiếu khí và thiếu - kỵ khí.

2.1.2.1 Môi trường hiếu khí

Trong môi trƣờng hiếu khí xảy ra quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ nền,

nitrat hóa và hấp phụ (chuyển hóa nội bào) phốt phát nhờ vi sinh vật hiếu khí.

1. Phân hủy sinh học hiếu khí các chất hữu cơ nền

Các chất hữu cơ trong nƣớc thải xám có thể chia làm 3 nhóm chính là: cacbon hydrat,

chất béo và chất đạm. Trong giới hạn về trọng lƣợng, các chất có mặt hầu hết có số

lƣợng tƣơng đƣơng. Pescod và cộng sự [53] đã nghiên cứu và chứng minh tính hiệu

quả của phân hủy sinh học hiếu khí trong quá trình loại bỏ các chất hữu cơ nền (BOD,

COD), tuy nhiên hiệu quả loại bỏ thƣờng không ổn định mà phụ thuộc vào loại vi

khuẩn, điều kiện nhiệt độ, độ pH. Bảng 2.2 trình bày công thức và tỷ lệ thành phần các

bon và nitơ của các chất hữu cơ có trong nƣớc thải và công thức đại diện cho các chất

này.

Bảng 2.2: Công thức và tỷ lệ thành phần các chất hữu cơ có trong nƣớc thải [54].

Chất hữu cơ

Cacbon (%) Nitrogen (%) Công thức hóa học

Mức tiêu thụ O2 sinh học (kgO2/kg chất)

1,13 43 0 Cacbon hydrat C10H18O9

2,03 72 0 Chất béo, dầu C8H6O2

1,2 (1,6*) 53 8,8 Chất đạm C14H12O7N2

*) có nitrat hóa

1,42 (1,59*) 55 3,6 C18H19O9N Thành phần tƣợng trƣng trung bình

Trong điều kiện hiếu khí chất hữu cơ có trong nƣớc thải xám đƣợc loại bỏ thông qua

các phản ứng (2-14), (2-15) sau:

C18H19O9N + 17,5O2 + H+ → 18CO2 + 8H2O + NH4 (2-14)

(không có phản ứng nitrat hóa)

(2-15) và C18H19O9N + 19,5O2 → 18CO2 + 9H2O +H+ + NO3

(có phản ứng nitrat hóa)

Để tính đƣợc lƣợng oxi cần thiết cho quá trình oxi hóa các chất hữu cơ thì cần xác

định chính xác phản ứng xảy ra, cân bằng phƣơng trình rồi tính tỷ lệ theo số mol đƣợc

cân bằng. Quá trình phân hủy hiếu khí thƣờng diễn ra nhanh nhƣng chƣa triệt để .

2. Nitrat hóa

Nitơ tồn tại chủ yếu ở dạng hợp chất hữu cơ, amoni, các hợp chất ở dạng ôxi hóa

(nitrit, nitơrat) và một phần nhỏ khí nitơ tan trong nƣớc thải; trong đó amoni chiếm tới

+ phụ thuộc vào pH của nƣớc thải (Hình 2.6)

52,7% T-N [3]. Theo Mecaff và cộng sự [55] amoni trong nƣớc tồn tại chủ yếu ở dạng

NH3 hay NH4

Hình 2.6: Các trạng thái tồn tại của amoni theo pH

Trong giai đoạn Nitrat hóa thì các vi sinh vật tự dƣỡng chuyển hóa amoni thành nitrit

và từ nitrit thành nitrat, quá trình này diễn ra trong điều kiện hiếu khí. Vi sinh vật đặc

trƣng cho quá trình chuyển hóa thành nitrit là nhóm Nitrosomas và cho quá trình oxi

hóa thành nitrat là nhóm Nitrobacter.

Giai đoạn này diễn ra trong điều kiện hiếu khí, các phản ứng đƣợc diễn ra theo phản

- +

ứng (2-16), (2-17):

+ + 114,55O2 + 160,4HCO3

- → C5H7NO2 + 79,7NO2

80,7NH4 (2-16)

- + H2CO3

- → C5H7NO2

- + NH4

(2-17) 82,7H2O + 55,4H2CO3 + + 62,25O2 + HCO3 Và 134,5NO2

- + 3H2O

+ 134,5NO3

- +

Kết hợp công thức (2-16) và (2-17) đƣợc (2-18):

+ + 1,86O2 + 1,98HCO3

- → 0,020 C5H7NO2 + 0,98 NO3

NH4 (2-18)

1,88H2CO3 + 1,04H2O

+-N) nhƣ sau:

Từ công thức (2-18) có thể tính toán đƣợc số tổng số oxi cần dùng cho quá trình nitrat

hóa amoni (NH4

+ = 4,25 gO2/gNH4

1,86 molO2 ∗ 32gO2/mol + ∗ 14gN/mol 1molNH4

(2-19)

+ thì cần 4,25 gO2. Đây là cơ sở để xem xét hệ thống có cần cung

Để oxi hóa 1 g NH4

cấp thêm oxi cho quá trình nitrat hóa không. Trong trƣờng hợp thiếu oxi thì sẽ ức chế

sự phát triển của các vi khuẩn dẫn đến hiệu suất xử lý sụt giảm.

Ngoài ra, phân tích về mặt kết cấu, thành phần hoá học của đá ong tại mục 1.2 cho

thấy đá ong là vật liệu có cấu tạo phân cực trên bề mặt, có khả năng hấp phụ và trao

đổi ion. Khi nƣớc thải chảy qua đá ong hình thành phản ứng thủy phân, ảnh hƣởng đến

dạng tồn tại của các ion sắt trên bề mặt đá ong; các dạng tồn tại này phụ thuộc vào pH

-, pH = 6,5-8 thì sắt tồn tại ở dạng Fe(OH)3 và ở dạng Fe(OH)2

của nƣớc thải. Trong môi trƣờng có độ pH lớn hơn 8 thì sắt tồn tại chủ yếu ở dạng + khi pH nhỏ Fe(OH)4

hơn 6,5 (Hình 2.7).

Hình 2.7: Ảnh hƣởng của pH đến các dạng tồn tại của sắt

3. Hấp phụ phốt phát nhờ hoạt động của các vi sinh vật hiếu khí

Việc loại bỏ phốt pho chủ yếu đƣợc tìm hiểu thông qua quá trình loại bỏ phốt phát 3--P) trong hệ thống. Với các vi sinh vật phốt phát đƣợc coi là một trong các chất (PO4

dinh dƣỡng cần thiết cho cho quá trình trao đổi chất của cả vi sinh vật hiếu khí và kỵ

khí trong giai đoạn phát triển của vi sinh vật.

Sự tích tụ của poly phốt phát trong điều kiện hiếu khí có thể mô tả theo phản ứng

(2-20) dƣới đây:

+ + 1,2O2 + 0,2PO4

3- → 0,16C5H7O2 +

(2-20)

C2H4O2 + 0,16NH4 1,2CO2 + 0,2(HPO3) + 0,44OH- +1,44H2O

2.1.2.2 Môi trường thiếu - kỵ khí

Trong môi trƣờng kỵ khí xảy ra quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ nền, khử

nitrat hóa và hấp phụ (hay chuyển hóa nội bào phốt pho) nhờ các vi sinh vật kỵ khí và

tùy tiện.

1. Phân hủy chất hữu cơ

Việ c phân hủ y hoà n toà n cá c chấ t hƣ̃ u cơ thà nh cá c sả n phẩ m vô cơ cuố i cù ng là CH 4,

CO2 đƣợc thực hiện nhờ hoạt động của các vi sinh vật kỵ khí. Quá trình này đƣợc đặc

trƣng bởi hai nhóm vi sinh vật chính là vi khuẩn tạo axit và vi khuẩn tạo metan (lên

men) và đƣợc thể hiện trong Bảng 2.3

Bảng 2.3: Các bƣớc phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kỵ khí

Bƣớc Tên Tên các chất

Tạo axit Vi khuẩn tạo axit (acid-forming) Axit amino Chất béo

Vi khuẩn Acetoclastic Tạo metan

Vi khuẩn metan Sản phẩm cuối Axit butyric (CH3CH2CH2- COOH) Axit propionic(CH3CH2COOH) CH4 CO2 CH4

Chất hữu cơ (CxHyOz) trong môi trƣờng kỵ khí đƣợc phân hủy theo phản ứng axit hóa

nhƣ công thức (2-21) sau:

CxHyOz → CH3COOH (2-21)

Và quá trình tạo metan diễn ra theo (2-22), (2-23):

CH3COOH → CH4 + CO2 (2-22)

(2-23) 4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O

So với việc tạo thành khí metan thì việc tạo thành axit diễn ra nhanh hơn.

- thành

2. Khử nitrat hóa

Khử nitrat hóa là quá trình sinh hóa biến đổi nitơ vô cơ đã đƣợc oxi hóa là NO3

N2 trong môi trƣờng không có oxi hòa tan (thiếu khí – anoxic). Khử nitrat hóa dựa trên

phản ứng khử nitơ đã đƣợc oxi hóa trong đó nitơ đóng vai trò là chất nhận electron

cuối cùng trong chuỗi các phản ứng oxi hóa – khử xảy ra trong môi trƣờng nối tiếp từ

hiếu khí và thiếu khí. Quá trình khử nitrat diễn ra theo hai bƣớc:

- );

+ Bƣớc 1: Nitrat đƣợc khử thành nitrit với hai electron đƣợc chuyển từ sự oxi hóa các

chất hữu cơ (COD) sang nitrat (NO3

+ Bƣớc 2: Nitrit đƣợc khử tiếp đến sản phẩm cuối cùng theo trình tự sau:

- → NO2

- → NO- → N2O → N2 ↑

NO3 (2-24)

Phản ứng khử nitrat hóa đƣợc mô tả theo công thức (2-25).

- + 1,08 CH3OH + H+ → 0,065 C5H7O2N + 0,47 N2 +

NO3 (2-25) 0,76CO2 + 2,44H2O

Các vi sinh vật sẽ chuyển hóa nitrat thành nitơ và bay ra ngoài khí quyển. Sản phẩm --N, N2O, NO. Mức độ trung gian của quá trình này đều là các chất độc hại nhƣ NO2

phát sinh các sản phẩm trung gian nhiều hay ít còn phụ thuộc vào nồng độ oxi có trong -, N2O hay NO thì phụ môi trƣờng diễn ra phản ứng. Sản phẩm đƣợc tạo thành là NO2

thuộc vào nồng độ oxi có trong môi trƣờng (Hình 2.8):

Hình 2.8: Ảnh hƣởng của nồng độ oxi đến quá trình phân hủy nitơ

Theo Lawrence A.W. và McCarty P.L [56], trong quá trình diễn ra phản ứng khử nitrat

hóa nếu không tiến đến đƣợc môi trƣờng kỵ khí hoàn toàn thì sản phẩm trung gian nhƣ

NO, N2O phát sinh càng nhiều. Chất này ức chế quá trình sinh trƣởng, phát triển của vi

sinh vật nên làm giảm hiệu suất xử lý nitơ.

3. Chuyển hóa nội bào phốt pho nhờ các vi sinh vật kỵ khí và tùy tiện

3- + 3H+

Trong điều kiện kỵ khí, quá trình phản ứng theo (2-26):

(2-26) C2H4O2 + (HPO3) + H2O → (C2H4O2)2 + PO4

Cùng trong điều kiện kỵ khí nhƣng tùy theo trong hệ thống có nitrat hay không mà các

vậy, tùy theo từng điều kiện môi trƣờng mà quá trình loại bỏ PO4

phản ứng diễn ra theo (2-14) nếu có mặt nitrat và (2-15) nếu không có mặt nitrat. Nhƣ 3--P xảy ra khác nhau. 3--P chủ yếu đƣợc loại bỏ trong điều kiện thiếu khí nhƣng phải có mặt Tuy nhiên, PO4

nitrat.

Ngoài ra, phần chuyển tiếp giữa môi trƣờng hiếu khí và kỵ khí cho phép các nhóm vi

khuẩn lên men dấm hấp phụ phốt pho cao hơn so với điều kiện hoạt động bình thƣờng

từ 4-12% và xảy ra theo phản ứng (2-27) [15].

+ + 0,96NO3

- + 0,2PO4

3- → 0,16C5H7O2 + C2H4O2 + 0,16NH4 1,2CO2 + 0,2(HPO3) + 1,4OH- + 0,48N2 +0,96H2O

(2-27)

Dựa vào phƣơng trình cân bằng hóa học có thể xác định đƣợc số lƣợng phốt phát có

3−/mol

thể loại bỏ đƣợc bằng phƣơng pháp sinh học trong điều kiện thiếu khí:

0,2 molPO4

3− ∗ 30gPO4

3−/gC2H4O2

= 0,1 gPO4

1 molC2H4O2 ∗ 60gC2H4O2/mol

(2-28)

Nhƣ vậy: Tùy thuộc vào hàm lƣợng C2H4O2 (axit acetic, có cấu trúc dạng CH3COOH)

có trong nƣớc thải và tỉ lệ trên mà tính % số lƣợng phốt phát có thể loại bỏ bằng

phƣơng pháp sinh học. Tỷ lệ và sự gia tăng giải phóng phốt pho trong vùng thiếu-yếm

khí có liên quan mật thiết đến loại và lƣợng của chất hòa tan nhƣ poly hydroxy

butyrate (PHB), phục vụ quá trình hấp phụ và lƣu trữ chất của sinh vật. Lƣợng phốt 3--P/100mg pho đƣợc khử phụ thuộc và nồng độ COD và ƣớc tính đƣợc là 2-2,5 mgPO4

COD.

2.1.2.3 Động học của quá trình phân hủy sinh học

Quá trình phân hủy sinh học diễn ra rất phức tạp. Để mô tả quá trình phát triển của

từng tế bào hoặc của quần thể tế bào cần đƣa vào các đại lƣợng đặc trƣng nhƣ: N –

nồng độ vi sinh (số lƣợng vi sinh trong một đơn vị thể tích), X – nồng độ sinh khối

(khối lƣợng của vi sinh vật trong một đơn vị thể tích, thông thƣờng đƣợc tính theo

khối lƣợng khô). Cả 2 đặc trƣng quan hệ với nhau bởi khối lƣợng của 1 tế bào theo

công thức (2-29).

η = X/N (2-29)

trong đó: N – là số chẵn không âm

X- đại lƣợng thay đổi

Vận tốc biến đổi sinh khối dX/dt là một đặc trƣng cơ bản của vi sinh và đối với đa số

vi sinh đơn bào vận tốc tăng trƣởng sinh khối tỉ lệ giá trị của nó. Cho Xo là nồng ñộ

sinh khối ban đầu và sau một thời gian gx, sinh khối tăng gấp đôi khi đó qua n chu kỳ

đại lƣợng sinh khối là:

(2-30) X = 2n.Xo

trong đó: n = τ/gx với τ là thời gian sinh khối lấy đạo hàm theo thời gian

Xo - đại lƣợng thay đổi

Lấy đạo hàm theo thời gian có:

= µ. 𝑋

𝑑𝑥 𝑑𝑡

(2-31)

trong đó: µ là hệ số tỷ lệ giữa X và

, đƣợc gọi là vận tốc tăng trƣởng riêng

𝑑𝑥 𝑑𝑡

µ - là hệ số động học rất quan trọng bởi vì đặc trƣng cho vận tốc tăng trƣởng của từng

đơn vị sinh khối.

(2-32) µ = . 1 𝑋 𝑑𝑥 𝑑𝑡

Mô hình động học đƣợc đƣợc chia làm nhiều dạng với các mô hình phản ứng lên men

khác nhau. Trong luận án sử dụng mô hình Monod là mô hình thông dụng nhất và để

xác định đƣợc các thông số liên quan đến mô hình sử dụng phƣơng pháp tích phân .

Trong công thức Monod, đại diện cho tốc độ tăng trƣởng của vi sinh vật trong một hệ

thống đất sinh học đƣợc coi nhƣ là một hàm của nồng độ cơ chất và đƣợc Lawrence và

McCarty [56] viết lại dƣới dạng sau:

= (2-33) 𝑑𝐶 𝑑𝑡 𝑘. 𝑏𝑐. 𝐶 𝐾𝑏𝑕 + 𝐶

trong đó:

k là hệ số tỷ lệ sử dụng chất nền cụ thể tối đa

dC/dt là tốc độ tiêu thụ chất hữu cơ nền

bc là nồng độ sinh khối hoạt động

C là nồng độ chất hữu cơ nền xung quanh sinh khối

Kbh là hệ số bão hòa

2.2 Vật liệu nghiên cứu

2.2.1 Đá ong tự nhiên (VL1)

1. Địa điểm, vị trí khai thác và thành phần khoáng vật của đá ong tự nhiên

Lựa chọn địa điểm, vị trí khai thác đá ong dựa trên:

- Thành phần khoáng vật của đá ong thay đổi theo chiều sâu lớp địa chất (trình bày

tại chƣơng 1, tiểu mục 1.2.2), theo đó đá ong khai thác ở độ sâu 1,2-2m có tỷ lệ

thành phần khoáng vật có ích cho quá trình xử lý nƣớc thải cao.

- Kết quả nghiên cứu của Nguyễn Thị Hằng Nga [33] cho thấy đá ong vùng Thạch

Thất – Hà Nội có khả năng hấp phụ phốt pho và một số chất ô nhiễm trong nƣớc

thải là tốt nhất.

- Địa điểm khai thác đá ong gần nơi thực hiện nghiên cứu.

Do vậy: Lựa chọn đá ong đƣợc khai thác tại thôn Cánh Chủ - Thạch Thất - Hà Nội làm

vật liệu nghiên cứu. Đá ong tự nhiên đƣợc khai thác tại độ sâu 1,8m so với cốt mặt đất.

Các mẫu đá ong đƣợc lấy và phân tích thành phần hóa học, khoáng hóa trong phòng

thí nghiệm theo phƣơng pháp nhiễu xạ tia X (XRF), dựa trên quy trình phân tích của

Nguyễn Thị Hằng Nga [35] và đƣợc thể hiện trong Bảng 2.4 và Hình 2.9.

Bảng 2.4: Thành phần khoáng vật học của đá ong [35], [7].

Công thức hóa học FeO(OH) Al2(Si2O5)(OH)4 SiO2 AlO(OH) Goethite Kaolinite Quazt Boehmite Khác Hệ tinh thể Trực thoi Tam tà Lục phƣơng Hình thoi Hàm lƣợng (%) 43-45 23-25 5-7 14-16 7-15

TT Tên khoáng vật 1 2 3 4 5 Ghi chú: Địa điểm lấy mẫu: Thôn Cánh Chủ - Thạch Thất – Hà Nội

Thành phần khoáng vật trong Bảng 2.4 cho thấy goethite và kaolinite lần lƣợt chiếm

43-45% và 23-25% tổng các khoáng vật có trong đá ong, cho thấy tiềm năng hấp phụ,

trao đổi ion với các chất ô nhiễm trong nƣớc thải xám cao. Nhƣ sét kaolini, do cấu trúc tinh thể thuộc loại 1:1 và các nhóm (OH)- đều hƣớng ra ngoài nên khi bị phân ly chúng

cũng tạo nên các tấm mỏng mang điện tích âm và dễ dàng liên kết với các ion trái dấu

bằng lực liên kết điện từ; hay geothite là biến thể chủ yếu của hyđroxit sắt hay

limonnit biến thể chứa 12-14% nƣớc FeO(OH).nH2O. Kết tinh ở hệ trực thoi, có cấu trúc dạng lớp, mỗi một cation Fe3+ đƣợc bao bọc bởi 6 nguyên tử O nhƣng các nguyên

tử O này không nằm thẳng hàng mà bị biến dạng thành các lớp, các lớp này liên kết

với nhau bởi các liên kết H theo dạng -O-H-O-H-O và dễ dàng phân li trong nƣớc. Chính nhóm (OH)- trong cấu trúc tinh thể này tạo khả năng hấp phụ các ion trái dấu là

các chất ô nhiễm có trong nƣớc thải.

Hình 2.9: Kết quả đo XRD của mẫu đá ong khu vực Thạch Thất, Hà Nội

Hàm lƣợng Al2O3,Fe2O3 lần lƣợt chiếm 36,684% và 23,994% là rất cao nên dễ dàng

tạo ra tâm để hấp phụ các ion trái dấu. Điều này đƣợc thể hiện tại Bảng 2.5 và ảnh

chụp cấu trúc của đá ong bằng kính hiển vi điện tử tại Hình 2.10.

Bảng 2.5: Thành phần hóa học của đá ong dùng trong nghiên cứu [33]

Thành phần hóa học của đá ong vùng Thạch Thất (%)

Khác SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 K2O P2O5

34,835 36,684 23,994 3,184 0,499 0,292 0,511

Ghi chú: Địa điểm lấy mẫu tại khu vực Thạch Thất- Hà Nội

Hình 2.10: Sắt tập trung cao chiếm hầu hết hạt sét trong đá ong

2. Chế tạo vật liệu đá ong tự nhiên (VL1)

Đá ong tự nhiên sau khi khai thác lên sẽ đƣợc tƣới nƣớc, trùm khăn ƣớt và đặt trong

bóng râm để đá ong và các thành phần khác lẫn trong đá ong luôn ở trạng thái ẩm

nhằm hạn chế quá trình oxi hóa làm cứng đá ong. Sau đó gia công thành vật liệu dạng

viên kích thƣớc LxBxH = 300x150x50mm (Hình 2.12).

Hình 2.12: Vật liệu đá ong tự nhiên Hình 2.11: Vi cấu trúc của đá ong

(1 Silicate; 2 Goethite; 3 Silica) (VL1)

2.2.2 Đá ong biến tính nhiệt (VL2)

1. Cơ sở lựa chọn nhiệt độ để nung đá ong

Nhƣ đã tìm hiểu tại tiểu mục 1.3.1 và 1.3.2: với mỗi thành phần khoáng hóa trong đá

ong thì có sự biến đổi về cấu trúc và hoạt tính hấp phụ ở một ngƣỡng nhiệt độ nhất

định. Nhiệt độ để nung đá ong làm vật liệu biến tính nhiệt trong luận án đƣợc lựa chọn

dựa trên nghiên cứu của các A. Bunjaku và cộng sự [57]. Theo đó, quá trình biến đổi

cấu trúc và thành phần các khoáng vật của đá ong tại các điểm nhiệt độ nung khác nhau (từ nhiệt độ môi trƣờng đến 1300oC) đƣợc ghi lại qua kết quả phân tích quét mẫu

nhiệt lƣợng các mẫu (Differential Scanning Calorimeter – DSC). Đƣờng cong DSC

cho thấy có ba đỉnh thu nhiệt ở 1000C, 250ºC và 550-600ºC. Sau đó là một đỉnh cao

tỏa nhiệt ở 820ºC mà có thể đƣợc quy cho sự thay đổi trong cấu trúc tinh thể và sự

hình thành của một giai đoạn mới. Kết quả đƣợc thể hiện trên Hình 2.13.

Hình 2.13: Đƣờng cong DSC khi nung nóng laterit (đá ong) đến 13000C [62]

Hình 2.13 cho thấy sự mất khối lƣợng xảy ra chủ yếu ở nhiệt độ từ 50-600°C. Chia

làm 3 giai đoạn chính:

- Trong khoảng nhiệt độ <110°C sự mất khối lƣợng tƣơng ứng với sự mất nƣớc ở

dạng hấp phụ nƣớc vật lý.

- Khi nhiệt độ >110°C đến 600°C có sự mất khối lƣợng chủ yếu tƣơng ứng với sự

mất nƣớc trong mạng tinh thể, sự phân hủy các hydroxit sắt, hydroxitnhôm sang dạng

oxit, hay sự chuyển pha của các oxit …

- Từ 600°C trở lên khối lƣợng hầu nhƣ không thay đổi nhiều với các mẫu nghiên cứu.

Kết quả phân tích X-Ray cũng cho thấy ảnh hƣởng của nhiệt độ đến cấu trúc vi phân

tử:

- Khi nhiệt độ dƣới 6000C hầu nhƣ chỉ là quá trình đốt cháy các khoáng chất, khối

lƣợng các mẫu giảm do xảy ra các phản ứng mất nƣớc sau:

2Al(OH)3= Al2O3+ 3H2O (2-34)

(2-35) và Si4Al4O10(OH)8= SiO2.Al2O3+ 4H2O

- Khi nhiệt độ nung đạt 8200C khối lƣợng các mẫu hầu nhƣ không giảm và xảy ra các

phản ứng làm thay đổi cấu trúc của đá ong bằng các phản ứng tỏa nhiệt.

- Tại mức nhiệt từ 820-13000C thì các hạt sét và hữu cơ bị thiêu cháy, các phản ứng

(2-36) và (2-37) xảy ra.

(2-36)

(Mg, Fe, Ni)3Si2O5(OH)4 → (Mg, Fe, Ni)SiO3 + (Mg, Fe, Ni)2SiO4 + 2H2O Serpentine Enstatite Olivine

(2-37)

6(Fe, Ni)O*OH → 2(Fe, Ni)3O4 + 3H2O +1/2O2 Goethite Spinel

Khi đá ong đƣợc nung ở nhiệt độ 950oC sẽ loại bỏ đƣợc các hợp chất hữu cơ và vô cơ dễ bay hơi tạo nên trên bề mặt các lỗ rỗng, diện tích bề mặt tăng lên 200-300 m2/g; khi

nung đến nhiệt độ này, hầu hết các dạng thù hình kém bền vững của Fe(III) nhƣ

gothite, lepidocrokit hay γ-Fe2O3…đều chuyển về dạng hematit (α-Fe2O3) (hematit

chuyển từ 5% lên đến 31-33% sau khi nung) - dạng này có hoạt tính không cao nhƣng

tạo ra bề mặt xốp. Do vậy, khả làm năng giữ lại các hạt cặn đặc biệt là chất rắn lơ lửng

tăng.

Trong nghiên cứu này đá ong đƣợc nung trong lò gạch tuy nen để tạo thành vật liệu đá

ong biến tính nhiệt.

2. Gia công vật liệu đá ong biến tính nhiệt

Đá ong sau khi nung ở 9500C trong vòng hai giờ thì có màu đỏ đậm, bề mặt trở nên

xốp rỗng. Vi cấu trúc bề mặt đá ong biến tính nhiệt đƣợc xác định bằng kính hiển vi

điện tử quét (SEM) tại Hình 2.14.

Hình 2.14: Cấu trúc bề mặt của đá ong trƣớc và sau khi nung (Ảnh chụp SEM – độ phó ng đạ i 25.000 lầ n)

Sau khi biến tính nhiệt, đá ong đƣợc giã nhỏ, rửa sạch, phơi khô ở nhiệt độ phòng và

sàng lấy những hạt có đƣờng kính 1-3mm (Hình 2.15).

Hình 2.15: Vật liệu đá ong nung biến tính nhiệt (VL2)

2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu

2.3.1 Lấy và bảo quản mẫu nước thải

Để khảo sát tính chất nƣớc thải xám nhà cao tầng trên địa bàn Hà Nội, mẫu nƣớc thải

xám dạng tổng hợp đƣợc lấy từ nhà B5 trƣờng CĐXDCT Đô thị -Yên Thƣờng – Gia

Lâm, chung cƣ CT 5B Mễ trì – Từ Liêm, chung cƣ 11 tầng Đức Giang – Long Biên,

Hà Nội. Mẫu nƣớc thải xám đƣợc lấy đồng loạt 3 lần vào các ngày 17/2/2013,

20/07/2013 và 04/11/2013, mỗi lần 3 mẫu lặp lại cho một công trình, mỗi mẫu đƣợc

lấy vào bình 1,5 lít và ghi nhãn ngay sau khi lẫy mẫu (TCVN 6663-3:2008).Vị trí lấy

mẫu nằm trên đƣờng ống thoát nƣớc thải xám tập trung.

Để nghiên cứu ảnh hƣởng của nồng độ chất ô nhiễm trong nƣớc thải xám đến hiệu quả

xử lý qua các lớp đá ong, đồng thời đánh giá khả năng ứng dụng kỹ thuật xếp lớp đa

tầng vào xử lý nƣớc thải đô thị tại Việt Nam nên nƣớc thải xám dùng trong thí nghiệm

đƣợc chia làm 2 loại: nƣớc thải xám nguyên bản (NTNB) và nƣớc thải xám pha loãng

(NTPL).

- Nƣớc thải xám nguyên bản: là nƣớc đƣợc thu gom từ các nhà chung cƣ trên địa

bàn Hà Nội, sau khi loại bỏ rác thì phân phối vào các mô hình thí nghiệm.

- Nƣớc thải xám pha loãng: là nƣớc thải xám nguyên bản pha lẫn nƣớc giếng khoan

tại trƣờng CĐ Xây dựng Công trình Đô thị theo tỷ lệ 1:3 (một phần nƣớc thải xám

nguyên bản và 3 phần nƣớc giếng).

Trƣớc khi lấy mẫu cần làm sạch bình, lọ bằng cách thêm khoảng 50ml nƣớc và 2 ml axit sulfuric đậm đặc, đặt vào nồi hấp trong 30 phút ở nhiệt độ 115oC đến 120oC, làm

nguội và tráng bằng nƣớc, lặp lại quá trình này vài lần và đậy kín.

Thời gian cần thiết để thiết lập hệ vi sinh trong các mô hình thí nghiệm là 15 ngày

[58], do vậy việc lấy mẫu đƣợc thực hiện từ ngày thứ 16 trở đi. Các mẫu nƣớc thải

đƣợc lấy 5 ngày một lần với các mô hình thí nghiệm và 10 ngày một lần với mô hình

thử nghiệm (pilot) tại điểm đầu vào và ra của mỗi mô hình. Mỗi điểm lấy 3 mẫu vào

chai 2 lít tối mầu, dán nhãn (tên và ngày lấy mẫu) cho mỗi chai mẫu, axit hóa mẫu bằng H2SO4 đặc đến pH < 2, làm lạnh ở 4oC và giữ ở nơi tối. Mẫu nƣớc thải và mẫu

đối chứng đƣợc bảo quản theo TCVN 5999:1995.

2.3.2 Bố trí thí nghiệm

2.3.2.1 Bố trí mô hình thí nghiệm nghiên cứu khả năng xử lý nước thải xám của đá

ong theo kỹ thuật xếp lớp đa tầng quy mô phòng thí nghiệm

Các mô hình xế p lớp đất đa tầng quy mô phòng thí nghiệm đƣợc làm bằng thép sơn

chố ng gỉ , hình hộp có kích thƣớc Dài x Rộng x Cao = 15 x 50 x (33-76) cm; bên trong

đƣợ c cấ u tạ o bở i 3,4,5,6,7 lớ p vậ t liệ u đá ong tƣ̣ nhiên xếp thành từng lớp so le nhau,

các lớp cách nhau 3 cm, các hàng cách nhau 2,5 cm và đƣợc chèn bằng đá ong biế n

tính nhiệt dạ ng hạ t đƣờ ng kí nh 1-3 mm; phía dƣới cùng là lớ p sỏ i đỡ đƣờ ng kí nh 4-6

cm dà y 10 cm; nƣớ c thải xám sau khi loại bỏ rác sẽ đƣợc phân phối nhỏ giọt liên tục

trong vòng 24 tiếng/ngày tới các mô hình xếp lớp đa tầng 3,4,5,6,7 lớp đá ong (ký hiệu

lần lƣợt là MSL3, MSL4, MSL5, MSL6, MSL7) với tải trọng thủy lực 2.000 lít/m2.ngày, nƣớc thải sau xử lý đƣợ c thu bằ ng ố ng thé p đƣờ ng kí nh 1,5 cm ở phí a

dƣớ i mỗ i hệ thố ng . Thí nghiệm đƣợc lắp đặt tại xƣởng thực hành ngành nƣớc - trƣờng

CĐ Xây dựng Công trình Đô thị và đƣợc bắt đầu từ ngày 15/3/2013, mẫu nƣớc thải

đƣợc lấy trong khoảng thời gian từ 01/4/2013 đến 15/7/2013. Đánh giá quá trình phân

+-N, T-N, NO2

-- N, NO3

hủy chất hữu cơ nền, nitrat hóa và khử nitrat hóa nitơ thông qua sự chênh lệch về nồng --N trƣớc và sau khi đi qua các mô hình. độ BOD5, COD, NH4

+-N (K) theo số lớp

Hệ số phân hủy sinh học chất hữu cơ (ks) và tỷ lệ chuyển hóa NH4

đá ong đƣợc xác định thông qua việc mô phỏng các kết quả thực nghiệm thu đƣợc

bằng các công thức toán học. Mô hình thí nghiệm xếp lớp đa tầng đƣợc thể hiện tại

(Hình 2.16, Hình 2.17, Hình 2.18, Hình 2.19).

Hình 2.16: Mô hình xế p lớ p đấ t đa tầ ng quy mô phòng thí nghiệm

Hình 2.18: Mô hình MSL3

Hình 2.17: Mô hình MSL6 Hình 2.19: Hệ thống phân phối

2.3.2.2 Bố trí mô hình thử nghiệm (pilot) 6 lớp đá ong để xử lý nước thải xám cho nhà

B5 –Yên Thường.

Dựa trên kết quả nghiên cứu quy mô phòng thí nghiệm (trình bày trong tiểu mục

2.3.2.1), yêu cầu chất lƣợng nƣớc sau xử lý đạt QCVN 14:2008/BTNMT(B) – Quy

chuẩn kỹ thuật quốc gia về nƣớc thải sinh hoạt và QCVN 08:2008/BTNMT (B1) –

Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lƣợng nƣớc mặt (cột B1 - nƣớc dùng cho mục

đích tƣới tiêu), tiến hành tính toán lựa chọn số lớp đá ong theo các thông số BOD5, +-N (trình bày tại tiểu mục 3.2.1). Chọn mô hình thực nghiệm 6 lớp đá ong COD, NH4

kích thƣớc LxBxH = 0,95x0,5x0,68m để xử lý tại chỗ nƣớc thải xám cho nhà B5-Yên

Thƣờng.

Mô hình thực nghiệm 6 lớp đá ong (MSL6-PL) làm bằng kính chịu lực dày 1,2 ly và

đặt trong một khung thép, bên trong có 6 lớp đá ong tƣ̣ nhiên xếp thành từng lớp so le

nhau; các lớp cách nhau 3 cm, các hàng cách nhau 2,5 cm và đƣợc chèn bằng đá ong

biế n tí nh nhiệ t dạ ng hạ t đƣờ ng kí nh 1-3mm; phía dƣới cùng là lớ p sỏ i đỡ đƣờ ng kí nh

4-6 cm dà y 10 cm. Mô hình đƣợc đặt tại xƣởng thực hành ngành nƣớc, trƣờng CĐ Xây

dựng Công trình Đô thị. Quá trình chạy khởi động trong vòng 21 ngày (từ 10/3/2014 –

30/3/2014). Trong thời gian này, nƣớc thải xám đƣợc bơm tuần hoàn liên tục. Mẫu

đƣợc lấy tại đầu ra của mô hình và mang đi phân tích. Mô hình thử nghiệm hoạt động

chính thức từ 01/4/2014 đến 18/9/2014. Nƣớc thải xám thu từ nhà B5-Yên Thƣờng

đƣợc loại bỏ rác và dẫn tới thùng chứa 200 lít, sau đó nƣớc thải xám đƣợc bơm định lƣợng vào mô hình với tải trọng thủy lực 2.000 lít/m2.ngày, liên tục 24 tiếng/ngày. Bên

dƣới có van để lấy mẫu nƣớc sau xử lý. Mẫu nƣớc thải xám trƣớc và sau xử lý đƣợc

lấy mẫu tại điểm đầu vào và ra khỏi hệ thống 10 ngày một lần. Mặt cắt mô hình thử

nghiệm MSL6-PL đƣợc mô tả tại Hình 2.21, Hình 2.20.

Hình 2.20: Mô hình thử nghiệmMSL6-PL

Hình 2.21: Mặt cắt mô hình thử nghiệm MSL6-PL

Ghi chú:

8. Đá ong biến tính nhiệt

1. Nƣớc thải xám vào 2. Thùng chứa 200 lít 9. Sỏi đỡ

3. Máy bơm 10. Ngăn thu nƣớc

4. Thiết bị đo lƣu lƣợng 11. Ngăn chứa nƣớc sau xử lý

5. Ngăn phân phối 12. Ống dẫn nƣớc sau xử lý

6. Hệ thống phân phối 13. Ngăn xả tràn

7. Đá ong tự nhiên 14. Thiết bị định lƣợng

3--P,

2.3.2.3 Phân tích trong phòng thí nghiệm

+-N, NO2

--N, NO3

--N, T-P, PO4

Phân tích các chỉ tiêu: pH, BOD5, COD, T-N, NH4

TSS, E.coli, Coliform của các mẫu nƣớc thải xám tại phòng thí nghiệm Môi trƣờng đất

và nƣớc- Đại học Thủy Lợi và phò ng hó a nghiệ m nƣớ c tạ i trƣờ ng Cao đẳ ng Xây dƣ̣ ng

Công trì nh Đô thị . Cụ thể nhƣ sau:

Độ pH: Đƣợc xác định bằng phƣơng pháp đo nhanh

Thông số TSS: Dùng máy lọc chân không để lọc mẫu qua cái lọc sợi thủy tinh, sấy cái lọc ở 105oC và phần gia tăng khối lƣợng của cái lọc chính là lƣợng cặn lơ lửng và

đƣợc xác định bằng cân phân tích.

Thông số BOD5: Mẫu nƣớc cần phân tích đƣợc xử lý sơ bộ và pha loãng với những

lƣợng khác nhau của một loại nƣớc loãng giàu oxy hòa tan và chứa các vi sinh vật hiếu

khí, có ức chế sự nitrat hóa. Ủ mẫu ở nhiệt độ 20C trong năm ngày, ở chỗ tối, trong

bình đầy và nút kín. Xác định nồng độ oxy hòa tan trƣớc và sau khi ủ. Tính khối lƣợng

oxy tiêu tốn trong một lít mẫu.

Thông số COD: Các loại chất hữu cơ bị oxy hóa bởi hỗn hợp axitcromic và sulfuric.

Mẫu đƣợc hồi lƣu trong dung dịch axit mạnh với lƣợng kaliđicromat (K2Cr2O7) biết

trƣớc. Sau khi oxy hóa, K2Cr2O7 còn lại đƣợc chuẩn độ màu với ammonium sulfate

+-N: Amoni trong môi trƣờng kiềm phản ứng với thuốc thử Nessler

xác định lƣợng K2Cr2O7 tiêu thụ để tính COD.

Thông số NH4

(K2HgI4), tạo thành phức có màu vàng hay vàng nâu sẫm phụ thuộc vào hàm lƣợng

amonia có trong nƣớc. Ta có các phản ứng:

(2-38) 2K2HgI4 + NH3 + 3KOH  Hg(HgIONH2) + 7KI + H2O

(màu vàng)

(2-39) 2K2HgI4 + NH3 + 3KOH  Hg(HgI3NH2) + 5KI + H2O

(màu vàng nâu)

Tiến hành phân tích nhƣ sau: Lấy 10ml nƣớc mẫu vào ống nghiệm, thêm 3 giọt +. Khử độ đục bằng cách: Lấy Nessler. Nếu thấy kết tủa vàng hay đỏ nâu là có NH4

100ml nƣớc mẫu, thêm 1ml ZnSO4 5%, cho thêm 0,5ml dung dịch 6N (để đƣợc pH =

10,5). Trộn đều, lắc. Để yên 5 – 10 phút, cặn sẽ lắng xuống đáy. Lọc lấy phần nƣớc

trong để phân tích định lƣợng dựa trên việc đo màu ở bƣớc song 640nm của hợp chất

màu xanh, indophenol, đƣợc tạo thành giữa amoni, hypoclorit và phenol. Phản ứng

--N: Trong môi trƣờng axit đậm đặc, nitrat tham gia phản ứng với axit

đƣợc xúc tác bởi natri nitroprusit.

Thông số NO3

phenoldisulfonic tạo thành phức chất không màu nitrophenoldisulfonic. Ở môi trƣờng

-. Ta có các phản ứng:

bazơ mạnh phức này có màu vàng và đƣợc đo bằng quang phổ kế ở bƣớc sóng 410nm.

Cƣờng độ màu tỷ lệ với nồng độ NO3

--N: NO2

- đƣợc xác định dựa trên cơ sở hình thành hợp chất tạo màu azo - phản ứng với amin bậc 1 trong môi trƣờng axit tạo thành muối

Thông số NO2

tại pH thấp. NO2

diazoni ở giai đoạn trung gian. Muối này khi tác dụng với hợp chất thơm sẽ tạo thành

phức màu azo tƣơng ứng thích hợp cho phép đo quang. Sử dụng thuốc thử là axit - sẽ phản ứng với sunfanilic tại hợp chất trung gian là muối diazoni sunfanilic thì NO2

tƣơng ứng, độ hấp thụ quang đƣợc đo ở bƣớc sóng 520nm. Ta có các phản ứng sau:

Thông số T-N: Dùng hợp kim Devarda để khử các hợp chất nitơ về amoni, sau khi làm

bay hơi đến gần khô thì chuyển nitơ thành amoni sunfat khi có mặt axit sunfuric đậm

đặc chứa kali sunfat ở nồng độ cao để làm tăng nhiệt độ sôi của hỗn hợp, đồng thời có

mặt đồng để làm xúc tác. Giải phóng ammoniac khỏi hỗn hợp bằng cách thêm kiềm và

cất vào dung dịch axit boric/chỉ thị. Xác định lƣợng amoni trong phần cất ra bằng cách

3--P: Phƣơng pháp xanh molybden – phƣơng pháp này dựa trên việc thủy

chuẩn độ với axit hoặc đo phổ ở bƣớc song 655nm.

Thông số PO4

phân poliphotphat trong môi trƣờng axit để chuyển thành orthophatphat hòa tan và ion 3--P sẽ cho một phức chất mày vàng chanh với thuốc thử molybdat ammonium PO4

theo phản ứng:

3-+ 12(NH4

+)2MoO4 + 24H+ (NH4)3PO4

.12MoO3 +21NH4

+ + 12H2O

(2-40) PO4

(α – phospho molybdat NH4

+ trong sự hiện diện của các chất khử nhƣ SnCl2 dễ bị khử thành dạng β – phospho molybdat NH có màu xanh. Cƣờng độ màu đậm hay nhạt

3- có trong mẫu lúc ban đầu.

Dạng α – phospho molybdat NH4

phụ thuộc vào hàm lƣợng ion PO4

(2-41)

(NH4)PO4.12MoO3 + 8Sn2+ + 16H+  (NH4)3PO4.4MoO2.2MoO3)2 + 8Sn4+ + 8H2O +) (β - phospho molydat NH4

Cho 50ml mẫu nƣớc thực vào bình nón thêm 2ml dung dịch H2SO4 37% rồi đun sôi 30

phút để nguội đến nhiệt độ phòng rồi định mức lại bằng nƣớc cất cho đủ 50ml, tiến

hành các bƣớc tƣơng tự nhƣ lập đƣờng chuẩn. Để ổn định mẫu, đem đo trên máy so

màu ở bƣớc sóng 690 – 720nm. Ghi mật độ quang của mẫu thử.

Thông số T-P: Phƣơng pháp đo phổ dùng amoni Molipdat. Amoni molydat và kali

antimonyl tatrat phản ứng với octo phốt phát trong môi trƣờng axit tạo thành axit dị đa

phốt pho molypdic. Axit dị đa này khử thành xanhmolypđen bằng axit ascorbic, đo

mật độ quang của dung dịch ở bƣớc sóng 880nm để xác định nồng độ P.

E.coli và Coliform: Lấy 3 ống môi trƣờng BGBL nồng độ kép, dùng pipet vô trùng

chuyển 10ml dung dịch gây nhiễm vào từng ống. Tiếp theo lấy 3 ống môi trƣờng

BGBL nồng độ đơn, dùng pipet vô trùng chuyển 1ml mẫu vào từng ống – đây là môi

trƣờng tăng sinh của Coliform. Thực hiện tƣơng tự với dãy 3 ống cấy 0,1ml mẫu. Ủ

trong 24 - 48 giờ, đếm số ống dƣơng tính ở mỗi dãy cấy, tra bảng kết quả MPN/100ml

với 3 ống 10ml, 3 ống 1ml và 3 ống 0,1ml để xác định trị số Coliform trong mẫu.

Từ các ống dƣơng tính cấy ra sang môi trƣờng thạch đĩa EMB ủ ở 37oC trong 24 giờ.

Chọn các khuẩn lạc đặc trƣng có dạng tròn, dẹt hình đĩa, có ánh kim tím để cấy sang

các môi trƣờng Tryptone, canh MR-VP, môi trƣờng thạch Simmon Citrate. Ủ các môi trƣờng đã cấy ở nhiệt độ 37oC trong 2 giờ, thử phản ứng Indol, Methyl Red, Voges

Prokauer, Citrate. Từ các kết quả thử nghiệm IMViC để xác định số ống cho kết quả

E.coli dƣơng tính trong mỗi dãy. Tra bảng kết quả MPL/100ml với 3 ống 10ml, 3 ống

1ml và 3 ống 0,1ml để xác định trị số E.coli trong mẫu.

Phƣơng pháp và tiêu chuẩn phân tích các thông số ô nhiễm có trong các mẫu nƣớc thải

xám đƣợc tóm tắt trong Bảng 2.6

Bảng 2.6: Phƣơng phá p và tiêu chuẩn phân tích thông số nhiễm.

TT Thông số Phƣơng pháp

1 pH Đo nhanh Tiêu chuẩn phân tích (hoặc tƣơng đƣơng) TCVN 6492-2011 (ISO 10523- 1994)

TCVN 6001-1 : 2008 2 Nuôi cấy và pha loãng BOD5

3 TSS Lọc qua cái lọc sợi thủy tinh Standard Methods 2540B

4 COD Quang phổ trắc quang (Dicromat)

5 Quang phổ trắc quang

6 Quang phổ trắc quang TCVN 6491:1999 Standard Methods 4500NH3B&C - B Standard Methods4500-NO2

+-N --N --N

7 Quang phổ trắc quang TCVN 8742:2011

TCVN 6638:2000 8 NH4 NO2 NO3 T-N Quang phổ trắc quang

3- -P

9 PO4 Quang phổ trắc quang TCVN 6202:2008-Xác định Phospho-Phƣơng pháp đo phổ dùng amoni Molipdat.

10 T-P Quang phổ trắc quang TCVN 6202:2008-Xác định Phospho-Phƣơng pháp đo phổ dùng amoni Molipdat.

11 E.coli Định lƣợng vi sinh vật TCVN 6505-1:1999 (ISO 9308-2:2000)

12 Coliform Định lƣợng vi sinh vật TCVN 6505-1:1999 (ISO 9308-2:2000)

Độ pH của nƣớc trƣớc và sau khi xử lý đƣợc tính theo công thức (2-42) và so sánh để

tìm ra độ tăng giảm pH của nƣớc thải xám trƣớc và sau khi xử lý.

pH = -log[H] (2-42)

Hiệu suất xử lý (%) đƣợc tính theo công thức:

(2-43) η = ∗ 100 % E0 − Er E0

trong đó: : hiệu suất xử lý (%)

E0: nồng độ chất ô nhiễm đầu vào (mg/L)

Er: nồng độ chất ô nhiễm đầu ra (mg/L)

Kết quả phân tích là giá trị trung bình của 3 lần lặp lại cho một mẫu (độ chính xác

±0,01).

2.3.2.4 Phương pháp xác định hình thái và cấu trúc bề mặt đá ong bằng kính hiển vi

điện tử quét (SEM)

Để xác định hình thái và cấu trúc bề mặt đá ong tự nhiên và đá ong biến tính sử dụng

phƣơng pháp hiển vi điện tử quét (SEM - Scanning Electron Microscope). Việc khảo

sát đƣợc tiến hành tại phòng thí nghiệm đại học Kyushu – Nhật Bản bằng máy JSM-

6490 (JEOL).

--N, T-P,

2.3.2.5 Phân tích thống kê

+-N, NO2

--N, NO3

3--P, TSS, E.coli, Coliform đƣợc thống kê theo exel 2010.

Kết quả phân tích các thông số pH, BOD5, COD, T-N, NH4

PO4

Nồng độ các thông số ô nhiễm trên đƣợc tính theo theo công thức:

(2-44) X = (mg/L) C. 1000 V

trong đó: X: Số mg chất ô nhiễm trong 1lít (mg/L)

V: Thể tích lấy nƣớc để phân tích (mL)

1000: Số lƣợng nƣớc mẫu 1000 mL

C: Hàm lƣợng chất ô nhiễm trên đƣờng chuẩn (mg)

Kết quả cuối cùng của 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.

Độ lệch chuẩn đƣợc xác định bằng hàm STDEV theo công thức:

(𝑥−𝑥 )2 (𝑛−1)

(2-45) STDEV =

trong đó: x là trung độ mẫu, 𝑥 là giá trị trung bình của mẫu.

n là số lƣợng mẫu

Các mối quan hệ giữa số lớp vật liệu với nồng độ các chất ô nhiễm đƣợc thực hiện

bằng cách sử dụng phƣơng trình hồi quy tuyến tính đơn giản hoặc phƣơng trình logarit

và phân tích tƣơng quan theo phƣơng pháp hồi đơn biến. Theo đó, mức độ phụ thuộc

của biến Y theo biến X theo đƣợc đánh giá theo hệ số tƣơng quan Pearson hoặc hệ số xác định R2.

𝑛 𝑖=1

Công thức xác định hệ số tƣơng quan:

(2-46) − 𝑌) 𝑟 = (𝑋𝑖 − 𝑋)(𝑌𝑖 𝑛 − 1 . 𝑆𝑥 𝑆𝑦

trong đó: và là giá trị trung bình của hai tập số liệu của hai biến ngẫu nhiên.

Sx và Sy là độ lệch chuẩn của hai tập số liệu của hai biến ngẫu nhiên

Xivà Yi là các giá trị của hai biến ngẫu nhiên trong hai tập số liệu

n là số lƣợng giá trị của hai biến ngẫu nhiên trong hai tập số liệu

r là hệ số tƣơng quan Pearson

Công thức xác định qua hệ số xác định R2:

(2-47) 𝑅2 = = 1 − 0 < 𝑅2 < 1 𝑆𝑆𝑅 𝑆𝑆𝑇 𝑆𝑆𝐸 𝑆𝑆𝑇

trong đó:

2 𝑆𝑆𝐸 = 𝑒𝑖

𝑛 𝑖=1

: Tổng bình phƣơng sai số

𝑛 𝑆𝑆𝑅 = (𝑦 𝑖 − 𝑦 )2 𝑖=1

: Tổng bình phƣơng hồi qui

𝑛 𝑆𝑆𝑇 = ((𝑦𝑖 − 𝑦 )2 𝑖=1

: Tổng bình phƣơng tổng cộng

𝑛 𝑖=1 𝑛 𝑖=1

(2-48) 𝑅2 = (𝑦 𝑖 − 𝑦 )2 (𝑦𝑖 − 𝑦 )2

KẾT LUẬN CHƢƠNG 2

Khả năng xử lý nƣớc thải xám bằng đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đa tầng đƣợc nghiên

cứu dựa trên cơ chế lọc, hấp phụ của vật liệu đá ong, cơ chế sinh học do kỹ thuật xếp

lớp đa tầng tạo ra các môi trƣờng hiếu khí và thiếu khí để các vi sinh vật phát triển.

1. Trong nghiên cứu này mô hình phản ứng lên men Monod đƣợc áp dụng để đánh

giá khả năng xử lý chất hữu cơ nền, nitơ và hợp chất của nitơ trong nƣớc thải

xám bằng vi sinh vật; các thông số trong mô hình đƣợc xác định bằng phƣơng

pháp tích phân.Tốc độ tăng trƣởng của vi sinh vật trong hệ thống đất sinh học

đƣợc coi nhƣ là một hàm của nồng độ cơ chất và đƣợc Lawrence và McCarty

viết lại dƣới dạng sau:

(2-49) = 𝑑𝐶 𝑑𝑡 𝑘. 𝑏𝑐. 𝐶 𝐾𝑏𝑕 + 𝐶

Để khảo sát khả năng hấp phụ các ion trong nƣớc thải xám của đá ong tự nhiên

và đá ong biến tính nhiệt theo phƣơng pháp xếp lớp đa tầng, tác giả tiến hành

dựa trên phƣơng trình Langmuir và Freundlich. Đa số các phản ứng hấp phụ

xảy ra theo bậc 1 và đƣợc mô tả theo công thức (2-50):

(2-50) = 𝑘1(𝑞𝑒 − 𝑞𝑡) 𝑑𝑞𝑡 𝑑𝑡

Khả năng xử lý nƣớc thải sinh hoạt xám của đá ong theo phƣơng pháp xếp lớp

đa tầng đƣợc xác định dựa trên độ chênh lệch giữa nồng độ chất ô nhiễm trong

nƣớc thải đầu vào và ra sau các lớp đá ong.

2. Vật liệu chính dùng trong nghiên cứu là đá ong tự nhiên đƣợc gia công thành

dạng gạch, kích thƣớc LxBxH = 15x30x5 cm và đá ong biến tính nhiệt dạng

hạt, đƣờng kính 1-3mm;

3. Các phƣơng pháp sử dụng chính trong nghiên cứu gồm: mô hình thí nghiệm,

mô hình thực nghiệm, phân tích các thông số ô nhiễm của nƣớc thải xám trong

phòng thí nghiệm và phân tích thống kê. Trong đó:

- Mô hình thí nghiệm trong phòng gồm 5 hệ thống từ 3-7 lớp đá ong, đƣợc chế

tạo bằng thép không gỉ, một mặt là kính và có kích thƣớc Dài x Rộng x Cao =

15 x 50 x (23-76) cm; nhằm xác định khả năng và cơ chế xử lý các chất ô

nhiễm chính có trong nƣớc thải xám bằng đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đa tầng.

Xác định đƣợc hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ và amoni có trong nƣớc thải

xám, làm cơ sở tính toán cho các công trình xếp lớp đa tầng sử dụng đá ong làm

vật liệu chính; Hệ thống thử nghiệm (pilot) đƣợc tính toán để xử lý một phần

nƣớc thải xám cho nhà B5 – Yên Thƣờng. Đánh giá lại khả năng xử lý nƣớc

thải xám của đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đa tầng đã nghiên cứu trong phòng

thí nghiệm.

- Nồng độ các thông số ô nhiễm chính trong nƣớc thải xám đƣợc xác định bằng

phƣơng pháp phân tích mẫu trong phòng thí nghiệm. Làm cơ sở xác định lƣợng

chất ô nhiễm đƣợc xử lý qua các mô hình và hệ thống thử nghiệm xếp lớp đa

tầng sử dụng đá ong làm vật liệu chính.

- Kết quả thực nghiệm đƣợc thống kê, phân tích và xử lý bằng phần mềm máy

tính để vẽ các biểu đồ, tính toán các công thức. Mức độ phù hợp giữa kết quả thực nghiệm và đƣờng mô phỏng đƣợc xác định qua hệ số xác định R2 và đƣợc

xác định qua công thức:

𝑛 𝑖=1 𝑛 𝑖=1

𝑅2 = (𝑦 𝑖 − 𝑦 )2 (𝑦𝑖 − 𝑦 )2

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƢỚC THẢI XÁM

CHƢƠNG 3 BẰNG ĐÁ ONG THEO KỸ THUẬT XẾP LỚP ĐA TẦNG

3.1 Tính chất nƣớc thải xám nhà cao tầng trên địa bàn thành phố Hà Nội

Kết quả phân tích các mẫu nƣớc thải xám đƣợc lấy từ một số nhà cao tầng trên địa bàn

thành phố Hà Nội đƣợc thể hiện tại Bảng 3.1.

Bảng 3.1: Tính chất nƣớc thải xám nhà cao tầng trên địa bàn TP. Hà Nội [3].

ĐVT TT Thông số Nhà CT 5B – Mễ Trì Nhà 11 tầng Đức Giang Nồng độ trung bình

Nhà B5 – Yên Thƣờng 8,23±0,3 - 7,96 ± 0,32 8,2±0,46 8,13±0,12 1 pH

mg/L 140±22,3 293±15,4 269,3±108,5 234,10±67,2 2

mg/L 92±18,3 134±10,14 139,6±55,1 121,87±21,24

- 1,52:1 2,18:1 1,93:1 1,97:1

247±12 228,6±58,9 299±27,4 258,20±29,8

2±1,3 3.32±0,72 2.49±0,59 5 2,60±0,54

mg/L 3--P mg/L mg/L 5,8±1,22 4,3±2,67 4,58±1,28 4,89±0,65

COD 3 BOD5 COD: BOD5 TSS 4 PO4 T-P 3--P/ T-P 46,5 57,2 54,4 52,7±5,54

10,1±3,64 7,15±0,97 9,44±1,65 8,90±1,26

(%) +-N mg/L mg/L 18,1±5,65 16,1±1,87 19±2,89 17,73±1,21

44,4 55,8 (%) 49,6 49,93 ±4,65

8,32:1 5:1 - 7,35:1 6,87:1

6 PO4 7 NH4 8 T-N +-N/ T-N NH4 BOD5/T-N Chú ý: Giá trị trong bảng là giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn

Kết quả trên cho thấy, nƣớc thải xám nhà cao tầng chủ yếu bị ô nhiễm bởi chất hữu cơ,

chất rắn lơ lửng, vi sinh và amoni. Nồng độ các chất ô nhiễm này cao hơn nhiều lần so

với giá trị đƣợc quy định trong QCVN14:2008(B) nên bắt buộc phải xử lý trƣớc khi xả

ra ngoài môi trƣờng.

Nồng độ BOD5 trung bình là 121,89 mg/L, các mẫu lấy vào buổi tối cho giá trị BOD5

cao hơn so với các mẫu lấy vào buổi sáng và chiều. Tỷ lệ COD: BOD5 = 1,97:1 – thích

hợp cho việc xử lý bằng phƣơng pháp sinh học tuy nhiên mức độ xử lý còn phụ thuộc

vào tỷ lệ BOD5:N (hay COD:N); tỷ lệ càng cao thì thời gian xử lý càng lâu và quá

trình phân hủy sinh học chất hữu cơ càng kém [15].

Bảng 3.2: So sánh mức độ đậm đặc của nƣớc thải xám

Thế giới (mg/L) [15] TT Thông số

Đậm đặc Vừa phải Loãng Rất loãng Nƣớc thải xám nhà cao tầng (mg/L) [3]

1 740 530 320 234,10±67,20 210

2 350 250 150 121,87±21,24 100

3 50 30 18 - 12

4 80 50 30 COD BOD5 NH3-N T-N 17,73±1,21 20

5 23 16 10 4,89±0,65 6

2,12 5,00 2,11 4,37 2,13 5,00 1,97 6,87 2,10 5,00 T-P COD:BOD5 BOD5:T-N

6 7 Ghi chú: Giá trị ghi trong bảng là giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn

Bảng 3.3: So sánh chất lƣợng nƣớc thải xám với QCVN 14:2008/BTNMT và chất

lƣợng nƣớc thải đô thị.

TT Thông số ĐVT Nƣớc thải xám Nƣớc thải đô thị [15] Trung bình

Khoảng giá trị QCVN 14:2008/ BTNMT (B) [58]

1 pH - 7,6-8,6 8,13±0,12 6,5-8,5 5-9

2 mg/L 120-380 234,10±67,2 225-480 -

3 mg/L 76-200 121,87±21,24 150-240 50

4 COD BOD5 TSS mg/L 163-330 258,20±29,8 220 100

3--P

5 mg/L 0,5-3,8 2,60±0,54 - 10 PO4

6 T-P mg/L 1,3-6,4 4,89±0,65 8 -

+-N

7 mg/L 3,12-12,6 8,90±1,26 - 10 NH4

(110-500).103 (241,3±162).103

8 T-N 7,8-23,2 17,73±1,21 23,3 -

(35-112).103

(80,9±16,1).103

9 - Coliform 5.000 mg/L MPN/ 100mL

MPN/ 100mL

- 10 E.coli -

Chú ý: Giá trị ghi trong bảng là giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn

Đối với nƣớc thải sinh hoạt và nƣớc thải đô thị thông thƣờng có các tỷ lệ C/N ở mức

độ từ thấp đến cao nhƣ Bảng 3-4 trong đó tỷ lệ BOD5/T-N =3-3,5 là tỷ lệ tối ƣu để xử

lý nitơ và BOD5 đạt yêu cầu. Thực tế BOD5/N = 5-8,32 (trung bình là 6,87:1), theo

đánh giá của H. Henze [15] thì đây là là nƣớc thải rất loãng nhƣng vẫn đủ chất các bon

nền để quá trình khử nitơ diễn ra triệt để, thậm chí còn dƣ thừa chất hữu cơ nên dễ gây

hiện tƣợng tắc nghẽn. Trong trƣờng hợp này nên xử lý sơ bộ để giảm nồng độ BOD5

xuống gần với tỷ lệ tối ƣu. Để phân hủy nitơ và các hợp chất của nitơ thành các chất

vô cơ thì cần tạo môi trƣờng cho các vi khuẩn kỵ khí hoạt động tốt và giảm các sản

phẩm trung gian nhƣ dinitrogen oxide, N2O trong qúa trình phản ứng.

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].

(C/N) tốt nhất 3-3,5 Đơn vị kg BOD/kg N Chất hữu cơ Chất hữu cơ trong nƣớc thải 4-5 kg COD/kg N

Chất hữu cơ trong bùn 1,5-2,5 kg BOD/kg N

Methanol 2,9-3,2 2,3-2,7 kg COD/kg N kg MeOH/kg N

3,5-4,1 kg COD/kg N

1,0-1,2 mol Me0H/mol N

Acetic acid 2,9-3,5 kg HAc/kg N

3,1-3,7 kg COD/kg N

0,9-1,1 mol FlAc/mol N

Tổng nitơ trung bình của các mẫu nƣớc thải xám nhà cao tầng là 17,73 mg/L cao hơn

kết quả nghiên cứu cho các nhà phân tán tại Việt Nam là 13 mg/l [20]. Giá trị tổng nitơ

nhỏ tại các mẫu lấy vào buổi trƣa và cao nhất tại các mẫu lấy vào buổi tối; tại các tòa

nhà có tiêu chuẩn thải nƣớc cao thì có giá trị tổng nitơ thấp do ảnh hƣởng bởi quá trình

pha loãng. Amoni chiếm 39,4% - 58,6% (trung bình 50,2 %) tổng nitơ có trong nƣớc

thải xám, tỉ lệ cao tại nhà B5 Yên Thƣờng và thấp tại chung cƣ CT5B Mễ Trì. Nồng

độ amoni trong các mẫu cũng không đều nhau, dao động trong khoảng 3,12-12,6

mg/L, hầu hết các mẫu lấy vào buổi tối đều có nồng độ vƣợt quá giá trị cho phép tại

QCVN 14:2008/BTNMT nên bắt buộc phải xử lý.

Thành phần các chất lơ lửng trong nƣớc thải xám cũng thấy rất đa dạng: các hạt cặn vô

cơ, hữu cơ, tóc, sợi vải, hạt cát bị trôi vào nƣớc thải xám trong quá trình sinh hoạt hay

do huyền phù đƣợc tạo ra bởi phản ứng của một số hóa chất tẩy rửa. Chất lơ lửng cản

trở quá trình xử lý và khử trùng nƣớc do các hạt lớn gây tắc và là nơi khu trú cho các

vi khuẩn gây bệnh [59]. Nồng độ các chất lơ lửng từ 163 mg/l đến 330 mg/l (trung

bình 258,20 ± 29,8mg/L), giá trị nhỏ cho các mẫu lấy vào buổi chiều và cao cho các

mẫu lấy vào buổi tối. Chất rắn lơ lửng của nhà 11 tầng Đức Giang cao hơn do nằm

cạnh nhà máy may Đức Giang, đi vào hệ thống nƣớc thải xám qua các hoạt động lau

chùi, dọn dẹp.

3-), các poly phốtphát (P2O7

4-, P3O10

-, HPO4

2-, PO4

Phốt pho tồn tại ở trong nƣớc thải xám chủ yếu dƣới dạng phốt pho ortho phốt phát 5- ) và hợp chất phốt pho hữu (H2PO4

cơ; trong đó ortho phốt phat chiếm tỉ lệ cao nhất do các poly phốt phát đều có thể

chuyển hóa về ortho phốt phát trong môi trƣờng nƣớc thải trong môi trƣờng có pH > 7

mg/L là không cao, nằm dƣới mức cho phép và đƣợc xả trực tiếp ra ngoài môi trƣờng

[15]. Tổng phốtpho trong nƣớc thải xám là 4,89±0,65 mg/L và phốt phát là 2,60±0,54

theo QCVN 14:2008/BTNMT(B) tuy nhiên đây lại là chất dinh dƣỡng cho sự phát

triển của vi sinh vật và nằm trong mối quan hệ giữa tỷ lệ BOD5:T-N:T-P. Nồng độ

phốt phát trong các mẫu phân tích dao động từ 38,5% đến 52,7% tổng phốt pho có

trong nƣớc thải xám là 52,7±5,54%, thấp hơn kết quả nghiên cứu cho nhà phân tán là

63% [21]. Nồng độ phốt pho cao ứng với nhà CT 5B Mễ Trì thƣợng - ở vị trí trung

tâm, có chất lƣợng cuộc sống cao hơn và giảm dần ra khu vực ngoại thành cho nhà B5

Yên Thƣờng. Mức sống và thói quen sử dụng chất tẩy rửa là nguyên nhân chính ảnh

hƣởng đến nồng độ phốt pho trong nƣớc thải xám.

Kết quả phân tích các mẫu cho thấy sự hiện diện của E.Coli trong tất cả các mẫu, chủ

yếu phát sinh từ chậu rửa nhà bếp và thoát sàn thu gom nƣớc rửa sàn nhà vệ sinh [60].

Số vi khuẩn E.Coli dao động trong một khoảng tƣơng đối lớn từ 35.000 -112.000

MNP/100ml (trung bình 80.899 MNP/100ml) chứng tỏ số lƣợng vi khuẩn này không

đồng đều trong các mẫu. Kết quả phân tích các mẫu lấy vào mùa hè (07/2013) cho

thấy số lƣợng E.Coli và Coliforms tổng tăng đột biến, giảm dần vào mùa xuân

(02/2013) và mùa đông (11/2013); vi sinh vật đƣợc tìm thấy ít hơn trong các mẫu lấy

từ nhà mới xây và có mức sống cao hơn (nhà CT5B Mễ Trì thƣợng). Kết quả này cũng

vƣợt xa giới hạn cho phép về sinh vật theo QCVN14:2008/BTNMT(B).

Nhìn chung: Nƣớc thải xám của một số nhà cao tầng trên địa bàn thành phố Hà Nội có

mức độ ô nhiễm không cao, chủ yếu bị ô nhiễm bởi chất hữu cơ, chất rắn lơ lửng,

amoni và vi sinh vật. Tỷ lệ giữa chất hữu cơ, nitơ và phốt pho không tƣơng thích với tỷ

lệ tối ƣu của nƣớc thải sinh hoạt là BOD:TN:TP = 100:5:1 nên sử dụng các công nghệ

xử lý nƣớc thải truyền thống sẽ không hiệu quả, giá thành đắt và vận hành phức tạp.

3.2 Kết quả nghiên cứu mô hình xếp lớp đa tầng quy mô phòng thí nghiệm

3.2.1 Sự di chuyển củ a dò ng nướ c qua các lớp đá ong

Quan sá t dò ng chả y qua hệ thố ng kí n h mặt trƣớc và lƣợng nƣớc thoát qua đƣờng ống

thu nƣớc tại các mô hình xếp lớp đa tầng 3, 4, 5, 6, 7 lớp đá ong cho thấ y: Nƣớc thấm

nhanh trong các khe hở đƣợc chèn bằng đá ong biến tính nhiệt và thấm chậm vào các

đơn vị đá ong tự nhiên. Các lớp đá ong đƣợc xế p so le nhau nên nƣớ c sẽ tiế p tụ c chả y

đến các lớp phía dƣới theo kiểu zích zắ c (Hình 3.1, Hình 3.2).

Hình 3.1: Mô phỏng dò ng nƣớc di chuyển Hình 3.2: Dòng nƣớc di chuyển trong mô

trong cá c lớ p đá ong hình thí nghiệm

Trong khoả ng 2-3 giờ đầ u toà n bộ nƣớ c hầu nhƣ điền kín và ngấm hết vào các lớp đá

ong trong mô hình (giá trị nhỏ cho các mô hình ít lớp và giá trị lớn cho các mô hình

nhiều lớp). Sau ngày đầu tiên, độ cao của cột nƣớc thí nghiệm tổng giảm 30 cm, tƣơng

đƣơng 30% lƣợng nƣớc đƣa vào, có nghĩa 30% lƣợng nƣớc đƣa vào ngấm vào vật liệu

trong các hệ thống. Sang ngày thứ 2 độ giảm của cột nƣớc tổng chỉ còn khoảng 1,5%

và hầu nhƣ không giảm trong ngày thứ 3, chứng tỏ các lớp vật liệu đã bão hòa nƣớc

đồng thời quan sát thấy nƣớc chảy ra tại các vòi phía dƣới các hệ thống xếp lớp đa

tầng ổn định. Độ giảm lƣu lƣợng tỷ lệ thuận với số lớp vật liệu có trong hệ thống và

diễn ra chủ yếu trong các ngày đầu. Tƣ̀ thá ng thƣ́ 2 về sau, lƣu lƣợng giảm rất ít vật

liệu đã ở trạng thái bão hòa nƣớc.

Hơn nữa, nghiên cứu của K.Sato [40] cũng chỉ ra rằng: lớp vật liệu chèn dạng hạt tăng

khả năng xâm nhập của oxi vào sâu trong lớp vật liệu (hầu hết lớp chèn là môi trƣờng

hiếu khí trong khi các đơn vị đất đóng vai trò thiếu –kỵ khí). Nên ngoài việc tăng khả

năng tích trữ cặn thì lớp đá ong biên tính còn tạo điều kiện cho quá trình oxi hóa hiếu

khí các hợp chất hữu cơ và amoni có trong nƣớc thải.

+-N, T-N, TSS, NO3

--N, NO2

--N, PO4

Đánh giá chất lƣợng nƣớc thải xám trƣớc và sau khi xử lý dựa trên sự tăng, giảm nồng 3--P, độ của các thông số: pH, BOD5, COD, NH4

T-P, E.coli, Coliform...., trong đó sự biến đổi bản chất chủ yếu xảy ra với chất hữu cơ

nền, chất dinh dƣỡng mà ít xảy ra với cặn lơ lửng. Do vậy, quá trình thực hiện nghiên

+-N, T-N, NO3

--N, NO2

--N, PO4

cứu trên các mô hình thí nghiệm tác giả tập trung làm rõ sự biến đổi của các chất này 3--P, qua phân tích các thông số pH, BOD5, COD, NH4

T-P có trong nƣớc thải xám nguyên bản và nƣớc thải xám pha loãng trƣớc và sau khi

xử lý. Tính chất nƣớc thải xám nguyên bản (NTNB) và nƣớc thải xám pha loãng

(NTPL) đƣợc sử dụng trong các mô hình xếp lớp đa tầng đƣợc tổng hợp tại (Bảng 3.5).

Bảng 3.5: Tính chất nƣớc thải xám nguyên bản và pha loãng đầu vào

TT Thông số ĐVT NTNB NTPL Ghi chú

66,60 ± 6,67

136,41± 13,07

1. pH - 7,71±0,82 7,45±0,74

37,41±4,40

76,70±9,91

2. COD mg/L

3,48± 0,62

8,71± 1,85

3. mg/L

0,41± 0,24

0,72± 0,44

4. mg/L NH4

5. mg/L NO2

6,75± 0,74

14,39± 1,57

6. BOD5 +-N --N --N mg/L 0,44± 0,16 0,14± 0,05 NO3

0,79±0,22

2,15± 0,59

7. T-N mg/L

3--P

1,62± 0,46

4,02± 1,11

8. mg/L PO4

9. T-P mg/L

3.2.1.1 Thay đổi pH của nước thải xám

Độ pH của nƣớc thải sau xử lý có xu hƣớng giảm so với nồng độ ban đầu, độ giảm tỷ

lệ thuận với số lớp đá ong có trong mô hình xếp lớp đa tầng. Giá trị pH của nƣớc thải

đầu ra càng tiến đến pH trung hòa (pH = 7) thì độ chênh lệch giữa các mô hình không

nhiều. Kết quả phân tích độ pH của nƣớc thải xám trƣớc (pHt) và sau xử lý (pHs) qua

các mô hình 3, 4, 5, 6, 7 lớp đá ong đƣợc trình bày tại Bảng 3.6.

Bảng 3.6: Độ pH của nƣớc thải xám trƣớc và sau khi xử lý qua các mô hình MSL

MSL3

NTNB NTPL Ghi chú Ký hiệu pHt pHt pHs

7,71±0,82

7,45±0,74

MSL4

7,54±0,47

7,31±0,51

MSL5

7,32±0,62

7,25±0,44

MSL6

7,27±0,53

7,21±0,43

MSL7

7,22±0,56

7,2±0,48

7,38±0,64 Mẫu nƣớc đƣợc lấy tại điểm đầu vào và ra của các mô hình xếp lớp đa tầng quy mô phòng thí nghiệm.

pHs 7,65±0,52

Ghi chú: Kết quả trong bảng là giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn

Độ pH của nƣớc thải xám sau xử lý có xu hƣớng giảm là do:

- Trong môi trƣờng nƣớc thải có pH > 7 những vi khuẩn cần thiết cho quá trình phân

hủy chất hữu cơ và amoni trong nƣớc nhƣ P.denitricans, B.lichenifomis, Thiobacillus

denitricans, Nitrosomonas, Nitrobacter...sẽ phát triển mạnh hơn [15] và phân hủy các

chất hữu cơ, chất dinh dƣỡng tạo thành các khí H2S, H2SO4 và là nguyên nhân chính

làm giảm pH của nƣớc thải sau xử lý. Nƣớc thải xám đầu vào có độ pH, nồng độ chất

hữu cơ và amoni cao thì độ giảm pH càng lớn;

- Đá ong có pH = 5-5,5 thấp hơn pH của nƣớc thải nên diễn ra phản ứng cân bằng ion

[35]. Quá trình cân bằng ion làm cho các ion kiềm hóa trị I và II trong nƣớc thải đã trao đổi với ion H+ của đá ong làm giảm pH của nƣớc thải xám. Khi tăng số lớp đá ong thì thời gian phản ứng và diện tích tiếp xúc giữa các ion cũng tăng, mật độ H+ có trong

nƣớc thải lớn hơn và làm pH của nƣớc thải xám sau xử lý giảm nhiều hơn.

3.2.1.2 Chất hữu cơ nền (BOD5, COD)

Hiệu suất xử lý BOD5 tăng dần theo số lớp đá ong có trong mô hình và có xu hƣớng

đƣợc loại bỏ nhiều nhất trong 3 đến 4 lớp đá ong phía trên. Khi tăng số lớp đá ong từ 3

6,70 ± 9,91 mg/L và từ 70,50 % lên 80,33 % với nồng độ BOD5 đầu vào là 37,41±4,40

lên 7 lớp thì hiệu suất xử lý tăng từ 77,22 % lên 90,60 % với nồng độ BOD5 đầu vào là

mg/L; hiệu suất xử lý này tỷ lệ thuận với nồng độ BOD5 có trong nƣớc thải xám đầu

vào. Kết quả phân tích nồng độ và hiệu suất xử lý BOD5 qua các mô hình xếp lớp đa

tầng đƣợc thể hiện trong Bảng 3.7, Hình 3.3, Hình 3.4.

Bảng 3.7: Nồng độ và hiệu suất trung bình xử lý BOD5 qua các mô hình MSL

NTNB NTPL

Ký hiệu

17,51 ±3,32 77,22±2,61

10,90±2,31

70,50 ±7

Hiệu suất xử lý (%) Hiệu suất xử lý (%) Cvào (mg/L) Cra (mg/L) Cvào (mg/L) Cra (mg/L)

11,29±3,32 85,30±3,52

9,60±1,82

74,10 ±6,22

MSL3

76,70±9,91

10±2,70

87±2,82

37,41±4,40

8,83±1,50

76,12 ±5

MSL4

8,81±1,80

89,70±2,71

7,90±1,0

78,51 ±3,90

MSL5

7,21±1,70

90,60±1,71

7,33±0,81

80,33 ±3,10

MSL6

MSL7

Ghi chú: Giá trị ghi trong bảng là giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn

120

)

100

NTNB

L / g m

(

Nƣớc thải sau MSL3 Nƣớc thải sau MSL5 Nƣớc thải sau MSL7

Nƣớc thải sau MSL4 Nƣớc thải sau MSL6 Nƣớc thải đầu vào

5 D O B ộ đ g n ồ N

Hình 3.3: Sự thay đổi nồng độ BOD5 trƣớc và sau khi xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTNB

)

NTPL

L / g m

(

Nƣớc thải đầu vào Nƣớc sau MSL4 Nƣớc sau MSL6

Nƣớc sau MSL3 Nƣớc sau MSL5 Nƣớc sau MSL7

5 D O B ộ đ g n ồ N

Hình 3.4: Sự thay đổi nồng độ BOD5 trƣớc và sau khi xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTPL

Nồng độ BOD5 trong nƣớc thải sau xử lý giảm xuống còn rất thấp (<20 mg/L với nƣớc

thải xám nguyên bản và < 10mg/L với nƣớc thải xám pha loãng) và ổn định từ sau lớp

đá ong thứ 4 trở đi. Nồng độ này bắt đầu có dấu hiệu tăng nhẹ lên trên 20 mg/L từ

29/6/2013 với nƣớc thải xám nguyên bản và trên 10 mg/L từ 14/6/2013 với nƣớc thải

xám pha loãng nhƣng vẫn thấp hơn nhiều so với nồng độ BOD5 cho phép theo QCVN

14:2008 (B) là 50mg/L.

Tƣơng tự BOD5, hiệu suất xử lý COD tăng từ 45,72% lên 71,61% và từ 42,01% lên

59,32% tƣơng ứng với nƣớc thải xám nguyên bản và nƣớc thải xám pha loãng; nồng

độ COD đầu vào càng cao thì hiệu suất xử lý cũng cao và ngƣợc lại. Nồng độ COD ở

các lớp đá ong phía trên giảm chủ yếu là do BOD5 giảm và cũng cao thấp thất thƣờng.

Nồng độ COD có trong nƣớc thải xám sau xử lý có biên độ dao động lớn với đầu vào

là nƣớc thải xám nguyên bản và nhỏ hơn với nƣớc thải xám pha loãng. Nồng độ COD

trong nƣớc thải xám sau xử lý qua tất cả các mô hình đều nhỏ hơn quy định trong

QCVN 14:2008/BTNMT (B) là 100mg/L nhƣng nếu yêu cầu nhỏ hơn thì cần xác định

số lớp đá ong cho phù hợp. Với những nguồn nƣớc thải có nồng độ COD cao nên chọn

số lớp đá ong lớn hơn hoặc bằng 6 để có chất lƣợng nƣớc sau xử lý ổn định hơn. Xử lý

COD đòi hỏi số lớp đá ong nhiều hơn so với BOD5 và nồng độ COD trong nƣớc thải

xám đầu ra chỉ thực sự ổn định sau lớp đá ong thứ 6 và 7. Nồng độ COD trong nƣớc

thải xám sau lớp đá ong thứ 6 và 7 luôn nhỏ hơn 50mg/L và 30mg/Ltƣơng ứng với

nƣớc thải nguyên bản và nƣớc thải pha loãng. Điều này cũng thể hiện đúng bản chất

của COD gồm nhiều chất khó phân hủy hơn BOD5 nên cần môi trƣờng thiếu khí và

thời gian phân huỷ lâu hơn [4].

Lý giải cho quá trình giảm nồng độ BOD5, COD của nƣớc thải xám sau khi đi qua các

mô hình xếp lớp đa tầng sử dụng vật liệu chính là đá ong nhƣ sau: Trong môi trƣờng

hiếu khí và yếm khí trong các lớp đá ong, một phần chất hữu cơ có trong nƣớc thải

xám phản ứng trong điều kiện hiếu khí và thiếu khí bên trong các lớp đá ong tạo thành

CO2 và CH4 thoát ra ngoài môi trƣờng:

- Quá trình loại bỏ chất hữu cơ nền diễn ra chủ yếu trong điều kiện hiếu khí, tại quá

trình tăng trƣởng của vi sinh vật thông qua các phản ứng (3-1), (3-2).

(3-1) C18H19O9N + 17,5O2 + H+ → 18CO2 + 8H2O + NH4

(không có phản ứng nitrat hóa)

(3-2) và C18H19O9N + 19,5O2 → 18CO2 + 9H2O +H+ + NO3

(có phản ứng nitrat hóa)

- Trong điều kiện kỵ khí các chất hữu cơ (CxHyOz) đƣợc loại bỏ theo phản ứng (3-3),

(3-4), (3-5):

(3-3) CxHyOz → CH3COOH

Và quá trình tạo metan diễn ra theo (3-4), (3-5).

(3-4) CH3COOH → CH4 + CO2

(3-5) 4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O

Kết quả phân tích nồng độ và hiệu suất xử lý COD qua các mô hình xếp lớp đa tầng

đƣợc thể hiện trong Bảng 3.8, Hình 3.5, Hình 3.6.

Bảng 3.8: Nồng độ và hiệu suất trung bình xử lý COD qua các mô hình MSL

Ký hiệu

48,91±3,60 26,31±3,70

73,61 ±9,00

45,72±7,52

Hiệu suất xử lý (%) Hiệu suất xử lý (%) Cvào (mg/L) NTNB Cra (mg/L) Cvào (mg/L) NTPL Cra (mg/L)

70,22±9,21

52,61±6,81

36,81±2,70 42,01±2,81

MSL3

59,90±7,19

55,72±6,81

35,33±2,90 46,81±2,90

136,41± 13,07

66,60 ± 6,67

MSL4

48,12±4,51

64,51±4,61

28,81±2,70 56,61±2,39

MSL5

274±2,31

59,32±1,90

71,61±3,11

38,59±4,01

MSL6

MSL7 Ghi chú: Giá trị ghi trong bảng là giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn

Càng xuống các lớp đá ong phía dƣới, lƣợng chất hữu cơ nền cấp cho vi sinh vật càng

ít (do thời gian lƣu nƣớc tăng nên nguồn hữu cơ bổ cập giảm); lƣợng oxi hòa tan trong

nƣớc cũng giảm nên xảy ra các phản ứng thiếu – kỵ khí theo các phản ứng (3-3), (3-4),

(3-5). Quá trình này nhận CO2 làm chất nhận điện từ, không cần (hoặc cần rất ít) oxi

để oxi hóa sinh học BOD5 theo tốc độ phản ứng bậc 1. Chất hữu cơ nền tiếp tục đƣợc

phân hủy tại các lớp đá ong phía dƣới làm tăng hiệu suất xử lý chất hữu cơ. Quá trình

phân hủy chất hữu cơ này cũng làm sản sinh ra một lƣợng bùn hoạt tính và làm tăng

sinh khối trong lớp đá ong. Lƣợng bùn hoạt tính dƣ thừa do phân hủy chất hữu cơ nền

đƣợc xác định bằng hiệu số giữa khối lƣợng sinh khối đƣợc tạo ra và số lƣợng sinh

khối đƣợc phân hủy sinh học. Theo Speece [61], Switzenbaun [62] thì sinh khối phát

sinh do quá trình phân hủy thiếu – kỵ khí sẽ ít hơn từ 4-20 lần so với phân hủy hiếu

khí do trong quá trình phân hủy thiếu – kỵ khí lƣợng chất hữu cơ trong tế bào vi sinh

đƣợc oxi hóa làm giảm khối lƣợng sinh khối, bùn cặn trở nên chắc nặng và chiếm ít

diện tích hơn.

)

200

160

NTNB

L / g m

Nƣớc thải đầu vào Nƣớc thải sau MSL4 Nƣớc thải sau MSL6

Nƣớc thải sau MSL3 Nƣớc thải sau MSL5 Nƣớc thải sau MSL7

(

120

D O C ộ đ g n ồ N

120

Hình 3.5: Sự thay đổi nồng độ COD trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTNB

)

100

Nƣớc thải vào Nƣớc thải sau MSL4 Nƣớc thải sau MSL6

Nƣớc thải sau MSL3 Nƣớc thải MSL5 Nƣớc thải sau MSL7

NTPL

L / g m

(

D O C ộ đ g n ồ N

Hình 3.6: Sự thay đổi nồng độ COD trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTPL

Ngoài ra, nhóm O-H-O-H-O có trong khoáng vật của đá ong có liên kết lỏng lẻo. + (trình bày tại 3.2.1.3) Trong khi nhóm OH- dễ dàng liên kết với các cation nhƣ NH4

nên còn lại oxi dạng nguyên tử. Theo thuyết peroxyt của Bach và đƣợc Criegee [63]

phát triển lên thì hai nguyên tử oxi sẽ tham gia phản ứng với chất hữu cơ, amoni để tạo

thành peroxyt theo dạng:

Theo đó, peroxyt đƣợc tạo thành có chứa một nửa oxi kết hợp ở trạng thái ―hoạt động‖

đƣợc xem nhƣ 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 dƣới sự ảnh hƣởng của các enzym đặc biệt là catalase và peroxydase.

Do vậy, tăng khả năng loại bỏ các chất hữu cơ và amoni trong nƣớc thải xám.

+-N, do vậy lựa chọn thông số NH4

3.2.1.3 Nitơ và hợp chất của nitơ

yếu của amoni là NH4

Theo phân tích tại tiểu mục 2.1.2.1 nƣớc thải xám có pH = 7,71 thì dạng tồn tại chủ +-N để phân tích trong nghiên +-N tăng dần từ 66,49 % đến 94,58 % và từ 79,68 % đến cứu này. Hiệu suất xử lý NH4

89,91 % lần lƣợt với nƣớc thải nguyên bản và nƣớc thải pha loãng và tăng dần theo số

lớp đá ong. Kết quả phân tích nồng độ và hiệu suất xử lý amoni qua các mô hình xếp

+-N qua các mô hình MSL

lớp đa tầng đƣợc thể hiện trong Bảng 3.9, Hình 3.7, Hình 3.8.

Bảng 3.9: Nồng độ và hiệu suất xử lý NH4

Ký hiệu

Cvào (mg/L) 8,71± 1,85 Cvào (mg/L) 3,48± 0,62

NTPL Hiệu suất Cra xử lý (%) (mg/L) 0,69±0,22 79,68±6,56 0,61±0,19 82,48±5,55 0,46±0,16 86,55±4,47 0,37±0,16 89,26±4,54 0,34±0,15 89,91±4,26 Hiệu suất xử lý (%) 66,49±11,02 74,16±8,27 86,04±4,46 93,24±2,81 94,58±2.26

NTNB Cra (mg/L) 2,84 ±0,91 MSL3 2,19±0,69 MSL4 1,18±0,37 MSL5 0,58±0,25 MSL6 0,46±0,2 MSL7 Ghi chú: Giá trị ghi trong bảng là giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn

)

NTNB

L / g m

Nƣớc thải vào Nƣớc thải sau MSL4 Nƣớc thải sau MSL6

Nƣớc thải sau MSL3 Nƣớc thải sau MSL5 Nƣớc thải sau SML7

(

N

-

+

4 H N ộ đ g n ồ N

+-N trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm Hình 3.7: Sự thay đổi nồng độ NH4

của NTNB

)

NTPL

L / g m

(

Nƣớc thải vào Nƣớc thải sau MSL4 Nƣớc thải sau MSL6

Nƣớc thải sau MSL3 Nƣớc thải sau MSL5 Nƣớc thải sau MSL7

N

-

+

4 H N ộ đ g n ồ N

+-N trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm

Hình 3.8: Sự thay đổi nồng độ NH4

+-N của nƣớc thải nguyên bản giảm nhanh sau lớp đá ong thứ 3, 4 từ 8,71

của NTPL

Nồng độ NH4

mg/L lần lƣợt xuống còn 2,84 mg/L và 2,19 mg/L và giảm chậm sau lớp thứ 6, 7

tƣơng ứng còn 0,58 mg/L và 0,46 mg/L. Điều này chứng tỏ amoni chủ yếu đƣợc loại

bỏ trong môi trƣờng hiếu khí tƣơng ứng với quá trình nitrat hóa. Điều đặc biệt là hiệu +-N sau lớp vật liệu thứ 3 và thứ 4 của nƣớc thải xám pha loãng lần lƣợt quả xử lý NH4

là 79,68 % và 82,48 % lại cao hơn so với nƣớc thải xám nguyên bản là 66,49 % và

74,16 %; sau lớp thứ năm hiệu suất loại bỏ amoni trong nƣớc thải xám nguyên bản và

nƣớc thải xám pha loãng tƣơng đƣơng nhau sau lớp thứ 5 và có sự thay đổi vị trí sau +-N của nƣớc thải xám nguyên bản vƣợt lên và lớp đá ong thứ 6, 7 (hiệu suất xử lý NH4

+-N của nƣớc thải xám sau xử lý có

cao hơn nƣớc thải xám pha loãng sau lớp đá ong thứ 6, 7).

Quan sát Hình 3.7, Hình 3.8 thấy: Nồng độ NH4

dấu hiệu tăng trong sau tất cả các mô hình từ 24/6/2013 với nƣớc thải xám nguyên bản

hoạt động thì hiệu quả xử lý NH4

và từ 29/6/2013 với nƣớc thải xám pha loãng; Điều này chứng tỏ sau một thời gian +-N có dấu hiệu giảm dần tuy không nhiều, nguyên +-N của vật liệu nhân có thể do hoạt động của vi sinh vật hoặc khả năng hấp phụ NH4

đá ong suy giảm.

-. Trong đó, NO2

-, NO3

ra và tạo thành NO2

đổi thành NO3

Theo phân tích tại tiểu mục 2.1.2.2 thì quá trình chuyển hóa amoni nhanh chóng diễn - chỉ là trạng thái chuyển tiếp trƣớc khi biến - nên chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian rất ngắn. Kết quả phân tích --N đƣợc thể hiện trong Bảng 3.10, Hình 3.9, Hình 3.10. nồng độ NO2

--N trƣớc và sau khi xử lý qua các mô hình MSL

Bảng 3.10: Nồng độ NO2

Ký hiệu NTNB NTPL

Cvào(mg/L) Cvào(mg/L)

2,42±0,84

0,51±0,21

Cra(mg/L) 1,14±0,44 Cra(mg/L) 2,17 ±0,68 MSL3

1,87±0,6

0,14±0,11

0,72± 0,44

0,41± 0,24

MSL4

0,78±0,29

0,06±0,07

0,75±0,22

0,06±0,07

MSL5

MSL6 MSL7

)

NTNB

L / g m

Nƣớc thải vào Nƣớc thải sau MSL4 Nƣớc thải sau MSL6

Nƣớc thải sau MSL3 Nƣớc thải sau MSL5 Nƣớc thải sau MSL7

(

N

- 2

O N ộ đ g n ồ N

--N trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm

Hình 3.9: Sự thay đổi nồng độ NO2

của NTNB

)

NTPL

L / g m

Nƣớc thải vào Nƣớc thải sau MSL4 Nƣớc thải sau MSL6

Nƣớc thải sau MSL3 Nƣớc thải sau MSL5 Nƣớc thải sau MSL7

(

N

- 2

O N ộ đ g n ồ N

--N trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm

Hình 3.10: Sự thay đổi nồng độ NO2

của NTPL

Quá trình tạo thành nitrit xảy ra chủ yếu tại lớp thứ 1-3, cực đại tại lớp số 4 (nếu nồng

độ cao) và giảm dần sau các lớp đá ong thứ 5,6,7; đặc biệt từ lớp thứ 6,7 nồng độ nitrit

với nƣớc thải pha loãng do NO2

còn rất thấp, một số trƣờng hợp còn thấp hơn ngƣỡng đo của thiết bị đo khi thực hiện - chỉ là trạng thái tạm thời trƣớc khi chuyển hóa thành --N cao các dạng khác - điều này cũng đã đƣợc K.Sato [64] chứng minh. Nồng độ NO2

nhất tại lớp thứ 4 là 2,42 mg/L với nƣớc thải xám nguyên bản và tại lớp thứ 3 là 1,14

mg/L với nƣớc thải xám pha loãng. Nƣớc thải đầu vào có nồng độ chất ô nhiễm càng

- nhanh chóng biến đổi thành NO3

- làm nồng độ NO3

thấp thì quá trình nitrat hóa càng kéo dài và cần số lớp vật liệu nhiều hơn và ngƣợc lại. --N cũng tăng dần Một phần NO2

theo số lớp đá ong từ 3 đến 5; có giá trị cao nhất sau MSL6 và giảm sau MSL7 với

nƣớc thải xám nguyên bản; tiếp tục tăng sau MSL7 với nƣớc thải xám pha loãng. Nhƣ

vậy, quá trình nitrat hóa amoni xảy ra với nƣớc thải xám pha loãng (có nồng độ amoni

thấp) sẽ lâu hơn so với nƣớc thải xám nguyên bản (có nồng độ amoni cao hơn) và

đƣợc Gray [65] thể hiện trong phản ứng:

+ + 1,5O2  NO2- + 2H+ + H2O

(3-6) Bƣớc 1: NH4

- + 0,5O2 NO3

(3-7) Bƣớc 2: NO2

Nồng độ tổng nitơ đƣợc giảm do amoni, nitrit, nitrat đƣợc loại bỏ do nhờ quá trình

nitrat hóa, khử nitrat hóa, hấp phụ sinh học và hấp phụ các ion trái dấu của đá ong. +-N) đƣợc loại bỏ phần lớn do quá trình nitrat hóa, khử nitrat Trong đó, amoni (NH4

--N, NO2

hóa hoặc oxi hóa amoni trong điều kiện kỵ khí tạo thành N2 tự do thoát ra khí quyển --N; chỉ khoảng 5-10% là đƣợc loại (chiếm 80-85%) hoặc biến đổi thành NO3

bỏ nhờ cơ chế hấp phụ bề mặt và cân bằng ion của hạt khoáng goethite và hemathite

trong thành phần đá ong [66].

- cao nhất tại lớp đá ong nào thì chứng tỏ quá trình nitrat hóa về cơ bản --N đƣợc

-. Kết quả phân tích NO3

Nồng độ NO3

đã xảy ra tại lớp đá ong đó và làm tăng nồng độ NO3

--N trƣớc và sau khi xử lý qua các mô hình MSL

thể hiện trên Bảng 3.11, Hình 3.11, Hình 3.12.

Bảng 3.11: Nồng độ NO3

Ký hiệu NTNB NTPL

Cvào (mg/L) Cvào (mg/L)

Cra (mg/L) 1,49±0,12 MSL3 Cra (mg/L) 1,18 ±0,26

0,64±0,09 MSL4 1,84±0,42

0,44± 0,16 0,14± 0,05 1,16±0,12 MSL5 2,41±0,34

1,54±0,13 MSL6 2,69±0,33

1,62±0,23 MSL7 2,49±0,33

)

NTNB

L / g m

Nƣớc thải vào Nƣớc thải sau MSL4 Nƣớc thải sau MSL6

Nƣớc thải sau MSL3 Nƣớc thải sau MSL5 Nƣớc thải sau MSL7

(

N

-

3 O N ộ đ g n ồ N

Hình 3.11: Sự thay đổi nồng độ NO3

--N trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTNB

NTPL

N

-

3

Nƣớc thải vào Nƣớc thải sau MSL4 Nƣớc thải sau MSL6

Nƣớc thải sau MSL3 Nƣớc thải sau MSL5 Nƣớc thải sau MSL7

O N ộ đ

g n ồ N

--N trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm Hình 3.12: Sự thay đổi nồng độ NO3

--N sau lớp đá ong thứ 7 với nƣớc thải xám nguyên bản chứng tỏ

của NTPL

Dấu hiệu giảm NO3

đã diễn ra quá trình khử nitrat, tạo thành khí N2 và thoát ra khỏi hệ thống theo phản

ứng (3-8) [15]:

- + 1,08CH3OH + H+  0,065C5H7O2N + 0,47N2 + 0,76CO2 + 2,44H2O (3-8)

NO3

Kết quả phân tích nồng độ và hiệu suất xử lý tổng nitơ sau các mô hình xếp lớp đa

tầng đƣợc thể hiện trong Bảng 3.12, Hình 3.13, Hình 3.14.

Bảng 3.12: Nồng độ T-N trƣớc và sau khi xử lý qua các mô hình MSL

Ký hiệu

46,67±4,06

Hiệu suất xử lý (%) Hiệu suất xử lý (%) NTNB Cra (mg/L) Cvào (mg/L)

44,85±4,13

7,65 ±0,71

6,75± 0,74

NTPL Cra (mg/L) 3,71±0,38 Cvào (mg/L) MSL3 14,39± 1,57

Ký hiệu

Hiệu suất xử lý (%) Hiệu suất xử lý (%) Cvào (mg/L) Cvào (mg/L)

56,72±3,29

48,25± 4,45

5,52±0,37

61,42±2,62

3,19±0,21

52,51 ±3,22

NTNB Cra (mg/L) 6,21±0,56 NTPL Cra (mg/L) 3,48±0,33 MSL4

4,47±0,32

68,78±2,12

3,02±0,23

55,04 ±3,29

MSL5

70,34 ±2,01

2,87±0,22

57,29± 3,12

MSL6

4,24±0,37 MSL7 Ghi chú: Giá trị trong bảng là giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn

NTNB

)

Nƣớc thải vào Nƣớc thải sau MSL4 Nƣớc thải sau MSL6

Nƣớc thải sau MSL3 Nƣớc thải sau MSL5 Nƣớc thải sau MSL7

L / g m

(

-

24 21 18 15 12 9 6 3 0

N T ộ đ g n ồ N

Hình 3.13: Sự thay đổi nồng độ T-N trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTNB

)

Nƣớc thài vào Nƣớc thải sau MSL4 Nƣớc thải sau MSL6

Nƣớc thải sau MSL3 Nƣớc thải sau MSL5 Nƣớc thải sau MSL7

NTPL

L / g m

(

-

N T ộ đ g n ồ N

Hình 3.14: Sự thay đổi nồng độ T-N trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của NTPL

Quá trình loại bỏ amoni và nitơ trong nƣớc thải xám bằng đá ong theo kỹ thuật xếp lớp

đa tầng đƣợc lý giải nhƣ sau:

- Quá trình nitrat hóa xảy ra theo phƣơng trình từ (2-16) đến (2-18) nhờ các vi sinh tự

khuẩn này lấy thức ăn là cacbon vô cơ trong CO2, HCO3

-, CO3 +-N thành NO3

nhập từ môi trƣờng vào trong nƣớc thải để oxi hóa NH4

+-N thành nitrit NO2

- thành NO3

-; NO2

dƣỡng thuộc nhóm Nitrosomonas và Nitrobacter tác động đến phản ứng. Các vi 2- và oxi tự do xâm - theo hai bƣớc - và đóng vai trò là kế tiếp nhau: oxi hóa NH4

nguồn cung cấp năng lƣợng cho quá trình sinh trƣởng của vi sinh (trong phƣơng trình +-N cần này oxi là chất nhận electron và N hóa trị âm 5 là chất cho electron; 1gr NH4

4,25g O2 và 7,14 g kiềm theo CaCO3 – oxi cần cho oxi hóa BOD là 1:1). Từ lớp đá

ong thứ 7, nồng độ nitrat có dấu hiệu giảm chứng tỏ bắt đầu diễn ra quá trình khử

nitrat theo phƣơng trình (2-25). Trong môi trƣờng thiếu khí các loại vi khuẩn kỵ khí -) để oxi hóa các hợp chất có chứa -) và nitrat (NO3 tùy tiện sẽ tách oxi trong nitrit (NO2

nitơ. Phần lớn nồng độ nitơ và amoni giảm là do quá trình nitrat hóa để chuyển từ

+- thành NO3

+ mang điện tích dƣơng dễ dàng kết hợp đƣợc với nhóm OH- di động có

NH4

- Các ion NH4

trong cấu trúc O-H-O-H-O với liên kết lỏng lẻo và có tính phân cực của đá ong (hình

1.8 và thuyết minh trang 22) tạo thành phức chất và đƣợc giữ lại trong đá ong.

- Trong môi trƣờng nƣớc thải xám có nồng độ pH = 7,71 thì dạng tồn tại của sắt chủ

yếu là ở dạng Fe(OH)3 – đây là keo lƣỡng tính và có biểu hiện keo dƣơng khi pH< 7,1

+ theo phản ứng sau:

và biểu hiện keo âm khi pH > 7,1 (điểm đẳng điện tại pH=7,1). Do vậy, phần lớn keo

này có xu hƣớng hấp phụ cation dƣơng là NH4

- + NH4

+ FeNH4(OH)3

(3-9) Fe(OH)3

- Trong môi trƣờng kỵ khí nitrit và amoni bị biến đổi trực tiếp thành N2 theo phƣơng

− → N2 + 2H2O

trình:

NH4

+ + NO2 - Phản ứng của Nitrat với chất hữu cơ có trong hệ thống cũng làm giảm NO3

(3-10) --N theo

phản ứng (3-11) [15]:

- CO2 +N2 + ∆Go(W)

trong điều kiện thiếu khí

(3-11) Chất hữu cơ + NO3

- Theo kết quả nghiên cứu của Nguyen Thi Hang Nga

[35], trong môi trƣờng nƣớc thải xám có pH lớn hơn 5

nên đá ong có khả năng hấp phụ các ion âm có trong

nƣớc thải xám nhƣ: một số chất rắn lơ lửng đƣợc tạo

--N (Hình 3.15).

thành từ chất hữu cơ, hợp chất nitơ mang điện tích âm,

--N, NO2

ion NO3

Hình 3.15: Ảnh hƣởng của pH đến sự hấp phụ các ion

trên bề mặt đá ong

Các ion âm này đã di chuyển để gắn vào các hạt khoáng sét goethite (có chứa ion Fe2+) và gibsite (có chứa ion Al3+) mang điện tích dƣơng có

trong thành phần của đá ong tự nhiên theo cơ chế cân bằng ion. Các hạt điện tích âm

liên tục kết gắn với các hạt điện tích dƣơng tạo ra các mảng chất keo tụ kích thƣớc lớn

hơn và dễ dàng chìm lắng xuống đáy của khối vật liệu đƣợc mô tả nhƣ Hình 3.16.

+ + - - - - - - + + + + - - - - + + - - - - - + + - - - + + - - Hình 3.16: Cơ chế cân bằng điện tích trong việc keo tụ chất rắn lơ lửng

+ + - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + - - + + - - - + + - - - - - - - - - - - - + + + + + + - - + + - - - - - - - - - - - - + - + + + + + - - - - - - +

3--P)

3.2.1.4 Phốt pho (T-P) và phốt phát (PO4

Phốt phát chiếm 52,7% tổng phốt pho (T-P) trong nƣớc thải xám nhà cao tầng và là

một trong các nguồn dinh dƣỡng cho sinh vật, do vậy loại bỏ T-P chủ yếu đƣợc phân 3--P). tích thông qua việc loại bỏ phốt phát (PO4

Phốt phát đƣợc xử lý nhờ khả năng hấp phụ của đá ong [67] và hoạt động sống của vi

sinh vật [15]. Nồng độ phốt phát trong nƣớc thải xám sau xử lý qua các hệ thống đều

xuống rất thấp ngay sau 3 lớp đá ong đầu tiên và tiếp tục giảm sau khi đi qua các lớp 3--P trong nƣớc thải đầu ra của tất cả đá ong thứ 4, 5, 6, 7. Độ chênh lệch nồng độ PO4

các hệ thống có từ 4 lớp đá ong trở lên hầu nhƣ không có sự chênh lệch và tiến đến

ngƣỡng 0,02 mg/L ở các hệ thống có nhiều hơn 5 lớp vật liệu. Điều này chứng tỏ tiềm

3-- P đƣợc thể hiện trong Bảng 3.13, Hình 3.17, Hình 3.18

năng loại bỏ phốt phát trong nƣớc thải xám bằng đá ong là rất cao. Kết quả loại bỏ

3--P trƣớc và sau khi đi qua các lớp đá ong

PO4

Bảng 3.13: Nồng độ PO4

Ký hiệu

Hiệu suất xử lý (%) Hiệu suất xử lý (%) NTNB Cvào (mg/L) NTPL Cvào (mg/L)

89,01±6,33

0,07±0,04 96,77±1,63

0,06±0,03

92,94±3,48

Cra (mg/L) 0,09±0,06 Cra (mg/L) 0,28±0,18 87,31±7,02 MSL3

0,03±0,02 98,53±0,61

0,03±0,01

96,91±0,91

2,15± 0,59

0,79±0,22

MSL4

0,02±0,01 98,83±0,41

0,02±0,01

97,61±0,55

MSL5

0,02±0,01 98,84±0,39

0,02±0,01

97,61±0,55

MSL6

4.0

MSL7

)

3.0

NTNB

L / g m

Nƣớc thải vào Nƣớc thải sau MSL4 Nƣớc thải sau MSL6

Nƣớc thải sau MSL3 Nƣớc thải sau MSL5 Nƣớc thải sau MSL7

( P - - 3

2.0

4

1.0

0.0

O P ộ đ g n ồ N

3--P trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm

Hình 3.17: Sự thay đổi nồng độ PO4

2.0

của NTNB

)

1.5

NTPL

L / g m

Nƣớc thải vào Nƣớc thải sau MSL4 Nƣớc thải sau MSL6

Nƣớc thải sau MSL3 Nƣớc thải sau MSL5 Nƣớc thải sau MSL7

( P - - 3

1.0

4

0.5

0.0

O P ộ đ g n ồ N

3--P trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm

Hình 3.18: Sự thay đổi nồng độ PO4

của NTPL

Phốt phát đƣợc loại bỏ ra khỏi nƣớc thải xám hiệu quả nhờ: Trong thành phần đá ong

có chứa hạt khoáng sét geothite và hemathite (đã trình bày kỹ trong chƣơng 2). Nhóm 2- sau đó bị giữ lại chức bề mặt hydroxit sắt của chúng sẽ tạo phức chất với ion HPO4

cố định trên lớp vật liệu đá ong và đƣợc Seiki mô tả theo phản ứng hóa học dƣới đây:

2-+H = Fe-OPO3

2- +H2O

(3-12) Fe-OH+ HPO4

Nếu trong nƣớc thải có các chất khác nhƣ SO4, PO4, CO3….thì sẽ xảy ra hấp phụ cạnh

tranh; thứ tự chọn lọc hấp phụ các anion của phốt phát là: Phốt phát→ Sunfat →

Cacbonat. Tác giả Nguyễn Thị Hằng Nga [35] nghiên cứu, định lƣợng cụ thể khả năng

hấp phụ phốt phát của đá ong là 1,5 mgP/g đá ong.

Ngoài ra, phốt phát trong nƣớc thải xám là một trong các chất dinh dƣỡng cần thiết

cho sự phát triển của vi sinh vật và đƣợc loại bỏ nhờ cơ chế hấp phụ sinh học trong

điều kiện hiếu khí và kỵ khí. Phốt phát tham gia vào quá trình trao đổi chất của cả vi

sinh vật hiếu khí và tùy tiện. Sự tích tụ của poly phốt phát trong điều kiện hiếu khí có

thể mô tả theo phản ứng (3-13) sau:

+ + 1,2O2 + 0,2PO4

3- → 0,16C5H7O2 + 1,2CO2 +

(3-13) C2H4O2 + 0,16NH4

0,2(HPO3) + 0,44OH- +1,44H2O

Dựa theo phản ứng cân bằng hóa học và phân tích tại mục 2.1.2, ƣớc tính lƣợng phốt

3--P

pho đƣợc hấp phụ nhờ vi sinh theo COD nhƣ sau:

thì tiêu thụ hết 100 mg COD 2 mg PO4

x = ??? thì tiêu thụ hết A mg COD

Suy ra: (3-14) 𝑥 = ( ) 2. 𝐴 100 𝑚𝑔 𝐿

trong đó: x là lƣợng phốt pho đƣợc tiêu thụ (mg/L)

A: nồng độ COD đã biết (mg/L)

Nƣớc thải xám có tỷ lệ P/BOD <0,03 và N/BOD < 0,25 [3] - là môi trƣờng lý tƣởng

cho phƣơng pháp khử P bằng sinh học. Ngoài ra, lƣợng phốt phát đƣợc loại bỏ phần

lớn nhờ khả năng hấp phụ các ion âm của đá ong thì phốt phát còn đƣợc loại bỏ do quá

trình tiêu thụ phốt phát nhƣ chất dinh dƣỡng của vi sinh vật. Cơ chế chuyển hóa và hấp

phụ phốt pho của vi sinh vật đƣợc mô tả tại Hình 3.19.

3--P của vi sinh vật [15]

Hình 3.19: Sự chuyển hóa và hấp thụ PO4

Hiệu suất xử lý T-P tăng tỷ lệ với số lớp đá ong có trong hệ thống và chậm hơn PO4

P. Hiệu suất xử lý T-P sau lớp thứ 6 đểu đạt trên 90% với cả nƣớc thải xám nguyên

bản và nƣớc thải xám pha loãng (Bảng 3.14, Hình 3.20, Hình 3.21).

Bảng 3.14: Nồng độ T-P trƣớc và sau khi đi qua các lớp đá ong

Ký hiệu

48,13±13,74

Hiệu suất xử lý (%) Hiệu suất xử lý (%) Cvào (mg/L) Cvào (mg/L)

61,04±2,31

1,82±0,5

53,47±13,19

0,53±0,15

67,02±1,89

NTPL Cra (mg/L) 0,63±0,18 NTNB Cra (mg/L) 2,03 ±0,57 MSL3

1,12±0,64

71,48±17,23

0,42±0,11

74,77±2,02

4,02± 1,11

1,62± 0,46

MSL4

0,22±0,13

94,32±3,45

0,16±0,04

90,06±1,15

MSL5

0,11±0,04

97,19±1,02

0,08±0,03

95,04±1,35

MSL6

MSL7

)

NTNB

L / g m

Nƣớc thải vào Nƣớc thải sau MSL4 Nƣớc thải sau MSL6

Nƣớc thải sau MSL3 Nƣớc thải sau MSL5 Nƣớc thải sau MSL7

( P - T ộ đ g n ồ N

8 7 6 5 4 3 2 1 0

Hình 3.20: Sự thay đổi nồng độ T-P trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của

NTNB

)

Nƣớc thải vào Nƣớc thải sau MSL4 Nƣớc thải sau MSL6

Nƣớc thải sau MSL3 Nƣớc thải sau MSL5 Nƣớc thải sau MSL7

NTPL

L / g m

( P - T ộ đ g n ồ N

Hình 3.21: Sự thay đổi nồng độ T-P trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm của

NTPL

Hiệu suất xử lý T-P này là tƣơng đƣơng với kết quả nghiên cứu của K.Sato [64], cao

hơn kết quả nghiên cứu của R. Pattnaik là 70% [68]. Khả năng loại bỏ phốt pho của

đá ong cao nhƣ trên cũng đã đƣợc nhiều tác giả chứng minh. Kết quả nghiên cứu của

trên một số loại đá ong ở Việt Nam (Thạch Thất, Hòa Lạc và Quỳnh Tam) cho thấy:

đá ong có khả năng hấp phụ P cao ở pH = 7, đẳng hấp phụ P tuân theo phƣơng trình

0.060

) 1 - g

0.050

0.040

l o m m

0.030

( ụ h p

0.020

● 1-TT ○ 2-HL □ 3-QT

0.010

___ Công thức Langmuir .......Công thức Freundlich

0.000

p ấ h c ợ ƣ đ P

0.000

0.200

0.400

0.600

0.800

1.000

nồng độ P bão hòa (mmol.L-1)

Langmuir và Freundlich đƣợc thể hiện tại Bảng 3.15 và Hình 3.22 [67].

Hình 3.22: Đẳng hấp phụ P bằng đá ong ở 25oC và pH = 6

Bảng 3.15: Đẳng hấp phụ P trên bề mặt đá ong

Langmuir Freundlich Ký hiệu mẫu

0,84

17,16

0,05

0,246

0,994

0,991

0,46

13,04

0,037

0,266

0,976

0,992

qm (mg/g) 1,01 B 20,2 K 0,055 1/n 0,233 R2 0,993 R2 0,991

1-TT 2-HL 3-QT

Hay một số công trình nghiên cứu của các tác giả khác tại Bảng 3.16 cũng khẳng định

khả năng loại bỏ phốt pho của đá ong. Điều này còn đƣợc chứng minh bằng kết quả áp

dụng thực tế để xử lý nƣớc thải, nƣớc ao hồ tự nhiên của MJ Saynor và A Harford.

Bảng 3.16: Khả năng hấp phụ P của một số loại vật liệu

Vật liệu Nguồn tham khảo

pH Nồng độ P ban đầu (mgP/L) 30 6-7 Khả năng hấp phụ P (mgP/g) 6,6 Đá ong nghiền nhỏ Chenget al. (2007)

5,5 40 10,5 thành

Đá ong có phần chính là Fe2O3 Khoáng palygorskite 7,1 50 4 Johansson and Gustafsson(1999) Yeetal. (2006)

7,6 3,5-20 0,746 Edzwald (1976)

Khoáng Montmorillonite Khoáng Kaolinite 7-8,3 4-40 0,091 Edzwald (1976)

Khoáng Illite 7,5 10-30 2,51 Edzwald (1976)

Laterite 7,8 6,68 0,58

MJ Saynor và A Harford (2010)

3.2.2 Xác định hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ nền (qua thông số BOD5, COD) +-N) theo số lớp đá ong trong hệ thống

và chuyển hóa nitơ (qua thông số NH4 xếp lớp đa tầng.

Mục đích trong tiểu mục này là tìm ra hệ số tốc độ phân hủy sinh học chất hữu cơ nền

và tốc độ loại bỏ amoni theo số lớp đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đất đa tầng, làm cơ sở

cho việc xác định số lớp đá ong cần thiết để xử lý một nguồn nƣớc thải xám cụ thể.

3.2.2.1 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

Chất hữu cơ nền đƣợc loại bỏ dựa trên quá trình phản ứng sinh học hiếu khí, thiếu –kỵ

khí và khả năng hấp phụ của đá ong xảy ra trong các hệ thống xếp lớp đa tầng. Tuy

nhiên, theo Carlson và Silverstein [69], lƣợng chất hữu cơ đƣợc loại bỏ thông qua quá

trình hoạt động của các vi sinh vật hoặc hấp phụ lên lớp màng vi sinh vật đƣợc hình

thành bao quanh các hạt vật liệu chiếm đến 96% và chỉ khoảng 4% chất hữu cơ là

đƣợc loại bỏ thông qua hấp phụ vật lý; kết quả nghiên cứu của HMK Esandoh [70]

cũng chứng minh rằng, quá trình loại bỏ các chất hữu cơ nền trong nƣớc thải đƣợc

thực hiện chủ yếu thông qua quá trình phân hủy sinh học. Do vậy, việc xác định tốc độ

phân hủy chất hữu cơ nền trong nghiên cứu này chính là tốc độ phân hủy sinh học chất

hữu cơ nền thông qua hệ số tốc độ phân hủy sinh học (ks). Hệ số tốc độ phân hủy sinh

học ks đƣợc xác định bằng thực nghiệm và làm cơ sở tính toán các thông số cơ bản

phục vụ thiết kế, xây dựng các công trình xếp lớp đa tầng.

Tỷ lệ chuyển hóa chất hữu cơ nền theo T. Pfeiffer, R. Malone [71] đƣợc thể hiện tại

𝑑𝐶

công thức (3-15) (đã đƣợc trình bày tại chƣơng 2, tiểu mục 2.1.1).

𝑑𝑡

(3-15) 𝑟 = = - k.𝐶𝑛

Nghiên cứu động học của phản ứng BOD, COD đã chứng minh đƣợc rằng, hầu hết

chúng là phản ứng bậc 1 nên n =1 [4] trong hệ thống xếp lớp đa tầng với tải trọng thủy

lực không đổi thì biến thời gian tỉ lệ tƣơng dƣơng với số lớp đất có trong hệ thống [72]

do vậy công thức (3-15) sẽ biến đổi thành (3-16):

(3-16) = - k.C n = 1  𝑟 =

Tích phân phƣơng trình (3-16) với điều kiện ban đầu C(0) = C0 ta có:

𝑡

(3-17)

𝐶 𝐶𝑜

𝑑𝑡 = −𝑘. 𝑑𝑡 𝑑𝐶 𝐶

nếu t = 0   lnC = kt + I

C = Co  I = lnCo

(3-18) ln = kt  C = Co . ekt

trong đó: Ct: nồng độ BOD5 tại thời điểm t (mg/L)

C0: nồng độ BOD5 ban đầu (mg/L)

k: hệ số phân hủy chất hữu cơ nền theo lớp vật liệu lọc

t: thời gian để nồng độ chất ô nhiễm giảm từ C0 xuống C

Thời gian tiếp xúc trung bình đƣợc tính toán theo công thức của Eckenfelder [73] nhƣ

(3-19) 𝑡 = 𝐶. 𝐻 𝑄𝑛

trong đó: Q là tải trọng thủy lực (L/m2.ngày)

n, C là những hằng số xác định bằng thực nghiệm

H là chiều cao lớp vật liệu (m)

H = n.h (n là số lớp vật liệu, h là chiều cao của một lớp vật liệu)

𝐶.𝐻

Từ (3-18), (3-19) ta có:

𝐶.𝑕 .𝑛 𝑄 𝑛

𝑄 𝑛 = 𝐶𝑜 . 𝑒−𝑘.

𝐶.𝑕

(3-20) 𝐶 = 𝐶𝑜 . 𝑒−𝑘.

𝑄𝑛 khi đó công thức (3-20) sẽ biến đổi thành:

Đặt 𝑘𝑠 = 𝑘.

(3-21) 𝐶 = 𝐶𝑜 . 𝑒−𝑘𝑠.𝑛

Từ các kết quả nghiên cứu thực nghiệm, phân tích ảnh hƣởng của số lớp đá ong đến

nồng độ BOD5, COD còn lại trong nƣớc thải sau xử lý theo phƣơng pháp hồi quy phi

tuyến tính. Kết quả đƣợc thể hiện trên Hình 3.23, Hình 3.24.

t

5

BOD5

)

NTNB NTPL Expon. (NTNB) Expon. (NTPL)

L / g m

(

y = Co.e-0.34x R² = 0.969

y = Co.e-0.21x R² = 0.876

D O B ộ đ g n ồ N

7 Số lớp đá ong

Hình 3.23: Mối quan hệ giữa nồng độ BOD5 và số lớp đá ong có trong mô hình

Hình 3.23 cho thấy: Đƣờng mô phỏng các kết quả thực nghiệm nồng độ BOD5 cho hệ số xác định R2 = 0,91 của nƣớc thải xám nguyên bản lớn hơn R2 = 0,835 của nƣớc thải

xám pha loãng. Nhƣ vậy, kết quả mô phỏng nồng độ BOD5 của nƣớc thải nguyên bản

sát và gần đúng hơn so với kết quả phân tích hơn nƣớc thải pha loãng.

Công thức dạng tổng quát để xác định đƣờng cong phi tuyến tính mô phỏng các kết

quả thực nghiệm hay chính là công thức xác định nồng độ BOD5 còn lại sau lớp đá

ong thứ x đƣợc thể hiện tại công thức (3-22) và (3-23).

- Với nồng độ BOD5 đầu vào trung bình là 76,7 mg/L thì nồng độ BOD5 còn

lại trong nƣớc thải sau xử lý đƣợc xác định theo công thức:

C = C0.e-0.34x (3-22)

 hệ số tốc độ phân hủy theo lớp đá ong kBOD5 cao = 0,34 (lớp-1)

- Với nồng độ BOD5 đầu vào trung bình là 34,7 mg/L thì nồng độ BOD5 còn

lại trong nƣớc thải sau xử lý đƣợc xác định theo công thức:

C = C0.e-0.21x (3-23)

 khi đó hệ số tốc độ phân hủy theo lớp đá ong kBOD5 thấp = 0,21 (lớp-1)

)

180

COD

150

L / g m

(

t

120

y = Co.e-0.22x R² = 0.835

NTNB NTPL Expon. (NTNB) Expon. (NTPL)

y = Co.e-0.18x R² = 0.915

D O C ộ đ g n ồ N

7 Số lớp đá ong

Hình 3.24: Mối quan hệ giữa nồng độ COD và số lớp đá ong có trong mô hình

Ngƣợc lại với BOD5, Hình 3.24 cho thấy đƣờng mô phỏng kết quả thực nghiệm của nƣớc thải xám pha loãng với hệ số xác định R2 = 0,915 là sát hơn so với đƣởng mô phỏng các kết quả thực nghiệm của nƣớc thải xám nguyên bản với R2 = 0,835. Công

thức dạng tổng quát để xác định đƣờng cong phi tuyến tính mô phỏng các kết quả thực

nghiệm hay chính là công thức xác định nồng độ COD còn lại sau lớp đá ong thứ x

đƣợc thể hiện tại công thức (3-24), (3-25).

- Với nồng độ COD đầu vào trung bình là 136,4 mg/L thì nồng độ COD còn lại trong

nƣớc thải sau lớp đá ong thứ x đƣợc xác định theo công thức:

C = C0.e-0,22.x (3-24)

 khi đó hệ số phân hủy theo lớp vật liệu kCOD cao = 0,22 (lớp-1)

- Với nồng độ COD đầu vào trung bình là 66,6 mg/L thì nồng độ COD trong nƣớc thải

sau lớp đá ong thứ x xác định theo công thức:

C = C0.e-0.18.x (3-25)

 khi đó hệ số tốc độ phân hủy kCOD thấp = 0,18 (lớp-1)

Bảng 3.17: Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ nền (ks) qua các lớp đá ong.

TT Thông số Nồng độ vào (mg/L)

76,71 Hệ số ks (lớp-1) 0,34 R2 0,969 1 BOD5 34,72 0,21 0,876

2 COD 136,43 66,61 0,22 0,18 0,835 0,915

Nồng độ chất hữu cơ nền trong nƣớc thải đầu vào tỷ lệ thuận với hiệu suất xử lý và hệ

số tốc độ phân hủy. Cụ thể:

- Với nồng độ BOD5 trung bình là 76,71 mg/L và 34,72 mg/L thì hệ số hệ số tốc độ phân hủy lần lƣợt là 0,34 (lớp-1) và 0,21 (lớp-1); nƣớc thải nguyên bản cho kết quả thí nghiệm gần với lý thuyết hơn với hệ số xác định R2 = 0,969 trong khi nƣớc thải pha loãng chỉ đạt R2 = 0,876.

+-N).

- Với nồng độ COD trung bình là 136,43 mg/L và 66,61 mg/L thì hệ số hệ số tốc độ phân hủy lần lƣợt là 0,22 (lớp1) và 0,18 (lớp-1); nƣớc thải pha loãng lại cho kết quả thí nghiệm gần với lý thuyết hơn với hệ số xác định R2 = 0,915 trong khi nƣớc thải pha loãng chỉ đạt R2 = 0,835.

3.2.2.2 Xác định hệ số tốc độ chuyển hóa nitơ (thông qua thông số NH4

Nitơ trong nƣớc thải xám đƣợc loại bỏ chủ yếu thông qua việc chuyển hóa amoni +-N) bên trong hệ thống xếp lớp đa tầng nhờ quá trình phân hủy sinh học và hấp (NH4 phụ. Trong phạm vi nhiệt độ bình thƣờng (7-350C), tỷ lệ chuyển hóa nitơ đƣợc thể

hiện bởi phƣơng trình Monod có mối quan hệ tuyến tính với nồng độ chất ô nhiễm

trong nƣớc thải đầu vào trong một phạm vi nhất định; tỷ lệ nitơ đƣợc chuyển hóa theo

cơ chế hấp phụ đƣợc xác định theo phƣơng trình đẳng nhiệt Langmuir [70]. Quá trình

phân hủy sinh học và hấp phụ xảy ra song song với nhau. Tốc độ chuyển hóa nitơ

trong hệ thống đƣợc xác định theo công thức (3-26):

(3-26) r = rsinh học + rhấp phụ

trong đó: rsinh học là tốc độ chuyển hóa bằng phân hủy sinh học

dC 1

rhấp phụ là tốc độ chuyển hóa bằng khả năng hấp phụ của vật liệu

dC 2

(1) = k1 (C0C) r𝑠𝑖𝑛 𝑕 𝑕ọ𝑐 =

= k2 (C0C)

(2) r𝑕ấ𝑝 𝑝𝑕ụ = −

Ta có tốc độ chuyển hóa chung:

𝑑𝐶

r = rsinh học + rhấp phụ= k1. (C0 C) + k2 . (C0 C) (3-27)

𝑑𝑡

(3-28)  r = = (k1 + k2) (C0 C)

(3-29)

C0 C

(Đặt K= k1+k2)  k1 + k2 = . ln

(3-30)

C0 C

 K = . ln

C0 C

(3-31)  Kt = ln

Công thức (3-31) có dạng hồi quy tuyến tính dạng y = ax

𝐶0 𝐶

; a = K; x = t; trong đó: 𝑦 = 𝑙𝑛

𝐶0 𝐶

Để xác định hệ số k tiến hành khảo sát hàm số 𝑙𝑛 = 𝑓(𝑡) 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 đƣợc

+-N) qua các lớp đá ong

thể hiện trên Bảng 3.18, Hình 3.25.

Bảng 3.18: Hệ số tốc độ chuyển hóa amoni (NH4

TT Thông số

+-N

1 NH4 Nồng độ vào (mg/L) 7,82 3,04 Hệ số K (lớp-1) 0,401 0,382 R2 0,969 0,885

NTNB NTPL

y = 0.401x R² = 0.969

C / o C n l

y = 0.382x R² = 0.885

8 Số lớp đá ong

C0 C

+-N) không có sự chênh

và số lớp đá ong có trong mô hình Hình 3.25: Mối quan hệ giữa ln

+-N cao (NTNB) và thấp (NTPL).

Kết quả thu đƣợc cho thấy: Hệ số tốc độ phản ứng amoni (NH4

lệch nhiều giữa nƣớc thải xám có nồng độ NH4

+-N) vào trung bình là 7,8 mg/L thì hệ số tốc độ phản ứng là K = 0,401(lớp-1), hệ số xác định R2 = 0,969. Chứng tỏ đƣờng mô phỏng lý thuyết và kết quả thu

- Với nƣớc thải xám có nồng độ cao (NTNB) có nồng độ amoni (NH4

đƣợc từ thực nghiệm tƣơng đối sát nhau.

+-N) vào trung bình là 3,04 mg/L thì hệ số tốc độ phản ứng là K = 0,382 (lớp-1), hệ số xác định R2 = 0,885. Chứng tỏ đƣờng mô phỏng và kết quả thu đƣợc

- Với nƣớc thải xám có nồng độ thấp (NTPL) có nồng độ amoni (NH4

từ thực nghiệm có sự chênh lệch tƣơng đối nhiều.

3.2.2.3 Cơ chế hoạt động của hệ thống xếp lớp đa tầng sử dụng đá ong làm vật liệu

chính

Các quá trình hóa lý và sinh học phức tạp diễn ra trong vùng hiếu khí (không ngập

nƣớc) và vùng kỵ khí (vùng ngập nƣớc). Các chất ô nhiễm đƣợc loại bỏ nhờ cơ chế

lọc, hấp phụ hóa -lý, phân hủy sinh học các chất hữu cơ trong điều kiện hiếu – kỵ khí,

quá trình nitrat hóa và khử nitrat hóa nitơ …, tạo thành các phức chất giữ lại trong lớp

đá ong hoặc trở thành thức ăn cho vi sinh vật; hầu hết các quá trình xử lý các chất ô

nhiễm trong nƣớc thải xám xảy ra ở những lớp đất phía trên trong điều kiện hiếu khí

[74], [75].

Ngoài khả năng loại bỏ chất hữu cơ theo cơ chế phân hủy sinh học nhƣ các công nghệ

khác thì khả năng loại bỏ nitơ cao đƣợc coi là điểm mạnh khi sử dụng đá ong theo kỹ

100

thuật xếp lớp đa tầng để xử lý nƣớc thải xám. Phân tích kết quả loại bỏ nitơ qua các

mô hình xếp lớp đa tầng cho thấy nitơ chủ yếu đƣợc loại bỏ qua quá trình nitrat hóa

còn quá trình khử nitrat xảy ra rất ít; quá trình nitrat hóa đƣợc diễn ra theo hai giai

đoạn tạo điều kiện của các loài khác nhau của vi khuẩn nitrat tự dƣỡng. Tại giai đoạn

đầu tiên, các ion amoni đƣợc oxi hóa thành nitrit và thƣờng đƣợc xúc tác bởi các vi

khuẩn thuộc giống Nitrosomonas trong đó vi khuẩn Nitrosomonas europa,

Nitrosomonas oligocarbogenes và Nitrosomonas monocella đƣợc ba loài thƣờng đƣợc

tìm thấy nhiều nhất [65]. Ngoài ra, một số loại vi khuẩn tự dƣỡng khác nhƣ

Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus và Nitrosovibrio cũng đã đƣợc xác định

[76] là có khả năng oxy hóa amoni thành nitrit. Quá trình oxy hóa đƣợc thể hiện:

(3-32) NH4 + 1,5 O2  NO2 + 2H+ + H20

Giai đoạn thứ hai của quá trình nitrat hóa là quá trình oxy hóa nitrit thành nitrat. Các vi

khuẩn thuộc họ Nitrobacter thực hiện giai đoạn thứ hai này chủ yếu nhờ vi khuẩn

Nitrobacter winogradskyi và Agilis Nitrobacter [65]. Tƣơng tự giai đoạn thứ nhất, tại

giai đoạn 2 này các vi khuẩn khác nhƣ Nitrococcus, Nitrospira, Nitrospina và

Chất hữu cơ và nitơ còn đƣợc loại bỏ hiệu quả nhờ cấu trúc đặc biệt của các khoáng

vật có trong đá ong. Theo Trịnh Xuân Lai [77] có ba nhân tố ảnh hƣởng đến quá trình

phát triển của vi sinh vật là: nguồn cacbon dùng làm thức ăn, nguồn năng lƣợng để vi

sinh vật phát triển và chất thu nhận electron e- trong quá trình oxi hóa sinh hóa . Quá

trình nitrat hóa là phần trọng yếu của các hoạt động trao đổi chất của nhóm vi sinh tự

dƣỡng (autotrophic) và hợp chất nitơ vô cơ; các phản ứng sinh hóa oxi hóa khử trao

đổi chất cần có chất thu nhận electron và xảy ra theo phản ứng oxi hóa sau:

Nitroeystis cũng đƣợc tìm thấy và có khả năng để chuyển đổi nitrit thành nitrat [51].

Trong phản ứng oxi hóa này, dƣới tác động của vi sinh vật tự dƣỡng thì amoni NH4

đóng vai trò là chất cho electron còn oxi là chất nhận electron. Do khoáng vật của đá

ong có mối liên kết O-H-O-H-O lỏng lẻo nên chính oxi trong mối liên kết này sau khi

phân li trở thành chất nhận electron theo các phƣơng trình phản ứng cân bằng sau:

101

Tại các tầng đá ong sâu, khả năng thâm nhập của oxi từ môi trƣờng không khí giảm,

khi đó oxi có trong liên kết O-H-O-H-O lỏng lẻo sẽ đƣợc giải phóng nên dễ dàng đóng

vai trò làm chất nhận electron để duy trì phản ứng oxi hóa khử tiếp tục diễn ra. Do vậy,

quá trình loại bỏ chất hữu cơ và nitơ trong điều kiện hiếu khí đƣợc kéo dài hơn so với

các loại vật liệu khác và cho hiệu suất xử lý cao. Ngoài ra, đá ong với thành phần hóa

học chủ yếu là Fe2O3, Al2O3 nên trong môi trƣờng nƣớc thải xám có pH lớn= 7,71 các

-, NO3

oxit này sẽ dần biến đổi thành Fe(OH)3 và Al(OH)3 và có xu hƣớng thể hiện là các keo +; các ion Fe2+ có trong khoáng âm có khả năng kết hợp với các ion trái dấu nhƣ NH4 sét goethite và ion Al3+ có trong khoáng sét gibsite mang điện tích dƣơng hấp phụ hóa - theo cơ chế cân bằng ion (trình bày trong tiểu mục 3.1.2.3). học với ion NO2

Quá trình tạo thành sinh khối gây tắc và ảnh hƣởng đến tuổi thọ làm việc sẽ đƣợc tính

toán cho từng hệ thống cụ thể (tham khảo phụ lục D). Cơ chế hoạt động của hệ thống

xếp lớp đa tầng đƣợc tóm tắt tại Hình 3.26.

Hình 3.26: Cơ chế làm việc của hệ thống MSL với đá ong làm vật liệu chính

Nhƣ vậy, trong các mô hình xếp lớp đa tầng sử dụng đá ong làm vật liệu chính thì chất

hữu cơ nền, chất dinh dƣỡng đƣợc loại bỏ nhờ cơ chế sinh học và hấp phụ. Với khả

102

năng duy trì môi trƣờng hiếu khí trong các lớp đá ong và tiềm năng hấp phụ lớn nên có

thể dùng đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đa tầng để xử lý nƣớc thải xám trong thời gian

lâu dài nếu vận hành đúng cách.

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

3.3.1 Xác định số lượng lớp vật liệu cần thiết để xử lý nước thải sinh hoạt xám nhà

B5 - Yên Thường

3.3.1.1 Xác định số lớp vật liệu theo thông số BOD5, COD

Từ kết quả phân tích tính chất nƣớc thải sinh hoạt xám nhà B5 – Yên Thƣờng (trình

bày trong tiểu mục 1.2) và yêu cầu chất lƣợng nƣớc thải sau xử lý đạt QCVN

14:2008/BTNMT (B) – Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nƣớc thải sinh hoạt (B) và

QCVN 08:2008/BTNMT (B1) – Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lƣợng nƣớc mặt, +-N cột B1- nƣớc dùng cho mục đích tƣới tiêu. So sánh nồng độ COD, BOD5, NH4

trong QCVN 14:2008/BTNMT (B) và QCVN 08:2008/BTNMT (B1) thấy: nếu nƣớc

thải sau xử lý nếu đạt QCVN 08:2008/BTNMT(B1) thì cũng sẽ đạt QCVN

14:2008/BTNMT(B) nên giá trị dùng trong tính toán dƣới đây lấy theo QCVN

08:2008/BTNMT(B1); Để đánh giá chất lƣợng nƣớc sau xử lý có đạt yêu cầu hay

không thì tiến hành so sánh kết quả phân tích nồng độ các thông số ô nhiễm của nƣớc

thải xám sau xử lý với các giá trị nhỏ hơn (trƣờng hợp một quy chuẩn không có thông

số này thì so sánh với giá trị của quy chuẩn còn lại).

- Nồng độ BOD5 = 92±18,3 mg/L gần với nƣớc thải nguyên bản thực hiện

trong nghiên cứu quy mô phòng thí nghiệm, do vậy chọn hệ số tốc độ phân hủy k = 0,34 (lớp-1).

Có ln = kt (3-33)

BOD5 = 73,7 mg/L

trong đó: C0

CBOD5= 15 mg/L

(3-34) 𝑙𝑛 = 0,34𝑡 73,7 15

103

 t = 4,68 lớp đá ong

- Nồng độ COD =113±22,31 mg/L cũng gần với nƣớc thải nguyên bản thực

hiện trong nghiên cứu quy mô phòng thí nghiệm do vậy chọn hệ số tốc độ phân hủy k = 0,22 (lớp-1).

(3-35) Có ln = kt

trong đó: C0 = 113 mg/L

C = 30 mg/L

(3-36) 𝑙𝑛 = 0,22𝑡 140 30

+-N)

 t = 6,03 lớp đá ong

3.3.1.2 Xác định số lớp vật liệu theo thông số amoni (NH4

Kết quả nghiên cứu tại chƣơng 3, tiểu mục 3.1.2 cho thấy: Hệ số tốc độ loại bỏ NH4

+-N của nhà B5 – Yên Thƣờng là 10,11 mg/L nên chọn hệ số k = 0,401 (lớp-1)

N có sự chênh lệch không nhiều giữa nồng độ cao và nồng độ thấp. Tuy nhiên, nồng

độ NH4

(3-37) Có kt = ln C0 C

trong đó:

C0 = 10,11 mg/L nên gần với nồng độ cao trong phòng thí nghiệm nên tốc độ phân

hủy k = 0,384 (Bảng 3.18)

C =1 mg/L nên số lớp đất cần thiết là:

t =

1 k

C0 C

1 0,401

10,1 1

(3-38)

 t = 5,77 lớp đá ong

Từ các kết quả tính toán trên, lựa chọn hệ thống xếp lớp đa tầng 6 lớp đá ong.

3.3.2 Xác định kích thước mô hình thực nghiệm (pilot) theo lưu lượng nước thải

sinh hoạt xám cần xử lý

Xây dựng mô hình thực nghiệm MSL6–PL để xử lý nƣớc thải sinh hoạt xám của 3 căn

hộ trong nhà B5 - Yên Thƣờng với số ngƣời trực tiếp tham gia thải nƣớc vào hệ thống

104

là 9 ngƣời. Lƣợng nƣớc thải xám cần xử lý là: thải xám*N (L/ngày) Qthải xám = q0 (3-39)

thải xám là tiêu chuẩn thải nƣớc (L/ngƣời.ngày)

trong đó: N là số ngƣời tham gia thải nƣớc (ngƣời)

thải xám = 96,9 L/ngƣời.ngày thải xám*N = = 96,9*9 = 872,1 L/ngày

Theo kết quả khảo sát thì q0

(3-40) nên Qthải xám = q0

(3-41) Chọn Qthải xám = 900 L/ngày = 0,9 m3/ngày

Với tải trọng thủy lực phân phối là 2.000 L/m2.ngày nên kích thƣớc của hệ thống đƣợc

xác định LxBxH = 0,95x0,5x0,68 m (MSL6-PL) - đƣợc mô tả cụ thể trong chƣơng 2,

tiểu mục 2.3.2.2).

3.3.3 Quá trình khởi động mô hình thử nghiệm (pilot)

Phần lớn các chất ô nhiễm trong nƣớc thải xám (chất hữu cơ, amoni…) đƣợc loại bỏ

nhờ cơ chế sinh học. Khởi động mô hình thử nghiệm đƣợc xét theo quá trình ổn định

+-N thành NO2

- và NO3

-. Đầu tiên, NH4

NO2

- bởi nhóm vi khuẩn Nitrosomonas, sau đó vi khuẩn Nitrobacter sử dụng men - có thể đƣợc các vi sinh vật thủy

các vi sinh vật cho quá trình nitrat hóa hai giai đoạn nối tiếp nhau và xác định nhờ sự + đƣợc chuyển hóa thành biến đổi nồng độ NH4

- thành NO3

-. NO3

nitrite oxidase để chuyển hóa NO2

sinh sử dụng nhƣ nguồn chất dinh dƣỡng hoặc bị chuyển hóa thành N2 qua hoạt động

khi nồng độ NO2 đầu tiên đến ngày thứ 9, nồng độ NH4 -, NO3

+- thành NO2

- , NO3

- ; NH4

đủ lớn để oxi hóa NH4

của các vi khuẩn yếm khí nhƣ Pseudomonas. Kết quả Hình 3.27 cho thấy: Từ ngày + giảm từ 6,78 mg/L xuống còn 3,59 mg/L trong - không tăng nhiều, chứng tỏ số lƣợng vi khuẩn phát triển chƣa + đƣợc hấp phụ chủ yếu nhờ nhóm OH- + giảm. Từ ngày thứ 10 đến ngày thứ 19 số lƣợng có trong đá ong nên nồng độ ion NH4

- tăng cao. Sau ngày 20, nồng độ NH4

NO2

vi khuẩn Nitrosomonas phát triển đủ để thực hiện quá trình nitrat hóa nên nồng độ + giảm xuống còn 0,35-0,31 mg/L. Điều này - sẽ chứng tỏ, quá trình nitrat hóa đi vào ổn định từ ngày 20 trở đi và phần nhiều NO2

chuyển hóa thành NO3

105

) l / g m

NH4+-N NO2- NO3-

( ộ đ g n ồ N

8 7 6 5 4 3 2 1 0

23 Thời gian (ngày)

- trong giai đoạn khởi động

-, NO3

+-N, NO2 mô hình pilot

Hình 3.27: Sự biến đổi nồng độ của NH4

Kết quả ở Hình 3.27 cũng cho thấy, khoảng thời gian từ 1-13 ngày đầu tiên là thời gian

tạo lập hệ vi sinh vật; khoảng từ ngày thứ 14-19 ngày là khoảng thời gian phát triển;

quá trình ổn định là sau ngày thứ 19 trở đi. Thời gian để khởi động mô hình thử

nghiệm cần khoảng 13 ngày.

3.3.4 Kết quả nghiên cứu mô hình thử nghiệm xử lý tại chỗ nước thải xám cho

nhà B5 – Yên Thường.

Kết quả chạy mô hình thử nghiệm MSL6-PL để xử lý nƣớc thải xám của nhà B5-Yên

Thƣờng đƣợc thể hiện trong Bảng 3.19.

Bảng 3.19: Nồng độ và hiệu suất xử lý nƣớc thải xám nhà B5-Yên Thƣờng

ĐVT

NƢỚC THẢI XÁM

T T

Thông số

Sau xử lý

Hiệu suất xử lý (%)

Trƣớc xử lý

QCVN 08:2008/ BTNMT (B1) [78]

QCVN 14:2008/ BTNMT (B)

7,37±0,84

6,95±0,65

5-9

5,5-9

COD

mg/L 139,40±32,66 39,63±15,63

71,3±10,13

mg/L

92,90±28,88 13,66±10,57

88,4±9,06

BOD5 TSS

mg/L 164,83±52,87 15,94±56,34

89,9±5,51

100

2,11±0,82

0,14±0,069

91,8±4,07

PO4

T-P

3,92±1,53

1,06±0,46

72±7,92

7,05±3,03

0,62±0,48

90,33±7,10

NH4

3--P mg/L mg/L +-N mg/L mg/L

T-N

4,37±1,97

67,76±5,63

9 Coliform

8.000±3.200

5000

10.000

MNP/ 100ml

13,34±5,32 380.103 ±10.380

106

10 E.coli

1.320±520

200

MNP/ 100ml

80.103 ±1.340

Ghi chú: Giá trị ghi trong bảng là giá trị trung bình ±độ lệch chuẩn

3.3.4.1 Thay đổi độ pH

Với nƣớc thải xám đầu vào có pH = 5-8,21 thì độ pH của nƣớc thải sau xử lý có xu

hƣớng giảm; độ giảm lớn nhất tại ngày 21/4/2014 (từ 8,80 xuống 7,90) và giảm ít nhất

tại ngày 19/7/2014 (từ 5,50 xuống 5,42). Điều này cũng phù hợp với sự lý giải về độ

giảm pH trong tiểu mục 3.1.2 là pH càng cao thì độ giảm càng lớn. Kết quả thay đổi

pH vào

pH ra

độ pH đƣợc thể hiện trên Hình 3.28.

H p ộ Đ

Hình 3.28: Độ pH của nƣớc thải xám trƣớc và sau xử lý qua mô hình thử nghiệm

3.3.4.2 Chất hữu cơ nền (BOD5, COD)

Tƣơng tự kết quả nghiên cứu trên mô hình thí nghiệm, hệ thống pilot xử lý chất hữu cơ

hiệu quả. Kết quả phân tích BOD5, COD trong nƣớc thải sinh hoạt xám trƣớc và sau

khi xử lý đƣợc trình bày tại Bảng 3.19, Hình 3.29, Hình 3.30.

)

300

100

240

L / g m

(

5

180

Nƣớc thải trƣớc xử lý Nƣớc thải sau xử lý Hiệu suất xử lý (%)

120

D O B ộ đ g n ồ N

Hình 3.29: Nồng độ và hiệu suất xử lý BOD5 của nƣớc thải xám qua mô hình thử nghiệm

107

)

500

100

L / g m

400

(

Nƣớc thải trƣớc xử lý Nƣớc thải sau xử lý Hiệu suất xử lý (%)

300

200

100

D O C ộ đ g n ồ N

Hình 3.30: Nồng độ và hiệu suất xử lý COD của nƣớc thải xám qua mô hình thử nghiệm

Trong tháng 4 (tháng đầu tiên hệ thống hoạt động) nồng độ BOD5 trong nƣớc thải sau

xử lý tƣơng đối cao so với các tháng còn lại và dao động trong khoảng 25-45 mg/L.

Nồng độ này không đạt giá trị dùng trong tính toán là 15 mg/L. Các tháng sau nồng độ

BOD5 giảm xuống thấp, phân lớn nhỏ hơn 15 mg/L (trừ 31/5/2014 và 9/7/2014) nhƣng

tất cả các mẫu đều dƣới 30mg/L đạt QCVN 14:2008/BTNMT. Hiệu suất loại bỏ BOD5

đạt 61,9%-90,6% (trung bình 88,4%) và có xu hƣớng tăng dần theo thời gian. Kết quả

này đã đƣợc trình bày trong bài báo của Khƣơng Thị Hải Yến và cộng sự [79].

Tƣơng tự nhƣ BOD5 thì hiệu suất xử lý COD cũng thấp từ 47,9% đến 61% trong tháng

4, thấp hơn so với các tháng sau. Trừ tháng đầu tiên, kết quả phân tích ngày 19/7/2014

cho hiệu suất xử lý COD thấp nhất tƣơng ứng với độ pH của mẫu nƣớc thải đầu vào là

5,5 thấp nhất trong quá trình thí nghiệm và hạn chế hoạt động phân hủy chất hữu cơ

của vi sinh vật. Hiệu suất xử lý COD trung bình đạt 71,4 ± 10,13% cao hơn so với kết

quả thu đƣợc cho mô hình 6 lớp quy mô phòng thí nghiệm là 64,5 ± 4,6%. Nồng độ

COD trung bình sau khi xử lý đạt 39,63 ± 15,6 mg/L vẫn chƣa đạt giá trị nhƣ đƣa vào

tính toán lý thuyết là 30mg/L. Nguyên nhân là công thức xác định số lớp đá ong theo COD có hằng số xác định R2 = 0,835 nên độ lệch giữa đƣờng mô phỏng và kết quả

thực tế là đáng kể. Cần chú ý và chọn số lớp đá ong cần thiết nhiều hơn so với tính

+-N)

toán lý thuyết.

3.3.4.3 Nitơ (T-N) và amoni (NH4

Amoni đƣợc xử lý rất hiệu quả, tỷ lệ loại bỏ amoni đạt từ 77,6 % đến 97,5 % trong quá

trình chạy hệ thống. Kết quả phân tích nồng độ và hiệu suất xử lý nƣớc thải xám nhà

108

B5 – Yên Thƣờng thể hiện tại Bảng 3.19, Hình 3.31, Hình 3.32.

)

100

L / g m

(

N - +

4

Nƣớc thải trƣớc xử lý (mg/L) Nƣớc thải sau xử lý (mg/L) Hiệu suất xử lý (%)

H N ộ đ g n ồ N

+-N của nƣớc thải xám qua mô hình

Hình 3.31: Nồng độ và hiệu suất xử lý NH4

thử nghiệm

)

100

L / g m

(

Nƣớc thải trƣớc xử lý (mg/L) Nƣớc thải sau xử lý (mg/L) Hiệu suất xử lý (%)

-

N T ộ đ g n ồ N

Hình 3.32: Nồng độ và hiệu suất xử lý T-N của nƣớc thải xám qua mô hình

thử nghiệm

Nồng độ trong nƣớc thải sinh hoạt xám đầu vào dao động từ 3,62 mg/L (18/9/2014)

đến 11,9 mg/L (01/4/2014) thì nồng độ amoni trong nƣớc thải đầu ra đều giảm xuống

dƣới 1 mg/L. Không thấy sự liên quan giữa nồng độ amoni trong nƣớc thải sinh hoạt

xám trƣớc và sau khi đi qua MSL6-PL. Điều này cũng khẳng định thêm độ tin cậy cho

nhận định trong tiểu mục 3.1.3 là nồng độ amoni sau xử lý không bị ảnh hƣởng nhiều

+-N thì hiệu quả xử lý T-N kém hơn, dao động trong khoảng 56 %-76,9 %

bởi nồng độ amoni trong nƣớc thải xám đầu vào.

So với NH4

cao hơn nhiều so kết quả xử lý nitơ thu thập đƣợc trong các nhà máy xử lý nƣớc thải

sử dụng công nghệ bùn hoạt tính, A2O, hồ hiếm khí tại Việt Nam hiện nay [1]. Tuy

109

nhiên, công nghệ A2O hay SBR thƣờng áp dụng cho công suất lớn trong khi kỹ thuật

MSL chỉ hƣớng tới công suất nhỏ.

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].

TT Tên NMXLNT Công nghệ T-N (mg/L) Hiệu suất xử lý (%) Vào Ra

17,73±1,21 4,37±1,97 67,8±5,63 1 MLS6 -PL

2 Kim Liên 40 27 32,5

3 Trúc Bạch 34 26 23,5

22,9 Xếp lớp đa tầng A2O A2O A2O Bắc Thăng Long - Vân Trì 4 21,07 16,25

70,6 5 Yên Sở 34 10 Bùn hoạt tính theo mẻ (SBR cải tiến)

27,7 6 Bình Hƣng 35 20

7 Bình Hƣng Hòa Bùn hoạt tính truyền thống Hồ sinh học 22,4 16,2 42,9

8 Sơn Trà Hồ yếm khí 10 6,8 31,8

9 Hòa Cƣờng Hồ yếm khí 17,8 13,6 23,6

12 Vinh SBR theo mẻ 48 24 50.0

13 TP Bắc Ninh C-tech 39 28,7 26,4

3--P)

37,5 14 Hồ Tây 32 20 Bùn hoạt tính theo mẻ cải tiến

3--P trong nƣớc thải xám nhà B5-Yên Thƣờng trong khoảng 0,3-3,45

3.3.4.4 Phốt pho (T-P) và phốt phát (PO4

Nồng độ PO4

mg/L (trung bình 2,60±0,54 mg/L) chƣa vƣợt mức độ cho phép thải nƣớc trực tiếp ra

ngoài môi trƣờng theo QCVN 14:2008 (B) nhƣng nếu không xử lý triệt để có thể tích 3--P đạt tụ và gây nên hiện tƣợng phì dƣỡng tại nguồn tiếp nhận. Hiệu suất xử lý PO4

giá trị cao nhất là 97% (1/4/2014) và thấp nhất là 86% (21/5/2014) nhƣng thực sự bắt

đầu có dấu hiệu giảm dần từ tháng 7. Trong tiểu mục 3.1.1 giải thích: phốt phát đƣợc

xử lý nhờ hấp phụ sinh học và hóa hóc, theo thời gian lớp màng vi sinh phát triển làm

giảm khả năng hấp phụ của đá ong nhƣng lại tăng khả năng hấp phụ sinh [56]. Tuy

nhiên tốc độ hấp phụ hóa học nhanh hơn hấp phụ sinh học nên hiệu suất xử lý phốt phát vẫn bị giảm nhẹ. Với tải trọng thủy lực là 2000 lít/m2.ngày tƣơng ứng với thời

110

gian lƣu nƣớc trong hệ thống là 6,12 giờ chƣa đạt đến thời gian tối ƣu cho quá trình 3-- hấp phụ là 8 giờ [67] nhƣng kết quả tại Bảng 3.19, Hình 3.33 cho thấy nồng độ PO4

P sau xử lý giảm xuống còn rất nhỏ (thậm chí dƣới 0,2 mg/L) trong các mẫu xét

nghiệm và ổn định trong suốt quá trình thí nghiệm.

)

100

L / g m

( P - - 3

4

Nƣớc thải trƣớc xử lý (mg/L) Nƣớc thải sau xử lý (mg/L) Hiệu suất xử lý (%)

O P ộ đ g n ồ N

3-- P của nƣớc thải xám qua mô hình

Hình 3.33: Nồng độ và hiệu suất xử lý PO4

thử nghiệm

Kết quả phân tích T-P của nƣớc thải xám trƣớc và sau khi xử lý đƣợc trình bày tại hình

100

Bảng 3.19, Hình 3.34.

)

L / g m

Nƣớc thải trƣớc xử lý (mg/L) Nƣớc thải sau xử lý (mg/L) Hiệu suất xử lý (%)

( P - T ộ đ g n ồ N

Hình 3.34: Nồng độ T-P trong nƣớc thải xám trƣớc và sau khi xử lý

Với nồng độ T-P trong nƣớc thải sinh hoạt xám đầu vào trong khoảng 0,85- 6,30 mg/L

(trung bình 3,92 mg/L) sau khi đi qua 6 lớp đá ong giảm xuống còn trong khoảng 0,32-

1,86 mg/L (trung bình 1,0 mg/L). Hiệu suất xử lý T-P dao động trong khoảng 63,9%-

86,1% (trung bình 72,4%) thấp hơn so với kết quả nghiên cứu của Chia Chun Ho và

111

cộng sự là 92,1%-99,2% [81] nhƣng cũng cao hơn so với các công nghệ xử lý nƣớc

thải đang áp dụng tại Việt Nam theo tổng kết tại Bảng 3.20.

3.3.4.5 Tổng chất rắn lơ lửng

Nhờ cơ chế lọc và khả năng hấp phụ các chất rắn lơ lửng của lớp màng vi sinh bao

quanh lớp đá ong nên xử lý các chất rắn lơ lửng rất hiệu quả. Kết quả phân tích tại

Bảng 3.19, Hình 3.35 cho thấy: hiệu suất xử lý TSS trung bình đạt khoảng 89,6%,

tƣơng đƣơng với kết quả nghiên cứu của R.S.Yost và cộng sự [82]. Nồng độ TSS trong

nƣớc thải sau xử lý nhỏ hơn 50mg/L trong tất cả các mẫu và đạt QCVN

08:2008/BTNMT (B1). Thời gian hệ thống hoạt động càng lâu thì hiệu quả giữ cặn

càng cao do khe hở của lớp vật liệu đƣợc thu hẹp dần do sự tích tụ cặn và sự phát triển

của lớp màng vi sinh. Đây cũng là nguyên nhân có thể gây tắc hệ thống trong tƣơng lai

vì thế nên duy trì khả năng giữ cặn TSS ở mức chấp nhận đƣợc để kéo dài chu kỳ làm

việc cho hệ thống. Lƣợng cặn tích tụ, lƣợng cặn đƣợc phân hủy và lƣợng cặn dƣ thừa

đƣợc tính toán trong phụ lục D. Kết quả tính toán lý thuyết dựa trên các kết quả thực

nghiệm thu đƣợc cho thấy: Hệ thống MSL6-PL sử dụng đá ong làm vật liệu chính có

khả năng làm việc trong khoảng 12 năm đối với nƣớc thải xám, sau đó phải tiến hành

100

300

thay lớp vật liệu.

)

240

L / g m

180

120

Nƣớc thải trƣớc xử lý (mg/L) Nƣớc thải sau xử lý (mg/L) Hiệu suất xử lý (%)

( S S T ộ đ g n ồ N

Hình 3.35: Nồng độ TSS trong nƣớc thải xám trƣớc và sau khi xử lý

3.3.4.6 Vi sinh vật

Phân tích Coliform cho kết quả trung bình là 8.000 MPN/100mL, trong đó mẫu thấp

nhất là 4.600 MPN/100mL và cao nhất là 11.000 MPN/100mL. Phần lớn các mẫu có

112

số lƣợng vi khuẩn Coliform lớn hơn quy định trong QCVN14:2008/BTNMT(B) và

QCVN 08:2008/BTNMT (B1). Kết quả phân tích cũng cho thấy E.coli vẫn tồn tại

trong nƣớc thải trƣớc và sau xử lý chứng tỏ trong nƣớc vẫn tồn tại các vi khuẩn có hại

nên bắt buộc phải khử trùng trƣớc khi thải ra ngoài môi trƣờng hoặc dùng vào mục

đích khác.

3.4 Giải pháp công nghệ xử lý nƣớc thải xám bằng đá ong theo kỹ thuật xếp lớp

đa tầng

Xử lý nƣớc thải xám bằng vật liệu laterit (đá ong) theo phƣơng pháp xếp lớp đa tầng

cho có các ƣu điểm sau:

- Hiệu suất xử lý các chất gây ô nhiễm tƣơng đối cao và ổn định;

- Xây dựng ngầm nên diện tích chiếm đất ít;

- Vật liệu có nguồn gốc từ đất nên thân thiện với môi trƣờng;

- Quản lý, vận hành đơn giản; Giá thành hợp lý;

- Kết hợp khả năng hấp phụ của đá ong với sinh học nên nếu vận hành thích hợp

thì công nghệ này trở thành công nghệ bền vững.

Nƣớc thải xám của các nhà cao tầng trên địa bàn thành phố Hà Nội có thể thu gom,

loại bỏ rác và dẫn tới các hệ thống MSL đƣợc xây ngầm dƣới đất. Nƣớc thải xám sau

xử lý phải đạt QCVN 14:2008/BTNMT (B) trong trƣờng xả ra ngoài môi trƣờng và đạt

QCVN 08:2008/BTNMT (B1) trong trƣờng hợp xả ra nguồn nƣớc mặt có mục đích

dùng để tƣới tiêu thủy lợi. So sánh chất nƣớc nƣớc thải trƣớc và sau khi xử lý với các

tiêu chuẩn, quy chuẩn đƣợc trình bày trong Bảng 3.21.

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.

TT Thông số

NƢỚC THẢI XÁM (mg/L)

Trƣớc xử lý Sau xử lý

QCVN 14:2008/ BTNMT (B)

QCVN 08:2008/ BTNMT (B1)

7,37±0,84

6,95±0,65

5-9

5,5-9

COD

139,40±32,66

39,63±15,63

92,90±28,88

13,66±10,57

BOD5

TSS

164,83±52,87

15,94±56,34

100

113

3--P

2,11±0,82

0,14±0,069

0,3

PO4

T-P

3,92±1,53

1,06±0,46

+-N

7,05±3,03

0,62±0,48

0,5

NH4

T-N

4,37±1,97

Coliform

8.000±3.200

5000

10.000

13,34±5,32 380.103 ±10.380 80.103±1.340

E.coli

1.320±520

200

Ghi chú: Giá trị ghi trong bảng là giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn, đơn vị đo mật độ vi sinh là MNP/100ml

Nhƣ vậy, trong trƣờng hợp xử lý để xả ra ngoài môi trƣờng thì hệ thống xếp lớp đất đa

tầng MSL6-PL hoàn toàn đáp ứng đƣợc mà không cần thêm công đoạn xử lý nào. Còn

trong trƣờng hợp xử lý và tái sử dụng vào mục đích tƣới cây thì đa số các chỉ tiêu về

hóa lý đều đạt trừ chỉ tiêu về COD và amoni thì đang cao hơn một chút so với tiêu

chuẩn. Tuy nhiên khi xem lại kết quả phân tích COD trong phụ lục C4 và amoni trong

phụ lục C5 thì thấy càng về sau khả năng xử lý COD của hệ thống càng tốt, nồng độ

COD đo đƣợc trong tháng 7,8,9 có nhiều giá trị giảm xuống đến 20 mg/L và dƣới 5

mg/L nên không cần thiết phải thay đổi cấu trúc hay cấu tạo hệ thống MSL6-PL, chỉ

cần thay đổi quy trình vận hành hay thông số đầu là đạt. Nƣớc thải xám sau khi xử lý

qua MSL6-PL bắt buộc phải khử trùng đạt QCVN 14:2008/BTNMT (B) trong trƣờng

hợp xả ra ngoài môi trƣờng và QCVN 08:2008/BTNMT (B1) nếu tái sử dụng để tƣới

cây hoặc mục đích khác có yêu cầu chất lƣợng nƣớc tƣơng đƣơng.

Tuổi thọ của hệ thống MSL6-PL theo tính toán tại phụ lục D là 12 năm, quá trình vận

hành đơn giản, không dùng nhiều năng lƣợng là những ƣu điểm của kỹ thuật xếp lớp

đa tầng với đá ong là vật liệu chính.

Với các phân tích trên, tác giả đề xuất sử dụng hệ thống xếp lớp đa tầng 6 lớp với đá

ong là vật liệu chính để xử lý nƣớc thải xám cho các nhà cao tầng trên địa bàn thành

phố Hà Nội.

114

KẾT LUẬN CHƢƠNG 3

Đá ong dùng theo kỹ thuật xếp lớp đất đa tầng có khả năng xử lý các chất ô nhiễm

chính trong nƣớc thải xám tƣơng đối cao. Tùy thuộc vào nồng độ của các chất trong

nƣớc thải xám mà cho hiệu suất xử lý khác nhau.

1. Quá trình phân hủy BOD5 xảy ra chủ yếu trong 3-4 lớp đá ong phía trên, trong khi

quá trình phân hủy COD chỉ hiệu quả từ lớp đá ong thứ 5 trở đi;

2. Quá trình nitrat hóa xảy ra chủ yếu trong 6 lớp đá ong phía trên trong khi bắt đầu

quá trình khử nitrat từ lớp đá ong thứ 7 đối với nƣớc thải xám nguyên bản. Nồng độ

chất ô nhiễm trong nƣớc thải đầu vào càng thấp thì số lớp đá ong để hoàn thiện quá

trình nitrat hóa càng tăng;

3. Hệ số tốc độ phân hủy (ks) của BOD5 là 0,34 (lớp-1) và 0,21 (lớp-1); COD là 0,22 +-N là 0,401 (lớp1) và 0,377 (lớp-1) và 0,18 (lớp-1); hệ số tốc độ loại bỏ (K) của NH4 (lớp-1) lần lƣợt ứng với nồng độ cao và thấp của nƣớc thải sinh hoạt xám nguyên bản

và pha loãng.;

+-N, T-N, PO4

4. Hiệu suất xử lý tại chỗ nƣớc thải xám nhà B5-Yên Thƣờng bằng mô hình thử nghiệm MSL6-PL, tải trọng thủy lực 2.000 lít/m2.ngày thì hiệu quả xử lý BOD5, COD, 3--P, T-P lần lƣợt đạt 88,61±9,00 %; 69,72±6,21 %; 90,31±7,10 %; NH4

67,81 ± 5,60 %; 91,81 ± 4,01%; 72 ± 7,92 %.

115

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1. Kết luận

Nghiên cứu khả năng xử lý nƣớc thải xám bằng đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đất đa

tầng đƣợc thực hiện trên các mô hình thí nghiệm và thử nghiệm xếp lớp đa tầng với

vật liệu chính là đá ong tự nhiên có kích thƣớc LxBxH = 30x15x5cm và đá ong biến

tính nhiệt có đƣờng kính 1-3mm. Các đơn vị đá ong đƣợc xếp so le nhau, các lớp cách

nhau 3 cm, các hàng cách nhau 2,5 cm; khoảng trống giữa đƣợc chèn bằng đá ong biế n

tính nhiệt. Kết quả nghiên cứu nhƣ sau:

 Nƣớc thải xám nhà cao tầng trên địa bàn Hà Nội có tỷ lệ COD:BOD5 = 1,97:1 -

là tỷ lệ thích hợp xử lý bằng phƣơng pháp sinh học; nồng độ trung bình của các chất ô

21,24 mg/l, TSS = 258,20 ± 29,8 mg/l, PO4

nhiễm chính nhƣ sau: độ pH = 8,13, COD = 234,10 ± 67,2 mg/l, BOD5 = 121,87 ± 3--P = 2,60 ± 0,54, T-P = 4,89 ± 0,65 mg/l, +-N = 8,90 ± 1,26, T-N = 17,73 ± 1,21 mg/l. Ngoại trừ pH, phốt pho thì các thông NH4

số khác đều vƣợt quá giá trị cho phép quy định trong TCVN 14:2008/BTNMT (B) và

bắt buộc phải xử lý trƣớc khi xả ra ngoài môi trƣờng.

 Khả năng xử lý chất ô nhiễm của đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đa tầng đƣợc

đánh giá dựa trên kết quả thu đƣợc từ quá trình nghiên cứu trên các mô hình thí

nghiệm và mô hình thử nghiệm. Quá trình nghiên cứu trên mô hình thí nghiệm rút ra

đƣợc các kết luận chính sau:

a. Chất hữu cơ nền (thể hiện qua nồng độ BOD5 và COD) giảm rõ rệt sau các lớp đá

ong. Nƣớc thải xám nguyên bản và nƣớc thải xám pha loãng lần lƣợt đạt hiệu suất xử

lý BOD5 là 77,22 - 90,60 % và 70,50 - 80,33 % và hiệu suất xử lý COD là 45,72 -71,61

% và 26,3 - 59,32 % khi tăng từ 3 lên 7 lớp đá ong; quá trình loại bỏ BOD5 chủ yếu

xảy ra trong 3 lớp đá ong đầu tiên trong khi COD chỉ xử lý hiệu quả từ lớp đá ong thứ

6 trở đi. Nồng độ ô nhiễm đầu vào tỷ lệ thuận với hiệu suất xử lý chất hữu cơ nền và

hầu hết quá trình phân hủy xảy ra trong môi trƣờng hiếu khí.

b. Amoni đƣợc loại bỏ thông qua quá trình nitrat hóa hai giai đoạn: sinh trƣởng của

vi sinh vật tự dƣỡng lấy oxi từ ngoài môi trƣờng thâm nhập vào xảy ra chủ yếu trong 4

lớp đá ong đầu tiên và hô hấp nội bào của vi sinh vật tự dƣỡng xảy ra trong các lớp đá

116

+ nhờ các nhóm OH- có trong cấu trúc khoáng vật +-N) đạt 66,49 % - 94,58 % với nƣớc thải xám

ong phía dƣới; và hấp phụ ion NH4

của đá ong. Hiệu suất xử lý amoni (NH4

nguyên bản và đạt 79,68 % -89,91 % với nƣớc thải xám pha loãng tƣơng ứng với số

3-- P) có trong nƣớc thải xám đƣợc loại bỏ nhờ khả năng hấp phụ

lớp đá ong từ 3 đến 7.

c. Phốt phát (PO4

các ion trái dấu của các nhóm sắt hydro oxite có trên bề mặt của đá ong và sự tiêu thụ

phốt phát của vi sinh vật. Hiệu suất xử lý phốt phát cao ngay sau 3 lớp đá ong phía trên

và đạt trên 98 % sau lớp đá ong thứ 5 và không thấy sự phụ thuộc vào nồng độ đầu

vào;

d. Hệ số tốc độ phân hủy sinh học (ks) của BOD5 là 0,34 (lớp-1) và 0,21 (lớp-1); của +-N (K) là COD là 0,22 (lớp-1) và 0,18 (lớp-1); hệ số tốc độ chuyển hóa amoni NH4 0,401 (lớp-1) và 0,377 (lớp-1) tƣơng ứng nƣớc thải xám nguyên bản và nƣớc thải xám

pha loãng.

 Ứng dụng các kết quả nghiên cứu trên mô hình thí nghiệm vào thiết kế mô hình thử

nghiệm (pilot) MSL6-PL để xử lý tại chỗ nƣớc thải xám nhà B5-Yên Thƣờng và rút ra

đƣợc kết luận chính sau:

+-N là 90,31 ± 7,10 (%); T-N là 67,81 ± 5,60 (%); PO4

a. Hiệu suất xử lý trung bình BOD5 là 88,61 ± 9,00 (%); COD là 69,72 ± 6,21 (%); +-P là 91,81 ± 4,01 (%); T- NH4

P là 72 ± 7,92 (%) - đều nằm trong khoảng hiệu suất thu đƣợc từ nghiên cứu trên mô

hình thí nghiệm.

b. Kỹ thuật xếp lớp đa tầng với đá ong là vật liệu chính có khả năng xử lý các chất ô

nhiễm trong nƣớc thải xám cao. Nƣớc thải xám sau xử lý đáp ứng QCVN

14:2008/BTNMT (B) và QCVN 08:2008/BTNMT (B1), sau khi khử trùng có thể xả ra

ngoài môi trƣờng hoặc sử dụng vào mục đích tƣới mà không cần dùng thêm bất cứ

biện pháp xử lý nào khác.

2. Kiến nghị

a. Trong suốt thời gian xử lý không phát hiện thấy hiện tƣợng tắc nghẽn do sự phát

triển của màng sinh vật. Tuy nhiên, đã quan sát thấy lớp màng vi sinh có dấu hiệu dày

117

lên ở lớp đá ong phía trên cùng. Do khoảng thời gian thí nghiệm không dài (03 tháng)

có thể chƣa hình thành rõ rệt tác nhân sinh học làm tắc hệ thống. Do vậy cần thiết phải

nghiên cứu về sự phát triển của màng vi sinh vật cũng nhƣ nghiên cứu một số giải

pháp để khống chế sự phát triển quá đà của lớp màng vi sinh này;

b. Ảnh hƣởng của tải trọng thủy lực, kích thƣớc các đơn vị đá ong, cách bố trí, tỷ lệ

đá ong tự nhiên và đá ong biến tính nhiệt bố trí trong hệ thống xếp lớp đa tầng đến

hiệu suất xử lý nƣớc thải xám chƣa đƣợc thực hiện. Cần thực hiện thêm nhiều nghiên

cứu về các thông số thiết kế này;

c. Các nghiên cứu trong luận án chỉ đƣợc thực hiện trong hệ thống kín nên chƣa

tính đến các yếu tố ngoại cảnh có thể ảnh hƣởng đến hiệu suất làm việc của hệ thống

xếp lớp đa tầng. Vì vậy cần thực hiện thêm các nghiên cứu ngoài trời với các tác nhân

nhƣ: nƣớc mƣa, nhiệt độ…để khẳng định thêm khả năng xử lý nƣớc thải xám và các

nƣớc thải khác có tính chất tƣơng đƣơng của đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đa tầng;

d. Nghiên cứu đƣợc thực hiện với nƣớc thải xám nên hầu nhƣ không có lẫn kim loại

nặng, sự tƣơng tác của các chất này (nếu có) với nguồn nƣớc thải có các thông số

tƣơng tự có thể ảnh hƣởng đến hiệu suất xử lý trên;

e. Nghiên cứu và bổ sung thêm hệ số an toàn để giảm độ chênh lệch giữa lý thuyết

và thực tế vào công thức xác định số lớp đá ong cần thiết.

118

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ

1. Khƣơng Thị Hải Yến, Phạm Thị Minh Thƣ, Nguyễn Thị Kim Cúc, Nguyễn Thị

Hằng Nga, ―Nghiên cứu xử lý chất hữu cơ trong nƣớc thải xám bằng đá ong

theo công nghệ MSL‖, Tạp chí Cấp thoát nước, trang 75-77, số 1+2, năm

2015.

2. Khƣơng Thị Hải Yến Phạm Thị Minh Thƣ, Nguyễn Thị Kim Cúc, Nguyễn Thị

Hằng Nga, ―Nghiên cứu khả năng xử lý amoni trong nƣớc thải xám bằng hệ

thống xếp lớp đa tầng‖, Hội nghị khoa học thường niên kỷ niệm 55 năm thành

lập đại học Thủy Lợi, trang 301-303, tháng 11/2014.

3. Khƣơng Thị Hải Yến, Phạm Thị Minh Thƣ, Nguyễn Thị Kim Cúc, "Nghiên cứu

tính chất nƣớc thải xám nhà cao tầng trên địa bàn Hà Nội", Tạp chí Môi trường

Việt Nam, trang 22-26, số 10, tháng 11/2014.

4. Khƣơng Thị Hải Yến, Phạm Thị Minh Thƣ, Nguyễn Thị Kim Cúc, Trần Viết

Ổn, ―Xử lý tại chỗ nƣớcthaải xám nhà cao tầng bằng đá ong theo kỹ thuật xếp

lớp đa tầng – Quy mô thử nghiệm‖, Tạp chí Nông nghiệp và phát triển nông

thôn (ISSN 1859-4581), trang 45-49, số 295, tháng 8/2016.

119

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Ngân hàng Thế giới (World Bank), "Đánh giá hoạt động quản lý nƣớc thải đô thị

tại Việt Nam," 12/2013.

[2] Eriksson E., Auffarth K., Eilersen A.-M, Henze M., Ledin A., "Characteristics of

grey water," Urban water, vol. 4, pp. 85-104, 2002.

[3] Khƣơng Thị Hải Yến, Phạm Thị Minh Thƣ, Nguyễn Thị Kim Cúc, "Nghiên cứu tính chất nƣớc thải xám của một số nhà cao tầng trên địa bàn Hà Nội," Tạp chí Môi trường Đô thị Việt Nam, vol. 11/2014, pp. 25-27, 2014.

[4] Lƣơng Đức Phẩm, Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học.: Nhà xuất bản

Giáo dục, 2003.

[5] SFC Umwelttechnik GmbH, "Technical Report for Bac Ninh, Vinh, Yen Sơ, ho

Tay, Tƣ Son wastewater Treatment Plant," Final report 2009.

[6] Jamrad et Ayyash, "Greywater Generation and Characterization in Major Cities in

Jordan," Jordan Journal of Civil Engineering, 2008.

[7] 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.: Thƣ viện trƣờng Đại học khoa học tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội, 1995.

[8] L.Abu Ghunmi, ""Quantitative and qualitative characteristics of grey water for reuse requirements and treatment alternatives: the case of Jordan," Water Sci.Techno, vol. 58 (7), pp. 1385-1396, 2009.

[9] Gerente C., Andres Y., Wolbert D Chaillou K., "Bathroom Greywater

Characterization and Potential Treatments for Reus," 2011.

[10] Christensen. B. , "A Source Book of green & Sustainable Building," Earth

Material Guide Line, Webmaster of Sustainable Source, pp. 1-9, 1987.

[11] Centre for the Study of the Built Environment (CSBE), "Greywater Reuse in

Other Countries and its Applicability to Jordan," Final Report 2003.

[12] National Environmental Engineering Research Institute and UNICEF, "Greywater

Reuse in Rural School: Guide Manual ," Final Report 2007.

[13] International Development Research Centre and the Centre for theStudy of the Built Environment, "Greywater use in the Middle East," Technical, Social, Economic and Policy Issues, 2010.

[14] Peter L.M Veneman and Bonnie Stewart, "Greywater Characterization and

Treatment Efficiency," Massachusetts, 2002.

[15] Harremoes Henze and La Cour Jansen Arvin, "Wastewater Treatment: Biological

Process," Springer, 1996.

[16] Hoàng Văn Huệ, Trần Đức Hạ, Thoát nước - Tập II: Xử lý nước thải.: NXB Khoa

học và Kỹ thuật Hà Nội, 2002.

120

[17] H. Al-Hamaiedeh and M.Bino, "Effect of treated grey water reuse in irrigation on soil and plants," Desalination - ScienceDirect, vol. 256, pp. 115-119, 2010.

[18] Sam Godfrey, Pawan Labhasetwar, Aditya Swami, S.R. Wate, Gayatr Parihar, H.B. Dwivedi, "Water safety plans for greywater in tribal schools, India," Waterlines, vol. 23, pp. 8-10, 2007.

[19] Elmitwalli T.A, , "Anaerobic treatment of domestic sewage at low temperature," Department of Environmental Technology, Wageningen University, Wageningen, The Netherlands, ph.D thesis 2000.

[20] Stefania Paris and Celine Schlapp, "Greywater recycling in Vietnam —

Application of the HUBER MBR process," Hans Huber AG, 01/2010.

in Hanoi,"

[21] Vu Thi Minh Thanh, Sybille Büsser, Pham Thuy Nga, Antoine Morel, and Nguyen Viet Anh, "Characteristics and quantities of domestic wastewater in urban and peri-urban households in GMSARN International Conference on Sustainable Development: Issues and Prospects for GMS , 6-7 December 2006, pp. 1-3.

[22] Trƣờng ĐH Mỏ Địa chất Hà nội , "Điều tra đánh giá tiềm năng của vật liệu đá ong tại các huyện miền núi tỉnh Hà Tây – Đề xuất các giải pháp quản lý khai thác sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên và bảo vệ môi trƣờng," 2005.

[23] Ngô Thị Mai Việt và cộng sự, "Nghiên cứu khả năng xử lý kim loại nặng bằng đá ong biến tính nhiệt có gắn thêm tâm phốt phát," Đại học khoa học tự nhiên, 2009.

[24] Bellotto, M., Gualtieri, A., Artioli, G., Clark, S. M., "Kinetic study of the kaolinite-mullite reaction sequence. Part I: Kaolinite dehydroxylation," Phys. Chem.Miner., vol. 22, pp. 207-214, 1995.

[25] R. B. Wood, C. F. McAtamney, "Constructed wetlands for waste water treatment: The use of laterite in the bed medium in phosphorus and heavy metal removal," Hydrobiological, Springer, vol. 340, pp. 323-331, December 1996.

[26] Saynor MJ and Harford A., "Pilot study on the separation and physical characterisation of lateritic material from the Ranger project area," internal, Australia Gouverment , p. 579, 2010.

[27] Yu Xiaohong et al, "A study on the obsorption of chromium on laterite in bed medium in phosphorus and heavy metal removal," J.Hydrolbiology, vol. 340, pp. 323-331, 2009.

[28] Felix F Udoeyo et al, "Imo laterite soil as a sorbent for heavy metal," IJRRAS,

vol. 1, 2010.

[29] Avinash M et al, "Treatment of municipal wastewater using laterite-based

constructed soil filter," Science Direct, pp. 11-16, 2009.

[30] Mitali Sarkar et al, "Kinetics and machenism of Flouride removal using laterite,"

J.Indi.Eng.Che.Res, vol. 45, pp. 5920-5927, 2006.

121

[31] Sanjoy Kumar et al, "Arsenic removal from real-life groundwater by adsorption

on laterite soil," Science Direct, pp. 811-820, 2006.

[32] Liang Zhang et al, "Design and Dynamic Analysis of the Floating Platform for a Hybrid Ocean Renewable,Proceedings of the Twenty-fifth International Ocean and Polar Engineering Conference Kona," Big Island, Hawaii, USA , 2011.

[33] Environment Ministry, "Potience of laterite in Turkey," Final Report 2012.

[34] Ranhman, I.M.M et al, "Laterite-A Potential Alternative for Removal of

Groundwater Arsenic," vol. 12(1) , pp. 93 - 100 , March 2008.

[35] Nguyen Thi Hang Nga, "Application ash soil and laterite for water treatment,"

Kyusu university, Doctorat thesis 2014.

[36] Trần Thị Thu Thủy, "Nghiên cứu khả năng khử Flo trong nƣớc bằng đá ong tự

nhiên," Đại học Bách Khoa, Đề tài sinh viên NCKH 2007.

[37] Tran Hong Con et al , "Activation of thermal denaturated clay and laterite formed arsenic sorption material for treatment of arsenic in drinking water," J. of Science, Tom XX, No. 1AP., 2004.

[38] Đặng Đức Truyền, Nghiên cứu khả năng xử lý kim loại nặng trong nƣớc thải bằng

đá ong biến tính phủ nano bạc, Cục sáng chế, 2011.

[39] Nyle C.Brandy, The nature and the Properties of soils, 2nd ed.: ISBN:

9780130167637, Ed., 2001.

[40] Kunyki Sato et al, "Moving of water inside the Multi Soil Layering system, Water

Science," J. Jpn. Coc. Civil Eng, vol. 2, pp. 121-129, 2005.,.

[41] S.Luanmanee et al, "The efficiency of a multi -soil-layering system on domestic wastewater treatment during the ninth and tenth years of operation," Ecological Engineering , vol. 18, pp. 198-199, 2001.,.

[42] 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.

[43] 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.

[44] 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, pp. 206–214, 2007.

[45] T.Attanandata et al, "The efficiency of a multi soil layering system on domestic wastewater treatment," Ecological Engineering , vol. 18, pp. 185-190, 2001.

[46] T. Attanandana, S. Luanmanee, T. Masunaga, T. Wakatsuki, "Treatment of

122

domestic wastewater with a Multi-Soil-Layering (MSL) system in a temperate and a tropical climate," Soil Chemistry Research, pp. 1-8, 2007.

[47] Kosmulski M., "Surface Charging and Points of Zero Charge," CRC Press, ISBN

978-1-4200-5188-9, 2009.

[48] Domenico and Schwartz, Physical and chemical hydrogeology, 1, Ed.: Wiley,

1998.

[49] Zur L. S., "Theorie der sogenannten adsorption geloster stoffe," Kungliga Svenska

Vetenskapsakademiens Handlingar, vol. 24(4), pp. 1 - 39, 1998.

[50] D.Langmuir, Aqueous Environmental Geochemistry.: Published by PrenticeHal,

1997.

[51] Tchobanoglous, G., Burton, F.L. and Stensel, H.D., Wastewater Engineering: Treatment and Reuse, 4th ed, Ed.: Metcalf & Eddy Inc., New York, McGraw Hill, 2004.

[52] Freeze and Cherry, Definication inside the Soil, 2nd ed.: Lewis , 1979,.

[53] Pescod et al, "Treatment of strong organic wastewater using aerobic and anerobic

packed- cage RBC's," Stuttgart, pp. 299-231, 1992.,.

[54] Barnes, D và cộng sự, Water and Wastewater Engineering Systems, Pitman

Books Ltd., ed. London, 1981.,.

[55] Metcalf & Eddy, Wastewater Engineering, Waste water Engineering: Treatment,

Disposal and Reuse, 4, Ed.: New Delhi: Tata Mc Graw-Hill, 2014.

[56] 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.,.

[57] A. Bunjaku, "Theeffectof mineralogy,sulphur, and reducing gases on

thereducibility of saproliticnickelores," Aalto university, pH.D thesis 2010.

[58] Bộ Tài nguyên và Môi trƣờng, "Quy chuẩn Việt Nam 14:2008/BTNMT," 2008,.

[59] Winward, G., Avery, L., Frazer-Williams, R., Pidou, M., Jeffrey, P., Stephenson, T., A study of the microbial quality of grey water and an evaluation of treatment technologies for reuse.: Ecological Engineering 32 (2), 2008.

[60] Mourad, K.A., Berndtsson, J.C. and Berndtsson, Potential fresh water saving in Syria.:. Journal of Environmental flushing in

using greywater toilet Management, 92(10), 2011.

industrial wastewater , pp. 416A–427A. DOI:

[61] Richard E. Speece, "Anaerobic biotechnology for treatment," Environ. Sci. Technol., vol. 17 10.1021/es00115a001, September 1983.

[62] M. S. Switzenbaun, "Anaerobic expanded bed treatment of wastewate - Seminar on Anaerobic Filters," in Proceedings of the U.S. Department of Energy

123

Workshop, Chicago, 9-10 January 1980, pp. 115-127.

[63] R. Criegee, H. Pilz u. H. Flygare, "Über die Autoxydation von Ketonen," Ber.

dtsch. Chem. Ges., p. 72, 1799 [1939].

[64] K.Sato et al, "Wastewater treatment processes and mechanisms of organic matter, phosphorus and Nitrogen removal in a Multi Soil Layering system: Soil Sollution for a Changing World," in World Congress of Soil Science, 2010.

[65] P. Gray, J. F. Griffiths and K. Hasegawa, Nonisothermal decomposition of methyl nitrate: Anomalous reaction order and activation energies and their correction, 9th ed.: International Journal of Chemical Kinetics, Sep. 1981, vol. 13.

[66] Wada.S-I, Umegaki.U, "Major ion and electrical potential distribution in soil under electrokinetic remediation," Technoll. Environ. Sci., vol. 35, pp. 2151-2155, 2001.

[67] Nguyen Thi Hang Nga, "Mineralogy of Laterite Samples from Viet Nam and Their Use as Flocculating Agents for the Removal of Clay Suspensions," Journal of the Faculty of Agriculture," Kyushu University, vol. 58(1), pp. 167-173, 2013.

[68] R. Pattnaik, "Studies in waste water processing in bioﬁlters," Ph.D. Thesis 2001.

[69] Carlson và Silverstein, "Effect of molecular size and charge on biofilm sorption of

organic matter ," Water Research, vol. 32, pp. 1580-1592, 1998.,.

[70] H.M.K. Essandoh , "Effecticien of soil aquifer treatment in the removal of

wastewater of contaminants and endocrine disruptor," pH.D thesis 2010.

[71] T.Pfeiffer, R.Malone, "Nitrification performance of a propeller-washed bead clarifier supporting a fluidized sand biofilter in a recirculating warmwater fish system," Aquacultural Engineering, vol. 34, pp. 311-321, 2006.

[72] Masunaga T., Sato K., "Shirahama M., Kudo H., Wakatsuki T., "Characteristics of wastewater treatment using a multi-soil-layering system in relation to wastewater contamination levels and hydraulic loading rates," Soil Sci. Plant Nutr, vol. 53, pp. 215–217.

[73] W.W. Eckenfelder, "General concepts of biological treatment, Manual of

Treatment Processes," Environmental Science Services, vol. 1, 1969.

[74] Idelovitch E. and Micheal M., "Soil aquifer treatment: a new approach to an old method of waster reuse," Journal of Water Pollution Control Federation," vol. 56(8), pp. 943-963, 1984.

[75] Zedler, J.B and Callaway, J.C., "Evaluatig the progress of engineer tidal wetland,"

Ecological engineering, vol. 15, pp. 211-225, 1985.

[76] Belser, L.W., "Population ecology of nitrification bacterial," Anual.

Rev.Microbiol, vol. 33, pp. 309-333, 1979.

[77] Trịnh Xuân Lai, Xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp theo công nghệ A/O.:

124

NXB Xây dựng, 2016.

[78] Bộ tài nguyên môi trƣờng , Quy chuẩn quốc gia QCVN 08:2008/BTNMT - Tiêu

chuẩn chất lƣợng nƣớc mặt, 2008.

[79] Khƣơng Thị Hải Yến, Phạm Thị Minh Thƣ, Nguyễn Thị Kim Cúc, Nguyễn Thị Hằng Nga, "Nghiên cứu khả năng loại bỏ chất hữu cơ trong nƣớc thải xám bằng hệ thống xếp lớp đất đa tầng," Tạp chí Cấp thoát nước, vol. 1, pp. 30-35, 2015.

[80] Khƣơng Thị Hải Yến, Phạm Thị Minh Thƣ, Nguyễn Thị Kim Cúc, Nguyễn Thị Hằng Nga, "Nghiên cứu khả năng xử lý amoni trong nƣớc thải xám bằng hệ thống xếp lớp đất đa tầng," in Hội nghị khoa học thường niên kỷ niệm 55 năm thành lập Đại học Thủy Lợi, 2014, pp. 301-303.

[81] Chia-Chun Ho and Pei-Hao Wang, "Efficiency of a Multi-Soil-Layering System on Wastewater Treatment Using Environment-Friendly Filter Materials," Int J Environ Res Public Health," vol. 12(3), pp. 3362–3380, March 2015.

[82] R.S Yost et al, "Nutrient and management support system (NuMass)," Soil

science, 2007.

[83] R Criegee, H Pilz, H Flygare, Ber. dtsch. Chem. Ges., 1799 [1939].

125

PHỤ LỤC

PHỤ LỤC A:

Hình ảnh mô hình thí nghiệm xếp lớp đa tầng và hệ thống thử nghiệm pilot MSL6-PL

Mô hình MSL 3 Mô hình MSL4

Mô hình MSL5 Mô hình MSL6

Mô hình MSL7 Mô hình MSL6, MSL7

126

Phân phối nƣớc vào mô hình thí nghiệm

Thu nƣớc thải xám Đƣờng ống thu nƣớc thải xám

Hệ thống pilot MSL6-PL

127

PHỤ LỤC B

Gia công vật liệu đá ong

128

PHỤ LỤC C

Bảng C1: Sự thay đổi nồng độ BOD5 qua các mô hình thí nghiệm của NTNB

Hiệu suất xử lý (%)

Nồng độ BOD5 (mg/L)

Ngày

CBOD5 vào MSL3 MSL4 MSL5 MSL6 MSL7 MSL3 MSL4 MSL5 MSL6 MSL7

15/4/13

90.10

25.23

18.00

15.67

13.70

12.34

72.00

80.02

82.61

84.79

86.30

20/4/13

72.01

15.93

11.05

9.05

7.67

77.88

84.66

87.44

87.82

89.35

8.77

25/4/13

86.09

17.00

8.78

7.35

80.25

89.80

89.05

91.46

7.55

9.43

30/4/13

70.53

15.48

8.24

6.28

78.06

88.32

89.96

91.10

8.05

7.08

5/5/13

66.06

16.65

8.24

6.47

74.80

87.53

89.28

90.20

8.30

7.08

10/5/13

70.13

17.59

9.16

6.67

74.92

86.93

88.76

90.49

8.55

7.88

15/5/13

72.16

14.42

9.45

5.90

80.02

86.90

87.43

91.83

7.56

9.07

20/5/13

102.00

23.72

9.63

7.06

76.74

90.56

91.07

93.08

9.05

9.11

25/5/13

65.04

17.23

9.40

7.16

73.50

85.55

86.33

88.99

9.18

8.89

30/5/13

80.06

17.76

9.18

7.16

77.81

88.53

89.57

91.06

7.90

8.35

4/6/13

68.15

14.01

8.67

5.27

79.44

87.28

90.13

92.27

6.36

6.73

9/6/13

76.24

14.24

9.86

5.49

81.32

87.07

87.77

92.80

7.04

9.33

14/6/13

72.00

14.71

10.32

9.77

4.90

79.56

85.66

86.44

93.19

6.29

19/6/13

70.43

16.06

11.54

9.92

10.09

6.59

77.19

83.61

85.91

85.67

90.64

24/6/13

67.36

14.42

12.12

10.42

10.21

6.93

78.59

82.01

84.53

84.85

89.72

29/6/13

83.10

21.71

15.30

13.16

10.21

8.74

73.87

81.59

84.17

87.72

89.48

4/7/13

84.05

19.82

17.82

15.33

10.32

9.23

76.42

78.80

81.77

87.72

89.02

9/7/13

84.41

19.23

16.48

14.17

9.02

8.56

77.22

80.48

83.21

89.32

89.86

76.66

17.51

11.29

10.02

8.79

7.21

77.20

85.29

86.97

89.69

90.60

STDEV

9.9

3.3

2.7

1.8

1.7

2.6

3.5

2.8

2.7

1.7

129

Bảng C2: Sự thay đổi nồng độ BOD5 qua các mô hình thí nghiệm của NTPL

Hiệu suất xử lý (%)

Nồng độ BOD5 (mg/L)

Ngày

CBOD5 vào MSL3 MSL4 MSL5 MSL6 MSL7 MSL3 MSL4 MSL5 MSL6 MSL7

15.70

12.30

10.80

9.40

9.10

65.11

72.67

76.00

79.11

79.78

15/4/13

45.0

8.80

7.30

7.20

6.90

6.10

76.22

80.27

80.54

81.35

83.51

20/4/13

37.0

9.20

8.90

8.60

7.80

7.50

73.71

74.57

75.43

77.71

78.57

25/4/13

35.0

9.10

7.60

7.10

6.80

6.40

77.91

81.55

82.77

83.50

84.47

30/4/13

41.2

9.40

8.20

7.50

7.10

6.60

73.14

76.57

78.57

79.71

81.14

5/5/13

35.0

12.20

9.30

7.10

6.80

68.72

76.15

79.23

81.79

82.56

8.10

10/5/13

39.0

9.30

8.70

8.50

7.90

7.40

75.53

77.11

77.63

79.21

80.53

15/5/13

38.0

9.30

8.50

8.10

7.90

7.20

79.91

81.64

82.51

82.94

84.45

20/5/13

46.3

9.50

8.90

8.60

8.30

7.30

74.39

76.01

76.82

77.63

80.32

25/5/13

37.1

9.50

8.70

8.30

8.10

7.30

74.32

76.49

77.57

78.11

80.27

30/5/13

37.0

8.40

7.50

7.30

7.20

6.90

74.77

77.48

78.08

78.38

79.28

4/6/13

33.3

8.90

7.20

6.50

5.80

5.60

75.28

80.00

81.94

83.89

84.44

9/6/13

36.0

13.00

10.30

9.90

8.50

7.60

66.67

73.59

74.62

78.21

80.51

14/6/13

39.0

15.00

12.20

10.40

8.90

7.50

57.14

65.14

70.29

74.57

78.57

19/6/13

35.0

11.80

10.80

9.50

8.70

7.40

54.62

58.46

63.46

66.54

71.54

24/6/13

26.0

13.00

12.20

10.10

8.80

7.80

64.86

67.03

72.70

76.22

78.92

29/6/13

37.0

11.50

10.90

10.70

8.80

8.10

70.51

72.05

72.56

77.44

79.23

4/7/13

39.0

13.00

12.50

11.50

8.90

8.40

65.79

67.11

69.74

76.58

77.89

9/7/13

38.0

10.9

9.6

8.8

7.9

7.3

70.5

74.1

76.1

78.5

80.3

37.4

STDEV

2.3

1.8

1.5

1.0

0.8

7.0

6.2

5.0

3.9

3.1

4.4

130

Bảng C3: Sự thay đổi nồng độ COD qua các mô hình thí nghiệm của NTNB

Nồng độ COD (mg/L)

Hiệu suất xử lý (%)

Ngày

CCOD và o MSL3 MSL4 MSL5 MSL6 MSL7 MSL3 MSL4 MSL5 MSL6 MSL7

15/4/13

125.3

69.50

57.40

65.00

36.24

28.98

44.54

48.13

71.08

76.88

20/4/13

132.5

79.38

55.40

69.20

37.74

30.66

40.09

47.77

71.52

76.86

25/4/13

158.4

66.60

68.60

56.70

45.76

36.68

57.95

64.20

71.11

76.84

30/4/13

129.8

61.80

62.28

57.80

50.94

38.22

52.38

55.46

60.75

70.55

5/5/13

121.6

64.33

61.74

55.00

50.77

38.36

47.08

54.75

58.23

68.44

10/5/13

129.0

77.20

67.50

68.40

50.60

40.04

40.17

46.99

60.78

68.97

15/5/13

132.8

84.50

66.78

68.70

51.94

39.90

36.36

48.26

60.88

69.95

20/5/13

127.2

71.96

67.14

58.50

49.43

38.50

43.41

53.99

61.13

69.72

25/5/13

119.7

72.94

66.96

59.30

49.60

40.18

39.05

50.45

58.56

66.43

30/5/13

147.3

78.26

70.80

60.20

51.60

40.46

46.87

59.13

64.97

72.53

4/6/13

125.4

86.58

67.80

66.60

49.10

37.24

30.96

46.89

60.85

70.30

9/6/13

140.3

60.97

70.40

46.90

45.93

37.38

56.54

66.57

67.26

73.35

14/6/13

149.3

63.57

71.80

48.90

47.09

38.50

57.41

67.24

68.45

74.20

19/6/13

129.6

63.31

74.80

48.70

49.93

40.32

51.15

62.42

61.47

68.89

24/6/13

124.0

73.58

73.40

56.60

49.60

36.96

40.64

54.34

59.98

70.18

29/6/13

152.9

76.44

84.94

58.80

46.43

41.50

50.01

61.54

69.64

72.86

4/7/13

154.7

83.98

87.52

64.60

51.94

45.71

45.70

58.23

66.42

70.45

9/7/13

155.3

89.57

88.45

68.90

51.10

44.62

42.33

55.64

67.10

71.27

136.4

73.6

70.2

59.9

48.1

38.6

45.7

52.6

55.7

64.5

71.6

STDEV

13.1

9.0

7.2

9.2

4.5

4.0

7.5

6.8

4.6

3.1

131

Bảng C4: Sự thay đổi nồng độ COD qua các mô hình thí nghiệm của NTPL

Nồng độ COD (mg/L)

Hiệu suất xử lý (%)

Ngày

CCOD và o MSL3 MSL4 MSL5 MSL6 MSL7 MSL3 MSL4 MSL5 MSL6 MSL7

15/4/13

48.2

40.57

30.50

28.70

21.70

20.70

15.84

36.72

40.46

54.98

57.05

20/4/13

53.0

38.70

29.10

27.70

22.60

21.90

26.98

45.09

47.74

57.36

58.68

25/4/13

66.0

48.15

36.20

34.30

27.40

26.20

27.05

45.15

48.03

58.48

60.30

30/4/13

68.3

49.34

37.10

34.60

30.50

27.30

27.76

45.68

49.34

55.34

60.03

5/5/13

65.0

47.35

35.60

34.30

30.40

27.40

27.16

45.23

47.23

53.23

57.85

10/5/13

69.0

51.60

38.80

37.50

30.30

28.60

25.21

43.77

45.65

56.09

58.55

15/5/13

71.0

51.74

38.90

37.10

31.10

28.50

27.13

45.21

47.75

56.20

59.86

20/5/13

68.0

51.34

38.60

37.30

29.60

27.50

24.50

43.24

45.15

56.47

59.56

25/5/13

64.0

49.61

37.30

37.20

29.70

28.70

22.49

41.72

41.88

53.59

55.16

30/5/13

74.4

49.88

37.50

35.40

30.90

28.90

32.96

49.60

52.42

58.47

61.16

4/6/13

62.7

48.81

36.70

33.90

29.40

26.60

22.15

41.47

45.93

53.11

57.58

9/6/13

66.8

49.08

36.90

35.20

27.50

26.70

26.53

44.76

47.31

58.83

60.03

14/6/13

75.0

51.34

38.60

35.90

28.20

27.50

31.55

48.53

52.13

62.40

63.33

19/6/13

69.3

51.47

38.70

37.40

29.90

28.80

25.73

44.16

46.03

56.85

58.44

24/6/13

67.0

48.55

36.50

36.70

29.70

26.40

27.54

45.52

45.22

55.67

60.60

29/6/13

69.5

50.94

38.30

36.30

27.80

26.60

26.71

44.89

47.77

60.00

61.73

4/7/13

70.3

51.07

38.40

37.40

31.10

29.30

27.35

45.38

46.80

55.76

58.32

9/7/13

70.6

50.81

38.20

37.80

30.60

28.60

28.03683

45.89

46.46

56.66

59.49

66.6

48.9

36.8

35.3

28.8

27.0

42.0

46.8

56.6

59.3

26.3

STDEV

6.7

3.6

2.7

2.9

2.7

2.3

2.8

2.9

2.4

1.9

3.7

132

+-N qua các mô hình thí nghiệm của NTNB

Bảng C5: Sự thay đổi nồng độ NH4

+-N (mg/L)

Hiệu suất xử lý (%)

Nồng độ NH4

Ngày

CNH4+-N và o MSL3 MSL4 MSL5 MSL6 MSL7 MSL3 MSL4 MSL5 MSL6 MSL7

15/4/13

8.80

2.83

2.39

1.29

0.74

0.59

67.84

72.89

85.36

91.61

93.27

20/4/13

10.55

2.75

2.31

1.25

0.66

0.53

73.97

78.09

88.17

93.75

94.99

25/4/13

7.24

2.42

2.09

1.13

0.49

0.39

66.58

71.10

84.39

93.28

94.61

30/4/13

9.24

2.30

2.02

1.09

0.49

0.39

75.16

78.16

88.21

94.73

95.78

5/5/13

7.46

2.09

1.61

0.87

0.38

0.30

71.98

78.36

88.31

94.95

95.95

10/5/13

7.57

2.30

1.54

0.83

0.46

0.37

69.68

79.65

89.01

93.99

95.18

15/5/13

8.13

2.71

1.76

0.95

0.36

0.29

66.71

78.33

88.30

95.56

96.44

20/5/13

14.60

2.17

1.69

0.91

0.41

0.33

85.12

88.44

93.76

97.20

97.76

25/5/13

9.80

2.34

1.76

0.95

0.36

0.29

76.15

82.02

90.29

96.32

97.04

30/5/13

7.82

1.76

1.28

0.69

0.36

0.29

77.45

83.57

91.13

95.38

96.29

4/6/13

8.83

2.26

1.65

0.89

0.33

0.26

74.47

81.30

89.90

96.27

97.00

9/6/13

7.35

3.03

2.06

1.11

0.46

0.37

58.72

72.04

84.90

93.81

95.03

14/6/13

7.57

2.26

2.17

1.17

0.50

0.40

70.22

71.41

84.56

93.37

94.68

19/6/13

6.90

2.75

2.02

1.09

0.60

0.48

60.21

70.77

84.21

91.36

93.07

24/6/13

6.79

3.40

2.64

1.43

0.64

0.52

49.91

61.10

79.00

90.52

92.40

29/6/13

9.58

5.08

3.78

2.04

0.89

0.72

46.92

60.53

78.69

90.66

92.50

4/7/13

8.58

4.72

3.52

1.90

1.18

0.94

45.01

58.91

77.81

86.27

88.98

9/7/13

10.02

3.94

3.19

1.72

1.07

0.86

60.72

68.13

82.79

89.35

91.45

8.71

2.84

2.19

1.18

0.58

0.46

66.49

74.16

86.04

93.24

94.58

STDEV

1.85

0.91

0.69

0.37

0.25

0.20

11.02

8.27

4.46

2.81

2.26

133

+-N qua các mô hình thí nghiệm của NTPL

Bảng C6: Sự thay đổi nồng độ NH4

+-N (mg/L)

Hiệu suất xử lý (%)

Nồng độ NH4

Ngày

MSL7

CNH4+-N và o

MSL 3

MSL 4

MSL 5

MSL 6

MSL 3

MSL 4

MSL 5

MSL 6

15/4/13

3.59

0.69

0.65

0.57

0.47

0.44

80.78

81.90

84.13

86.91

87.70

20/4/13

3.91

0.67

0.63

0.49

0.42

0.39

82.86

83.88

87.47

89.26

89.90

25/4/13

2.95

0.59

0.57

0.43

0.31

0.29

80.03

80.71

85.45

89.51

90.14

30/4/13

3.77

0.56

0.55

0.42

0.31

0.29

85.16

85.42

88.87

91.78

92.28

5/5/13

3.05

0.51

0.44

0.37

0.24

0.23

83.25

85.55

87.85

92.12

92.59

10/5/13

3.09

0.56

0.42

0.32

0.29

0.27

81.88

86.41

89.65

90.62

91.18

15/5/13

3.32

0.66

0.48

0.42

0.23

0.22

80.11

85.53

87.34

93.07

93.48

20/5/13

5.43

0.53

0.46

0.38

0.26

0.24

90.24

91.53

93.00

95.21

95.50

25/5/13

4.00

0.57

0.48

0.35

0.23

0.22

85.75

88.00

91.25

94.25

94.60

30/5/13

3.19

0.43

0.35

0.28

0.23

0.22

86.52

89.03

91.23

92.79

93.22

4/6/13

3.60

0.55

0.45

0.29

0.21

0.20

84.74

87.52

91.95

94.17

94.52

9/6/13

3.00

0.74

0.56

0.35

0.29

0.27

75.33

81.33

88.33

90.33

90.91

14/6/13

3.09

0.55

0.59

0.38

0.32

0.30

82.21

80.91

87.71

89.65

90.27

19/6/13

2.82

0.67

0.55

0.47

0.38

0.36

76.23

80.48

83.32

86.52

87.33

24/6/13

2.77

0.83

0.72

0.46

0.41

0.39

70.07

74.03

83.41

85.21

86.10

29/6/13

3.91

1.24

1.03

0.87

0.57

0.54

68.28

73.65

77.74

85.42

86.29

4/7/13

3.50

1.15

0.96

0.70

0.75

0.71

67.14

72.57

80.00

78.57

79.86

9/7/13

3.65

0.96

0.87

0.76

0.68

0.64

73.70

76.16

79.18

81.37

82.49

3.48

0.69

0.60

0.46

0.37

0.34

79.68

82.48

86.55

89.26

89.91

STDEV

0.62

0.22

0.19

0.16

0.15

6.56

5.55

4.47

4.54

4.26

134

PHỤ LỤC D:

Tính hàm lƣợng cặn hấp phụ trong lớp hạt và tuổi thọ hệ thống MSL6-PL.

 Theo kết quả nghiên cứu đƣợc chấp nhận trong thực tế của Trịnh Xuân Lai [77]

+-N đƣợc oxi

có:

- Hệ số sinh cặn của vi khuẩn dị dƣỡng khử BOD là yH = 0,64 kg cặn/kg BOD - Hệ số sinh cặn của vi khuẩn tự dƣỡng yA = 0,24 kg cặn/kg NH4

+-N = 10 mg/L thì lƣợng cặn

hoá.

 Chất lƣợng nƣớc đầu vào: BOD = 60 mg/L; NH4

sinh ra là:

60.0,2+10.0,1

= 0,58 (𝑘𝑔 𝑐ặ𝑛 𝑣𝑖 𝑠𝑖𝑛𝑕/𝑘𝑔 𝑐𝑕ấ𝑡 𝑛ề𝑛) ysinh 𝑐ă𝑛 = 60.0,64 + 10.0,24 60 + 10

 Hằng số phân huỷ cặn do hô hấp nội bào [55]: - Đối với vi sinh dị dƣỡng heterotrophic γh = 0,2 /ngày; - Đối với vi sinh tự dƣỡng autohophic γa = 0,1 /ngày.  Hằng số tổng: γ𝑡ổ𝑛𝑔 = = 0,185 /𝑛𝑔à𝑦 60+10  Hệ số sinh cặn cuối cùng theo thời gian thời gian lƣu cặn θx

+-N, BOD = 0,06

𝑦𝑐ă𝑛 =

𝑦sinh 𝑐ă𝑛 1 + γ𝑡ổ𝑛𝑔 . θ𝑥 +-N là g = 0,01 kg NH4  Gọi cặn sinh ra ngày đầu do NH4 kgBOD/m3

 Với tải trọng thuỷ lực là 2.000 lít/m2.ngày, thời gian tính cho θx ngày thì: - Lƣợng cặn sinh ra do BOD trong 1 ngày là: 2m3.0,06 kgBOD/m3 = 0,12

+-N trong 1 ngày là: 2m3.0,01 kg/ngày = 0,02

kg/ngày.

- Lƣợng cặn sinh ra do NH4

+-N là: G = 0,12+0,02 = 0,14

kg/ngày.

- Tổng lƣợng cặn sinh ra do chất nền và NH4

kg/ngày.

 Lƣợng cặn sinh ra:

𝑦sinh 𝑐ă𝑛 1+ γ𝑡ổ𝑛𝑔 .θ𝑥

.G 𝑎 = ysinh 𝑐ă𝑛 . 𝐺 =

0,58

- Trong ngày đầu tiên θx =1 ngày:

1+ 0,185.1

. 0,14 = 0,16 kg/ngày 𝑎 = ysinh 𝑐ă𝑛 . 𝐺 =

0,58

- Sau 30 ngày θx = 30 ngày:

1+ 0,185.30

. 0,14 = 0,012 kg/ngày

0,58

𝑎 = ysinh 𝑐ă𝑛 . 𝐺 = - Tổng cặn phát sinh sau 30 ngày:

1+ 0,185.30

1+ 0,185.2

1+ 0,185.1

+ ⋯ + + . 0,14 kg/ngày

𝐴 = ysinh 𝑐ă𝑛 . 𝐺 = 𝐴 = ysinh 𝑐ă𝑛 . 𝐺 = 0,489 + 0,42 + ⋯ + 0,012 . 0,14 = kg/ngày

135

A = 1,36 kg cặn, cặn nƣớc thải có tỷ trọng là 1,1 thì sau 1 tháng cặn chiếm thể tích các lỗ rỗng là:

= 1,23 𝑙í𝑡 1,36 𝑘𝑔 1,1

Theo kết cấu xếp lớp (6 lớp đá ong, mỗi lớp dày 5cm) nên chiếm 51,7% thể tích, còn lại 48,3% thể tích là các hạt. Độ rỗng của lớp hạt d = 1-3mm là trên 40%. Nhƣ vậy, 1m3 hạt có thể tích rỗng là:

Vrỗng = 40%.1m3 = 400 lít Bể lọc cao 0,6m nên thể tích lỗ rỗng là: 0,6.400 = 240 lít

 Độ rỗng còn lại chỉ cần 1m3 cần 100 lít nên 0,6m3 cần 60 lít. Với tải trọng thuỷ lực 2.000 lít/m2.ngày thì độ rỗng còn lại đủ để chứa cặn trong khoảng thời gian là:

T = = 146 𝑡𝑕á𝑛𝑔 = 12,1 𝑛ă𝑚 240 − 60 1,23

136

PHỤ LỤC E:

- Với các đơn vị đá ong có kích thƣớc là 30x15x5 cm; hệ thống có kích thƣớc LxBxH = 0,95x0,5x0,68 đƣợc bố trí bên trong 6 lớp đá ong; khoảng cách giữa các lớp đá ong nhƣ mô tả trong mục 2.3.2.2 thì thể tích đá ong tự nhiên có trong hệ thống MSL6-PL là:

(m3) Vđá ong = nxhx(B-0,05)x(L-0,05)

Trong đó:

n là số lớp đá ong có trong hệ thống (lớp)

h là chiều dày của một lớp đá ong (m)

B là chiều rộng của hệ thống MSL6-PL (m)

L là chiều dài của hệ thống MSL6-PL (m)

Thay số có:

(m3) Vđá ong = nxhx(B-0,05)x(L-0,05) =6x0,05x(0,5-0,05)x(0,95-0,05) = 0,12

- Trong đá ong thành phần khoáng vật có chứa nhóm –O-H-O-H-O là Boehmite và chiếm 14-16% trong đá ong khu vực Thạch Thất – Hà Nội (Bảng 2.4). Chọn tỷ lệ 15% là tỷ lệ tính toán. Thể tích khoáng vật Boehmite là:

(m3) Vboehmite = 15%* Vđá ong = 15%*0,12 = 0,018

- Với trọng lƣợng riêng của đá ong lấy bằng trọng lƣợng riêng của đá đặc nguyên khai và bằng 2,75 tấn/m3. Khối lƣợng Boehmite trong hệ thống là:

Mboehmite = 2,75*0,018 = 0,05 (tấn) = 0,05*1000 = 50 (kg)

- Với tải trọng thủy lực là 2 m3/m2.ngày thì lƣu lƣợng nƣớc phân phối vào hệ thống MSL6-PL là:

Q = 2*(0,95*0,5) = 2*0,475 = 0,95 (m3/ngày).

- Với nồng độ amoni đầu trung bình là 8,71 mg/L, nồng độ amoni đầu ra yêu cầu theo QCVN 14:2008/BTNMT kể cả tính cho cột A là 5 mg/L thì hàm lƣợng amoni cần giảm là:

Mamoni = 8,71 – 5 = 2,71 (mg/L)

ngày = 2,71*0,95*1000/1.000.000 = 0,00257 (kg/ngày)

- Số lƣợng amoni cần loại bỏ trong một ngày là:

Mamoni

137

năm = 0,00257*365 = 0,94 (kg/năm).

- Khối lƣợng amoni cần loại bỏ trong một năm là:

Mamoni

- →

- Tính số lƣợng oxi cung cấp cho phản ứng (2-18):

+ + 1,86O2 + 1,98HCO3

NH4

- + 1,88H2CO3 + 1,04H2O (2-18)

+ - Theo phản ứng này thì cứ 1 gam nitơ trong chất cho electron NH4 cần 2x32/14 = 4,57 gam oxi để nhận electron giải phóng ra tƣơng ứng hay để loại bỏ 1 kg nitơ trong + NH4 thì cần 4,57 kg oxi để nhận electron. Giả sử toàn bộ số oxi này đều lấy từ liên kết –O-H-O-H-O trong Boehmite thithì số năm hệ thống MSL6-PL có thể duy trì việc cung cấp oxi là:

0,020 C5H7NO2 + 0,98 NO3

T = 50/4,57 = 10,9 (năm)

138