Đồ án Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình

121 trang thiennha21 13/04/2022 7761

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

do_an_nghien_cuu_cong_nghe_xu_ly_nuoc_thai_ho_gia_dinh_bang.pdf

Nội dung text: Đồ án Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜN ĐẠI HỌC CÔNG NGH TP. HCM VI N KHOA HỌC ỨNG DỰNG ĐỒ ÁN T T N P NGHIÊN CỨU CÔNG NGH XỬ LÝ NƢỚC THẢI HỘ A ĐÌN BẰNG CÔNG NGH BÃI LỌC NGẦM DÒNG CHẢY ĐỨNG KẾT HỢP CANH TÁC RAU SẠCH QUY MÔ HỘ A ĐÌN Ngành: Kỹ thuật môi trƣờng Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trƣờng GVHD: Ths Phạm Đức Phƣơng SVTH: Nguyễn Thụy Thảo Quỳnh MSSV: 1411090407 Lớp: 14DMT03 TP.HCM, tháng 7 năm 2018 i
LỜ CAM ĐOAN Xin cam đoan đây là đồ án của riêng tôi, những kết quả đƣợc sử dụng và các số liệu trong bài làm là kết quả và số liệu thực tế thu đƣợc từ việc làm thí nghiệm và mô hình nghiên cứu . Tôi xin cam kết về tính trung thực của những vấn đề đƣợc nêu trong đồ án này. TP.HCM , ngày tháng năm . (SV ký và ghi rõ họ tên) i
LỜI CẢM ƠN Trong thời gian thực hiện và hoàn thành tiểu luận tốt nghiệp, nhờ có sự động viên giúp đỡ, sự chia sẻ của các Gia đình, Thầy cô và bạn bè đã giúp đỡ tôi trang bị thêm nhiều kiến thức và kinh nghiệm sống quý báu cho hành trang tƣơng lai của mình. Với sự trân trọng và lòng biết ơn, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: Trƣớc tiên con xin gửi lời đến Mẹ đã nuôi con ăn học và làm chỗ dựa vững chắc cho con đến ngày hôm nay. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến ban chủ nhiệm, quý thầy cô khoa Môi trƣờng Trƣờng Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh đã tận tình dạy dỗ, truyền đạt cho tôi nhiều kiến thức quý báu trong suốt thời gian qua. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy Lâm Vĩnh Sơn và thầy Phạm Đức Phƣơng đã tận tình giảng dạy, chỉ bảo, quan tâm trong suốt quá trình thƣc hiện luận văn tốt nghiệp. Cảm ơn tập thể 14DMT và các bạn cùng làm đồ án tốt nghiệp, những ngƣời bạn đã cùng tôi chia sẻ và giúp đỡ mình rất nhiều trong quá trình học tập và thực hiện tiểu luận tốt nghiệp. Tuy nhiên do thời gian tìm hiểu, nghiên cứu có hạn, vốn kiến thức hạn chế cũng nhƣ những kinh nghiệm thực tế chƣa nhiều nên tiểu luận tốt nghiệp của tôi không tránh những thiếu sót. Tôi rất mong nhận đƣợc và đóng góp của thầy cô để báo cáo của tôi đƣợc hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! TP. Hồ Chí Minh, ngày tháng 07 năm 2018 Sinh viên thực hiện Nguyễn Thụy Thảo Quỳnh i
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT v DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH viii TÓM TẮT xi MỞ ĐẦU xii 1. Tính cấp thiết của đề tài xii 2. Mục tiêu nghiên cứu xiii 2.1 Mục tiêu chung xiii 2.2 Mục tiêu cụ thể xiii 3. Nội dung nghiên cứu xiii 4. Phƣơng pháp nghiên cứu xiv 4.1. Phƣơng pháp luận xiv 4.2 Phƣơng pháp cụ thể xv 5. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu xvi 5.1. Đối tƣợng: xvi 5.2. Phạm vi nghiên cứu: xvi 6. Ý nghĩa của đề tài xvi 6.1 Ý nghĩa khoa học: xvi 6.2. Ý nghĩa thực tiễn xvii i
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1 1.1 Tổng quan về nƣớc thải sinh hoạt hộ gia đình: 1 1.1.1 Đặc tính của nƣớc thải sinh hoạt hộ gia đình 1 1.1.2 Tính chất của nƣớc thải sinh hoạt hộ gia đình 1 1.1.3 Thông số vi sinh vật học 6 1.1.4 Các tác động tiêu cực của nƣớc thải sinh hoạt 8 1.2 Tổng quan về phƣơng pháp bãi lọc (Wetland) 8 1.2.1 Khái niệm về bãi lọc 8 1.2.2 Phân loại bãi lọc trồng cây 9 1.2.3 Tổng quan về bãi lọc ngầm dòng chảy đứng (Vertical subsurface flow constructed wetland) 14 1.2.4 Ứng dụng và đặc tính xử lý nƣớc thải của cây Lƣỡi Mác và cây Thủy Trúc. 23 1.2.5 Tình hình áp dụng bãi lọc ngầm trồng cây trong xử lý nƣớc thải . 25 1.2.6 Những ƣu điểm và nhƣợc điểm trong việc sử dụng bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy đứng để xử lý nƣớc thải 29 1.3 Tổng quan về hệ thống thủy canh 30 1.3.2 Khái niệm về rau sạch 30 1.3.2 Vai trò và giá trị của rau 31 1.3.3 Khái niệm về thủy canh 34 1.3.4 Cơ sở khoa học của kĩ thuật thủy canh 34 1.3.5 Phân loại hệ thống thủy canh 35 1.3.6 Ƣu, nhƣợc điểm của hệ thống thủy canh 35 1.3.7 Chất dinh dƣỡng cần thiết cho hệ thống thủy canh 37 1.3.8 Môi trƣờng nuôi trồng thủy canh 38 1.3.5 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ thủy canh 40 ii
CHƢƠNG 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 41 2.1 Đối tƣợng nghiên cứu 41 2.1.1 Hệ thống bãi lọc ngầm dòng chảy đứng 41 2.1.2 Hệ thống thu canh động 43 2.2 Các bƣớc thực hiện đề tài, vận hành mô hình 48 2.2.1 Phân tích m u nƣớc nghiên cứu 48 2.2.2 SƠ Đ THỰC HIỆN NGHIÊN CỨU 51 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 52 3.1 Hiệu quả xử lý nƣớc thải khi qua mô hình bãi lọc với lƣu lƣợng 5L/ngày 52 3.1.1 Hiệu quả xử lý nƣớc thải của mô hình bãi lọc không trồng cây (NTĐC) 52 3.1.2 Hiệu quả xử lý nƣớc thải của mô hình bãi lọc trồng cây lƣỡi mác (NT1) 60 3.1.3 Hiệu quả xử lý nƣớc thải của mô hình bãi lọc trồng cây Thủy Trúc (NT2). 68 3.1.4 So sánh hiệu quả xử lý giữa giữa 3 mô hình 76 3.1.5 Xác định bãi lọc tối ƣu cấp nƣớc cho thủy canh 82 3.1.6 Xác định khả năng phát triển của rau muống và cải mầm 83 3.1.7 So sánh khả năng phát triển ra muống với cải mầm của 2NT 86 CHƢƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 88 4.1 Kết luận 88 4.2 Kiến nghị 90 TÀI LI U THAM KHẢO 91 PHỤ LỤC 92 Phụ lục 1: Rau muống NTĐC sau 6 ngày phát triển 92 iii
Phụ lục 2: Cải mầm NTĐC sau 3 ngày 93 Phụ lục 3: Rau muống ở NT1’ sau 9 ngày phát triển. 94 Phụ lục 5: Rau muống sau 12 ngày phát triển theo thứ tự là ĐC’, NT1’. 96 Phụ lục 6: Rau muống sau 18 ngày phát triển theo thứ tự là ĐC’, NT1’. 97 Phụ lục 7A: Rau cải mầm sau 12 ngày phát triển của NTĐC’. 98 Phụ lục 7B: Rau cải mầm sau 12 ngày phát triển của NT1’. 99 Phụ lục 9: Rau muống theo dõi sau 21 ngày ở NT1’. 101 iv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ( iochemical oxygen emand) – nhu cầu oxy sinh 1 BOD hóa v
lƣợng oxy cần thiết để oxy hết các chất hữu cơ và 2 BOD 5 sinh hóa do vi khu n với thời gian xử lí là 5 ngày 3 CF (Conductivity factor) – sự phân hủy các muối khoáng 4 COD (Chemical oxygen emand) nhu cầu oxy hóa học 5 EC ( lectro – conductivity) – độ d n điện ood and griculture Organization of the United 6 FAO Nations) – tổ chức Lƣơng thực và nông nghiệp Liên Hiệp Quốc 7 SS (Suspended solids) – chất rắn lơ lửng 8 TDS (Total dissolved solids) – tổng lƣợng chất rắn h a tan 9 VSV Vi sinh vật 10 NT Nghiệm thức 11 NTĐC Nghiệm thức đối chứng 12 VNCKH Viện nghiên cứu khoa học 13 NTĐC Mô hình bãi lọc không trồng cây 14 NT1 Mô hình bãi lọc trồng cây Lƣỡi Mác 15 NT2 Mô hình bãi lọc trồng cây Thủy Trúc 16 NT1’ Nƣớc sau bãi lọc trồng cây Lƣỡi Mác 17 NTĐC’ Nƣớc sạch vi
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Tóm tắt các vai tr cơ bản của thực vật trong bảng lọc trồng cây. Bảng 1.2: Các yếu tố chính ảnh hƣởng đến sự tồn tại của vi sinh vật gây bệnh Bảng 1.3: So sánh chi phí sản xuất và tiêu thụ rau và lúa Đài Loan. Bảng 3.1: Kết quả pH của NTĐC Bảng 3.2: Kết quả SS của NTĐC Bảng 3.3: Kết quả COD của NTĐC. Bảng 3.4: Kết quả BOD5 của NTĐC. Bảng 3.5: Kết quả tổng – P của NTĐC. Bảng 3.6: Kết quả tổng – N của NTĐC. Bảng 3.7: Kết quả pH của NT1 Bảng 3.8: Kết quả SS của NT1 Bảng 3.9: Kết quả COD của NT1 Bảng 3.10: Kết quả BOD5 của mô hình trồng cây NT1. Bảng 3.11: Kết quả tổng – P của NT1. Bảng 3.12: Kết quả tổng – N của NT1 Bảng 3.13: Kết quả pH của NT2. Bảng 3.14: Kết quả SS của NT2 Bảng 3.15: Kết quả COD của NT2 Bảng 3.16: Kết quả BOD5 của NT2 Bảng 3.17: Kết quả tổng – P của NT2 Bảng 3.18: Kết quả tổng – N của NT2 Bảng 3.19: So sánh khả năng xử lý hàm lƣợng SS của 3NT Bảng 3.20: So sánh khả năng xử lý hàm lƣợng COD của 3NT Bảng 3.21: So sánh khả năng xử lý hàm lƣợng BOD5 của 3NT Bảng 3.22: So sánh hàm lƣợng tổng – P của 3NT Bảng 3.23: So sánh hàm lƣợng tổng – N của 3NT Bảng 3.25: Sự phát triển của rau muống và cải mầm của NT1’ Bảng 3.26: Sự phát triển rau muống ở 2 NT Bảng 3.27: Sự phát triển của cải mầm của 3 NT vii
DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ Sơ đồ 1: Các bƣớc thực hiện Sơ đồ 2.1: Mô hình bãI lọc ngầm trồng cây d ng chảy đứng. Sơ đồ 2.2: Mô hình thu canh động tuần hoàn. Sơ đồ 2.3: Sơ đồ các bƣớc thực hiện. DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Mô hình bãi lọc có dòng chảy bề mặt (SFW). Hình 1.2: Mô hình bãi lọc có dòng chảy ngầm. Hình 1.3: Mô hình bãi lọc ngầm dòng chảy đứng (VFS) Hình 1.4: Tình hình nghiên cứu công nghệ thủy canh trên thế giới. (Từ năm 1966 đến nay) Hình 2.1: Bản vẽ mô hình đất lọc ngầm trồng cây dòng chảy đứng. Hình 2.2: Thành ph m mô hình bãi lọc trồng cây dòng chảy đứng. Hình 2.3: Cây Thu Trúc Hình 2.4: Cây Lƣỡi Mác Hình 2.5A: Mô hình thu canh. Hình 2.5B: Mô hình bản vẽ mô hình thủy canh. Hình 2.6: Máy bơm P3500. viii
DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ Đồ thị 3.1: Nồng độ pH giữa đầu vào giữa nƣớc thải và đầu ra của NTĐC. Đồ thị 3.2: So sánh hàm lƣợng SS giữa nƣớc thải đầu vào và đầu ra của NTĐC. Đồ thị 3.3: so sánh hàm lƣợng COD giữa nƣớc thải đầu vào và đầu ra của NTĐC. Đồ thị 3.4: So sánh hàm lƣợng BOD5 giữa nƣớc thải đầu vào và đầu ra của NTĐC. Đồ thị 3.5: So sánh hàm lƣợng tổng - P giữa nƣớc thải đầu vào và đầu ra của NTĐC Đồ thị 3.6: So sánh hàm lƣợng tổng - N giữa nƣớc thải đầu vào và đầu ra của NTĐC. Đồ thị 3.7: Nồng độ pH giữa nƣớc thải đầu ra và nƣớc thải đầu vào của NT1. Đồ thị 3.8: biểu diễn độ biến thiên SS giữa nƣớc thải đầu vào và đầu ra của NT1. Đồ thị 3.9: Đồ thị so sánh hàm lƣợng COD giữa nƣớc thải đầu vào và đầu ra của NT1 Đồ thị 3.10: So sánh hàm lƣợng BOD5 giữa nƣớc thải đầu vào và đầu ra của NT1. Đồ thị 3.11: So sánh hàm lƣợng tổng - P giữa nƣớc thải đầu vào và đầu ra của NT1. Đồ thị 3.12: So sánh hàm lƣợng tổng - N giữa giữa nƣớc thải đầu vào và đầu ra của NT1. Đồ thị 3.13: Nồng độ pH giữa nƣớc thải đầu ra và nƣớc thải đầu vào của NT2. Đồ thị 3.14: So sánh hàm lƣợng SS giữa nƣớc thải đầu vào và đầu ra của NT2. Đồ thị 3.15: So sánh hàm lƣợng COD giữa nƣớc thải đầu vào và đầu ra của NT2. Đồ thị 3.16: So sánh hàm lƣợng BOD5 giữa nƣớc thải đầu vào và đầu ra của NT2. Đồ thị 3.17: Độ biến thiên tổng - P giữa nƣớc thải đầu vào và đầu ra của NT2. Đồ thị 3.18: So sánh hàm lƣợng tổng - N giữa nƣớc thải đầu vào và đầu ra của NT2. ix
Đồ thị 3.19: So sánh hàm lƣợng pH giữa nƣớc thải đầu ra và đầu vào của 3NT. Đồ thị 3.20: So sánh hàm lƣợng SS giữa nƣớc thải đầu ra và đầu vào của 3NT. Đồ thị 3.21A: Hiệu quả xử lý COD giữa nƣớc thải đầu ra và đầu vào của 3NT Đồ thị 3.21B: So sánh hiệu quả xử lý COD của 3 NT. Đồ thị 3.22A: Hiệu quả xử lý BOD5 giữa nƣớc thải đầu ra và đầu vào của 3NT. Đồ thị 3.22B: So sánh hiệu quả xử lý BOD5 của 3 NT. Đồ thị 3.23: So sánh hàm lƣợng tổng - P giữa nƣớc thải đầu ra và đầu vào của 3NT Đồ thị 3.24A: Hiệu quả xử lý tổng - N giữa nƣớc thải đầu ra và đầu vào của 3NT Đồ thị 3.24B: So sánh hiệu quả xử lý tổng - N của 3 NT. Đồ thị 3.25: Thay đổi chiều cao của rau muống theo từng ngày ở NTĐC’. Đồ thị 3.26: Thay đổi chiều cao của cải mầm theo từng ngày ở NTĐC’. Đồ thị 3.27: Thay đổi chiều cao của rau muống theo từng ngày ở NT1’. Đồ thị 3.28: Thay đổi chiều cao của cải mầm theo từng ngày ở NT1’. Đồ thị 3.29: Khả năng phát triển của rau muống giữa 2NT. Đồ thị 3.30: Khả năng phát triển của cải mầm ở 2NT. x
TÓM TẮT Đề tài “Nghiên cứu công nghệ xử lý nƣớc thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình” đƣợc tiến hành trong khoảng thời gian từ tháng 03/2018 đến háng 07/2018  Nghiên cứu gồm hai nội dung chính Theo dõi khả năng xử lý của bãi lọc ngầm dòng chảy đứng : Hai loại cây đƣợc sử dụng trồng trong mô hình bãi lọc là cây Lƣỡi Mác và cây Thủy trúc, khả năng xử lý của hai mô hình trồng cây này sẽ đƣợc đối chứng với mô hình không trồng cây. Chỉ ra khả năng canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình bằng phƣơng pháp thủy canh từ đó theo dõi sự phát triển của rau khi đƣợc trồng với mô hình thủy canh trong đó nƣớc cấp đƣợc sử dụng là m u tối ƣu của bãi lọc xử lý tốt nhất. Rau muống và rau cải mầm đƣợc trồng trong mô hình thủy canh. Tƣơng tự với mô hình bãi lọc, khả năng phát triển của rau đƣợc trồng với nƣớc thải sau khi xử lý sẽ đƣợc đối chứng với rau đƣợc trồng với nƣớc sạch.  Kết quả thu đƣợc  Biết đƣợc khả năng xử lý của bãi lọc trồng cây.  Sản ph m là rau muống và rau cải mầm sau khi đƣợc trồng từ mô hình thủy canh  Điểm mới của đề tài lần này (đƣợc nêu rõ phần kết luận) xi
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài nhiễm môi trƣờng nƣớc là một vấn đề lớn mà Việt Nam đang phải đối mặt. Hầu hết nƣớc thải sinh hoạt cũng nhƣ nƣớc thải công nghiệp không đƣợc xử lý mà đƣợc thải trực tiếp vào môi trƣờng, gây ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nƣớc mặt, nƣớc ngầm, tác động xấu đến điều kiện vệ sinh và ảnh hƣởng trực tiếp đến sức kh e cộng đồng. Xử lý nƣớc thải bằng bãi lọc trong đó là bãi lọc đứng đã và đang đƣợc áp dụng tài nhiều nơi trên thế giới với ƣu điểm là rẻ tiền, dễ vận hành đồng thời mức độ xử lý ô nhiễm cao. Đây là công nghệ xử lý nƣớc thải trong điều kiện tự nhiên, thân thiện với môi trƣờng, cho ph p đạt hiệu xuất cao, chi phí thấp và ổn định, đồng thời làm tăng giá trị đa dạng sinh học, cải tạo cảnh quan môi trƣờng, hệ sinh thái của địa phƣơng. Mặt khác, Việt Nam là nƣớc nhiệt đới, khí hậu nóng m, rất thích hợp cho sự phát triển của các loại thực vật thủy sinh. Ngoài ra, trong quá trình chuyển đổi cơ cấu kinh tế, ngƣời nông dân chỉ chú trọng đến năng suất, thâm canh tăng vụ chạy theo lợi nhuận. Nên đã trồng rau theo cách bón cho rau một cách bừa bãi những loại thuốc kích thích tăng trƣởng thực vật không đảm vệ sinh an toàn thực ph m. Phun thuốc trừ sâu một cách không có giới hạn, thâm chí là các loại thuốc kích thích sinh trƣởng không đƣợc ph p sử dụng Từ đó d n đến mỗi năm có hàng nghìn ca ngộ độc thực ph m, do sử dụng các sản ph m rau tƣơi có chứa dƣ lƣợng thuốc trừ sâu, thuốc bảo vệ thực vật vƣợt xa mức độ cho ph p. Thực tế hiện nay, việc hàng ngày ăn phải những loại rau không đảm bảo tiêu chu n là mầm mống gây nên nhiều căn bệnh nguy hiểm nhƣ ung thƣ, ngộ độc thần kinh, rối loạn chức năng thận Nếu ăn phải rau nhiễm kim loại nặng nhƣ kẽm sẽ d n đến tích tụ kẽm trong gan có thể gây ngộ độc hệ thần kinh, ung thƣ đột biến và một loạt các chứng bệnh nguy hiểm khác. Rau mầm đƣợc coi là kim chỉ nam của vấn đề sản xuất rau tƣơi an toàn cung cấp cho con ngƣời, đáp ứng đƣợc vệ sinh an toàn thực ph m, đảm bảo đƣợc các yếu tố. Không sử dụng thuốc bảo vệ thực vật, không sử dụng chất kích thích sinh xii
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. trƣởng, không tƣới nƣớc b n, không sử dụng phân bón hóa học nên đảm bảo sức kh e cho ngƣời sử dụng. Rau mầm là loại thực ph m có giá trị dinh dƣỡng cao gấp 5 lần so với những loại rau thƣờng, hơn nữa rau mầm không chứa mầm bệnh và vi sinh vật gây hại cho sức kh e của con ngƣời. Trồng rau mầm tại nhà là một cách giải quyết nhu cầu rau xanh tại chỗ, rất tiện lợi đối với dân cƣ ở đô thị. Có thể sử dụng hiên nhà, sân thƣợng hay hành lang để trồng rau mầm. Chỉ cần tranh thủ thời gian ngoài giờ chăm sóc chúng hàng ngày là đủ và có rau an toàn tại chỗ để đảm bảo sức kh e gia đình khi sử dụng, vừa tƣơi lại vừa ngon. Từ hai lý do trên việc nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu công nghệ xử lý nƣớc thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc đứng kết hợp canh tác rau sạch qui mô hộ gia đình là hết sức cấp thiết. 2. Mục tiêu nghiên cứu 2.1 Mục tiêu chung Xây dựng đƣợc mô hình xử lý nƣớc thải sinh hoạt và hoàn thiện quy trình sản xuất rau sạch qui mô hộ gia đình. 2.2 Mục tiêu cụ thể Nghiên cứu hệ thống bãi lọc ngầm trồng cây xử lý nƣớc thải sinh hoạt từ đó xác định đƣợc các thông số thiết kế và vận hành thiết bị ứng với công suất và chất lƣợng nƣớc khác nhau. Đề xuất đƣợc quy trình công nghệ xử lý nƣớc thải bằng bãi lọc ngầm trồng cây đáp ứng tiêu chu n hiện hành của Việt Nam. Xây dựng đƣợc quy trình sản xuất rau cải mầm và một số loại rau khác bằng hệ thống thủy canh có thể đƣa vào áp dụng thực tế nhằm thúc đ y sản xuất rau sạch ngay tại nhà. 3. Nội dung nghiên cứu Lựa chọn công thức vật liệu lọc để sử dụng trong mô hình bãi lọc trồng cây từ đó đánh giá khả năng xử lý nƣớc thải của các công thức vật liệu. xiii
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. Lựa chọn và xác định công thức cây trồng để trồng trong mô hình bãi lọc từ đó đánh giá ngƣỡng chịu tải lƣợng nƣớc thải hộ gia đình của các công thức cây trồng. Xác định các thông số thiết kế, vận hành của mô hình bãi lọc trồng cây với dòng chảy đứng Xác định giá thể thích hợp. Theo dõi sự phát triển của rau ở từng thời điểm. Nghiên cứu pha chế dung dịch dinh dƣỡng từ các hóa chất có s n. Nghiên cứu chế tạo mô hình sản xuất thủy canh từ những vật liệu có s n. Hoàn thiện quy trình sản xuất rau thủy canh. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu 4.1. Phƣơng pháp luận Đề tài dựa trên phƣơng pháp thu thập thông tin khoa học từ các tài liệu, đề tài nghiên cứu, các báo cáo và bài báo trong và ngoài nƣớc thông qua các phƣơng tiện thông tin. Trên cơ sở đó, đề tài lập ra khung nghiên cứu cho phƣơng pháp luận nhƣ sau: Sơ đồ 1: Các bƣớc thực hiện xiv
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. Tình hình ứng dụng bãi lọc, thủy canh Các chỉ tiêu của nƣớc thải sinh hoạt Thu thập dữ liệu Các biện pháp xử lý nƣớc thải sinh hoạt Phân tích số liệu, lựa chọn phƣơng Xử lý bằng bãi lọc ngầm d ng chảy đứng pháp xử lý Vật liêu lọc: cát, s i, đất trồng cây, xơ dừa Thu gom nguyên liệu Phƣơng pháp quang Phân tích chỉ tiêu pH, O 5, CO , TSS, Phƣơng pháp máy đo TOC N-tổng, P-tổng M u nƣớc thải Phƣơng pháp chu n độ FAS Thành phần, tính chất nƣớc thải Vận hành NT1: LN trồng Lƣỡi Xác định mô hình bãi Mác khả năng xử lý nƣớc thải Xử lý nguyên lọc trồng cây NT2: LN trồng Thu của từng bãi liệu dòng chảy Trúc ngang lọc NTĐC: LN không M u nƣớc sau trồng cây xử lý Xác định khả năng sử dụng NT1’: Nƣớc sau bãi nƣớc thải sau xử lọc Trồng rau M u tối ƣu lý ở bãi lọc cho muống, cải mục đích thu NTĐC’: Nƣớc sạch mầm canh X t nghiệm các chỉ tiêu Đánh giá tính khả thi khi xử lý nƣớc thải hộ gia đình bằng bãi Sự tăng trƣởng của 2 loại rau lọc Kiểmxv tra về an toàn thực ph m
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. 4.2 Phƣơng pháp cụ thể Phƣơng pháp kế thừa: biên hội, tổng hợp các tài liệu liên quan làm cơ sở luận cho đề tài, các nghiên cứu cơ bản trong và ngoài nƣớc trong lĩnh vực bãi lọc trồng cây, khoa học cây trồng và kỹ thuật thủy canh. Phƣơng pháp lấy m u: số lƣợng m u (16 m u), vị trí lấy m u, phƣơng pháp lấy m u. Phƣơng pháp phân tích m u: áp dụng các kỹ thuật phân tích thực vật để đánh giá các chỉ tiêu chất lƣợng rau khi sử dụng các loại giá thể và tỉ lệ dinh dƣỡng khác nhau và các m u nƣớc thải với nƣớc sạch. Phƣơng pháp phân tích tại phòng thí nghiệm: phƣơng pháp chu n độ, phƣơng pháp đo quang, phƣơng pháp sử dụng máy TOC, Phƣơng pháp thực nghiệm: bố trí các mô hình thí nghiệm nhằm khảo sát hiệu quả xử lý nƣớc thải cho năng suất và chất lƣợng rau tốt nhất. Phƣơng pháp thống kê: thống kê tốc độ tăng trƣởng về kích thƣớc của cây ở từng giai đoạn. Phƣơng pháp đánh giá: đánh giá hiệu quả của quá trình lọc qua mô hình bãi lọc trồng cây và đánh giá khả năng sinh trƣởng, phát triển của cây qua mô hình thủy canh. 5. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu 5.1. Đối tƣợng: Khả năng xử lý nƣớc thải sinh hoạt của mô hình bãi lọc trồng cây d ng chảy đứng đối với qui mô hộ gia đình qua các chỉ tiêu pH, SS, COD, BOD5, Tổng-N, Tổng –P. 5.2. Phạm vi nghiên cứu: Đề tài tập trung nghiên cứu khả năng xử lý nƣớc thải hộ gia đình của mô hình bãi lọc trồng cây d ng chảy đứng, giải pháp tái sử dụng nƣớc thải vào tƣới cây cho hệ thống thủy canh với quy mô hộ gia đình. 6. Ý nghĩa của đề tài 6.1 Ý nghĩa khoa học: xvi
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. ổ sung phƣơng pháp xử lý nƣớc thải hộ gia đình làm cung cấp nƣớc cho hệ thống thủy canh Tính mới của đề tài 6.2. Ý nghĩa thực tiễn Kết quả của nghiên cứu sẽ là cơ sở cho những nghiên cứu sâu hơn về lĩnh vực sản xuất rau thủy canh. Giúp sinh viên nghiên cứu hiểu sâu sắc hơn về công nghệ xử lý nƣớc thải với chi phí thấp, thân thiện với môi trƣờng. ổ sung kiến thức và kĩ năng thực hành trong ph ng thí nghiệm. Chế tạo đƣợc hệ thống xử lý nƣớc bằng công nghệ bãi lọc, trồng rau bằng mô hình thu canh hoàn chỉnh, an toàn, phù hợp với quy mô hộ gia đình. Từ đó giải quyết đƣợc vấn đề rau sạch (có thể tự trồng các loại rau sạch bệnh tại nhà, vừa an toàn lại vừa tiết kiệm chi phí) và phần nào vấn đề nƣớc thải. xvii
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. C ƢƠN : TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về nƣớc thải sinh hoạt hộ gia đình: Nƣớc thải sinh hoạt là nƣớc đƣợc thải b sau khi sử dụng cho các mục đích sinh hoạt của cộng đồng: tắm, giặt giũ, t y rửa, vệ sinh cá nhân, Chúng thƣờng đƣợc thải ra từ các căn hộ, cơ quan, trƣờng học, bệnh viện, chợ và các công trình công cộng khác. Lƣợng nƣớc thải sinh hoạt của một khu dân cƣ phụ thuộc vào dân số, tiêu chu n cấp nƣớc và đặc điểm của hệ thống thoát nƣớc. Tiêu chu n cấp nƣớc sinh hoạt cho một khu dân cƣ phụ thuộc vào khả năng cung cấp nƣớc của các nhà máy nƣớc hay các trạm cấp nƣớc hiện có. Các trung tâm đô thị thƣờng có tiêu chu n cấp nƣớc cao hơn so với các vùng ngoại thành và nông thôn, do đó lƣợng nƣớc thải sinh hoạt tính trên một đầu ngƣời cũng có sự khác biệt giữa thành thị và nông thôn. Nƣớc thải sinh hoạt ở các trung tâm đô thị thƣờng thoát bằng hệ thống thoát nƣớc d n ra các sông rạch, còn các vùng ngoại thành và nông thôn do không có hệ thống thoát nƣớc nên nƣớc thải thƣờng đƣợc tiêu thoát tự nhiên vào các ao hồ hoặc thoát bằng biện pháp tự thấm. 1.1.1 Đặc tính của nƣớc thải sinh hoạt hộ gia đình Nƣớc thải sinh hoạt hộ gia đình bao gồm nƣớc nhà tắm, giặt, nhà vệ sinh, nƣớc rửa sàn nhà, nhà ăn, Chúng chứa khoảng 58% chất hữu cơ và 42% chất khoáng đặc điểm cơ bản của nƣớc thải sinh hoạt là hàm lƣợng cao nhất chất hữu cơ không bền sinh học (nhƣ cacbonhydrat, protein, lipit), chất dinh dƣỡng (photphat, nito), vi trùng, chất rắn và mùi. 1.1.2 Tính chất của nƣớc thải sinh hoạt hộ gia đình A. Tính chất vật lý Đƣợc xác định dựa trên: màu sắc, mùi, nhiệt độ và lƣu lƣợng (dòng chảy):  Màu: nƣớc thải mới có màu hơi nâu sáng, tuy nhiên nhìn chung màu nƣớc thải thƣờng là màu xám có v n đục. Màu sắc của nƣớc thải sẽ bị thay đổi đáng kể nếu nhƣ nó bị nhiễm khu n, khí đó sẽ có màu tối.  Mùi: mùi có trong nƣớc thải sinh hoạt là do có khi sinh ra từ quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ hay do có một số chất đƣợc đƣa thêm vào nƣớc thải. 1
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. Nƣớc thải sinh hoạt thông thƣờng có mùi mốc, nhƣng nếu nƣớc thải bị nhiễm khu n thì nó sẽ chuyển sang mùi trứng thôi do sƣu tạo thành H2S trong nƣớc.  Nhiệt độ: nhiệt độ của nƣớc thải thƣờng cao hơn so với nhiệt độ của nguồn nƣớc sạch ban đầu, bởi vì có sự gia nhiệt vào nƣớc từ các đồ dùng trong gia đình và các máy móc thiết bị công nghiệp. Tuy nhiên, chính những dòng nƣớc thấm qua đất à lƣợng nƣớc mƣa đổ xuống mới là nhân tố làm thay đổi một cách đáng kể nhiệt độ của nƣớc.  Lƣu lƣợng: thể tích thực của nƣớc thải cũng đƣợc xem là một trong những đặc tính vật lý của nƣớc thải, có đơn vị là m3/ngƣời.ngày. Hầu hết các thiết bị xử lý đƣợc thiết kế để xử lý nƣớc thải có lƣu lƣợng 0.378-0.756 m3/ngƣời.ngày. Vân tốc dòng chảy luôn thay đổi trong ngày.  Hàm lƣợng chất rắn lơ lửng: Các chất rắn lơ lửng trong nƣớc ((Total) Suspended Solids – (T)SS – SS) có thể có bản chất là:  Các chất vô cơ không tan ở dạng huyền phù (Phù sa, gỉ sét, bùn, hạt sét);  Các chất hữu cơ không tan;  Các vi sinh vật (vi khu n, tảo, vi nấm, động vật nguyên sinh ). Sự có mặt của các chất rắn lơ lửng cản trở hay tiêu tốn thêm nhiều hóa chất trong quá trình xử lý. B. Tính chất hóa học  Độ pH của nƣớc: pH là chỉ số đặc trƣng cho nồng độ ion H+ có trong dung dịch, thƣờng đƣợc dùng để biểu thị tính axit và tính kiềm của nƣớc. Độ pH của nƣớc có liên quan dạng tồn tại của kim loại và khí hoà tan trong nƣớc. pH có ảnh hƣởng đến hiệu quả tất cả quá trình xử lý nƣớc. Độ pH có ảnh hƣởng đến các quá trình trao chất diễn ra bên trong cơ thể sinh vật nƣớc. Do vậy rất có ý nghĩa về khía cạnh sinh thái môi trƣờng 2
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình.  Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand – COD): Theo định nghĩa, nhu cầu oxy hóa học là lƣợng oxy cần thiết để oxy hóa các chất hữu cơ trong nƣớc bằng phƣơng pháp hóa học (sử dụng tác nhân oxy hóa mạnh), về bản chất, đây là thông số đƣợc sử dụng để xác định tổng hàm lƣợng các chất hữu cơ có trong nƣớc, bao gồm cả nguồn gốc sinh vật và phi sinh vật. Trong môi trƣờng nƣớc tự nhiên, ở điều kiện thuận lợi nhất cũng cần đến 20 ngày để quá trình oxy hóa chất hữu cơ đƣợc hoàn tất. Tuy nhiên, nếu tiến hành oxy hóa chất hữu cơ bằng chất oxy hóa mạnh (mạnh hơn hẳn oxy) đồng thời lại thực hiện phản ứng oxy hóa ở nhiệt độ cao thì quá trình oxy hóa có thể hoàn tất trong thời gian rút ngắn hơn nhiều. Đây là ƣu điểm nổi bật của thông số này nhằm có đƣợc số liệu tƣơng đôi về mức độ ô nhiễm hữu cơ trong thời gian rất ngắn. COD là một thông số quan trọng để đánh giá mức độ ô nhiễm chất hữu cơ nói chung và cùng với thông số O , giúp đánh giá phần ô nhiễm không phân hủy sinh học của nƣớc từ đó có thể lựa chọn phƣơng pháp xử lý phù hợp.  Nhu cầu oxy sinh học (Biochemical Oxygen Demand – BOD): Về định nghĩa, thông số BOD của nƣớc là lƣợng oxy cần thiết để vi khu n phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện chu n: 20°C, ủ m u 5 ngày đêm, trong bóng tối, giàu oxy và vi khu n hiếu khí. Nói cách khác, BOD biểu thị lƣợng giảm oxy hòa tan sau 5 ngày. Thông sô BOD5 sẽ càng lớn nếu m u nƣớc càng chứa nhiều chất hữu cơ có thể dùng làm thức ăn cho vi khu n, hay là các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học (Carbonhydrat, protein, lipid ). BOD là một thông số quan trọng:  Là chỉ tiêu duy nhất để xác định lƣợng chất hữu cơ có khả năng phân hu sinh học trong nƣớc và nƣớc thải.  Là tiêu chu n kiểm soát chất lƣợng các dòng thải chảy vào các thu vực thiên nhiên. 3
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình.  Là thông số bắt buộc để tính toán mức độ tự làm sạch của nguồn nƣớc phục vụ công tác quản lý môi trƣờng.  Oxy hòa tan (Dissolved Oxygen – DO): Tất cả các sinh vật sông đều phụ thuộc vào oxy dƣới dạng này hay dạng khác để duy trì các tiến trình trao đổi chất nhằm sinh ra năng lƣợng phục vụ cho quá trình phát triển và sinh sản của mình. Oxy là yếu tố quan trọng đối với con ngƣời cũng nhƣ các thủy sinh vật khác. Oxy là chất khí hoạt động hóa học mạnh, tham gia mạnh mẽ vào các quá trình hóa sinh học trong nƣớc: 2+ 2+ 2-  Oxy hóa các chất khử vô cơ: e , Mn , S , NH3  Oxy hóa các chất hữu cơ trong nƣớc, và kết quả của quá trình này là nƣớc nhiễm b n trở nên sạch hơn. Quá trình này đƣợc gọi là quá trình tự làm sạch của nƣớc tự nhiên, đƣợc thực hiện nhờ vai trò quan trọng của một sô vi sinh vật hiếu khí trong nƣớc. Oxy là chất oxy hóa quan trọng giúp các sinh vật nƣớc tồn tại và phát triển. Các quá trình trên đều tiêu thụ oxy h a tan. Nhƣ đã đề cập, khả năng h a tan của Oxy vào nƣớc tƣơng đôi thấp, do vậy cần phải hiểu rằng khả năng tự làm sạch của các nguồn nƣớc tự nhiên là rất có giới hạn. Cũng vì lý do trên, hàm lƣợng oxy hòa tan là thông số đặc trƣng cho mức độ nhiễm b n chất hữu cơ của nƣớc mặt.  Nitơ và các hợp chất chứa nitơ: Nitơ là nguyên tố quan trọng trong sự hình thành sự sống trên bề mặt Trái Đất. Nitơ là thành phần cấu thành nên protein có trong tế bào chất cũng nhƣ các acid amin trong nhân tế bào. Xác sinh vật và các bã thải trong quá trình sống của chúng là những tàn tích hữu cơ chứa các protein liên tục đƣợc thải vào môi trƣờng với lƣợng rất lớn. Các protein này dần dần bị vi sinh vật dị dƣỡng phân + – – hủy, khoáng hóa trở thành các hợp chất Nitơ vô cơ nhƣ NH4 , NO2 , NO3 và có thể cuối cùng trả lại N2 cho không khí. 4
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. Nhƣ vậy, trong môi trƣờng đất và nƣớc, luôn tồn tại các thành phần chứa Nito: từ các protein có cấu trúc phức tạp đến các acid amin đơn giản, cũng nhƣ các ion Nitơ vô cơ là sản ph m quá trình khoáng hóa các chất kể trên. Các hợp chất hữu cơ thô đang phân hủy thƣờng tồn tại ở dạng lơ lửng trong nƣớc, có thể hiện diện với nồng độ đáng kể trong các loại nƣớc thải và nƣớc tự nhiên giàu protein. Các hợp chất chứa Nito ở dạng hòa tan bao gồm cả Nito hữu cơ và Nito vô + – – cơ (NH4 ,NO3 ,NO2 ) Thuật ngữ “Nitơ tổng là tổng Nito tồn tại ở tất cả các dạng trên. Nitơ là một chất dinh dƣỡng đa lƣợng cần thiết đôi với sự phát triển của sinh vật.  Phospho và các hợp chất chứa phospho: Nguồn gốc các hợp chất chứa Phospho có liên quan đến sự chuyển hóa các chất thải của ngƣời và động vật và sau này là lƣợng khổng lồ phân lân sử dụng trong nông nghiệp và các chất t y rửa tổng hợp có chứa phosphate sử dụng trong sinh hoạt và một số ngành công nghiệp trôi theo d ng nƣớc. Trong các loại nƣớc thải, Phospho hiện diện chủ yếu dƣới các dạng phosphate. Các hợp chất Phosphat đƣợc chia thành Phosphat vô cơ và phosphat hữu cơ. Phospho là một chất dinh dƣỡng đa lƣợng cần thiết đôi với sự phát triển của sinh vật. Việc xác định p tổng là một thông số đóng vai tr quan trọng để đảm bảo quá trình phát triển bình thƣờng của các vi sinh vật trong các hệ thông xử lý chất thải bằng phƣơng pháp sinh học (tỉ lệ BOD:N:P = 100:5:1). Phospho và các hợp chất chứa Phospho có liên quan chặt chẽ đến hiện tƣợng phú dƣỡng hóa nguồn nƣớc, do sự có mặt quá nhiều các chất này kích thích sự phát triển mạnh của tảo và vi khu n lam.  Chất hoạt động bề mặt: 5
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. Các chất hoạt động bề mặt là những chất hữu cơ gồm 2 phần: kị nƣớc và ƣa nƣớc tạo nên sự phân tán của các chất đó trong dầu và trong nƣớc. Nguồn tạo ra các chất hoạt động bề mặt là do việc sử dụng các chất t y rửa trong sinh hoạt và trong một số ngành công nghiệp. 1.1.3 Thông số vi sinh vật học Nhiều vi sinh vật gây bệnh có mặt trong nƣớc thải có thể truyền hoặc gây bệnh cho ngƣời. Chúng vốn không bắt nguồn từ nƣớc mà cần có vật chủ để sông ký sinh, phát triển và sinh sản. Một số các sinh vật gây bệnh có thể sống một thời gian khá dài trong nƣớc và là nguy cơ truyền bệnh tiềm tàng, bao gồm vi khu n, vi rút, giun sán.  Vi khuẩn: Các loại vi khu n gây bệnh có trong nƣớc thƣờng gây các bệnh về đƣờng ruột, nhƣ dịch tả (cholera) do vi khu n Vibrio comma, bệnh thƣơng hàn (typhoid) do vi khu n Salmonella typhosa  Vi rút: Vi rút có trong nƣớc thải có thể gây các bệnh có liên quan đến sự rối loạn hệ thần kinh trung ƣơng, viêm tủy xám, viêm gan Thông thƣờng sự khử trùng bằng các quá trình khác nhau trong các giai đoạn xử lý có thể diệt đƣợc vi rút.  Giun sán (helminths): Giun sán là loại sinh vật ký sinh có v ng đời gắn liền với hai hay nhiều động vật chủ, con ngƣời có thể là một trong số các vật chủ này. Chất thải của ngƣời và động vật là nguồn đƣa giun sán vào nƣớc. Tuy nhiên, các phƣơng pháp xử lý nƣớc hiện nay tiêu diệt giun sán rất hiệu quả. Nguồn gốc của vi trùng gây bệnh trong nƣớc là do nhiễm b n rác, phân ngƣời và động vật. Trong ngƣời và động vật thƣờng có vi khu n E. coli sinh sông và phát triển. Đây là loại vi khu n vô hại thƣờng đƣợc bài tiết qua phân ra môi trƣờng. Sự có mặt của E.Coli chứng t nguồn nƣớc bị nhiễm b n bởi phân rác và 6
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. khả năng lớn tồn tại các loại vi khu n gây bệnh khác, số lƣợng nhiều hay ít tuỳ thuộc vào mức độ nhiễm b n. Khả năng tồn tại của vi khu n .coli cao hơn các vi khu n gây bệnh khác. o đó nếu sau xử lý trong nƣớc không còn phát hiện thấy vi khu n E.coli chứng t các loại vi trùng gây bệnh khác đã bị tiêu diệt hết. Mặt khác, việc xác định mức độ nhiễm b n vi trùng gây bệng của nƣớc qua việc xác địng số lƣợng số lƣợng .coli đơn giản và nhanh chóng. o đó vi khu n này đƣợc chọn làm vi khu n đặc trƣng trong việc xác định mức độ nhiễm b n vi trùng gây bệnh của nguồn nƣớc.  Tác hại đến môi trường Tác hại đến môi trƣờng của nƣớc thải do các thành phần ô nhiễm tồn tại trong nƣớc thải gây ra.  COD, BOD: sự khoáng hoá, ổn định chất hữu cơ tiêu thụ một lƣợng lớn và gây thiếu hụt oxy của nguồn tiếp nhận d n đến ảnh hƣởng đến hệ sinh thái môi trƣờng nƣớc. Nếu ô nhiễm quá mức, điều kiện yếm khí có thể hình thành. Trong quá trình phân hu yếm khí sinh ra các sản ph m nhƣ H2S, NH3, CH4, làm cho nƣớc có mùi hôi thúi và làm giảm pH của môi trƣờng.  SS: lắng đọng ở nguồn tiếp nhận, gây điều kiện yếm khí.  Nhiệt độ: nhiệt độ của nƣớc thải sinh hoạt thƣờng không ảnh hƣởng đến đời sống của thu sinh vật nƣớc.  Vi trùng gây bệnh: gây ra các bệnh lan truyền bằng đƣờng nƣớc nhƣ tiêu chảy, ngộ độc thức ăn, vàng dạ,  mmonia, P: đây là những nguyên tố dinh dƣỡng đa lƣợng. Nếu nồng độ trong nƣớc quá cao d n đến hiện tƣợng phú dƣỡng hoá (sự phát triển bùng phát của các loại toả, làm cho nồng độ oxy trong nƣớc rất thấp vào ban đêm gây ngạt thở và diệt vong các sinh vật, trong khi đó vào ban ngày nồng độ oxy rất cao do quá trình hô hấp của tảo thải ra).  Màu: mất mỹ quan 7
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình.  Dầu mỡ: gây mùi, ngăn cản khuếc tán oxy trên bề mặt 1.1.4 Các tác động tiêu cực của nƣớc thải sinh hoạt a. Tác động đến cuộc sống con ngƣời Trong nƣớc thải sinh hoạt có chứ rất nhiều hóa chất độc hại, từ các vật dụng chúng ta sử dụng hằng ngày nhƣ xà bông, nƣớc rửa chén, thuốc t y, hay các rác thải rắn khó phân hủy nhƣ túi nilong, lọ chai thủy tinh, chai nhựa. Những chất thải này khi xuống nguồn nƣớc mà không thông qua xử lý thì sẽ gây ô nhiễm nguồn nƣớc, c n kèm theo đó là những mầm bệnh mà vô tình chúng ta mắc phải nhƣ tiêu chảy, đau bụng, uốn ván, hay thậm chí nguy hiểm hơn là các bệnh về đƣờng ruột, hay ung thƣ b. Tác động đến môi trƣờng sống Không những gây ảnh hƣởng đến sức kh e mà việc ô nhiễm nƣớc thải sinh hoạt c n đang hủy hoại dần môi trƣờng, làm ảnh hƣởng tới các mạch nƣớc ngầm, ảnh hƣởng tới đất làm cho đất không thể trồng trọt, không khí cũng bị đe dọa khi bốc những mùi rất khó chịu. 1.2 Tổng quan về phƣơng pháp bãi lọc (Wetland) 1.2.1 Khái niệm về bãi lọc Bãi lọc trồng cây chính là mô hình đất ngập nƣớc nhân tạo và nó đƣợc định nghĩa nhƣ sau: “Hệ thống đƣợc thiết kế và xây dựng nhƣ một vùng đất ngập nƣớc nhƣng việc xử lý nƣớc thải hiệu quả hơn, giảm diện tích và đặc biệt có thể quản lý đƣợc quá trình vận hành ở mức đơn giản . Đất ngập nƣớc nhân tạo hay bãi lọc trồng cây chính là công nghệ xử lý sinh thái mới, đƣợc xây dựng nhằm khắc phục những nhƣợc điểm của bãi đất ngập nƣớc tự nhiên mà v n có đƣợc những ƣu điểm của đất ngập nƣớc tự nhiên. Các nghiên cứu cho thấy, bãi lọc nhân tạo trồng cây hoạt động tốt hơn so với đất ngập nƣớc tự nhiên cùng diện tích, nhờ đáy của bãi lọc nhân tạo có độ dốc hợp lý và chế độ thủy lực đƣợc kiểm soát. Độ tin cậy trong hoạt động của bãi lọc nhân tạo cũng đƣợc nâng cao do thực vật và các thành phần khác trong bãi lọc nhân tạo có thể quản lý đƣợc nhƣ mong muốn. 8
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. Bãi lọc trồng cây gần đây đã đƣợc biết đến trên thế giới nhƣ một giải pháp công nghệ mới, xử lý nƣớc thải trong điều kiện tự nhiên với hiệu suất cao, chi phí thấp và ổn định, ngày càng đƣợc áp dụng rộng rãi. Ở Việt Nam, công nghệ trên thực chất còn rất mới. Bãi lọc trồng cây dùng để xử lý nƣớc thải trong điều kiện tự nhiên. Với các thông số làm việc khác nhau, bãi lọc trồng cây đƣợc sử dụng rộng rãi trong xử lý nhiều loại nƣớc thải. Khác với bãi đất ngập nƣớc tự nhiên, thƣờng là nơi tiếp nhận nƣớc thải sau khi xử lý, với chất lƣợng đã đạt yêu cầu theo tiêu chu n và chúng chỉ làm nhiệm vụ xử lý bậc cao hơn, bãi lọc trồng cây là một thành phần trong hệ thống các công trình xử lý nƣớc thải sau bể tự hoại hay sau xử lý bậc hai. 1.2.2 Phân loại bãi lọc trồng cây Bãi lọc trồng cây có thể đƣợc phân loại theo hình thức nuôi trồng điển hình của các loại thực vật nhƣ: hệ thống thực vật nổi, hệ thống rễ chùm nổi và hệ thống thực vật chìm [Brix và Schierup, 1989]. Hầu hết các hệ thống đều sử dụng các loại cây rễ chùm, tuy nhiên có thể phân loại theo dạng vật liệu sử dụng và chế độ dòng chảy trong hệ thống. Có 2 kiểu phân loại đất ngập nƣớc kiến tạo cơ bản theo hình thức chảy: Loại dòng chảy tự do trên mặt đất (Surface flow wetland) và loại chạy ngầm trong đất (Subsurface slow). a. Bãi lọc trồng cây có dòng chảy bề mặt (Surface flow wetland - SFW) Hệ thống dòng chảy bề mặt là hệ thống đƣợc thiết kế có lớp nƣớc bề mặt tiếp xúc với không khí. Trong hệ thống dòng chảy ngầm, mực nƣớc đƣợc cố định thấp hơn so với bề mặt vật liệu. Đối với hệ thống dòng chảy ngầm ngang, lớp vật liệu luôn đƣợc giữ trong trạng thái bão hoà nƣớc, đối với hệ thống dòng chảy đứng, lớp vật liệu không ở trạng thái bão hoà vì nƣớc đƣợc cấp không liên tục mà theo các khoảng thời gian nhất định và đƣợc thấm qua lớp vật liệu (tƣơng tự nhƣ trong hệ thống lọc cát gián đoạn). 9
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. Tất cả các dạng bãi lọc ngập nƣớc đều đƣợc cấy trồng ít nhất là một loại thực vật có rễ trong một loại vật liệu nào đó (thƣờng là đất, s i hoặc cát). Các chất ô nhiễm đƣợc khử nhờ sự phối hợp của các quá trình hóa học, lý học, sinh học, lắng, kết tủa và hấp thụ vào đất, quá trình đồng hóa bởi thực vật và các sự chuyển hóa bởi các vi khu n [Brix, 1993; Vymazal và các cộng sự, 1998]. Hình 1.1: Mô hình bãi lọc có dòng chảy bề mặt (SFW). b. Bãi lọc trồng cây có dòng chảy ngầm (Subsurface flow constructed wetland). ãi lọc trồng cây có d ng chảy ngầm c n đƣợc gọi là bãi lọc ngầm trồng cây. Ở châu Âu, các hệ thống bãi lọc d ng chảy ngầm qua đất và s i đã đƣợc ứng dụng và xây dựng rất phổ biến. Sậy (Phragmites australis) là loại thực vật đƣợc cấy trồng phổ biến nhất trong hầu hết các hệ thống, một số hệ thống có trồng thêm các loại thực vật khác. Đất hoặc s i thƣờng đƣợc dùng làm vật liệu trong các bãi lọc vì chúng có khả năng duy trì d ng chảy ngầm. Các hệ thống sử dụng đất thƣờng gập các vấn đề về d ng chảy tràn bề mặt, đối với các hệ thống sử dụng s i thƣờng gập các hiện tƣợng tắc d ng. Hệ thống d ng chảy ngầm thƣờng có diện tích bề mặt nh (<0,5 ha) và tải lƣợng thủy lực lớn hơn so với hệ thống d ng chảy bề mặt. Loại này bao gồm cả các loại bãi lọc có d ng chảy nằm ngang hay d ng chảy thẳng đứng từ dƣới lên, từ trên xuống. 10
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. Hình 1.2: Mô hình bãi lọc có dòng chảy ngầm. c. Vai trò của thực vật trong bãi lọc Vai tr quan trọng nhất của thực vật trong chức năng xử lý nƣớc thải của bãi lọc là dựa trên các đặc tính vật lý của các mô thực vật nhƣ kiểm soát sói m n, lọc nƣớc, tạo nơi sống và hoạt động cho các VSV. Sự trao đổi chất của thực vật (sự hấp thu, thải khí oxy ) ảnh hƣởng đến việc xử lý theo những cấp độ khác nhau tùy theo thiết kế. Thực vật c n có vai tr đáng quý khác nhƣ tạo cảnh quan, môi trƣờng sống cho các loài thú hoang dã. Bảng 1.1: Tóm tắt các vai trò cơ bản của thực vật trong bảng lọc trồng cây. Các bộ phận ai trò trong ử lý của thực vật Giảm ánh sáng giảm sự phát triển của các phiêu sinh vật. Ảnh hƣởng đến khí hậu tại khu vực các nhiệt về mùa Những mô nổi đông. trên mặt nƣớc Giám sức gió giảm nguy cơ sáo trộn. Tích tụ chất dinh dƣỡng 11
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. Có tác dụng lọc lọc các vật thể trong d ng nƣớc thải. Giảm tốc độ d ng chảy tăng tốc độ lắng đọng, giảm nguy cơ sáo trộn. Những mô chìm Cung cấp bề mặt dính bám cho các màng sinh học. dƣới nƣớc Nhả khí oxy thông qua quá trình quang hợp tăng cƣờng quá trình phân hủy hiếu khí. Tiêu thụ chất dinh dƣỡng. Gia cố bề mặt lớp bùn lắng đọng ít s i m n. Chống tắc nghẽn trong hệ thống d ng chảy đứng. Rễ và thân rễ Nhả khí oxy làm tăng cƣờng quá trình phân hủy hiếu khí và trong lớp bùn nitrat hóa. Tiêu thụ chất dinh dƣỡng. Làm phát sinh các chất kháng sinh. Nguồn: Bri , 1997 d. Sơ lƣợc về một số loại cây trong bãi lọc Cây trồng đƣợc sử dụng trong bãi lọc là những cây dễ tìm kiếm, có khả năng sinh trƣởng tốt trong nƣớc, thích nghi tốt với điều kiện môi trƣờng và tạo đƣợc vẻ đẹp cảnh quan. Cây Hoa Bóng Nước  Tên thƣờng gọi: Hoa óng Nƣớc hay c n có tên khác là cây Hoa Móng Tay hay cây Nắc Nẻ.  Tên khoa học: Impatiens balsamina L.  Thuộc họ: bóng nƣớc LS MIN C . 12
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình.  Loài: I. Balsamina.  Hoa bóng nƣớc là một cây trồng làm cảnh với hoa đẹp nhiều màu sặc sỡ, trắng, hồng, đ , tím và vàng. Ngoài ra Hoa óng Nƣớc đƣợc dùng trong Y học cổ truyền với tên thuốc là Phƣợng tiên hoa, thu hái khi chƣa có hoa, lá c n xanh chƣa bị úa vàng. ịch chiết từ lá bóng nƣớc với thành phần hóa học chủ yếu là chất axit p-hydroxybenzoic đã đƣợc nghiên cứu dƣợc lý thấy có tác dụng kháng khu n rất mạnh. Cây Mon Nước  Tên thƣờng gọi: Cây Mon Nƣớc hay cây Khoai Nƣớc.  Tên khoa học: Colocasia esculenta.  Thuộc họ: Ráy ( raceae).  Đặc điểm: là một loại thực vật thuộc họ Ráy bản địa bao gồm vùng nhiệt đới châu Á và lan rộng đến miền đông bắc Úc. Đây là một loại cây mọc hoang có sức sống mãnh liệt hay mọc ở ruộng hay dựa vào bờ nƣớc, có củ, lá cọng cao 0,3 - 0,8 m, lá, phiến không thấm nƣớc vì lông mịn nhƣ nhung. Lá có kích thƣớc đến 40 × 24,8 cm, mọc từ củ (thân rễ), mặt trên màu xanh lục đậm, mặt dƣới nhạt hơn, thông thƣờng có hình oval – tam giác. Cuống lá cao 0,8 - 1,2 m. Cây mon nƣớc đƣợc dùng làm thức ăn gia súc ngoài ra c n trồng làm rau ăn, dùng để chữa bệnh. Cây Thủy Trúc  Tên thƣờng gọi Thủy Trúc.  Tên khoa học Cyperus alternifolius Linn.  Họ: Cyperaceae (Cói).  Nguồn gốc: Cây có nguồn gốc từ Madagasca (Châu Phi)  Đặc điểm: Có dáng đặc sắc, mọc thành bụi dày, thẳng nhƣ cây dừa, cau tí hon. Cây có thân tr n màu xanh đậm, lá giảm thành các bẹ ở gốc, thay vào đó các lá bắc ở đỉnh lại lớn, xếp v ng xoè ra, dài, cong xuống, khá đẹp. Cuống chung 13
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. của hoa dài thẳng, xếp toả ra nổi trên đám lá bắc, hoa lúc non màu trắng sau chuyển sang nâu. Cây mọc khoẻ, chịu đƣợc đất úng, nƣớc, nên đƣợc gây trồng làm cảnh ở vƣờn, trên h n non bộ. Mô tả: Thân thảo mọc đứng thành cụm, dạng thô, cao 0,7 - 1,5 m, có cạnh và có nhiều đƣờng vân dọc, phía gần gốc có những bẹ lá màu nâu không có phiến. Lá nhiều, mọc tập trung ở đỉnh thân thành v ng dày đặc, xếp theo dạng xoắn ốc và xoè rộng ra, dài có thể tới 20 cm. Cụm hoa tán ở nách lá, nhiều. ông nh hình bầu dục hoặc hình bầu dục ngắn, dẹp, dài chừng 8 mm, thông thƣờng không có cuống, hợp thành cụm hoa đầu ở đỉnh các nhánh hoa, ra hoa tháng 1 - 2. Cây lưỡi mác  Tên thƣờng gọi: Cây lƣỡi mác, bách thủy tiên. Tên khoa học: chinodorus Amazonicus.  Thuộc họ: Từ cô ( lismataceae)  Nguồn gốc: Cây có nguồn gốc từ miền bắc Nam Mỹ hoặc ắc Mỹ.  Đặc điểm: Cây lƣỡi mác thuộc loại cây thân thảo, nhiều cành nhánh, sống lâu năm, thân mập mạp, chiều cao khoảng 0,3-0,6m. Lá lƣỡi mác có hình oval hơi tr n, đỉnh nhọn hình lƣỡi mác, đáy hình tim, dài khoảng 10-12cm, rộng 7-9 cm, màu xanh sáng bóng quanh năm, lá to và tr n hơn khi chìm dƣới nƣớc. Mặt dƣới lá màu nhạt hơn và có nhiều gân nổi rõ. Lá mọc trên cuống dài tạo thành bẹ rẻ quạt. Hoa lƣỡi mác nh xinh, có màu trắng mịn, có 3 cánh rời, mọc theo đốt thân, trên mỗi đốt có vài bông hoa trông xa nhƣ những cánh bƣớm dập dờn trên cành. Chùm hoa uốn cong rủ xuống rất mềm mại, đặc biệt trên đài hoa có các gai thịt nh . Nhị hoa màu vàng ở giữa thu hút côn trùng đến khám phá. 1.2.3 Tổng quan về bãi lọc ngầm dòng chảy đứng (Vertical subsurface flow constructed wetland) a. Giới thiệu về bãi lọc ngầm dòng chảy đứng Hệ thống này chỉ mới xuất hiện gần đây và đƣợc biết đến với các tên đầy đủ là Vertical subsurface flow constructed wetland hay Vertical subsurface flow – VSF. 14
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. Cấu tạo của bãi lọc ngầm trồng cây về cơ bản cũng gồm các thành phần tƣơng tự nhƣ bãi lọc trồng cây ngập nƣớc nhƣng nƣớc thải chảy ngầm trong phần lọc của bãi lọc. Lớp lọc, nơi thực vật phát triển trên đó, thƣờng gồm có đất, cát, s i, đá dăm và đƣợc xếp theo thứ tự từ trên xuống dƣới, giữ độ xốp của lớp lọc. ng chảy có thể có dạng chảy từ dƣới lên, từ trên xuống dƣới hoặc chảy theo phƣơng nằm ngang. ng chảy phổ biến nhất ở bãi lọc ngầm là d ng chảy ngang. Hầu hết các hệ thống đƣợc thiết kế với độ dốc 1% hoặc hơn. Khi chảy qua lớp vật liệu lọc, nƣớc thải đƣợc lọc sạch nhờ tiếp xúc với bề mặt của các hạt vật liệu lọc và vùng rễ của thực vật trồng trong bãi lọc. Vùng ngập nƣớc thƣờng thiếu oxy, nhƣng thực vật của bãi lọc có thể vận chuyển một lƣợng oxy đáng kể tới hệ thống rễ tạo nên tiểu vùng hiếu khí cạnh rễ và vùng rễ, cũng có một vùng hiếu khí trong lớp lọc sát bề mặt tiếp giáp giữa đất và không khí. ãi lọc ngầm trồng cây d ng chảy đứng có khả năng xử lý chất hữu cơ và rắn lơ lửng tốt, có khả năng xử lý chất dinh dƣỡng tốt , do điều kiện hiếu khí trong bãi lọc cho ph p nitrat hoá amoni nên khả năng xử lý nitơ đạt hiệu quả cao. Xử lý phốt pho cũng khá hiệu quả. Hình 1.3: Mô hình bãi lọc ngầm dòng chảy đứng (VFS) 15
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. b. Cơ chế các quá trình xử lý trong bãi lọc ngầm trồng cây Để thiết kế, xây dựng, vận hành bãi lọc trồng cây chính xác, đạt hiệu quả cao, việc nắm rõ cơ chế xử lý nƣớc thải của bãi lọc là hết sức cần thiết. Các cơ chế đó bao gồm lắng, kết tủa, hấp phụ hoá học, trao đổi chất của vi sinh vật và sự hấp thụ của thực vật. Các chất ô nhiễm có thể đƣợc loại b nhờ nhiều cơ chế đồng thời trong bãi lọc.  Loại bỏ chất rắn Các chất rắn đƣợc loại b dễ dàng qua cơ chế lọc, các chất cặn đƣợc giữ lại trên và trong lớp đất. Sau đó các chất cặn này sẽ phân hủy sinh học (do sự phát triển của vi sinh vật), hút bám, hấp phụ lên các chất rắn khác (thực vật, đất, cát, s i ) nhờ lực hấp d n Van De Waals, chuyển động rown. Đối với sự hút bám trên lớp nền, một thành phần quan trọng của bãi lọc ngầm, Sapkota và Bavor (1994) cho rằng, chất rắn lơ lửng đƣợc loại b trƣớc tiên nhờ quá trình lắng và phân hủy sinh học, tƣơng tự nhƣ các quá trình xảy ra trong bể sinh học nh giọt. Các cơ chế xử lý trong hệ thống này phụ thuộc rất nhiều vào kích thƣớc và tính chất của các chất rắn có trong nƣớc thải và các dạng vật liệu lọc đƣợc sử dụng. Trong mọi trƣờng hợp, thực vật trong bãi lọc không đóng vai tr đáng kể trong việc loại b các chất rắn.  Loại bỏ Nitrogen  Sự amon hóa urea Để amon hóa urea đầu tiên các vi khu n tiết ra enzyme urease biến urea + thành carbonate ammonium rồi sau đó biến thành NH3,NH4 , CO2 và H2O, Phƣơng trình: → Nhiều loài vi khu n có khả năng amon hóa urea nhƣ planosarcina urea, Bacillus, proteus vulgaris. Đa số các sinh vật này hiếu khí hoặc hiếm khí tùy nghi, chúng ƣa thích pH trung tính hoặc hơi kiềm. 16
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình.  Sự amon hóa protein + Quá trình khoáng hóa protein thành NH4 trải qua các giai đoạn sau : + Protein amino acid khử amin thành NH4 + Có hai quá trình khoáng hóa protein thành NH4 là quá trình khử và quá trình oxy hóa. Quá trình oxy 1 + R − CH − COOH O R − CO − COOH NH hóa : NH Quá trình khử + R − CH − COOH H R − CH − COOH NH NH Các vi sinh vật có khả năng amon hóa protein trong đất là: Bacillus, Mesentrius, Bacillus Subtilis, Pseudomonas Fluourescens, Clostridium sporogenes Quá trình nitrat hóa: quá trình này gồm hai giai đoạn: quá trình biến NH3 - thành NO2 đƣợc thực hiện bởi nhóm vi khu n nitrosomonas và quá trình chuyển - - NO2 thành NO3 bởi nhóm nitrobacter.  Quá trình nitrit hóa Các vi khu n oxy hóa nitrite hóa qua trung gian NH2OH + + 2NH4 + O2 2NH2OH + 2H + - NH4 + O2 NO2 + H2O + 2,75kj Các vi khu n thực hiện các việc này đều là những vi khu n hiếu khí nhƣ Nitrosomonas eropaea, Nitrosomonas oligocarbogenes, Nitrosospiara, Nitrosococcus  Quá trình nitrate hóa Đƣợc thực hiện bởi vi khu n hiếu khí nitrobacter chúng có khả năng oxy hóa - - NO2 thành NO3 và tạo năng lƣợng. Năng lƣợng này đƣợc dùng để đồng hóa CO2, bicarbonate, carbonate thành đƣờng. 17
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. - - NO2 + ½ O2 NO3 + năng lƣợng Các loại vi khu n thực hiện quá trình này là các loại tự dƣỡng hiếu khí Nitrobacter agilis, Nitrobacter uinugradski và các vi khu n khác nhƣ Nitrospira, Nitrococcus hoặc là các vi khu n dị dƣỡng hiếu khí Pseudomonas, Corynebacterium. Nhiệt độ tối ƣu cho quá trình này là 30oC.  Quá trình phản nitrate Có hai cơ chế song song trong quá trình khử nitrate đó là cơ chế đồng hóa và cơ chế dị hóa. - Quá trình đồng hóa : trong quá trình này, nitrate đƣợc vi sinh vật và thực vật hấp thu chuyển chúng thành nitrite, sau đó là ammonia. mmonia sẽ đƣợc dùng để tổng hợp protein và acid nucleic. Sự khử nitrate đƣợc thực hiện bởi nhiều enzyme nitrate reductase. Sự hiện diện của oxy không ảnh hƣởng gì đến hoạt động của enzyme này. Vi khu n đồng hóa là Pseudomonas aeruginosa. - Quá trình phản nitrate dị hóa: đây là hô hấp hiếm khí trong đó nitrate đóng vai trò chất nhận điện tử cuối cùng, nitrate bị khử thành nitrous oxide (N2O) và N2, trong đó N2 là sản ph m chính của quá trình. Các vi sinh vật tham gia vào quá trình phản nitrate là những vi sinh vật tự dƣỡng hay dị dƣỡng hiếu khí. Khi môi trƣờng không có oxy thì chúng chuyển qua hô hấp yếm khí sử dụng nitrate làm chất nhận điện tử. - - - NO3 NO2 NO N2O N2 Các vi sinh vật tham gia trong quá trình này rất đa dạng thuộc nhiều chi nhƣ : Pseudomonas, Bacillus, Hyphomicrobium, Agrobacterium, Propioni bacterium.  Loại bỏ phosphore Trong nƣớc thải có các dạng phosphore chủ yếu nhƣ Orthophosphate 3- (PO4 ) các polyphosphate và các hợp chất phosphore hữu cơ. Đầu tiên các hợp chất phosphore này đƣợc một nhóm vi sinh vật phân hủy thành các dạng hợp chất vô cơ khó tan và dễ tan. 18
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. - Quá trình khoáng hóa lân hữu cơ: sự chuyển hóa các hợp chất phosphore hữu cơ thành muối của H3PO4 đƣợc thực hiện bởi các nhóm vi sinh vật phân hủy hợp chất hữu cơ. Những vi sinh vật này có khả năng tiết ra enzyme phosphatase làm xúc tác cho quá trình phân giải. Nudeoproteit Nucleic Acid Nucleic H3PO4 Leucitin Glyxerophotphate H3PO4 Nhóm vi khu n có khả năng thực hiện quá trình này đều thuộc 2 chi: Bacillus và Pseudomonas nhƣ: Bacillus Megatherium, Bacillus Mycoides. - Quá trình biến lân vô cơ khó tan thành dạng dễ tan. Về cơ chế quá trình phân giải phosphore vô cơ do vi sinh vật cho đến nay v n còn nhiều tranh cãi. Nhƣng đại đa số các nhà nghiên cứu đều cho rằng sự sinh acid trong quá trình sống của một nhóm vi sinh vật đã làm cho nó có khả năng chuyển các hợp chất phosphore khó tan sang dễ tan. Đa số các vi sinh vật có khả năng phân giải lân vô cơ đều sinh CO2 trong quá trình sống, CO2 sẽ phản ứng với H2 trong môi trƣờng tạo thành phosphate dễ tan theo phƣơng trình sau: Ca3(PO4)2 + 4H2CO3 + H2O Ca(H2PO4)2 + H2O + Ca(HCO3) Dạng không tan dạng dễ tan dạng dễ tan Các dạng dễ tan này đƣợc cây trồng hấp thụ. Ngoài ra các vi khu n nitrate hóa sống trong đất cũng có khả năng phân giải lân vô cơ do nó có khả năng - - - + chuyển NH3 thành NO2 rồi NO3 , NO3 sẽ phản ứng với H tạo thành HNO3, HNO3 sẽ phãn ứng với phosphate khó tan tạo thành dạng dễ tan. Ca3(PO4)2 + 4HNO3 Ca(H2PO4)2 + 2Ca(NO3)2 Các vi khu n sulphate cũng có khả năng phân hủy phosphate khó tan do sự tạo thành H2SO4 trong quá trình sống. Ca3(PO4)2 + 2H2SO4 Ca(H2PO4)2 + 2CaSO4 Các loài có khả năng phân hủy mạnh là Bacillus Megatherium, Bacillus Mycodes, Pseudomonas, Vadibacter, Pseudomonas Gracilis Hầu hết chúng là vi khu n hiếu khí và trong quá trình phân giải chúng đều làm giảm pH của môi trƣờng. 19
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. Một số loại vi khu n có khả năng tích lũy polyphosphate trong tế bào, khoảng 1-3% trọng lƣợng khô tế bào. Enzyme polyphosphate kinase xúc tác quá trình này trong sự hiện diện của Mg2+, bằng cách chuyển đổi nhóm phosphoryl từ ATP sang chuỗi polyphosphate. → Nhƣ vậy quá trình loại b phosphate đƣợc diễn ra tốt thì phải duy trì tình trạng hiếu khí để các vi khu n hiếu khí có điều kiện tổng hợp polyphosphate trong tế bào hoặc thủy phân nó thành dạng lân dễ tan để cây có thể hấp thu, pH của quá trình nên duy trì từ 5-7.  Loại bỏ kim loại nặng. Khi các kim loại nặng hoà tan trong nƣớc thải chảy vào bãi lọc trồng cây, các cơ chế loại b chúng gồm có:  Kết tủa và lắng ở dạng hydrôxit không tan trong vùng hiếu khí, ở dạng sunfit kim loại trong vùng kị khí của lớp vật liệu.  Hấp phụ lên các kết tủa oxyhydrôxit sắt, Mangan trong vùng hiếu khí.  Kết hợp, l n với thực vật chết và đất.  Hấp thụ vào rễ, thân và lá của thực vật trong bãi lọc trồng cây. Các nghiên cứu chƣa chỉ ra đƣợc cơ chế nào trong các cơ chế nói trên có vai trò lớn nhất, nhƣng nhìn chung có thể nói rằng lƣợng kim loại đƣợc thực vật hấp thụ chỉ chiếm một phần nhất định (Gersberg et al, 1984; Reed et al , 1988; Wildemann&Laudon, 1989; Dunbabin&Browmer, 1992). Các loại thực vật khác nhau có khả năng hấp thụ kim loại nặng rất khác nhau. Bên cạnh đó, thực vật đầm lầy cũng ảnh hƣởng gián tiếp đến sự loại b và tích trữ kim loại nặng khi chúng ảnh hƣởng tới chế độ thủy lực, cơ chế hoá học lớp trầm tích và hoạt động của vi sinh vật. Vật liệu lọc là nơi tích tụ chủ yếu kim loại nặng. Khi khả năng chứa các kim loại nặng của chúng đạt tới giới hạn thì cần nạo vét và xả b để loại kim loại nặng ra kh i bãi lọc.  Loại bỏ các hợp chất hữu cơ 20
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. Các hợp chất hữu cơ đƣợc loại b trong các bãi lọc trồng cây chủ yếu nhờ cơ chế bay hơi, hấp phụ, phân hủy bởi các vi sinh vật (chủ yếu là vi khu n và nấm), và hấp thụ của thực vật. Yếu tố quan trọng ảnh hƣởng đến hiệu suất loại b các hợp chất hữu cơ nhờ quá trình bay hơi là hàm số phụ thuộc của trọng lƣợng phân tử chất ô nhiễm và áp suất riêng phần giữa hai pha khí-nƣớc xác định bởi định luật Henry. Quá trình phân hủy các chất b n hữu cơ chính nhờ các vi khu n hiếu khí và kị khí đã đƣợc khẳng định (Tabak và nnk, 1981; Bouwer&McCarthy, 1983), nhƣng quá trình hấp phụ các chất b n lên màng vi sinh vật phải xảy ra trƣớc quá trình thích nghi và phân hủy sinh học. Các chất b n hữu cơ chính c n có thể đƣợc loại b nhờ quá trình hút bám vật lý lên bề mặt các chất rắn lắng đƣợc và sau đó là quá trình lắng. Quá trình này thƣờng xảy ra ở phần đầu của bãi lọc. Các hợp chất hữu cơ cũng bị thực vật hấp thụ (Polprasert và an, 1994), tuy nhiên cơ chế này c n chƣa đƣợc hiểu rõ và phụ thuộc nhiều vào loài thực vật đƣợc trồng, cũng nhƣ đặc tính của các chất b n.  Loại bỏ các vi sinh vật gây bệnh Những yếu tố chính ảnh hƣởng đến sự tồn tại của vi khu n gây bệnh đƣờng ruột trong đất là nhiệt độ, độ m đất, ánh sáng mặt trời, pH, chất hữu cơ, chất vô cơ, loại vi khu n trong hệ sinh thái cạnh tranh. Bảng 1.2: Các yếu tố chính ảnh hưởng đến sự tồn tại của vi sinh vật gây bệnh Yếu tố Ảnh hƣởng Yếu tố vật lý Nhiệt độ Sống lâu hơn trong nhiệt độ thấp Khả năng sống thấp trong nƣớc có độ thấm Khả năng giữ nƣớc thấp Ánh sáng Khả năng sống thấp dƣới ánh sáng mặt trời Đất s t và đất mùn làm tăng sự giữ nƣớc Kết cấu đất do đó tăng khả năng kết bám vi sinh vật. 21
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. Yếu tố hóa học pH nh hƣởng đến tính hấp thu của đất, đặc biệt là với virus. Ion dƣơng Một vài cation nhƣ (Mg2+) có khả năng ổn định nhiệt độ virrus. nh hƣởng đến sự tồn tại và phát triển của Chất hữu cơ vi sinh vật đất, làm tăng tính cạnh tranh. Yếu tố sinh học, cạnh tranh sinh hóa Sống lâu hơn trong đất tiệt trùng Cơ chế loại b vi khu n, virut trong các bãi lọc trồng cây về bản chất cũng giống nhƣ quá trình loại b các vi sinh vật này trong hồ sinh học. Vi khu n và virut có trong nƣớc thải đƣợc loại b nhờ:  Các quá trình vật lý nhƣ dính kết và lắng, lọc, hấp phụ.  Bị tiêu diệt do điều kiện môi trƣờng không thuận lợi trong một thời gian dài. Các quá trình vật lý cũng d n đến sự tiêu diệt vi khu n, virut. Tác động của các yếu tố lý-hoá của môi trƣờng tới mức độ diệt vi khu n đã đƣợc công bố trong nhiều tài liệu: nhiệt độ (Mara và Silva, 1979), pH (Parhad và Rao, 1974; Him và nnk, 1980; Pearson và nnk, 1987), bức xạ mặt trời (Moeller và Calkins, 1980; Polprasert và nnk,1983; Sarikaya và Saatci, 1987). Các yếu tố sinh học bao gồm : thiếu chất dinh dƣỡng (Wu và Klein, 19760), do các sinh vật khác ăn (Ellis, 1983). Hiện những bằng chứng về vai trò của thực vật trong việc khử vi khu n, virut trong hệ sinh thái đầm lầy c n chƣa đƣợc nghiên cứu rõ. 22
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. 1.2.4 Ứng dụng và đặc tính xử lý nƣớc thải của cây Lƣỡi Mác và cây Thủy Trúc. a. Đặc tính của cây Lưỡi Mác và cây Thủy Trúc  Cây Lƣỡi Mác Cây Lƣỡi Mác có tên khoa học là Echinodorus cordifolius, thuộc họ Alismataceae, một loài cây có thể sống trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt và phù hợp với khí hậu Việt Nam. Cây Lƣỡi Mác tthân cây mập mạp, sống lâu năm, chiều cao khoảng 0,3-1m. Lá cây có khả năng quang hợp rất cao. Cây Lƣỡi mác chịu đƣợc bóng, sinh trƣởng và phát triển tốt ở những nơi có nƣớc và đầy đủ ánh sáng, thƣờng đƣợc trồng làm cây thủy sinh trong các ao, hồ nhân tạo, hay sử dụng cây trong các tiểu cảnh nƣớc sân vƣờn biệt thự rất phù hợp. Cây lƣỡi mác cũng đƣợc dùng làm cây cảnh trang trí hồ cá trong các quán café, nhà hàng.  Cây thủy trúc Cây Thủy Trúc có tên khoa học là Cyperus involucratu, thuộc họ Cyperaceae (họ Cói), Cây Thủy Trúc có hình dáng đặc sắc, thân và lá đẹp. Cây có thân tròn cứng cáp, bề mặt nh n bóng với màu xanh lục đậm. Cây mọc thành bụi dày thẳng nhƣ cây cau, dừa tí hon. Rễ của cây là dạng rễ chùm bám chắc vào đất và rất kh e. Lá thủy trúc m ng, gân chính nổi rõ, có màu xanh, giảm thành các bẹ ở gốc, mặc khác các lá bắc ở đỉnh lại phát triển lớn, dài xếp vòng xòe ra và cong xuống. Cây Thủy Trúc phát triển rất tốt trong môi trƣờng nƣớc, cây có tác dụng lọc và làm sạch môi trƣờng nƣớc. Cây thƣờng đƣợc sử dụng làm cây thủy sinh để trang trí nhà cửa, sân vƣờn, hồ nƣớc. Trồng trong các chậu, lọ thủy tinh, trồng trong các bể cả cảnh, hồ cá nhân tạo, trồng trang trí sân vƣờn, tạo tiểu cảnh nƣớc. Cây Thủy Trúc vừa có tác dụng th m mỹ, vừa có tác dụng lọc không khí, lọc nƣớc.  iệu quả loại bỏ các chất ô nhiễm của cây lƣỡi mác và cây thủy trúc 23
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. Đối với nƣớc thải sinh hoạt: theo thống kê về việc áp dụng hệ thống trong việc xử lý nƣớc thải gia đình tại các làng xã ở Canada, Thụy Sĩ, Hunggari thì các chỉ số về nito Amoni, Nitrat, Phosphas, BOD tại những nơi áp dụng hệ thống thì cho tỉ lệ phân hủy từ 92 – 96%. Đối với nƣớc thải công nghiệp: nƣớc chứa lƣu huỳnh và asen hay nƣớc thải nông nghiệp có chứa nhiều phân gia súc không thể sử dụng đƣợc do chúng có chứa nhiều Phospho cũng đƣợc lọc sạch. Một thí nghiệm ở Pháp cho thấy nƣớc thải có chứa kim loại nặng đã phân hủy những chất nhƣ: CO , O , Crom, Đồng, Chì, Sắt, Kẽm từ 90 – 100% b. Ứng dụng cây Lƣỡi mác và cây Thủy trúc trong xử lý nƣớc thải  Ứng dụng trên toàn thế giới  Ở hunggari, Canada: các thông số đo về Nito, Amoni, Nitrat, Phosphat, O , đạt từ 92 – 96%  Ở pháp: để xử lý nƣớc thải có chứa kim loại đã phân hủy những chất nhƣ CO , O , Crom, Đồng, Nhôm, Sắt, Chì, Kẽm từ 90 đến 100%  Ở Thụy SĨ và Đức: tại sân bay quốc tế Klothen ở ZUirich Thụy Sỹ và Schonefeld Berlin cộng h a liên bang Đức đã sử dụng rễ cây để xử lý nƣớc glycol. Nƣớc này sẽ đƣợc thu lại và lọc sạch.  Ứng dụng tại Việt Nam  Với khả năng lọc nƣớc tốt, các quán Café, nhà hàng, khách sạn hoặc tại nhà ở đều sử dụng cây thủy trúc hoặc cây lƣỡi mác để xử lý nƣớc ở hồ cá. Nƣớc trong hơn, thực vật trong hồ tƣơi tốt hơn và cá phát triển hơn. Và hai loại cây đƣợc ví nhƣ là “máy lọc nƣớc thiên nhiên cho hồ cá  Nhờ khả năng xử lý tốt nên cây Thủy trúc đƣợc những hộ dân có chăn nuôi da súc và mang lại kết quả khá tích cực. Những nơi đã áp dụng phƣơng pháp này là Mỹ Tho, Vĩnh Long,  Với hỗ trợ kỹ thuật của tập đoàn bara (Nhật Bản), nhiều dân cƣ, khu du lịch, làng nghề và khu công nghiệp tại một số địa phƣơng thuộc lƣu vực sông 24
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. Hồng và sông Cửu Long đã triển khai phƣơng pháp làm sạch nƣớc sông bị ô nhiễm bằng cách trồng cây Thủy trúc và Lƣỡi mác. 1.2.5 Tình hình áp dụng bãi lọc ngầm trồng cây trong xử lý nƣớc thải a. Ngoài nƣớc  Bãi lọc ngầm trồng cây ở Bắc Âu Ở Na Uy, bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm đã đƣợc xây dựng để xử lý nƣớc thải sinh hoạt vào năm 1991. Ngày nay, ở những vùng nông thôn ở Na Uy, phƣơng pháp này trở nên rất phổ biến để xử lý nƣớc thải sinh hoạt, nhờ các bãi lọc vận hành với hiệu suất cao thậm chí cả vào mùa đông và với chi phí thấp. Mô hình quy mô nh đƣợc áp dụng phổ biến ở Na Uy là hệ thống bao gồm bể tự hoại, tiếp đến là một bể lọc sinh học hiếu khí dòng chảy thẳng đứng và một bãi lọc ngầm trồng cây với dòng chảy ngang. Bể lọc sinh học hiếu khí trƣớc bãi lọc ngầm để loại b BOD và thực hiện các quá trình nitrat hoá trong điều kiện khí hậu lạnh, nơi thực vật “ngủ vào mùa đông. Hệ thống đƣợc thiết kế theo tiêu chu n hiện hành cho ph p đạt hiệu suất khử P ổn định > 90% trong v ng 15 năm nếu sử dụng cát thiên nhiên chứa nhiều sắt và canxi hoặc sử dụng vật liệu hấp phụ P tiền chế có trọng lƣợng nhẹ. Lớp vật liệu này sau khi bão hoà P, có thể sử dụng chúng làm chất cải tạo đất hay làm phân bón bổ sung phốtpho. Hiệu suất loại b N khoảng 40-60%. Hiệu quả loại b các vi khu n chỉ thị rất cao, thƣờng đạt tới < 1000 coliform chịu nhiệt/ 100 ml (theo Peter D. Jenssen, Trond Mohlum, Tore Krogstad, Lasse Vrale, 2005) Tại Đan Mạch, hƣớng d n chính thức mới về xử lý nƣớc thải tại chỗ nƣớc thải sinh hoạt gần đây đã đƣợc Bộ Môi Trƣờng Đan Mạch công bố, áp dụng bắt buộc đối với các nhà riêng ở nông thôn. Trong hƣớng d n này ngƣời ta đã đƣa vào hệ thống bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy thẳng đứng, cho ph p đạt hiệu suất khử BOD tới 95% và nitrat hoá đạt 90%. Hệ thống này có thể bao gồm cả quá trình kết tủa hoá học để tách phốtpho bằng PAC trong bể phản ứng lắng, cho phép loại b 90% phốtpho. Diện tích bề mặt của bãi lọc là 3,2m2/ngƣời và chiều sâu lọc hiệu quả là 1m. Nƣớc thải sau lắng sẽ đƣợc bơm gián đoạn lên bề mặt của 25
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. lớp vật liệu lọc bằng bơm và hệ thống ống phân phối. Lớp thoát nƣớc ở đáy đƣợc thông khí bị động thông qua các ống hơi nhằm tăng cƣờng sự trao đổi oxy vào quá trình lọc. Một nữa dòng chảy đã đƣợc nitrat hoá từ lớp vật liệu lọc sẽ đƣợc bơm tuần hoàn vào ngăn đầu của bể lắng hoặc chảy vào ngăn bơm nhằm tăng cƣờng quá trình khử nitơ và ổn định hoạt động của hệ thống. Hệ thống loại b phốtpho đƣợc đặt trong bể lắng với một bơm định lƣợng cỡ nh . Hoá chất đƣợc trộn với nƣớc thải nhờ hệ thống bơm dâng bằng khí đơn giản, đồng thời làm nhiệm vụ tuần hoàn nƣớc trong ngăn lắng. Hệ thống bãi lọc trồng cây dòng chảy thẳng đứng là một giải pháp thay thế cho lọc trong đất, cho ph p đạt hiệu quả xử lý cao trƣớc khi xả ra môi trƣờng.  Nghiên cứu về loại bỏ vi sinh vật trong nước thải Ở Đức, một chƣơng trình nghiên cứu về mặt vi sinh vật – sự tồn tại và chết của các mầm bệnh trong nƣớc thải đƣợc thực hiện bởi nhóm nghiên cứu Hagendorf Ulrich, Diehl Klaus và nnk trong nhiều năm, trên các m u nƣớc lấy từ ba bãi lọc trồng cây xử lý nƣớc thải đã qua xử lý sơ bộ (bể tự hoại nhiều ngăn, hồ) và từ nƣớc thải sinh hoạt đã qua xử lý sơ bộ. Nồng độ của các vi sinh vật chỉ thị hay các mầm bệnh đƣợc xác định ở nhiều vị trí và các bậc của hệ thống xử lý. Với số liệu từ hơn 3600 phân tích vi sinh, so sánh với các số liệu từ một hệ thống đã vận hành đƣợc 18 năm cho ph p đƣa đƣợc cả các yếu tố vận hành vào trong đánh giá. Các nghiên cứu cho thấy rằng hiệu suất loại b trung bình của các vi sinh vật chỉ thị và các mầm bệnh nằm trong khoảng 1.5 – 2.5 đơn vị log với hệ thống xử lý một bậc và 3 – 5 đơn vị log đối với hệ thống xử lý nhiều bậc. Không có sự khác nhau đáng kể giữa bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy ngang và dòng chảy đứng. Hiệu suất loại b vi sinh vật trong các bãi lọc trồng cây rõ ràng là hơn hẳn so với hệ thống bùn hoạt tính truyền thống.  Nghiên cứu xử lý bùn bể phốt bang bãi lọc ngầm trồng cây Viện Công nghệ Châu Á (AIT), Thái Lan, kết hợp với Viện KH&CN Môi Trƣờng liên bang Thụy Sỹ S N C, W G đã tiến hành nghiên cứu thực 26
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. nghiệm xử lý phân bùn bể phốt lấy từ Bangkok bằng hệ thống bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy thẳng đứng với cây c nến (Typha) tại AIT liên tục từ năm 1997 tới nay. Tải trọng TS bằng 250 kg/m2.năm đƣợc coi là tải trọng tối ƣu để xử lý phân bùn. Cần ngăn cản sự héo rủ của c nến vào mùa khô bằng cách tƣới nƣớc bãi lọc bằng nƣớc sau xử lý. 65% nƣớc từ phân bùn đƣợc thu qua hệ thống thu nƣớc và 35% bay hơi. ãi lọc đƣợc vận hành gần 4 năm, không phải sửa chữa hệ thống thấm. Chất rắn tích lũy chứa hàm lƣợng trứng giun thấp, đáp ứng tiêu chu n tái sử dụng trong nông nghiệp đối với bùn cặn. So sánh với sân phơi bùn truyền thống, bãi lọc ngầm trồng cây cho phép thời gian lƣu giữ bùn khô lớn hơn nhiều (5-6 năm). Ƣu điểm của phƣơng pháp xử lý phân bùn bằng bải lọc trồng cây là bộ rễ tạo ra cấu trúc xốp, với hệ thống mao mạch nh li ti trong bãi lọc, giúp cho quá trình khử nƣớc của hệ thống đƣợc duy trì trong nhiều năm mà không bị tắc.  Nghiên cứu xử lý nước thải công nghiệp, nước rỉ rác bằng bãi lọc trồng cây Tại Bồ Đào Nha, l.c. avies, c.c. Carias và nnk đã nghiên cứu vai trò của cây sậy (Phragmites communis) – tác nhân peroxide trong quá trình phân hủy chất nhuộm azo, axit cam 7(AO7) trong bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy thẳng đứng. Nghiên cứu cho thấy các chất do thực vật tƣơi tiết ra có thể phân hủy AO7 và các amin thơm của nó, sau 120 giờ tiếp xúc với H2O2, loại b đƣợc 3,2-5,7 mgA07/gP.Australis khi dòng chảy có nồng độ 40 mgAO7/l ( 8 mgA07/gP.Australis). Từ nghiên cứu này cho thấy bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy thẳng đứng thích hợp để xử lý nƣớc thải chứa chất nhuộm Azo. Với nồng độ của dòng vào là 130 mgAO7/l, hoạt tính peroxide của thực vật trong lá, thân và rễ theo thứ tự tăng gấp 2,1 lần, 4,3 lần và 12,9 lần. Khi nồng độ chất nhuộm 700 mgAO7/l, hoạt tính peroxid của thực vật bị ức chế ngay tức khắc nhƣng chỉ sau hai ngày hoạt tính này trở về đƣợc nhƣ cũ. Tải trọng hữu cơ O7 từ 21 đến 105 gCOD/m2.ngày không độc và có khả năng loại b từ 11 đến 67 g COD/m2.ngày. Hiệu quả loại b 27
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. O7 và TOC là tƣơng đƣơng nhau (khoảng 70%) cho thấy AO7 bị khoáng hóa. Chu trình 3 giờ là thời gian thích hợp để phân hủy AO7. Bãi lọc trồng cây cũng đã đƣợc sử dụng rộng rãi trên thế giới để xử lý nƣớc rò rỉ từ bãi rác (kể cả bãi côn lấp rác sau khi đốt) đạt hiệu quả rất tốt nhƣ bãi lọc trồng cây ngập nƣớc xử lý nƣớc rác ở Linkoeping, Thụy Điển. b. Trong nƣớc Tại Việt Nam, phƣơng pháp xử lý nƣớc thải bằng các bãi lọc ngầm trồng cây c n khá mới mẻ, bƣớc đầu đang đƣợc một số trung tâm công nghệ môi trƣờng và trƣờng đại học áp dụng thử nghiệm. Các đề tài nghiên cứu mới đây nhất về áp dụng phƣơng pháp này tại Việt Nam nhƣ "Xử lý nƣớc thải sinh hoạt bằng bãi lọc ngầm trồng cây d ng chảy thẳng đứng trong điều kiện Việt Nam" của Trung tâm Kỹ thuật Môi trƣờng đô thị và khu công nghiệp (Trƣờng Đại học Xây dựng Hà Nội); "Xây dựng mô hình hệ thống đất ngập nƣớc nhân tạo để xử lý nƣớc thải sinh hoạt tại các xã Minh Nông, ến Gót, Việt Trì" của Trƣờng Đại học Quốc gia Hà Nội đã cho thấy hoàn toàn có thể áp dụng phƣơng pháp này trong điều kiện của Việt Nam. Theo GS.TSKH Nguyễn Nghĩa Thìn (Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội) thì Việt Nam có đến 34 loại cây có thể sử dụng để làm sạch môi trƣờng nƣớc. Các loài cây này hoàn toàn dễ kiếm tìm ngoài tự nhiên và chúng cũng có sức sống khá mạnh mẽ. PGS. TS Nguyễn Việt nh, Chủ nhiệm Đề tài hợp tác nghiên cứu giữa Trƣờng Đại học Tổng hợp Linkoeping (Thụy Điển) và Trung tâm Kỹ thuật Môi trƣờng đô thị và khu công nghiệp về "Xử lý nƣớc thải sinh hoạt bằng bãi lọc trồng cây" cho biết: "Chúng tôi đang tiến hành thử nghiệm ãi lọc ngầm trồng cây có d ng chảy thẳng đứng sử dụng các vật liệu s i, gạch để xử lý nƣớc thải sau bể tự hoại, trồng các loại thực vật dễ kiếm, phổ biến ở nƣớc ta nhƣ C nến, Thủy trúc, Sậy, Phát lộc, Mai nƣớc Kết quả rất khả quan, nƣớc thải ra đạt tiêu chu n xả ra môi trƣờng hay tái sử dụng lại. Công nghệ này rất phù hợp với điều kiện của Việt Nam, nhất là cho quy mô hộ, nhóm hộ gia đình, các điểm du lịch, dịch vụ, các trang trại, làng nghề ". 28
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. Tại trƣờng Đại học Công nghệ Tp.HCM, tháng 6 năm 2010 sinh viên Trần Quốc Việt dƣới sự hƣớng d n của Thạc sĩ Lâm Vĩnh Sơn đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu hiệu quả xử lý nƣớc thải tinh bột mì bằng bãi lọc ngầm trồng cây d ng chảy đứng và kết luận đƣợc rằng “Các kết quả nghiên cứu cho thấy, hiệu suất xử lý nƣớc thải trong bãi lọc trồng cây d ng chảy đứng là rất tốt. Hệ thống làm việc rất ổn định, dao động chất lƣợng nƣớc đầu ra không lớn Mô hình trồng Sậy cho ph p đạt hiệu suất xử lý cao hơn nhiều so với mô hình không trồng Sậy. 1.2.6 Những ƣu điểm và nhƣợc điểm trong việc sử dụng bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy đứng để xử lý nƣớc thải  Ƣu điểm Ngày nay, có nhiều nƣớc sử dụng thực vật để xử lý nƣớc thải và nƣớc ô nhiễm. Hiệu qủa xử lý tuy chậm nhƣng rất ổn định đối với những loại nƣớc có BOD và COD thấp, không chứa độc tố. Những kết quả nghiên cứu và ứng dụng ở nhiều nƣớc đã đƣa ra những ƣu điểm cơ bản sau:  Chi phí cho xử lý bằng thực vật thấp  Quá trình công nghệ không đ i h i kỹ thuật phức tạp  Hiệu quả xử lý ổn định đối với nhiều loại nƣớc ô nhiễm thấp  Có chế độ oxy trong lớp vật liệu tốt hơn, cho ph p nâng cao hiệu suất quá trình phân hủy sinh học các chất hữu cơ, xử lý đƣợc chất dinh dƣỡng nhƣ Nitơ nhờ quá trình nitrat- khử nitrat, loại b vi sinh.  Tốn ít diện tích nhất trong các loại bãi lọc, hiệu suất xử lý cao.  Sinh khối tạo ra sau quá trình xử lý đƣợc ứng dụng vào nhiều mục đích khác nhau nhƣ:  Làm nguyên liệu cho thủ công mỹ nghệ nhƣ cói, đay, c .  Làm thực ph m cho ngƣời nhƣ rau.  Làm thực ph m cho gia súc nhƣ c , rau.  Làm phân xanh, tất cà các loài thực vật sau khi thu nhận từ quá trình xử lý trên đều là nguồn nguyên liệu để sản xuất phân xanh rất có hiệu quả.  Sản xuất khí sinh học. 29
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình.  Nhƣợc điểm Việc sử dụng thực vật để xử lý nƣớc cũng có những nhƣợc điểm nhất định, trong đó có hai nhƣợc điểm rất quan trọng:  Diện tích cần dùng để xử lý chất thải lớn. Vì thực vật cần tiến hành quá trình quang hợp nên luôn cần thiết phải có ánh sáng. Sự tiếp xúc giữa thực vật và ánh sáng trong điều kiện đủ chất dinh dƣỡng càng nhiều thì quá trình chuyển hoá càng tốt. o đó, diện tích của bề mặt của sự tiếp xúc này sẽ cần nhiều. Điều đó rất khó khăn khi ta tiến hành xử lý nƣớc ô nhiễm ở những khu vực đô thị vốn đã rất khó khăn về đất. Tuy nhiên nó lại thích hợp cho vùng nông thôn, kể cả những vùng không đƣợc cung cấp điện.  Cần có sự chênh lệch về gradien dòng chảy từ sau công trình xử lý trƣớc đến nguồn tiếp nhận, nếu không phải dùng bơm cƣỡng bức. Do vậy phải lựa chọn điều kiện địa hình thích hợp mới có thể áp dụng đƣợc. 1.3 Tổng quan về hệ thống thủy canh 1.3.2 Khái niệm về rau sạch Rau sạch hay c n gọi là rau hữu cơ đƣợc hiểu là loại rau canh tác trong điều kiện hoàn toàn tự nhiên. Rau sạch là rau phải hội tụ 3 sạch gồm: đất sạch, phân bón sạch và thuốc bảo vệ thực vật cũng sạch. Cụ thể là không phân bón hóa học, không phun thuốc bảo vệ thực vật hóa học, không sử dụng thuốc trừ sâu và không phun thuốc kích thích sinh trƣờng, phân bón hoàn toàn là phân hữu cơ (bón gốc và bón qua lá), không dùng hóa chất bảo quản. Mùi vị của rau sạch đậm đà, tự nhiên hơn do khả năng tích lũy dinh dƣỡng trong một thời gian đủ dài. Tuy nhiên màu sắc của rau sạch không đƣợc đẹp mắt cũng nhƣ không đƣợc đồng đều. Vẻ bề ngoài của rau sạch thƣờng không bóng b y láng mƣớt nhƣ những loại v n đƣợc phun thuốc kích thích. Lá và thân hơi cứng, ít có vẻ mơn mởn. 30
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. 1.3.2 Vai trò và giá trị của rau a. Về mặt dinh dƣỡng  Rau là nguồn cung cấp năng lƣợng cho cơ thể con ngƣời Rau cung cấp cho cơ thể con ngƣời các chất dinh dƣỡng quan trọng nhƣ các loại vitamin, muối khoáng, axit hữu cơ, các hợp chất thơm, cũng nhƣ protein, lipit, chất xơ, v.v Trong rau xanh hàm lƣợng nƣớc chiếm 8595%, chỉ có 515% là chất khô. Trong chất khô lƣợng cacbon rất cao (cải bắp 60%, dƣa chuột 7475%, cà chua 7578%, dƣa hấu 92%). Giá trị dinh dƣỡng cao nhất ở rau là hàm lƣợng đƣờng (chủ yếu đƣờng đơn) chiếm t lệ lớn trong thành phần cacbon.  Rau là nguồn cung cấp vitamin phong phú và r tiền Rau có chứa các loại vitamin (tiền vitamin ), 1, 2, C, và PP vv Trong kh u phần ăn của nhân dân ta, rau cung cấp khoảng 9599% nguồn vitamin A, 60-70% nguồn vita min ( 1, 2, 6, 12) và gần 100% nguồn vitamin C. Vitamin có tác dụng làm cho cơ thể phát triển cân đối, điều h a, các hoạt động sinh lý của cơ thể tiến hành bình thƣờng. Thiếu một loại vitamin nào đó sẽ làm cho cơ thể phát triển không bình thƣờng và phát sinh ra bệnh tật. Nếu ăn uống lâu ngày thiếu rau xanh ta thƣờng thấy xuất hiện các triệu chứng nhƣ da khô, mắt mờ, quáng gà do thiếu vitamin ; bệnh chảy máu chân răng, tay chân m i mệt, suy nhƣợc do thiếu vita min C; miệng lƣỡi lở lo t, viêm ngứa chủ yếu do thiếu vitamin PP; tê phù do thiếu vitamin (chủ yếu là 1) Ngoài ra thiếu vitamin làm giảm sức dẻo dai, hiệu suất làm việc k m, dễ phát sinh nhiều bệnh tật, khi mắc bệnh chữa cũng lâu lành. Trong lao động, công tác, học tập sinh hoạt hàng ngày mỗi ngƣời đều cần một lƣợng vita min nhất định, nhu cầu vitamin hàng ngày mỗi ngƣời cần 100mg C trong đó 90% lấy từ rau quả.  Rau là nguồn cung cấp chất khoáng cho cơ thể Rau chứa các chất khoáng chủ yếu nhƣ Ca, P, e, là thành phần cấu tạo của xƣơng và máu. Những chất khoáng có tác dụng trung h a độ chua do dạ dày tiết ra khi tiêu hóa các loại thức ăn nhƣ thịt, các loại ngũ cốc. Hàm lƣợng Ca rất cao 31
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. trong các loại rau cần, rau dền, rau muống, nấm hƣơng, mộc nhĩ (100357 mg%). b. ề giá trị kinh tế  Rau là nguyên liệu của ngành công nghiệp thực ph m Những loại rau đƣợc sử dụng trong công nghiệp chế biến xuất kh u dƣới dạng tƣơi, muối, làm tƣơng, sấy khô, xay bột công nghệ đồ hộp (dƣa chuột, cà chua, ngô rau, măng tây, nấm ), công nghiệp bánh kẹo (bí xanh, cà rốt, khoai tây, cà chua ), công nghiệp sản xuất nƣớc giải khát (cà chua, cà rốt ), công nghiệp chế biến thuốc dƣợc liệu (t i, hành, rau gia vị), làm hƣơng liệu (hạt ngò (hạt mùi), ớt, tiêu ). Đồng thời cũng là loại rau dự trữ đƣợc sử dụng trong nội địa.  Rau là nguồn thức ăn cho gia súc Với chăn nuôi gia súc, gia cầm, rau giữ vai trò khá quan trọng: 1 đầu lợn tiêu thụ 1 ngày 2 – 3kg rau, trong đó có 50 – 60% loại rau dùng cho ngƣời: rau muống, bắp cải, su hào, dền, mồng tơi, rau ngót, rau đậu, lang. Trung bình 9kg rau xanh thì cho 1 đơn vị thức ăn và 100g đạm tiêu hóa đƣợc. Rau thƣờng chiếm 1/3 – 1/2 trong tổng số đơn vị thức ăn giành cho chăn nuôi, vậy muốn đƣa chăn nuôi lên ngành sản xuất chính phải tính toán vấn đề sản xuất rau và các loại rau có giá trị dinh dƣỡng cao.  Trồng rau s phát huy thế mạnh của v ng, tăng thu nhập hơn so với một số loại cây trồng khác Cây rau dễ trồng, lại có thời gian sinh trƣởng ngắn nhƣng cho năng suất cao, có thể gieo trồng nhiều vụ trong năm, tận dụng đƣợc đất đai, thời tiết khí hậu, công lao động nông nhàn, quay v ng đồng vốn nhanh, có thể chuyển đổi cơ cấu cây trồng, mang lại lợi nhuận cao so với một số cây trồng khác cũng trồng trên chân đất ấy. Sản xuất rau là ngành mang lại hiệu quả kinh tế cao. Giá trị sản xuất 1 ha rau gấp 2 – 3 lần một ha lúa. Từ 2003 đến nay, ngành nông nghiệp phấn đấu thu nhập 32
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. 50 triệu/ha/năm, thì cây rau có thể thu đƣợc giá trị sản xuất 70 – 100 triêụ đồng/ha/năm. Tại vùng chuyên canh rau Hà Nội (20022004) theo mô hình trồng rau ngoài đồng 4 vụ thu nhập bình quân 76 – 83 triệu đồng/ha/năm, trong nhà lƣới 124 – 153 triệu là mức có thu nhập cao so với 26,8 triêụ/ha bình quân của ngành trồng trọt. Nông dân trồng rau có xu hƣớng tạo thu nhập cao hơn nông dân trồng cây khác vì năng suất và giá trị của cây rau cao hơn một cách đáng kể. Vì vậy đây là điều kiện thuận lợi để ngƣời nông dân đầu tƣ mở rộng diện tích trồng rau. Bảng 1.3: So sánh chi phí sản uất và tiêu thụ rau và lúa Đài Loan. Chi phí sản uất Năng suất Tổng thu nhập STT Cây trồng (USD/ha) (tạ ha (USD/ha) 1 Lúa 7.63 5,6 399 2 Cà chua 16.199 60,1 4.860 3 Khoai tây 3.876 23,9 1.104 4 Cải canh 2.426 39,7 1.016 5 Súp lơ 4.411 23,9 1.836 6 Hành 6.421 59,5 4.196 7 T i 6.834 9,5 5.677 c. ề giá trị làm thuốc Một số loại rau c n đƣợc sử dụng để làm thuốc, đƣợc truyền miệng từ đời này qua đời khác, đặc biệt cây t i đƣợc xem là dƣợc liệu quý trong nền y học cổ truyền của nhiều nƣớc nhƣ i Cập, Trung Quốc, Việt Nam Dùng nhánh t i để chữa bệnh huyết áp cao và bệnh thấp khớp. Một số loại rau có tính trừ sâu nhƣ xà lách, một số loại rau lại có giá trị cho giá trị th m mỹ nhƣ ớt đ , dƣa leo, cà chua, mƣớp đắng d. Ý nghĩa về mặt ã hội Vị trí cây rau trong đời sống - xã hội ngày càng đƣợc coi trọng nên diện tích gieo trồng và sản lƣợng rau ngày càng tăng. Ngành sản xuất rau phát triển sẽ góp phần tăng thu nhập, sử dụng lao động hợp lý, mở rộng ngành nghề, giải quyết 33
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. công ăn việc làm cho hàng ngàn ngƣời lao động ở các vùng nông thôn, ngoại thành và các lĩnh vực kinh doanh khác nhƣ marketting, chế biến và vận chuyển. Ngoài ra ngành sản xuất rau c n thúc đ y các ngành khác trong nông nghiệp phát triển nhƣ cung cấp thức ăn cho chăn nuôi, nguyên liệu cho công nghiệp chế biến 1.3.3 Khái niệm về thủy canh Thủy canh (Hydroponics), là hình thức canh tác không sử dụng đất. Cây đƣợc trồng trên hoặc trong dung dịch dinh dƣỡng, sử dụng dinh dƣỡng h a tan trong nƣớc dƣới dạng dung dịch và tủy theo từng kĩ thuật mà bộ rễ cây có thể ngâm hoặc treo lơ lửng trong môi trƣờng không khí bão h a dinh dƣỡng. Trồng cây không sử dụng đất đã đƣợc đề xuất từ lâu bởi các nhà khoa học nhƣ Knop, Kimusa Những năm gần đây phƣơng pháp này tiếp tục đƣợc nghiên cứu hoàn thiện và sử dụng rộng rãi ở nhiều nƣớc trên thế giới. 1.3.4 Cơ sở khoa học của kĩ thuật thủy canh Nƣớc có vai tr vô cùng quan trọng đối với đời sống sinh vật nói chung và thực vật nói riêng. Có thể nói “ở đâu có nƣớc là ở đó có sự sống . Nƣớc là một trong những thành phần cấu tạo nên keo nguyên sinh, thành phần của vật chất tƣơi trong cây bao gồm 80 – 95% nƣớc, mọi quá trình trao đổi chất trong cơ thể đều cần có nƣớc tham gia. Nƣớc là môi trƣờng vận chuyển các chất và tham gia vào các phản ứng hóa sinh để tạo chất khử mang năng lƣợng lớn dùng để khử CO trong cơ thể thực vật. ên cạnh đó nƣớc c n ảnh hƣởng gián tiếp đến quá trình quang hợp nhƣ làm giảm nhiệt độ mặt lá, đóng mở khí khổng, Tuy nhiên nhu cầu nƣớc của cây nhiều hay ít c n phụ thuộc vào từng giai đoạn phát triển của cây. Cùng với nƣớc thì các chất khoáng cũng có vai tr quan trọng không k m đối với hoạt động sống của cây. Khi nghiên cứu về nhu cầu dinh dƣỡng của cây từ năm 1849 đến 1856 thì Salm-Horstmar đã chứng minh đƣợc rằng cây lúa mạch muốn sinh trƣởng và phát triển bình thƣờng phải cần đến những nguyên tố nhƣ N, P, S, K, Ca, Mg, Si, e, Mn. Đến năm 1938 hai nhà sinh lý học thực vật ngƣời 34
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. Đức là Sachs và Knop đã phát hiện rằng để cây trồng sinh trƣởng và phát triển bình thƣờng phải cấn đến 16 nguyên tố cơ bản là: C, H, O, N, P, K, Ca, Mg, S, e, Cu, Mn, Zn, Mo, o, Cl. Từ đó các ông đề xuất phƣơng pháp trồng cây trong dung dịch. Nhƣ vậy, cơ sở khoa học của kỹ thuật thủy canh là dựa vào một số yếu tố quan trọng nhƣ nƣớc, muối khoáng, ánh sáng, sự lƣu thông không khí mà không cần dùng đất, chỉ cần đáp ứng đầy đủ các yêu cầu trên. 1.3.5 Phân loại hệ thống thủy canh Theo O (1992), căn cứ vào đặc điểm dung dịch dinh dƣỡng có thể chia hệ thống thủy canh ra làm 2 loại: thủy canh động (thủy canh hồi lƣu) và thủy canh tĩnh (thủy canh không hồi lƣu)  Hệ thống thủy canh tĩnh (trồng rau thủy canh bằng thùng xốp): Dung dịch dinh dƣỡng không chuyển động trong quá trình trồng cây. Rễ cây đƣợc nhúng một phần hay hoàn toàn trong dung dịch dinh dƣỡng. Hệ thống này có ƣu điểm là chi phí đầu tƣ thấp vì không cần hệ thống làm chuyển động dung dịch nhƣng hạn chế là thƣờng thiếu oxy và pH thƣờng giảm gây ngộ độc cho cây.  Hệ thống thủy canh động (thủy canh tuần hoàn): Dung dịch có chuyển động trong quá trình trồng cây. Hệ thống này chi phí cao hơn nhƣng rễ cây không bị thiếu oxy. Các hệ thống thủy canh đƣợc hoạt động trên nguyên lý thủy triều, sục khí và tƣới nh giọt. Hệ thống này đƣợc chia làm 2 loại:  Hệ thống thủy canh mở: Dung dịch dinh dƣỡng không có sự tuần hoàn trở lại, gây lãng phí.  Hệ thống thủy canh kín: Dung dịch dinh dƣỡng có sự tuần hoàn trở lại nhờ hệ thống bơm hút dung dịch dinh dƣỡng từ bể chứa. 1.3.6 Ƣu, nhƣợc điểm của hệ thống thủy canh  Ƣu điểm Có thể triển khai ở những vùng đất nhƣ hải đảo, vùng núi xa xôi, khu đô thị 35
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. Có thể chủ động điều chỉnh dinh dƣỡng cho cây, các loại dinh dƣỡng đƣợc cung cấp theo yêu cầu của từng loại rau, có thể loại b các chất gây hại cho cây và không có các chất tồn dƣ từ vụ trƣớc. Tiết kiệm nƣớc do cây sử dụng trực tiếp nƣớc trong dụng cụ đựng dung dịch nên nƣớc không bị thất thoát do ngấm vào đất hoặc bốc hơi. Giảm chi phí công lao động do không phải làm một số khâu nhƣ làm đất, làm c , vun xới và tƣới. Dễ thanh trùng vì chỉ cần rửa bằng formaldehyt loãng và nƣớc lã sạch. Hạn chế sử dụng thuốc bảo thực vật và điều chỉnh đƣợc hàm lƣợng dinh dƣỡng nên tạo ra sản ph m ray an toàn đối với ngƣời sử dụng. Trồng đƣợc rau trái vụ do điều khiển đƣợc các yếu tố môi trƣờng. Nâng cao năng suất và chất lƣợng rau: Năng suất rau có thể tăng từ 25 – 50% (Lê Đình Lƣơng, 1995).  Nhƣợc điểm Giá thành cao do đầu tƣ ban đầu lớn. Điều này rất khó mở rộng sản xuất vì điều kiện kinh tế của ngƣời dân còn nhiều khó khăn nên không có điều kiện đầu tƣ cho sản xuất. Mặt khác, giá thành cao nên tiêu thụ khó khăn. Yêu cầu kỹ thuật cao: Khi sử dụng kỹ thuật thủy canh yêu cầu ngƣời trồng phải có kiến thức về sinh lý cây trồng, về hóa học và kỹ thuật trồng trọt cao hơn vì tính đệm hóa trong dung dịch dinh dƣỡng thấp hơn trong đất nên việc sử dụng quá liều một chất dinh dƣỡng nào đó có thể gây hại cho cây, thậm chí d n đến chết (FAO, 1992); Runia W.T (1998). Mặt khác mỗi loại rau yêu cầu một chế độ dinh dƣỡng khác nhau nên việc pha chế dinh dƣỡng phù hợp với từng loại thì không đơn giản. Sự lan truyền bệnh nhanh: Mặc dù đã hạn chế đƣợc nhiều sâu bệnh hại nhƣng trong không khí luôn có mầm bệnh, khi xuất hiện thì một thời gian ngắn chúng có mặt trên toàn bộ hệ thống, đặc biệt là hệ thống thủy canh tuần hoàn Midmore D.J (1993). Mặt khác độ m cao, nhiệt độ ổn định trong hệ thống là điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của cây bệnh. Cây trồng trong hệ thống thủy canh thƣờng tiếp xúc với ánh sáng tán xạ nên mô cơ giới kém phát triển, cây 36
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. mềm yếu, hàm lƣợng nƣớc cao nên dễ xuất hiện vết thƣơng tạo điều kiện cho vi sinh vật xâm nhập (Nguyễn Khắc Thái Sơn,1996). Đ i h i nguồn nƣớc đảm bảo tiêu chu n nhất định: Theo Midmore thì độ mặn trong nƣớc cần đƣợc xem xét kỹ khi sử dụng cho trồng rau thủy canh, tốt nhất là nh hơn 2.500 ppm (Midmore .J và cs., 1995). 1.3.7 Chất dinh dƣỡng cần thiết cho hệ thống thủy canh Những nguyên tố cần thiết cho sự sinh trƣởng và phát triển thích hợp của hệ thống cây trồng thủy canh là C, H, O, S, Mg, Mn, e, Cu, Zn, o, Mo. Một số nguyên tố chỉ cần với số lƣợng rất ít, tuy nhiên một trong số các nguyên tố đó có thể trở thành một nhân tố giới hạn đối với sự lành mạnh của cây. Nhiều nguyên tố đƣợc tìm thấy trong các enzyme và co-enzyme, trong khi những chất khác thì quan trọng đối với sự tích trữ thức ăn. Sự thiếu hụt bất kì một nguyên tố nào đó đều thể hiện ra với những triệu chứng và đặc thù riêng, có thể cho ta biết là cây đang thiếu loại nguyên tố nào. Cacbon và oxy đƣợc cung cấp bởi không khí ở dạng CO2. Khí CO2 đƣợc xâm nhập vào cơ thể thực vật qua quang hợp hay h a tan trong nƣớc.  Nguyên tố:  Oxy (O đóng vai tr quan trọng đối với sinh trƣởng và phát triển của cây, do chức năng tham gia vào quá trình hô hấp. Chức năng sống có thể bị ngừng lại nếu không có quá trình hô hấp.  Hydro (H ) rất quan trọng vì chất b o và cacbohydrat đều có thành phần chính là H, cùng với O và C. Cây hấp thụ hydro hầu hết từ nƣớc, thông qua quá trình th m thấu ở rễ.  Nguyên tố đa lƣợng:  Hiện diện vài phần nghìn đến vài phần trăm bao gồm: Nitơ (1 – 3%), Kali (2 – 4%), Canxi (1 – 2%), Magie (0.1 – 0.7%), Lƣu huỳnh (0.1 – 0.6%), Photpho (0.1 – 0.5%). 37
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình.  Có thể xếp Clo, Natri và Silic vào nhóm nguyên tố đa lƣợng vì chúng có hàm lƣợng rất thay đổi tùy thuộc vào loài thực vật.  Nguyên tố vi lƣợng:  Các nguyên tố vi lƣợng có vai tr quan trọng trong đời sống thực vật. Hàm lƣợng khoảng một phần nghìn đến một trăm phần nghìn. Các nguyên tố vi lƣợng tham gia vào quá trình oxy-hóa khử, quang hợp, trao đổi Nitơ và gluxit của thực vật, tham gia vào các trung tâm hoạt tính của enzyme và vitamin, tăng tính chống chịu của cơ thể thực vật đối với các điều kiện môi trƣờng bất lợi. Sự thiếu hụt các nguyên tố vi lƣợng có thể gây ra nhiều bệnh và chết.  Các nguyên tố vi lƣợng: Kẽm, Lƣu huỳnh, Sắt, Đồng, Mangan, Silic, 1.3.8 Môi trƣờng nuôi trồng thủy canh a. Độ pH Trong môi trƣờng dinh dƣỡng thì độ pH rất quan trọng cho sự sinh trƣởng và phát triển của cây. Độ pH đƣợc tính dựa trên mức độ hoạt động của các nguyên tố khác nhau với cây trồng. Việc điều khiển độ pH của dung dịch rất quan trọng để ngăn chặn pH tăng lên quá cao sẽ gây ra tình trạng kết tủa của C PO , gây nghẹt ống d n dung dịch và bám quanh bộ rễ của cây. Để ngăn chặn pH tăng cao ta sử dụng H PO HNO hoặc dùng NH Nếu pH xuống dƣới 5.5, KOH hay một vài chất thích hợp khác có thể thêm vào dung dịch để tăng pH lên. Sự thay đổi pH trong dung dịch dinh dƣỡng thƣờng xảy ra khá nhanh, phụ thuộc vào độ lớn của rễ và thể tích dinh dƣỡng của một cây. Giá thể đƣợc sử dụng càng lâu thì những nhân tố hữu cơ đọng lại trong đó càng nhiều và cần nhiều sự điều chỉnh cần thiết để đạt đƣợc độ pH nhƣ mong muốn. Trong thủy canh thì đa số các cây trồng thích hợp với môi trƣờng có độ pH tối ƣu (hơi acid đến gần trung tính) từ 5.8 – 6.5. pH đƣợc cân bằng bởi hoạt động của cây. Nếu pH tăng, khi đó cây sẽ thải ra các muối acid vào môi trƣờng, đó có thể là nguyên nhân làm độc chất trong môi trƣờng tăng lên và làm hạn chế sự d n 38
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. nƣớc. Nếu pH giảm thì cây sẽ thải ra các thành phần ion bazơ, có thể làm giới hạn việc hấp thu các muối gốc acid, nên rễ cây không cần thiết hấp thu.  Lƣu ý: Thay đổi pH của môi trƣờng dinh dƣỡng có thể do các vi sinh vật gây ra. b. Nhiệt độ Sự dao động về nhiệt độ trong môi trƣờng dinh dƣỡng ở hệ thống thủy canh không chỉ tác động đến pH mà c n ảnh hƣởng tới độ h a tan của các dƣỡng chất khác. Nhiệt độ thích hợp của nƣớc để h a tan các khoáng chất là 20 – 22oC. c. Bổ sung chất dinh dƣỡng Hai yếu tố cần đƣợc xem x t để nghiên cứu một dung dịch bổ sung là: thành phần dung dịch và nồng độ dung dịch. Trong thời gian sinh trƣởng và phát triển, cây sẽ sử dụng các chất dinh dƣỡng theo nhu cầu đ i h i của chúng. Đối với loại cây có thời gian sinh trƣởng tƣơng đối dài thì việc bổ sung dinh dƣỡng là rất cần thiết. Trong nghiên cứu, ngƣời ta có thể dựa vào giá trị của độ d n điện ( C: electro – conductivity), sự phân hủy các muối khoáng (T S: total dissolved salts) hoặc nhân tố h a tan (C : conductivity factor) của các máy đo để điều chỉnh bổ sung chất dinh dƣỡng vào môi trƣờng nuôi trồng thủy canh. d. Các yếu tố môi trƣờng ảnh hƣởng tới sự sinh trƣởng và phát triển  Ảnh hƣởng của sự thoáng khí đến sự hút chất dinh dƣỡng.  Ảnh hƣởng của sự ngập úng đối với hệ rễ.  Ảnh hƣởng của nhiệt độ.  Ảnh hƣởng của ánh sáng.  Ảnh hƣởng của nồng độ và tỉ lệ các nguyên tố ở môi trƣờng tới sự hút khoáng.  Ảnh hƣởng của các giá thể nuôi trồng. 39
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. 1.3.5 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ thủy canh Điểm qua việc nghiên cứu trồng rau thủy canh, chúng ta thấy, từ năm 1966 đến nay đã có trên 500 sáng chế về kỹ thuật trồng cây thủy canh. Nhật Bản là nƣớc vƣợt lên d n đầu với khoảng 260 sáng chế, chiếm 47%. Theo sau đó là Hàn Quốc với 103 sáng chế chiếm 19%, Mỹ với 46 sáng chế chiếm 9% Hình 1.4: Tình hình nghiên cứu công nghệ thủy canh trên thế giới. (Từ năm 1966 đến nay) Tại Việt Nam, năm 1997 Trƣờng Đại học Nông nghiệp I Hà Nội đã nghiên cứu ứng dụng công nghệ trồng cây thủy canh “Việt hóa cho phù hợp với điều kiện của nƣớc ta. Trung tâm Đào tạo, Tƣ vấn và Chuyển giao công nghệ, Viện KHCNVN phối hợp với Công ty Sài Gòn Thủy canh đã có những nghiên cứu hoàn thiện và ứng dụng công nghệ này vào thị trƣờng trong một vài năm gần đây. Tại các kỳ hội chợ Techmart ở Hải Ph ng, TP.HCM, cũng nhƣ Techmart Hà Nội 2012 những thành công bƣớc đầu của cây Cà chua, ƣa leo, Xà lách trồng theo công nghệ Thủy canh hoàn toàn “xanh, sạch đã đƣợc giới thiệu và nhận đƣợc sự chào đón, chấp nhận của nhiều ngƣời dân trong cả nƣớc. 40
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. C ƢƠN 2: NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tƣợng nghiên cứu 2.1.1 Hệ thống bãi lọc ngầm dòng chảy đứng  Hệ thống này gồm  Bãi lọc trồng cây dòng chảy đứng: gồm 3 thùng chứa kích thƣớc 264mm (đáy dƣới) 357mm 320mm (miệng trên).  3 thùng chứa nƣớc đầu ra kích thƣớc 217mm (đáy dƣới) 281mm 269mm (miệng trên) Hình 2.1: Bản v mô hình đất lọc ngầm trồng cây dòng chảy đứng. Hình 2.2: Thành ph m mô hình bãi lọc trồng cây dòng chảy đứng. 41
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. Vật liệu lọc: S i, cát, than hoạt tính. Đƣợc xếp theo thứ tự dƣới lên cả bãi lọc là S i 5cm, cát 5cm, than hoạt tính 3cm, còn lại là đất trồng cây, cây Thu Trúc và cây cây Lƣỡi Mác. Hình 2.3: Cây Thuỷ Trúc 42
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. Hình 2.4: Cây Lƣỡi Mác 2.1.2 Hệ thống thuỷ canh động  Hệ thống này gồm  8 ống 90 dài 1m đƣợc khoang 5 lỗ 55 và đƣợc chia thành 2 hệ thống nh .  4 ống chạy nƣớc thải sinh hoạt sau xử lý ở bãi lọc.  4 ống chạy nƣớc sạch để đối chứng.  40 rọ nhựa trồng cây có xẻ rãnh.  2 máy bơm P3500 và 2 thùng chứa nƣớc 201.  Dung dịch thủy canh Bio – life.  1 đồng hồ hẹn giờ điều chỉnh thời gian bơm.  Các van nối, dây nối 10; 2 van điều chỉnh lƣu lƣợng nƣớc của bơm. 43
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. 2.5A: Mô hình thuỷ canh. 44
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. 2.5B: Mô hình bản v mô hình thủy canh. 45
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. Hình 2.6B: Máy bơm AP3500.  Thông số giàn  Cao 2m và đƣợc chia thành 4 tầng.  Mỗi tầng dài 1m.  Đƣợc bố trí theo dạng chữ A.  Rọ nhựa trồng cây có x rãnh  Màu đen.  Đƣờng kính miệng 57mm.  Đƣờng kính đáy 40mm.  Cao 68mm. 46
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. Hình 2.7: Rọ nhựa trồng rau thuỷ canh.  Khu vực bố trí và nguồn lấy nước thải Tp.HCM nằm trong khu vực có khí hậu ôn hòa, mang tính chất cận nhiệt đới gió mùa của vùng đồng bằng và chia thành 2 mùa rõ rệt là mùa mƣa và mùa khô. Địa điểm thí nghiệm: PTN: E3.03 – 12, Khu công nghệ cao Q9, Trƣờng Đại học Công Nghệ TP.Hồ Chí Minh. Nƣớc thải đƣợc lấy tại địa chỉ 248/23/13/2 Nguyễn Thái Bình, P.12, Q.Tân ình, Tp.HCM trƣớc 1 đêm khi tiến hành thí nghiệm phân tích.  Chế độ mƣa: lƣợng mƣa trung bình của TPHCM đạt 1.949 mm/năm, trong đó năm 1908 đạt cao nhất với 2.718 mm, thấp nhất xuống c n 1.392 mm vào năm 1958. Trung bình ở TPHCM có 159 ngày mƣa/năm, tập trung nhiều từ tháng 5 tới tháng 11. Trên phạm vi thành phố lƣợng mƣa phân bố không đều, khuynh hƣớng tăng theo trục Tây Nam – Đông ắc. Các quận nội thành và các huyện phía bắc có lƣợng mƣa cao hơn khu vực còn lại.  Lƣợng bốc hơi: lƣợng bốc hơi trung bình tại TPHCM là 1.169,4 mm, cao nhất là 1.223,3 mm (năm 1990) và nh nhất là 1.336 mm (năm 1989). Thƣờng thì lƣợng bốc hơi ở các tháng mùa khô cao từ 104,4 – 146,8 mm, trong khi ở các 47
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. tháng mùa mƣa lƣợng bốc hơi thấp từ 64,9 – 88,4 mm. Lƣợng bốc hơi trung bình 97,4 mm/tháng.  Độ m: độ m không khí ở thành phố lên cao và mùa mƣa (80%) và xuống thấp vào mùa khô (khoảng 40%). ình quân độ m không khí đạt 79,5%/năm.  Nhiệt độ: trung bình. TPHCM có 160 – 270 giờ nắng trên 1 tháng, nhiệt độ trung bình 270C, cao nhất lên tới 400C, thấp nhất 13,8270C. Hằng năm, thành phố có 330 ngày nhiệt độ trung bình 250C tới 280C.  Bức xạ mặt trời: TPHCM có vĩ độ thấp, vị trí mặt trời luôn cao ít thay đổi qua các mùa, do vậy chế độ bức xạ rất ổn định. Tổng lƣợng bức xạ trong 1 năm đạt từ 14,5 – 152 Kcal/cm2. Tháng có bức xạ cao nhất là tháng 3 trong khi các mùa mƣa có bức xạ thấp nhất.  Gió: TPHCM chịu ảnh hƣởng bởi hai hƣớng gió chính là gió mùa Tây – Tây Nam và Bắc – Đông ắc. Mùa mƣa chịu ảnh hƣởng của gió Tây – Tây Nam từ Ấn Độ ƣơng với tốc độ trung bình 3,6 m/s. Mùa khô chịu ảnh hƣởng của gió Bắc – Đông ắc từ biển Đông với tốc độ trung bình 3,6 m/s. Mùa khô chịu ảnh hƣởng của gió Bắc – Đông ắc từ biển Đông với tốc độ trung bình 2,4 m/s. Ngoài ra c n có gió Tín phong theo hƣớng Nam – Đông Nam vào khoảng tháng 3 tới tháng 5, tốc độ trung bình 3,7 m/s. 2.2 Các bƣớc thực hiện đề tài, vận hành mô hình 2.2.1 Phân tích m u nƣớc nghiên cứu 48
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. Sơ đồ 2.1: Mô hình bã lọc ngầm trồng cây dòng chảy đứng. ƣớc 1: Chu n bị nƣớc thải hộ gia đình, phân tích chỉ tiêu ƣớc 2: Chu n bị mô hình bãi lọc ngầm trồng cây d ng chảy đứng NT1: LĐ trồng NT2: LĐ trồng NTĐC: LĐ không cây Lƣỡi Mác cây Thu Trúc trồng cây ƣớc 3: Chu n bị thùng chứa, bơm d n nƣớc vào từng bãi lọc ƣớc 4: Khảo sát với lƣu lƣợng 5L/ngày với 16 lần lấy m u trong 31 ngày ƣớc 5: Lấy m u, phân tích chỉ tiêu ƣớc 6: Đánh giá hiệu quả xử lý nƣớc của từng mô hình bãi lọc ƣớc 7: Kết luận bãi lọc tối ƣu 49
Đề tài : Nghiên cứu công nghệ xử lý nước thải hộ gia đình bằng công nghệ bãi lọc ngầm dòng chảy đứng kết hợp canh tác rau sạch quy mô hộ gia đình. Sơ đồ 2.2: Mô hình thuỷ canh động tuần hoàn. ƣớc 1: Chu n bị nguồn nƣớc cấp cho hệ thống thu canh ƣớc 2: Chu n bị hệ thống thu canh Chu n bị vật liệu Cấu trúc giàn Lắp đặt hệ thống ƣớc 3: Chu n bị rọ trồng rau thu canh Chu n bị hạt giống Chu n bị giá thể Gieo hạt Thay nguồn nƣớc cấp cho ƣớc 4: Quan sát và chăm sóc cây, đo chiều cao hệ thống ƣớc 5: Thu hoạch ƣớc 6: So sánh, đánh giá tốc độ phát triển của cây rau 50