(Luận án tiến sĩ) Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải sinh hoạt xám tại chỗ bằng vật liệu laterit (đá ong)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.46 MB, 205 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
KHƢƠNG THỊ HẢI YẾN
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƢỚC THẢI
SINH HOẠT XÁM TẠI CHỖ
BẰNG VẬT LIỆU LATERIT (ĐÁ ONG)
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI, NĂM 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ NƢỚC THẢI
SINH HOẠT XÁM TẠI CHỖ
BẰNG VẬT LIỆU LATERIT (ĐÁ ONG)
Chuyên ngành:
Kỹ thuật tài nguyên nƣớc
Mã số:
62580212
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS Phạm Thị Minh Thƣ
2. PGS.TS Nguyễn Thị Kim Cúc
HÀ NỘI, NĂM 2016
LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả
nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một
nguồn nào và dƣới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã đƣợc
thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Tác giả luận án
Chữ ký
Khƣơng Thị Hải Yến
i
LỜI CÁM ƠN
Tác giả xin trân trọng cám ơn PGS.TS Phạm Thị Minh Thƣ, PGS.TS Nguyễn Thị Kim
Cúc và các thầy cơ, 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 Cơng trình Đơ thị là nơi NCS công tác đã giúp đỡ rất
nhiều trong việc xây dựng và vận hành các mơ hình thí nghiệm, thực nghiệm và xét
nghiệm mẫu nƣớc. Đặc biệt, luận án là cơng 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 khơng tránh khỏi sai sót, tác giả rất mong
nhận đƣợc ý kiến đóng góp của các thầy cô, các nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp.
Xin trân trọng cảm ơn!
ii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... i
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ................................................................................. vi
MỞ ĐẦU
1.1
.......................................................................................................... 1
Tính cấp thiết của đề tài .................................................................................. 1
1.2 Mục tiêu của nghiên cứu ................................................................................. 2
1.2.1 Mục tiêu chung ........................................................................................ 2
1.2.2
Mục tiêu cụ thể ........................................................................................ 2
1.3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ................................................................... 2
1.3.1 Đối tƣợng nghiên cứu .............................................................................. 2
1.3.2
1.4
Phạm vi nghiên cứu.................................................................................. 2
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 cơng 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 q trình xử lý một số chất ơ nhiễm
có trong nƣớc thải. ............................................................................................. 15
1.2.3 Những cơng trình nghiên cứu trong và ngồi 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 cơng trình nghiên cứu về kỹ thuật xếp lớp đa tầng đƣợc thực hiện
trong phịng thí nghiệm ...................................................................................... 28
1.3.3 Các cơng 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 mơ hình xếp lớp đa tầng quy mơ phịng thí nghiệm ....... 75
3.2.1 Sự di chuyển của dòng nƣớc qua các lớp đá ong .................................... 75
3.2.2 Xác định hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ nền (qua thông số BOD5,
COD) và chuyển hóa nitơ (qua thơng số NH4+-N) theo số lớp đá ong trong hệ
thống xếp lớp đa tầng. ........................................................................................ 94
3.3 Kết quả nghiên cứu mơ 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 mơ hình thực nghiệm (pilot) theo lƣu lƣợng nƣớc
thải sinh hoạt xám cần xử lý ............................................................................. 104
3.3.3
Q trình khởi động mơ hình thử nghiệm (pilot) .................................. 105
3.3.4 Kết quả nghiên cứu mơ hình thử nghiệm xử lý tại chỗ nƣớc thải xám cho
nhà B5 – Yên Thƣờng. ..................................................................................... 106
iv
3.4 Giải pháp công nghệ xử lý nƣớc thải xám bằng đá ong theo kỹ thuật xếp lớp
đa tầng ................................................................................................................. 113
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................. 116
1.
Kết luận ...................................................................................................... 116
2.
Kiến nghị .................................................................................................... 117
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ ........................... 119
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 120
v
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Sơ đồ thốt nƣớc trong các nhà cao tầng ...................................................... 6
Hình 1.2: Cơng 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 khơng gian tinh thể Bruxit ............................................................ 16
Hình 1.7: Cấu trúc khơng gian tinh thể Gibbsit .......................................................... 17
Hình 1.8: Cấu trúc khơng gian tinh thể Boehmit ........................................................ 17
Hình 1.9: Cấu trúc khơng gian tinh thể lepidocrokit và goethite ................................. 18
Hình 1.10: Cấu trúc khơng 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 dịng 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 khơng của một khống vật là 6,6 ........................................ 39
Hình 2.3: Sơ đồ biểu diễn cấu trúc lớp kép có thể đánh dấu sự khác nhau giữa thể bề
mặt và thế Zeta .......................................................................................................... 40
Hình 2.4: Đƣờng hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir; tg =1/qmax ..................................... 44
Hình 2.5: Sự phụ thuộc của C f / q và C f .................................................................. 44
Hình 2.6: Các trạng thái tồn tại của amoni theo pH .................................................... 47
Hình 2.7: Ảnh hƣởng của pH đến các dạng tồn tại của sắt ......................................... 48
Hình 2.8: Ảnh hƣởng của nồng độ oxi đến quá trình phân hủy nitơ ........................... 50
Hình 2.9: Kết quả đo XRD của mẫu đá ong khu vực Thạch Thất, Hà Nội .................. 54
Hình 2.10: Sắt tập trung cao chiếm hầu hết hạt sét trong đá ong ................................ 55
Hình 2.11: Vi cấu trúc của đá ong .............................................................................. 55
Hình 2.12: Vật liệu đá ong tự nhiên (VL1)................................................................. 55
Hình 2.13: Đƣờng cong DSC khi nung nóng laterit (đá ong) đến 13000C [62] ........... 56
Hình 2.14: Cấu trúc bề mặt của đá ong trƣớc và sau khi nung (Ảnh chụp SEM – đợ
phóng đại 25.000 lần) ................................................................................................ 58
Hình 2.15: Vật liệu đá ong nung biến tính nhiệt (VL2) .............................................. 58
Hình 2.16: Mơ hình xếp lớp đất đa tầng quy mô phòng thí nghiệm ............................ 60
Hình 2.17: Mơ hình MSL6......................................................................................... 60
Hình 2.18: Mơ hình MSL3......................................................................................... 60
Hình 2.19: Hệ thống phân phối .................................................................................. 60
vi
Hình 2.20: Mơ hình thử nghiệmMSL6-PL ................................................................. 61
Hình 2.21: Mặt cắt mơ hình thử nghiệm MSL6-PL .................................................... 62
Hình 3.1: Mơ phỏng dòng nƣớc di chuyển trong các lớp đá ong ................................ 75
Hình 3.2: Dịng nƣớc di chuyển trong mơ 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 mơ hình thí
nghiệm của NTPL...................................................................................................... 78
Hình 3.5: Sự thay đổi nồng độ COD trƣớc và sau xử lý qua các mơ hình thí nghiệm
của NTNB ................................................................................................................. 81
Hình 3.6: Sự thay đổi nồng độ COD trƣớc và sau xử lý qua các mơ hình thí nghiệm
của NTPL .................................................................................................................. 81
Hình 3.7: Sự thay đổi nồng độ NH4+-N trƣớc và sau xử lý qua các mơ hình thí nghiệm
của NTNB ................................................................................................................. 82
Hình 3.8: Sự thay đổi nồng độ NH4+-N trƣớc và sau xử lý qua các mơ hình thí nghiệm
của NTPL .................................................................................................................. 83
Hình 3.9: Sự thay đổi nồng độ NO2--N trƣớc và sau xử lý qua các mơ hình thí nghiệm
của NTNB ................................................................................................................. 84
Hình 3.10: Sự thay đổi nồng độ NO2--N trƣớc và sau xử lý qua các mơ hình thí nghiệm
của NTPL .................................................................................................................. 84
Hình 3.11: Sự thay đổi nồng độ NO3--N trƣớc và sau xử lý qua các mơ hình thí nghiệm
của NTNB ................................................................................................................. 86
Hình 3.12: Sự thay đổi nồng độ NO3--N trƣớc và sau xử lý qua các mơ hình thí nghiệm
của NTPL .................................................................................................................. 86
Hình 3.13: Sự thay đổi nồng độ T-N trƣớc và sau xử lý qua các mô hình thí nghiệm
của NTNB ................................................................................................................. 87
Hình 3.14: Sự thay đổi nồng độ T-N trƣớc và sau xử lý qua các mơ hình thí nghiệm
của NTPL .................................................................................................................. 87
Hình 3.15: Ảnh hƣởng của pH đến sự hấp phụ các ion trên bề mặt đá ong ................. 89
Hình 3.16: Cơ chế cân bằng điện tích trong việc keo tụ chất rắn lơ lửng .................... 89
Hình 3.17: Sự thay đổi nồng độ PO43--P trƣớc và sau xử lý qua các mơ hình thí nghiệm
của NTNB ................................................................................................................. 90
Hình 3.18: Sự thay đổi nồng độ PO43--P trƣớc và sau xử lý qua các mơ hình thí nghiệm
của NTPL .................................................................................................................. 90
Hình 3.19: Sự chuyển hóa và hấp thụ PO43--P của vi sinh vật [15] ............................. 92
Hình 3.20: Sự thay đổi nồng độ T-P trƣớc và sau xử lý qua các mơ hình thí nghiệm của
NTNB........................................................................................................................ 92
Hình 3.21: Sự thay đổi nồng độ T-P trƣớc và sau xử lý qua các mơ hình thí nghiệm của
NTPL......................................................................................................................... 93
Hình 3.22: Đẳng hấp phụ P bằng đá ong ở 25oC và pH = 6 ....................................... 93
vii
Hình 3.23: Mối quan hệ giữa nồng độ BOD5 và số lớp đá ong có trong mơ hình ........ 96
Hình 3.24: Mối quan hệ giữa nồng độ COD và số lớp đá ong có trong mơ hình ......... 97
Hình 3.25: Mối quan hệ giữa lnC0C và số lớp đá ong có trong mơ hình ................... 100
Hình 3.26: Cơ chế làm việc của hệ thống MSL với đá ong làm vật liệu chính .......... 102
Hình 3.27: Sự biến đổi nồng độ của NH4+-N, NO2-, NO3- trong giai đoạn khởi động
mơ hình pilot ........................................................................................................... 106
Hình 3.28: Độ pH của nƣớc thải xám trƣớc và sau xử lý qua mơ hình thử nghiệm ... 107
Hình 3.29: Nồng độ và hiệu suất xử lý BOD5 của nƣớc thải xám qua mơ hình thử
nghiệm..................................................................................................................... 107
Hình 3.30: Nồng độ và hiệu suất xử lý COD của nƣớc thải xám qua mơ hình thử
nghiệm..................................................................................................................... 108
Hình 3.31: Nồng độ và hiệu suất xử lý NH4+-N của nƣớc thải xám qua mơ hình thử
nghiệm..................................................................................................................... 109
Hình 3.32: Nồng độ và hiệu suất xử lý T-N của nƣớc thải xám qua mơ hình thử
nghiệm..................................................................................................................... 109
Hình 3.33: Nồng độ và hiệu suất xử lý PO43-- P của nƣớc thải xám qua mô hình thử
nghiệm..................................................................................................................... 111
Hình 3.34: Nồng độ T-P trong nƣớc thải xám trƣớc và sau khi xử lý ....................... 111
Hình 3.35: Nồng độ TSS trong nƣớc thải xám trƣớc và sau khi xử lý ...................... 112
viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Đặc điểm của nƣớc thải xám theo nguồn thải [11], [2]. ................................ 6
Bảng 1.2: Tính chất nƣớc thải xám tại một số nƣớc trên thế giới.................................. 7
Bảng 1.3: Chất lƣợng nƣớc thải xám trƣớc và sau khi xử lý [8]. ................................ 10
Bảng 1.4: Chất lƣợng nƣớc thải xám sau xử lý qua cát lọc và hỗn hợp đất [14]. ........ 12
Bảng 1.5: Thay đổi tính chất của nƣớc thải xám theo thời gian tại Hà Lan [19]. ........ 12
Bảng 1.6: Thành phần các nguyên tố chính trong laterit [7]. ...................................... 14
Bảng 1.7: Hiệu quả xử lý một số chất ơ 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 khống vật học của đá ong [35], [7]........................................ 53
Bảng 2.5: Thành phần hóa học của đá ong dùng trong nghiên cứu [33]...................... 54
Bảng 2.6: Phƣơng pháp và tiêu chuẩn phân tích thơng 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 ngun bản và pha lỗng đầu vào........................ 76
Bảng 3.6: Độ pH của nƣớc thải xám trƣớc và sau khi xử lý qua các mơ hình MSL .... 77
Bảng 3.7: Nồng độ và hiệu suất trung bình xử lý BOD5 qua các mơ hình MSL .......... 78
Bảng 3.8: Nồng độ và hiệu suất trung bình xử lý COD qua các mơ hình MSL .......... 80
Bảng 3.9: Nồng độ và hiệu suất xử lý NH4+-N qua các mơ hình MSL........................ 82
Bảng 3.10: Nồng độ NO2--N trƣớc và sau khi xử lý qua các mơ hình MSL ................ 84
Bảng 3.11: Nồng độ NO3--N trƣớc và sau khi xử lý qua các mơ hình MSL ................ 85
Bảng 3.12: Nồng độ T-N trƣớc và sau khi xử lý qua các mơ hình MSL ..................... 86
Bảng 3.13: Nồng độ PO43--P trƣớc và sau khi đi qua các lớp đá ong .......................... 90
Bảng 3.14: Nồng độ T-P trƣớc và sau khi đi qua các lớp đá ong ................................ 92
Bảng 3.15: Đẳng hấp phụ P trên bề mặt đá ong .......................................................... 93
Bảng 3.16: Khả năng hấp phụ P của một số loại vật liệu ............................................ 94
Bảng 3.17: Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ nền (ks) qua các lớp đá ong. .............. 98
Bảng 3.18: Hệ số tốc độ chuyển hóa amoni (NH4+-N) qua các lớp đá ong ................. 99
Bảng 3.19: Nồng độ và hiệu suất xử lý nƣớc thải xám nhà B5-Yên Thƣờng ........... 106
Bảng 3.20: Hiệu suất xử lý T-N của MSL6-PL với một số công nghệ xử lý nƣớc thải
tại Việt Nam hiện nay [1], [5], [80]. ......................................................................... 110
Bảng 3.21: So sánh tính chất nƣớc thải xám trƣớc và sau khi xử lý bằng MSL6-PL với
các QCVN 14:2008 (BTNMT) và QCVN 08:2008/BTNMT. ................................... 113
ix
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
A2O
Cơng nghệ mƣơng oxi hóa tuần hồn
BGBL
Mơi trƣờng tăng sinh (Brilliant Green Bile Lactose Broth)
BOD5
C0
Nhu cầu oxy hóa sinh học sau 5 ngày (Biological Oxygen
Demand) (mg/L)
Nồng độ chất ô nhiễm ban đầu (mg/L)
COD
Nhu cầu oxy hố học (Chemical Oxygen Demand) (mg/L)
Cra
Nồng độ chất ơ nhiễm trong nƣớc thải xám đầu ra (mg/L)
Ct
Nồng độ chất ô nhiễm tại thời điểm t (mg/L)
Cvào
Nồng độ chất ô nhiễm trong nƣớc thải xám đầu vào (mg/L)
DSC
Phân tích nhiệt quét vi sai (Differential scanning calorimetry)
ĐVT
Đơn vị tính
HRT
Thời gian lƣu nƣớc (giờ)
IEP
Điểm đẳng nhiệt
JICA
K
Văn phòng hợp tác quốc tế Nhật Bản (The Japan International
Cooperation Agency)
Tốc độ chuyển hóa nitơ (lớp-1)
Kbh
Hệ số bão hòa
ks
Hệ số tốc độ phân hủy sinh học chất hữu cơ (lớp-1)
LVL
Lớp vật liệu
MBR
Công nghệ màng lọc sinh học (Membrane Bio Reactor)
MPN
Mật độ tế bào vi khuẩn lớn nhất (most probable number)
MSL
Xếp lớp đa tầng (Multi Soil Layering) (mg/L)
MSLn
Hệ thống có n lớp đá ong
NH4+-N
Nồng độ Amoni quy về nồng độ nitơ (mg/L)
NMXLNT
Nhà máy xử lý nƣớc thải
-
Tổng nồng độ nitrit quy về nồng độ nitơ (mg/L)
-
NO3 -N
Tổng nồng độ nitrat quy về nồng độ nitơ (mg/L)
NTNB
Nƣớc thải xám nguyên bản
NTPL
Nƣớc thải xám pha loãng
PO43--P
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 khơng (point of zero charge)
QCVN
Quy chuẩn Việt Nam.
NO2 -N
x
QCVN 08:2008/
BTNMT
QCVN 14:2008
/BTNMT
SBR
Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lƣợng nƣớc mặt
SEM
Kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscope)
SEM
SRT
Phƣơng pháp kính hiển vi điện tử quét (Scanning Electron
Microscopy)
Thời gian lƣu bùn (giờ)
TCVN
Tiêu chuẩn Việt Nam.
T-N
Tổng nồng độ các chất nitơ quy về nồng độ nitơ (mg/L)
T-P
TSS
Tổng nồng độ các chất Phốt pho quy về nồng độ phốt pho
(mg/L)
Tổng các chất rắn lơ lửng (mg/L)
UV
Tia cực tím (Ultraviolet Visble)
VACNE
Hội bảo vệ thiên nhiên và môi trƣờng Việt Nam
WHO
Tổ chức y tế thế giới
XRD
Nhiễu xạ tia (X-ray diffraction)
Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nƣớc thải sinh hoạt.
Công nghệ bùn hoạt tính dạng mẻ (Sequencing Batch Reactor)
xi
MỞ ĐẦU
1.1
Tính cấp thiết của đề tài
Q trình đơ thị hóa tại Việt Nam đang diễn ra nhanh, nhiều khu đơ thị mới với các tịa
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 ơ nhiễm, mầm bệnh thấp
hơn nƣớc thải đen và hầu hết đang đƣợc xả thẳng ra ngồi mơi trƣờng khơng 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 cơng 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, nhơm, zeolite, bruxit, gibbsit, goethite [7]…là
những chất có tính phân cực trong mơi 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 ơ 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 q trình tắc nghẽn do sự tích tụ cặn và hình thành lớp màng vi sinh bao quanh.
Kỹ thuật xếp lớp đa tầng có thể hạn chế vấn đề tắc nghẽn và tăng hiệu quả xử lý bằng
phƣơng pháp sinh học.
1
Đề tài “Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải sinh hoạt xám tại chỗ bằng vật liệu
laterit (đá ong)” đƣợc thực hiện nhằm xác định khả năng xử lý nƣớc thải sinh hoạt
xám của đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đa tầng. Thành công của nghiên cứu mở ra một
hƣớng mới trong việc sử dụng vật liệu địa phƣơng, thân thiện với môi trƣờng để xử lý
tại chỗ nƣớc thải sinh hoạt xám góp phần giảm áp lực cho các nhà máy xử lý nƣớc thải
tập trung, số lƣợng đƣờng ống vận chuyển cho mạng lƣới thoát nƣớc đô thị và hạn chế
ô nhiễm môi trƣờng. Nƣớc thải sinh hoạt xám sau xử lý đạt tiêu chuẩn cho phép và có
thể sử dụng vào mục đích tƣới (hoặc các mục đích tƣơng đƣơng) góp phần chủ động
trong việc cấp nƣớc tƣới, tiết kiệm nguồn tài nguyên nƣớc cho tƣơng lai và hƣớng đến
phát triển bền vững.
1.2 Mục tiêu của nghiên cứu
1.2.1 Mục tiêu chung
Xác định khả năng loại bỏ các chất ơ 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 mơ hình thí nghiệm xếp lớp đa tầng với đá ong là vật liệu chính;
- Ứng dụng thành cơng mơ hình thử nghiệm xử lý tại chỗ nƣớc thải sinh hoạt xám cho
nhà cao tầng. Nƣớc thải sinh hoạt xám sau xử lý đạt chất lƣợng nƣớc tƣới.
1.3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
1.3.1 Đối tượng nghiên cứu
Kỹ thuật xếp lớp đa tầng sử dụng đá ong làm vật liệu chính để xử lý nƣớc thải sinh
hoạt xám của nhà cao tầng trên địa bàn thành phố Hà Nội.
1.3.2 Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu đƣợc thực hiện trong phạm vi nhƣ sau:
2
- Nƣớc thải sinh hoạt xám của một số nhà cao tầng trên địa bàn thành phố Hà Nội;
- Kỹ thuật xếp lớp đa tầng sử dụng vật liệu chính là đá ong tự nhiên và đá ong biến
tính nhiệt;
- Nghiên cứu đƣợc thực hiện trong phịng thí nghiệm trên các mơ hình thí nghiệm và
mơ hình thử nghiệm (pilot).
1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu
Trong luận án sử dụng các phƣơng pháp nghiên cứu chính sau:
- Điều tra và thu thập mẫu nƣớc thải: Tìm hiểu và thu thập các số liệu liên quan đến
thoát nƣớc của các nhà cao tầng. Mẫu nƣớc thải tổng hợp đƣợc lấy trên đƣờng ống dẫn
nƣớc thải sinh hoạt xám của một số nhà cao tầng trên địa bàn thành phố Hà Nội;
- Kế thừa: Kế thừa các kết quả nghiên cứu lý thuyết về khả năng hấp phụ của đá ong
và bố trí vật liệu trong kỹ thuật xếp lớp đa tầng;
- Phân tích trong phịng thí nghiệm: Các thơng số BOD5, COD, T-N, T-P, NH4+-N,
PO43--P, TSS, E.coli, Coliform đƣợc phân tích theo Standard Methods và các TCVN
tƣơng đƣơng; mẫu nƣớc thải xám đƣợc thu và bảo quản theo TCVN 5998:1995;
- Mơ hình thí nghiệm: Xây dựng các mơ hình thí nghiệm có từ 3 đến 7 lớp đá ong tự
nhiên; hiệu suất xử lý, hệ số phân hủy sinh học chất hữu cơ nền (k s), hệ số chuyển hóa
amoni (K) đƣợc xác định dựa trên các kết quả thực nghiệm thu đƣợc từ việc phân tích
các mẫu nƣớc thải sinh hoạt xám;
- Mơ 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 chun gia về cách bố trí mơ hình thí nghiệm và đánh giá
khả năng xử lý nƣớc thải sinh hoạt xám bằng đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đất đa tầng.
3
1.5
Những đóng góp mới
1.5.1 Tính mới của luận án
- Xác định đƣợc tính chất và đặc thù nƣớc thải sinh hoạt xám một số nhà cao tầng trên
địa bàn thành phố Hà Nội;
- Xác định đƣợc vai trị nhóm liên kết hydro dạng -O-H-O-H-O trong cấu trúc phân tử
của khoáng vật có trong đá ong đến q trình loại bỏ chất hữu cơ và nitơ có trong nƣớc
thải xám nhà cao tầng;
- Xác định hệ số tốc độ phân huỷ BOD5, COD và chuyển hóa NH4+-N có trong nƣớc
thải sinh hoạt xám theo số lớp đá ong trong hệ thống xếp lớp đa tầng;
- Xử lý tại chỗ thành công nƣớc thải sinh hoạt xám nhà cao tầng bằng hệ thống xếp lớp
đa tầng với đá ong là vật liệu chính.
1.5.2 Giá trị khoa học
- Xây dựng cơ sở tính toán, thiết kế hệ thống xếp lớp đa tầng sử dụng đá ong làm vật
liệu chính để xử lý nƣớc thải sinh hoạt xám;
- Xác định đƣợc khả năng xử lý chất hữu cơ, chất dinh dƣỡng, tổng chất rắn lơ lửng có
trong nƣớc thải sinh hoạt xám bằng đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đa tầng.
1.5.3 Giá trị thực tiễn
Ứng dụng vào thực tiễn để xử lý nƣớc thải sinh hoạt xám cho các nhà cao tầng trên địa
bàn thành phố Hà Nội. Nƣớc sau xử lý đạt chất lƣợng theo u cầu, góp phần giảm
thiểu ơ nhiễm môi trƣờng và hƣớng tới phát triển bền vững.
1.6
Cấu trúc của luận án
Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị thì luận án gồm 3 chƣơng.
Phần MỞ ĐẦU
Gồm 5 trang (từ trang 01 đến trang 5), trình bày tính cấp thiết, mục tiêu, đối tƣợng và
phƣơng pháp nghiên cứu, những đóng góp mới và cấu trúc luận án.
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
4
Gồm 32 trang (từ trang 6 đến trang 37) trình bày các vấn đề liên quan kỹ thuật xếp lớp
đa tầng, nƣớc thải xám và ứng dụng đá ong trong lĩnh vực xử lý nƣớc thải.
Chƣơng 2: CƠ SỞ KHOA HỌC, VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
XỬ LÝ NƢỚC THẢI SINH HOẠT XÁM BẰNG ĐÁ ONG THEO KỸ THUẬT XẾP
LỚP ĐA TẦNG
Gồm 43 trang (từ trang 38 đến trang 70) trình bày cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu
đá ong theo kỹ thuật xếp lớp đa tầng; lựa chọn, gia công vật liệu đá ong và các phƣơng
pháp cụ thể để thực hiện việc nghiên cứu.
Chƣơng 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Gồm 43 trang (từ trang 71 đến trang 115) trình bày các kết quả thu đƣợc từ quá trình
nghiên cứu.
Phần KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Gồm 3 trang (từ trang 116 đến trang 118) trình bày những kết luận rút ra trong quá
trình nghiên cứu, những tồn tại và hƣớng nghiên cứu tiếp theo.
5
CHƢƠNG 1
1.1
TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Nƣớc thải xám
1.1.1 Khái niệm chung
Nƣớc thải từ các cơng 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 cịn nƣớc
thải xám và nƣớc mƣa
thƣờng khơng qua xử lý mà
xả thẳng ra mạng lƣới thốt
nƣớc đơ thị hay mơi trƣờng
Hình 1.1: Sơ đồ thốt 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 ơ 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 ơ
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
Từ máy giặt
Chậu rửa bát
Đặc tính
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
6
Nhà tắm (chậu tắm,
vịi sen..)
Chậu rửa nhà bếp
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.
Vi khuẩn, thức ăn thừa, nƣớc nóng, dầu và mỡ, chất hữu cơ,
chất thải rắn, xà phòng, chất tẩy rửa, độ màu
(Ghi chú: Các loại nước thải xám tại Việt Nam không được tách riêng thành các nguồn riêng biệt
như trên mà trộn lẫn tạo thành nước thải xám tổng hợp nên bảng trên chỉ mang tính chất tham khảo)
Bảng 1.2: Tính chất nƣớc thải xám tại một số nƣớc trên thế giới
Thông số
TT
ĐVT
Ấn Độ
[12]
Trung
Đông [13]
Jordan
[6]
Mỹ
[14]
Đức
[15]
-
7,7
6,6-6,86
8,35
7
5-9
1
pH
2
COD
mg/L
-
1391-2405
-
-
501
3
BOD5
mg/L
170
941-997
225-2287
128,9
228
4
TSS
mg/L
190
36-396
575-875
53
158
5
PO43--P
mg/L
-
-
0,9
-
6
T-P
mg/L
0,1-0,8
-
3-6
-
6
7
NH4+-N
mg/L
1-26
25-45
-
-
5,7
8
T-N
mg/L
2-23
-
15-35
11,9
17
Nếu xử lý đúng cách, nƣớc thải xám có thể tái sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau
nhƣ: tƣới cây, rửa xe, dội bồn cầu [9]… góp phần tiết kiệm nguồn nƣớc cho tƣơng lai,
giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng và hƣớng tới phát triển bền vững.
Trong luận án từ đây nƣớc thải sinh hoạt xám đƣợc gọi tắt là nƣớc thải xám.
1.1.2 Các phương pháp xử lý nước thải xám
Lựa chọn phƣơng pháp xử lý nƣớc thải xám thích hợp dựa trên:
-
Chất lƣợng nƣớc thải xám cần xử lý;
-
Yêu cầu chất lƣợng nƣớc sau xử lý;
-
Hiệu quả xử lý của công nghệ;
-
Dễ vận hành và bảo trì;
-
Kinh tế;
7
-
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, cơ 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 hịa 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 q 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
vơ 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
8
thấp đối với anionit, nếu khơng nhóm chức của chúng tồn tại ở trạng thái khơng phân
li, điện tích tổng của nhóm chức bằng khơng. 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 hịa tan trong nƣớc thải.
Cơng 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 hồn…). Các cơng trình xử lý trong điều kiện nhân tạo
thƣờng có q 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
u 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 khống 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 q 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 khơng hịa tan và một phần
chất keo ra khỏi nƣớc thải. Phƣơng pháp này có thể loại bỏ đến 60% các tạp chất
khơng hịa tan trong nƣớc thải sinh hoạt và làm giảm 20% BOD 5. Các cơng 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 cơng trình thƣờng kết hợp nhiều phƣơng pháp xử lý và khó tách bạch rõ
ràng. Hiệu suất xử lý các chất ơ nhiễm có trong nƣớc thải của một cơng trình là tổng
hợp của tất cả các q trình diễn ra trong nó.
9
1.1.3 Các cơng trình nghiên cứu trong và ngồi 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 cơng 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
cơng 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 ơ nhiễm mơi trƣờng. Một số nghiên cứu
điển hình nhƣ: Tại Jordan nguồn cung cấp nƣớc ngọt khan hiếm nhƣng nhu cầu dùng
nƣớc ln vƣợt q 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 cơng 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
ĐVT
Trƣớc xử lý
Sau xử lý
pH
-
7,2
7,2
BOD
mg/L
942
108
COD
mg/L
1712
489
T-N
mg/L
52
11
TSS
mg/L
275
125
Chú ý: Giá trị trong bảng là là giá trị trung bình
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
10
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: Cơng 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 BOD 5 =22,1-358,8 mg/L (trung
bình 128,9mg/L), TSS = 8-200 mg/L (trung bình 53,0 mg/L), T-N= 3,1-32,7 mg/L
(trung bình 11,9 mg/L), NO3--N = 0,8-17,5 mg/L (trung bình 1,5 mg/L), PO43--P = 0,53,6 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 q trình nitrat hóa hồn 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
11
nitrat hóa hồn 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].
Tốc độ
(cm/ngày)
Loại
đất
12
5,2
cát
Hỗn hợp
đất cát
30
BOD5
(mg/L)
11,2
TSS
(mg/L)
6
TKN
(mg/L)
4
NO3--N
(mg/L)
4,5
PO43--P
(mg/L)
bd
60
6,6
4
2,5
12,1
Bd
90
6
5
bd
9,7
bd
30
5,9
5
4
9
bd
60
2,1
4
2
14,5
bd
90
4,4
10
2,9
15,5
bd
Chiều
dày (cm)
Ghi chú: bd là giá trị giới hạn dưới giới hạn phát hiện
<2 mg/L
<0,5 mg/L
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 q 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
ngày 1-168
Giá trị trung bình từ
ngày 84-168
COD
T-N
mg/L
mg/L
833±188
41,2±27,2
827±204
29,9±11,0
NH4+-N
mg/L
1,0±0,7
0,6±0,4
NO3--N
T-P
mg/L
mg/L
0,12±0,08
6,6±2,7
0,12±0,07
5,8±1,4
Chú ý: Giá trị ghi trong bảng là giá trị trung bình ±độ lệch chuẩn
Tại Việt Nam có rất ít các cơng 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
12
