Tài liệu Nghiên cứu giải pháp xử lý nước thải làng bún Tiền ngoài, xã Khắc Niệm, thành phố Bắc Ninh, tỉnh Bắc Ninh phục vụ sản xuất nông nghiệp

Luận văn Thạc sĩ 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Lê Hồng Sơn NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI LÀNG BÚN TIỀN NGOÀI, XÃ KHẮC NIỆM, THÀNH PHỐ BẮC NINH, TỈNH BẮC NINH PHỤC VỤ SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2012 1 Luận văn Thạc sĩ 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Lê Hồng Sơn NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI LÀNG BÚN TIỀN NGOÀI, XÃ KHẮC NIỆM, THÀNH PHỐ BẮC NINH, TỈNH BẮC NINH PHỤC VỤ SẢN XUẤT NÔNG NGHIỆP Chuyên ngành: Khoa học môi trường Mã số:608502 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. NGUYỄN THỊ LOAN Hà Nội – 2012 2 Luận văn Thạc sĩ 2012 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VSV :Vi sinh vật TVTS :Thực vật thủy sinh CPSH :Chế phẩm sinh học KT – XH :Kinh tế - xã hội NXB :Nhà Xuất bản HTTV Hệ thống thực vật CT :Công thức 3 Luận văn Thạc sĩ 2012 DANH MỤC HÌNH Tên hình Trang Hình 1.1: Bãi lọc ngập nước dòng chảy ngang 9 Hình1.2: Bãi lọc trồng cây dòng chảy đứng 9 Hình 1.3: Sơ đồ chuyển hóa các chất bẩn hữu cơ khi oxi hóa sinh hóa nước thải 11 Hình 1.4: Chuyển hóa các hợp chất nito trong xử lý sinh học 13 Hình 1.5: Phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kị khí 14 Hình 2.1: Thí nghiệm đánh giá hiệu quả xử lý nước thải của chế phẩm sinh học 34 Hình 2.2: Thí nghiệm đánh giá hiệu quả xử lý nước thải của TVTS 34 Hình 2.3: Thí nghiệm đánh giá hiệu quả xử lý nước thải của hệ thống 2 bậc, kết hợp chế phẩm sinh học và TVTS 35 Hình 3.1: Sơ đồ dây chuyền sản xuất bún tươi 38 Hình 3.2: Chỉ tiêu COD, BOD5, TSS trong nước thải sau 5 ngày xử lý chế phẩm 42 Hình 3.3 : Chỉ tiêu COD, BOD5, TSS trong nước thải sau 10 ngày xử lý chế phẩm 44 Hình 3.4: Diễn biến TSS, COD, BOD5, NH4+, PO43- theo thời gian thí nghiệm 54 Hình 3.5: Đồ thị so sánh hiệu quả xử lý của hai công thức Bèo tây – Sậy và Bèo tây – Sậy – Chế phẩm sinh học 56 Hình 3.6: Mô hình khuyến cáo để xử lý nước thải làng bún Tiền Ngoài, Bắc Ninh 57 4 Luận văn Thạc sĩ 2012 DANH MỤC BẢNG BIỂU Tên bảng biểu Trang Bảng 1.1: Các nhóm làng nghề Việt Nam 4 Bảng 1.2: Thải lượng các chất ô nhiễm trong nước thải của một số làng nghề chế biến lương thực, thực phẩm. 5 Bảng 1.3: Khối lượng nước thải từ sản xuất bún tại làng nghề (định mức cho 1 tấn sản phẩm) 6 Bảng 1.4: Vi sinh vật sinh axit hữu cơ 15 Bảng 1.5: Vi khuẩn sinh metan 15 Bảng 1.6: Sản phẩm phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải 16 Bảng 1.7: Một số loài thực vật thủy sinh phổ biến dùng xử lý nước thải 17 Bảng 2.1. Các thông số theo dõi và phương pháp xác định 32 Bảng 3.1 : Lượng nguyên, vật liệu sử dụng của các hộ trong một ngày 37 Bảng 3.2 : Mức độ ô nhiễm nguồn nước tại các vị trí lấy mẫu 39 Bảng 3.3: Khả năng xử lý nước thải làng nghề sản xuất bún của chế phẩm EM và Bio - S sau 5 ngày xử lý 41 Bảng 3.4 : Khả năng xử lý nước thải làng nghề sản xuất bún của chế phẩm EM và Bio - S sau 10 ngày xử lý 43 5 Luận văn Thạc sĩ 2012 Tên bảng biểu Trang Bảng 3.5: Hiệu quả xử lý nước thải bằng TVTS sau 10 ngày 45 Bảng 3.6: Hiệu quả xử lý nước thải bằng TVTS sau 15 ngày 46 Bảng 3.7: Hiệu quả xử lý pH ở các công thức thí nghiệm 47 Bảng 3.8: Hiệu quả xử lý TSS ở các công thức thí nghiệm 48 Bảng 3.9: Hiệu quả xử lý COD ở các công thức thí nghiệm 49 Bảng 3.10: Hiệu quả xử lý BOD5 ở các công thức thí nghiệm 50 Bảng 3.11: Hiệu quả xử lý NH4+ ở các công thức thí nghiệm 51 Bảng 3.12: Hiệu quả xử lý PO43- ở các công thức thí nghiệm 52 Bảng 3.13: Hiệu quả xử lý coliform ở các công thức thí nghiệm 53 Bảng 3.14: Khả năng xử lý nước thải của hệ thống kết hợp CPSH và TVTS 55 6 Luận văn Thạc sĩ 2012 MỞ ĐẦU Bắc Ninh là một trong những tỉnh có nhiều làng nghề nhất trong cả nước. Toàn tỉnh Bắc Ninh hiện có 62 làng nghề trong đó có 30 làng nghề truyền thống, 32 làng nghề mới với những sản phẩm nổi tiếng như gỗ mỹ nghệ Đồng Kỵ, sắt thép (Đa Hội, Châu Khê), giấy (Phong Khê, Phú Lâm), rượu (Tam Đa, Đại Lâm), tái chế nhôm (Văn Môn). Trong đó, có 8 làng nghề chế biến thực phẩm như làng nấu rượu Đại Lâm (Yên Phong), làng Đông Nguyên (Từ Sơn), làng bún thôn Đoài (thành phố Bắc Ninh), mỳ sợi Lộ Bao (Tiên Du)... Mức độ ô nhiễm nước thải làng nghề đang ở mức báo động: nước thải làng nghề nấu rượu Đại Lâm (Yên Phong) cao gấp 5 - 10 lần tiêu chuẩn cho phép. Nước mặt, nước ngầm đều có dấu hiệu ô nhiễm, nhất là nước tại các làng nghề chế biến nông sản thực phẩm, dệt nhuộm. Nước thải của hầu hết các nguồn khác nhau đều không được xử lý hoặc xử lý không hiệu quả, không triệt để, đổ trực tiếp vào ao hồ, kênh rạch, sông ngòi, ruộng đồng, làm ô nhiễm nghiêm trọng nguồn nước mặt. Xử lý nguồn nước mặt bị ô nhiễm hiện nay là vấn đề cấp bách ở khắp các nơi trên cả nước. Nghiên cứu sử dụng các loài thực vật và VSV trong xử lý ô nhiễm nước đã được biết đến và việc ứng dụng nó đã mang lại nhiều hiệu quả tích cực, đặc biệt với nguồn nước ô nhiễm cao và chứa nhiều chất dinh dưỡng. Nhờ các quá trình tự nhiên, nước có khả năng tự làm sạch cùng với sự phối hợp trồng thực vật và bổ sung VSV có lợi để chúng hút thu các chất hữu cơ, dinh dưỡng N và P có trong nước để phát triển, nhờ đó nước được làm sạch. Chi phí áp dụng biện pháp sinh học trong xử lý nguồn nước ô nhiễm ở vùng nông thôn không lớn, cùng với việc vận hành hệ thống dễ dàng nên việc áp dụng công nghệ xử lý trong điều kiện tự nhiên hay công nghệ sinh thái đối với các vùng dân cư nông thôn được cho là một trong những giải pháp phù hợp. Để có được đầy đủ cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc xây dựng các mô hình xử lý nước thải ở các làng nghề trong điều kiện tự nhiên một cách hiệu quả, 7 Luận văn Thạc sĩ 2012 chúng tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu giải pháp xử lý nước thải làng bún Tiền Ngoài, xã Khắc Niệm, thành phố Bắc Ninh, tỉnh Bắc Ninh phục vụ cho sản xuất nông nghiệp” Mục tiêu của đề tài: - Xác định được mức độ ô nhiễm nguồn nước mặt tại làng bún Tiền Ngoài, xã Khắc Niệm, thành phố Bắc Ninh, tỉnh Bắc Ninh. - Xác định được một số biện pháp kỹ thuật để xử lý nguồn nước thải làng nghề. - Xây dựng được mô hình xử lý nước thải cho thôn Tiền Ngoài, xã Khắc Niệm, thành phố Bắc Ninh, tỉnh Bắc Ninh. Nội dung nghiên cứu: - Đánh giá hiện trạng sản xuất, kinh doanh và môi trường làng nghề chế biến bún Tiền Ngoài và thôn Đoài - Nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải của chế phẩm sinh học với các nồng độ và liều lượng khác nhau - Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải bằng hệ thống xử lý 2 bậc khi trồng các đối tượng: Sậy và Bèo tây - Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải bằng hệ thống kết hợp sử dụng chế phẩm sinh học và trồng thực vật thủy sinh Từ các kết quả thu được, đề tài sẽ lựa chọn giải pháp hiệu quả nhất để khuyến cáo cho việc xử lý nước thải của làng nghề chế biến thực phẩm. 8 Luận văn Thạc sĩ 2012 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU 1.1. Một số vấn đề môi trường làng nghề Việt Nam Làng nghề là một trong những đặc thù của nông thôn Việt Nam. Nhiều sản phẩm được làm ra trực tiếp từ các làng nghề đã trở thành thương phẩm trao đổi, góp phần cải thiện đời sống gia đình và tận dụng những lao động nhàn rỗi lúc nông nhàn. Đa số các làng nghề đã trãi qua lịch sử phát triển hàng trăm năm song song với quá trình phát triển KT - XH, văn hóa và nông nghiệp của đất nước. Làng đúc đồng Đại Bái – Bắc Ninh với hơn 900 năm phát triển, làng nghề gốm Bát Tràng có gần 500 năm tồn tại... Trong vài năm gần đây, làng nghề đang thay đổi nhanh chóng theo nền kinh tế thị trường, các hoạt động sản xuất tiểu thủ công phục vụ tiêu dùng trong nước và xuất khẩu được tạo điều kiện phát triển. Được hỗ trợ về chính sách, các làng nghề mới và cụm làng nghề không ngừng được khuyến khích phát triển nhằm đạt được sự tăng trưởng, tạo công ăn việc làm và thu nhập ổn định ở khu vực nông thôn. Do ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau như vị trí địa lý, đặc điểm tự nhiên của vùng miền, truyền thống lịch sử, sự phân bố và phát triển của các làng nghề giữa các vùng trong cả nước là không đồng đều, đồng bằng Sông Hồng (chiếm khoảng 60% tổng số làng nghề trên cả nước), miền Trung (chiếm khoảng 30%), còn lại miền Nam (chiếm khoảng 10%) [6]. Dựa theo các yếu tố tương đồng về ngành sản xuất, sản phẩm, thị trường nguyên vật liệu và tiêu thụ sản phẩm có thể chia hoạt động làng nghề nước ta thành 6 nhóm ngành chính như bảng 1.1 sau: 9 Luận văn Thạc sĩ 2012 Bảng 1.1: Các nhóm làng nghề Việt Nam STT Làng nghề Tỉ lệ (%) 1 Làng nghề chế biến lương thực, thực phẩm, chăn nuôi và giết mổ 20 2 Làng nghề dệt nhuộm, ươm tơ, thuộc da 17 3 Làng nghề sản xuất vật liệu xây dựng và khai thác đá 5 4 Làng nghề tái chế phế liệu 4 5 Làng nghề thủ công mỹ nghệ 39 6 Các nhóm ngành khác (chế tạo nông cụ thơ sơ như cày, 15 bừa, cuốc, xẻng, liềm hái, đan lát...) (Nguồn: Tổng cục Môi trường Việt Nam, 2008) Khối lượng và đặc trưng nước thải sản xuất ở các làng nghề phụ thuộc chủ yếu vào công nghệ và nguyên liệu dùng trong sản xuất. Chế biến lương thực, thực phẩm, chăn nuôi, giết mổ gia súc, gia cầm, ươm tơ, dệt nhuộm... là những ngành sản xuất có nhu cầu nước rất lớn và cũng xả một lượng lớn nước thải với mức ô nhiễm hữu cơ ở mức rất cao. Tái chế, chế tác kim loại, đúc đồng, nhôm ... nhu cầu nước không lớn nhưng nước thải nhiễm các chất rất độc hại như axit, muối kim loại, xyanua và các kim loại nặng như Hg, Cu, Pb, Zn ... Kết quả khảo sát chất lượng nước thải của các làng nghề những năm gần đây cho thấy mức độ ô nhiễm hầu như không giảm, thậm chí còn tăng cao hơn trước [6]. Các làng nghề chế biến lương thực, thực phẩm, chăn nuôi và giết mổ có lượng nước thải rất lớn, có nơi lên tới 7000 m3/ngày (Cát Quế và Dương Liễu). Thải lượng các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải sản xuất của các làng nghề thuộc nhóm này cũng khá cao. Các số liệu cho thấy, các làng nghề tinh bột có thải lượng các chất ô nhiễm lớn nhất. 10 Luận văn Thạc sĩ 2012 Bảng 1.2: Thải lượng các chất ô nhiễm trong nước thải của một số làng nghề chế biến lương thực, thực phẩm Sản phẩm (tấn/năm) COD (tấn/năm) BOD5 (tấn/năm) SS (tấn/năm) 1. Bún Phú Đô 10 200 76,90 53,14 9,38 2. Bún Vũ Hội 3100 22,62 15,3 2,76 3. Bún bánh Ninh Hồng 4 380 15,08 10,42 1,84 4. Rượu Tân Độ 450 000 lit 2 250 13,01 11,55 52 000 13 050 934 2 133 Làng nghề 5. Tinh bột Dương Liễu (Nguồn: Viện Khoa học và Công nghệ môi trường, 2005) Đáng chú ý là thông số coliform trong nước thải của các làng nghề chế biến lương thực, thực phẩm, chăn nuôi và giết mổ rất cao. Đây là vấn đề cần được quan tâm đúng mức vì nó sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe của cộng đồng. Theo số liệu điều tra của đề tài KC 08 – 09, 2005, trên cả nước có khoảng 98 làng nghề chế biến nông sản thực phẩm, trong đó có 43 làng nghề chế biến bún, bánh, 30 làng nghề chế biến nông sản và còn lại là làng nghề chế biến hoa quả và thủy sản. Quá trình chế biến bún, bánh tạo ra lượng phế liệu lớn, người dân thường sử dụng nguồn phế liệu này cho chăn nuôi. Vì vậy, nước thải cũng như phân rác từ chăn nuôi là nguồn gây ô nhiễm môi trường đáng kể. Ở các làng nghề chế biến bún, bánh, lượng nước sử dụng trong toàn bộ quá trình sản xuất không được tuần hoàn, tái sử dụng, tất cả các loại nước thải đều thải thẳng ra môi trường, gây ô nhiễm môi trường nước nghiêm trọng. Để sản xuất được 1 tấn bún tươi cần sử dụng 10 m3 nước, tuy nhu cầu sử dụng nước không lớn nhưng với sản lượng khá lớn (hàng chục nghìn tấn/năm) thì lượng nước thải ra môi trường cũng không nhỏ. Sản xuất bún không phát sinh nhiều chất thải rắn (ngoài xỉ than), rất ít khí thải mà chất thải chủ yếu là nước. Nước thải từ sản xuất bún có chứa hàm 11 Luận văn Thạc sĩ 2012 lượng chất ô nhiễm cao, chủ yếu là tinh bột, dễ phân hủy sinh học, gây mùi hôi thối. Hơn nữa, đi kèm với sản xuất bún các hộ gia đình còn kết hợp chăn nuôi lợn để tận dụng các chất thải, nước thải từ các chuồng trại chăn nuôi đang là nguồn gây ô nhiễm nghiêm trọng nhất đối với môi trường làng nghề. Ước tính lượng nước thải khi sản xuất 1 tấn sản phẩm như bảng 1.3 sau: Bảng 1.3: Khối lượng nước thải từ sản xuất bún tại làng nghề (định mức cho 1 tấn sản phẩm) STT Lượng nước thải (m3) Loại nước thải 1 Nước thải đãi gạo 3,0 2 Nước thải ngâm gạo 0,9 3 Nước tách bột sau ủ chua 2,6 4 Nước làm chín bún 0,5 5 Nước rửa bún 1,5 6 Nước vệ sinh dụng cụ 1,0 (Nguồn: đề tài KC 08 – 09, 2005) Các làng nghề chế biến bún, bánh cũng có chất thải giàu chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học. Chất thải rắn của làng bún giàu chất hữu cơ dễ gây mùi xú uế, khó chịu. Do sản xuất phân tán nên việc thống kê khối lượng chất thải rắn gặp nhiều khó khăn, nhưng hầu hết chất thải rắn của các làng nghề chưa được quan tâm xử lý, phần không được tận thu thì thải bừa bãi ra môi trường. Các làng nghề chế biến tinh bột, dong giềng là những làng tạo ra khối lượng lớn chất thải rắn dễ bị phân hủy sinh học, như làng nghề Dương Liễu mỗi năm tạo ra khoảng 105 nghìn tấn bã thải, một phần được tận thu làm thức ăn và một phần cuốn theo nước thải làm tắc nghẽn hệ thống thu gom cũng như ao hồ trong khu vực và gây ô nhiễm nghiêm trọng nước mặt. Hàm lượng các chât ô nhiễm trong nước thải sản xuất của những làng nghề này thường rất cao, đặc biệt COD, BOD5, TSS, tổng N, tổng P vượt QCVN 14: 2008/BTNMT hàng chục lần. Hiện nay, hầu hết các làng nghề đang phải chịu cảnh sống chung với ô nhiễm vì nước thải sản xuất bún chưa được xử lý; ở một số làng 12 Luận văn Thạc sĩ 2012 nghề đang triển khai xây dựng các hệ thống xử lý nước thải nhưng cho đến nay, rất ít công trình đi vào hoạt động [6]. 1.2. Công nghệ sinh học trong xử lý nguồn nước ô nhiễm 1.2.1. Một số phương pháp sinh học xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên Thực chất là sử dụng khu hệ sinh vật tự nhiên có sẵn trong nước để làm sạch nước, vì vốn đầu tư ít nên loại hồ này được áp dụng khá rộng rãi. Ngoài chức năng xử lý nước thải, hồ còn mang lại những lợi ích khác như: nuôi trồng thuỷ sản, chứa và điều hòa lưu lượng nước mưa và cải thiện vi khí hậu vùng. Căn cứ vào nguyên tắc hoạt động của hồ sinh học, có thể chia thành ba loại là hồ hiếu khí, hồ yếm khí và hồ tùy tiện. a. Hồ hiếu khí Là hồ ở đó các chất ô nhiễm được oxy hoá nhờ các vi sinh vật (VSV) hiếu khí. Hồ hiếu khí lại được chia thành hai loại khác nhau tùy vào phương thức cấp khí: Hồ hiếu khí làm thoáng tự nhiên Oxy cung cấp cho quá trình oxy hoá chủ yếu do sự khuếch tán không khí qua mặt nước và quá trình quang hợp của các thuỷ thực vật như Rong, Tảo, Sậy, Thủy trúc, Bèo tây,…Để quá trình oxy hoá diễn ra tốt nhất cần đảm bảo chiều sâu của hồ từ 0,6– 1,0 m, tải trọng loại bỏ BOD đạt 250 - 300 kg/ha, ngày và thời gian lưu của nước trong hồ 3 - 12 ngày. Hồ hiếu khí làm thoáng nhân tạo Nguồn ôxy cung cấp cho quá trình sinh hoá chủ yếu bằng các thiết bị bơm khí hoặc khuấy cơ học. Vì được cấp khí nhân tạo nên chiều sâu của hồ có thể từ 2 2,5m. Tải trọng BOD5 400 kg/ha,ngày. 13 Luận văn Thạc sĩ 2012 b. Hồ kị khí Dùng để lắng và phân huỷ cặn lắng dựa trên hoạt động sống của các VSV yếm khí. Hồ thường dùng để xử lý nước thải công nghiệp có độ nhiễm bẩn lớn, ít dùng để xử lý nước thải sinh hoạt. Khi quy hoạch và thiết kế một hồ kị khí cần đảm bảo yêu cầu yếm khí cao, giữ nhiệt vào mùa đông, thường các hồ yếm khí có độ sâu lớn từ 2,5 – 4,5m. Thời gian lưu nước trong hồ kị khí biến động từ 5 - 50 ngày, tải trọng BOD có thể đạt tới 280 - 1500 kg/ha,ngày. Tuy nhiên, hiệu suất thông thường chỉ đạt 50 80%. Đáy hồ nên gia cố để tránh thấm, ngấm. c. Hồ tuỳ tiện (hay hồ tùy nghi) Hồ tuỳ tiện còn được gọi là hồ hiếu – kỵ khí. Phần lớn các ao, hồ ở nước ta là những hồ hiếu kị khí. Hồ tùy tiện thường có độ sâu trung bình từ 1,5 đến 2m, có khu hệ sinh vật nước rất đa dạng như các vi khuẩn yếm khí, hiếu khí, thuỷ nấm, tảo và nguyên sinh vật. Khả năng khử BOD được tính theo công thức E = S/So = 1/(1 + KT.t) ; KT = K20. A(T – 20) Trong đó: E: hiệu suất xử lý (%) So: BOD5 của nước thải đầu vào hồ (mg/L) S: BOD5 của nước thải đầu ra đã xử lý (mg/L) KT: là hệ số phụ thuộc vào kiểu hồ tự nhiên, nhiệt độ K20: là hệ số trong khoảng 0.3 – 2.5 A: là hằng số trong khoảng 1.035 – 1.074 T: nhiệt độ của nước trong hồ (0C) Thời gian lưu nước trong hồ được tính theo công thức: t = (So – S)/S.KT 14 Luận văn Thạc sĩ 2012 d. Cánh đồng tưới và bãi lọc Việc xử lý nước thải được thực hiện trên những cánh đồng tưới và bãi lọc là dựa vào khả năng giữ cặn trong nước trên mặt đất, nước thấm qua đất như đi qua lọc, nhờ có oxi trong các lỗ hổng và mao quản của lớp đất mặt, các VSV hiếu khí hoạt động phân hủy các chất hữu cơ. Càng xuống sâu, lượng oxi càng ít và quá trình oxi hóa các chất hữu cơ giảm dần. Khi độ sâu >1,5m thì ở đó chỉ xảy ra quá trình khử nitrat. Vì vậy, các cánh đồng tưới và bãi lọc nên xây dựng ở những nơi có mực nước nguồn thấp hơn 1,5m so với mặt đất. 1. Vùng phân phối nước vào 2. Lớp không thấm nước 3. Vật liệu lọc 4. Cây thủy sinh 5. Mức nước của bãi lọc 6. Vùng nước ra 7. Ống dẫn nước Hình 1.1: Bãi lọc ngập nước dòng chảy ngang Hình1.2: Bãi lọc trồng cây dòng chảy đứng 15 Luận văn Thạc sĩ 2012 Khi thiết kế cánh đồng tưới cần quan tâm đến các yêu cầu sau: - Lưu lượng nước thải có thể xử lý trên 1 ha phụ thuộc vào: + Tiêu chuẩn nước tưới cho mỗi loại cây trồng + Tiêu chuẩn tưới 1 lần - Khả năng lọc được xác định bằng công thức: Q= a.q.T/t Trong đó: Q: khả năng lọc (m3/ha/ngày) a: hệ số thấm thoát do thoát nước (0,3 – 0,5) q: tiêu chuẩn tưới (m3/ha/ngày) T: thời gian giữa các lần tưới (giờ) t: thời gian tiêu nước từ các ô (giờ) Khó khăn lớn nhất trong việc áp dụng kỹ thuật tưới là diện tích tưới cố định phải lớn và nhu cầu tưới đều đặn trong năm. Với cây trồng thường chỉ tưới 3 – 6 tháng/năm, với đồng cỏ thì không được tưới trong mùa mưa [10]. 1.2.2. Cơ sở khoa học của phương pháp sinh học để xử lý nước thải a. Hoạt động sống của VSV trong nước thải Quần thể vi sinh vật trong các loại nước thải khác nhau là không giống nhau. Mỗi loại nước thải có hệ vi sinh vật thích ứng đặc thù. Nhưng về cơ bản, VSV trong nước thải đều là VSV hoại sinh và dị dưỡng. Chúng không tự tổng hợp được các chất hữu cơ làm vật liệu xây dựng tế bào mới cho mình, trong môi trường sống của chúng cần có mặt các chất hữu cơ để chúng phân hủy, chuyển hóa thành vật liệu xây dựng tế bào; đồng thời chúng cũng phân hủy các hợp chất nhiễm bẩn trong nước đến sản phẩm cuối cùng là CO2 hoặc tạo thành các khí khác như CH4, H2S. Trong nước thải, các chất nhiễm bẩn chủ yếu là hữu cơ hòa tan, hữu cơ dạng keo và phân tán nhỏ ở dạng lơ lửng. Các dạng này tiếp xúc với bề mặt tế bào vi 16 Luận văn Thạc sĩ 2012 khuẩn bằng cách hấp phụ hay keo tụ sinh học, sau đó sẽ xảy ra quá trình đồng hóa và dị hóa. Quá trình dị hóa là quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ có khối lượng phân tử lớn, mạch dài thành các chất có khối lượng phân tử nhỏ, mạch ngắn hoặc các phần tử vật chất nhỏ khác có thể di chuyển qua màng tế bào để tham gia quá trình đồng hóa hoặc quá trình phân hủy nội bào. Quá trình làm sạch nước thải gồm 3 giai đoạn chính: - Các hợp chất hữu cơ tiếp xúc với bề mặt tế bào VSV - Khuếch tán và hấp thu các chất ô nhiễm qua màng bán thấm vào trong tế bào VSV - Chuyển hóa các chất này trong nội bào để sinh ra nằng lượng và tổng hợp các vật liệu mới cho tế bào VSV Trong quá trình phân hủy hay quá trình oxi hóa khử không phải tất cả các chất đều bị oxi hóa hoàn toàn thành sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước, một số sản phẩm trung gian được tham gia vào quá trình đồng hóa. Đồng thời, trong quá trình đồng hóa cũng diễn ra quá trình dị hóa các chất liệu tế bào khi đã già tạo ra năng lượng và vật liệu mới phục vụ cho quá trình đồng hóa. Quá trình đồng hóa và dị hóa ở tế bào VSV trong nước có thể tóm tắt như hình 1.3 sau: 7 6 3 1 Hình 1.3: Sơ đồ chuyển hóa các chất bẩn hữu cơ khi oxi hóa sinh hóa nước thải 17 Luận văn Thạc sĩ 2012 1- Chất bẩn khi xử lý 2- Chất bẩn bị giữ lại trên bề mặt tế bào 3- Chất bẩn còn lại trong nước thải sau khi xử lý 4- Các chất bẩn bị oxi hóa thành năng lượng, CO2 và nước 5 - Các chất bị đồng hóa được tổng hợp để tăng sinh khối 6 – Tự oxi hóa của VSV thành CO2, nước do mem hô hấp nội bào 7 - Phần dư của VSV Quá trình chuyển hóa vật chất trong tế bào VSV gồm hàng loạt các phản ứng sinh hóa với hai quá trình đồng hóa và dị hóa mà chủ yếu là các phản ứng oxi hóa – khử. b. Quá trình phân hủy hợp chất hữu cơ trong nước thải Quá trình phân hủy hiếu khí Theo Eckenfelder W.W và Conon D.J (1961) quá trình phân hủy các chất trong nước thải gồm 3 giai đoạn: - Oxi hóa các chất hữu cơ CxHyOz + O  CO2 + H2O + năng lượng - Tổng hợp và xây dựng tế bào CxHyOz + O2  tế bào VSV + CO2 + H2O + C5H7NO2 – năng lượng - Tự oxi hóa chất liệu tế bào C5H7NO2 + O2  CO2 + H2O + NH3 Các VSV hoại sinh có trong nước thải hầu hết là các VSV hiếu khí, kị khí hoặc kị khí tùy tiện; gồm các giống: Pseudomonas, Bacillus, Cytophaga, Micrococcus, Lactobacillus, Achromobacter, Alcaligenes, Flavobacterium. Trong số này, giống Pseudomonas thường gặp ở hầu hết các loại nước thải, sau đó là Bacillus, Alcaligenes, Flavobacterium. Pseudomonas hầu như có thể đồng hóa được 18 Luận văn Thạc sĩ 2012 hầu hết các chất hữu cơ, kể cả hợp chất hữu cơ tổng hợp và sống khá lâu trong môi trường nước. Vì vậy, đây là giống được lựa chọn đầu tiên trong các quá trình phân hủy hữu cơ trong nước thải. Giống vi khuẩn Bacillus cũng tồn tại khá lâu trong nước thải và phân hủy được nhiều dạng chất hữu cơ, đặc biệt là Protein và tinh bột. Quá trình phân hủy các chất trong nước được chia làm 2 pha: pha phân hủy các hợp chất hydratcacbon và pha phân hủy các hợp chất hữu cơ chứa nitơ giải phóng ra NH3 hay NH4+ là nguồn nitơ dinh dưỡng được VSV sử dụng trực tiếp cho việc xây dựng tế bào. Quá trình chuyển hóa nitơ do VSV được trình bày trong hình 1.4 sau: Tự phân N hữu cơ (protein) Thủy phân N trong TB Vi N-NH4 Oxi Nitrosomo TB vi khuẩn Đồng hóa nội NO2Nitrobac NO3- Khử Nitrat N2 Cacbon hữu cơ Hình 1.4: Chuyển hóa các hợp chất nitơ trong xử lý sinh học 19 Luận văn Thạc sĩ 2012 NH4+ được tạo thành trong quá trình amon hóa nhờ rất nhiều loài vi sinh vật, được các loài VSV sử dụng làm nguồn N dinh dưỡng, đồng hóa để xây dựng tế bào mới. NH4+ được vi khuẩn nitrat chuyển hóa thành NO2, NO3- hoặc bị vi khuẩn phản nitrat chuyển hóa thành Nitơ phân tử bay vào không khí. Quá trình phân hủy kị khí Phân hủy kị khí là những quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ và vô cơ trong điều kiện không có oxi không khí bởi các VSV kị khí. Quá trình này gồm hai giai đoạn: - Giai đoạn thủy phân: dưới tác dụng của emzim thủy phân do VSV tiết ra, các hợp chất hữu cơ phức tạp bị thủy phân thành các đường đơn giản, pepton, axit amin, chất béo,... - Giai đoạn tạo khí: sản phẩm thủy phân sẽ tiếp tục bị phân giải và tạo thành sản phẩm cuối cùng là các khí CO2, CH4 và một số khí khác như H2, N2, H2S Chất hữu cơ phức tạp Chất hữu cơ đơn giản, Đường, peptit, Axit bay hơi, Propionic, butyric... H2, CO2 CH4, CO2 Axetat Hình 1.5: Phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện kị khí 20