Luận án Nghiên cứu mô hình kết hợp giữa bãi lọc trồng cây, hồ sinh học để xử lý nước thải khu dân cư ven đô lưu vực Sông Cầu

rm. Sau đó nước thải được đưa sang HSH nhằm xử lý tiếp hàm lượng các chất hữu cơ, các hợp chất của N, P và Coliform còn lại trong nước thải. HSH có vai trò là công trình xử lý triệt để trong hệ thống này. Ngoài ra khi trong nước hồ nồng độ các chất ô nhiễm và số lượng vi khuẩn gây bệnh giảm đến mức cho phép, hồ có thể sử dụng như một công trình sinh thái cảnh quan. Vì vậy, lựa chọn HSH là hồ hiếu khí làm thoáng tự nhiên sau bãi lọc HF. Khi nước thải được cấp vào hồ, dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời, chu trình tương hỗ tảo - vi khuẩn và HRT lâu trong hồ giúp hồ có khả năng xử lý phần lớn các chất ô nhiễm còn lại có trong nước thải. Sau đó, nước thải được xả ra nguồn tiếp nhận. 3.2.1.4. Tính toán thiết kế mô hình thí nghiệm Để kiểm soát được các điều kiện hoạt động của mô hình, các mô hình thí nghiệm thường được nghiên cứu thiết kế theo nguyên tắc đồng dạng hình học hoặc đồng dạng thủy lực. Tuy nhiên các công nghệ HSH và BLTC là các công trình sinh thái phụ thuộc rất lớn vào điều kiện tự nhiên bên ngoài với nhiều yếu tố khó kiểm soát như nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh sáng mặt trời Các yếu tố này luôn thay đổi theo thời gian trong ngày, vì vậy, quá trình nghiên cứu phải được thực hiện trong thời gian dài với các đại lượng nhiệt độ, độ ẩm, cường độ ánh sáng mặt trời.. nằm trong khoảng giá trị nhất định đặc trưng cho điều kiện tự nhiên của khu vực nghiên cứu. Vì vậy để lựa chọn các thông số, các công thức tính toán thiết kế cho phù hợp mô hình nghiên cứu được tính toán thiết kế dựa trên các tài liệu hướng dẫn thiết kế HSH và BLTC trong và ngoài nước. Các điều kiện của mô hình thí nghiệm là: Đảm bảo thực hiện các nội dung nghiên cứu của đề tài (về thời gian lưu, tải trọng thủy lực); đảm bảo sự hình thành và phát triển của hệ sinh vật tương tự như các HSH và BLTC của mô hình thực; hạn chế tối đa các yếu tố tác động bên ngoài (sự thay đổi nhiệt độ, bốc hơi nước); đủ thể tích để lấy mẫu và phân tích. Kết quả tính toán thiết kế hai mô hình thí nghiệm được thể hiện trong Bảng 3.2 và Bảng 3.3. 68 Bảng 3.2. Tổng hợp kết quả tính toán thiết kế mô hình 1 Thông số tính toán Ký hiệu Đơn vị Kết quả Chú thích * Hồ tùy tiện Lưu lượng nước thải Q m3/ngày 0,096 HRT T ngày 20 [6], [19] Chiều cao hồ H m 1,45 Chiều cao lớp nước Hn m 1,3 Chiều cao bảo vệ Hbv m 0,15 Chiều dài hồ L m 1,22 L = B = SQRT(V/H) Chiều rộng hồ B m 1,22 Ngăn phân phối nước vào hồ: Chiều dài ngăn phân phối Lp m 1,22 Chiều rộng ngăn phân phối Bp m 0,15 Chiều cao ngăn phân phối Hp m 1,45 * Bãi lọc FWS Tải trọng thủy lực HLR m3/m2/ngày 10 [124] Lưu lượng nước thải Q m3/ngày 0,096 Diện tích bề mặt As m 2 0,96 As = 100Q/HLR [73] Chiều dài bãi lọc L m 1,2 Chiều rộng bãi lọc B m 0,8 Chiều cao của bãi lọc H m 1,45 Chiều cao lớp nước bề mặt h1 m 0,2 Chiều cao lớp cát h2 m 0,15 Cát lọc = 1 x 2 mm [73] Chiều cao lớp vật liệu lọc h3 m 0,9 Sỏi lọc  = 2  3 cm, Độ xốp n = 38,1% Chiều cao lớp vật liệu đỡ h4 m 0,1 Sỏi đỡ  = 4  6 cm [112] Chiều cao bảo vệ h5 m 0,1 HRT trong bãi lọc t ngày 6,36 t = V/Q = As  y  n/Q [73] Ghi chú: Một số mô tả chi tiết về cấu tạo của các bể trong mô hình được thể hiện trong Bảng 3 phần Phụ lục 1. 69 Bảng 3.3. Tổng hợp kết quả tính toán thiết kế mô hình 2 Thông số tính toán Ký hiệu Đơn vị Kết quả Chú thích (1) (2) (3) (4) (5) * Bãi lọc HF Số lượng bãi lọc HF A bể 2 Tải trọng thủy lực HLR m3/m2/ngày 5 [124] Lưu lượng nước thải Q m3/ngày 0,048 Diện tích của bãi lọc As m 2 0,96 As = 100Q/HLR Chiều dài bãi lọc L m 1,2 Chiều rộng bãi lọc B m 0,8 Chiều cao bãi lọc H m 0,75 Chiều cao lớp vật liệu lọc h1 m 0,6 Sỏi lọc  = 2  3 cm [112]; Độ xốp n = 38,1% Chiều cao lớp cát h2 m 0,15 Cát lọc  = 1  2 mm [73] HRT T ngày 4,57 t = V/Q = As  y  n/Q Mương cấp nước vào bãi lọc: Chiều dài mương Lm m 1,2 Chiều rộng mương Bm m 0,15 Chiều sâu mương Hm m 0,75 * Hồ hiếu khí Lưu lượng nước thải Q m3/ngày 0,096 HRT T ngày 20 [19], [73] Chiều cao hồ H m 1 Chiều cao lớp nước Hn m 0,8 [73] Chiều cao bảo vệ Hbv m 0,2 Chiều dài hồ L m 2,4 L = B = SQRT(V/H) Chiều rộng hồ B m 1 Mương thu nước Chiều dài mương Lm m 2,4 70 3 2 4 Hình 3.6. Sơ đồ bố trí mặt bằng mô hình thí nghiệm Chú thích: 1.Bể chứa nước thải vào hệ thống; 2. Bãi lọc ngang trồng cây; 3.Bãi lọc ngang không trồng cây; 4. Hồ hiếu khí; 5.Bãi lọc FWS; 6.Hồ tùy tiện; 7. Máng phân phối nước vào bãi lọc; 8.Tấm chắn lơ lửng; 9.Mương thu nước ra khỏi hồ hiếu khí. 10. Hệ thống thu nước ra khỏi bãi lọc FWS. Đường đi của nước trong mô hình thí nghiệm. Mô hình 1 gồm các bể số 1, 6, 5. Mô hình 2 gồm các bể: 1, 2, 3, 4. 7 8 9 6 5 10 1 Nước thải vào Nước thải sau xử lý Nước thải sau xử lý (1) (2) (3) (4) (5) Chiều rộng mương Bm m 0,15 Chiều sâu mương Hm m 1 * Bể phân phối nƣớc thải Chiều dài bể L m 0,8 Chiều rộng bể B m 0,8 Chiều cao bể H m 0,8 Ghi chú: Một số mô tả chi tiết về cấu tạo của các bể trong mô hình 2 được thể hiện trong Bảng 3 phần Phụ lục 1. 3.2.2. Bố trí mặt bằng và xác định cao trình của mô hình thí nghiệm + Xác định cao trình các công trình: Lựa chọn đặt 2 bãi lọc ngang nổi hoàn toàn trên mặt đất, mức cốt 0 là đáy bãi lọc, khi đó ta có: Hồ hiếu khí sẽ có cốt nền đáy ở mức là -0,25 m, hồ tùy tiện sẽ có cốt nền đáy ở mức là: – 0,55 m, BLTC ngập nước sẽ có cốt nền đáy ở mức là: – 0,55 m. + Bố trí mặt bằng mô hình thí nghiệm: Các công trình của mô hình thí nghiệm được bố trí hợp khối nhằm tiết kiệm diện tích và thuận tiện cho quá trình vận hành, bão dưỡng và lấy mẫu phân tích. Sơ đồ bố trí mặt bằng mô hình thí nghiệm thể hiện trong các Hình 3.6 71 Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của hai mô hình thí nghiệm được thể hiện trong Hình 3.7 và Hình 3.8. Trong sơ đồ Hình 3.7, bãi lọc FWS được thiết kế với dòng chảy thẳng đứng từ trên xuống và bố trí hệ thống thu nước ở dưới đáy bãi lọc nhằm làm giảm diện tích bề mặt của bãi lọc mà vẫn đảm bảo được thời gian lưu cần thiết cho quá trình chuyển hóa và xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải từ hồ tùy tiện sang. 3.3. Vật liệu và phƣơng pháp nghiên cứu 3.3.1. Lựa chọn vật liệu nghiên cứu * Lựa chọn vật liệu lọc cho BLTC Vật liệu lọc sử dụng trong các BLTC gồm có sỏi lọc, sỏi đỡ và cát trồng cây. Lớp sỏi lọc có vai trò quan trọng trong việc tạo bề mặt cho vi sinh vật sinh trưởng bám dính trên bề mặt. Để tránh gây tắc nên chọn sỏi lọc có đường kính  = 2 x3 cm [112]. Sỏi đỡ cho vào ngăn phân phối nước vào các bãi lọc HF và vùng thu nước của bãi lọc FWS. Lựa chọn sỏi đỡ có đường kính  = 4 x6 cm [120]. Cát trồng cây được lựa chọn có đường kính  = 1 x 2 mm [73]. Các loại vật liệu lọc sử dụng cho các BLTC được thể hiện cụ thể trong Hình 3.9. Hình 3.9. Vật liệu lọc sử dụng trong mô hình thí nghiệm (a). Sỏi lọc; (b). Sỏi đỡ; (c). Cát trồng cây (a) (b) (c) Hình 3.7. Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của mô hình 1 Bể phân phối nước thải Hồ tùy tiện Hồ tùy tiện Bãi lọc FWS Hình 3.8. Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của mô hình 2 72 * Lựa chọn cây trồng cho BLTC Các loại cây được lựa chọn trồng trong BLTC cần đáp ứng các yêu cầu cơ bản như có rễ chùm, thân thảo, sinh trưởng quanh năm với tốc độ nhanh, sống được trong cả môi trường đất ngập nước và trên cạn. Sau khi nghiên cứu tìm hiểu các loài thực vật thường được trồng trong các BLTC, tác giả đã lựa chọn cây chuối hoa và cây thủy trúc. Vì những loài cây đã được sử dụng phổ biến như loài thực vật trồng trong các BLTC xử lý nước thải ở nhiều nước trên thế giới và Việt Nam. Mặt khác, các loài cây này còn được trồng phổ biến để tạo cảnh quan tại các khu công viên công cộng. Vì vậy, khi lựa chọn các loài cây này trồng trong các BLTC thì chúng vừa có tác dụng xử lý chất ô nhiễm vừa có tác dụng tạo cảnh quan cho khu vực. Cây chuối hoa (Canna generalis) (Hình 3.10 ) là một loài thuộc chi dong riềng (Cannas), loài cây lâu năm của vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới có hoa mười hai tháng trong năm, có thể cao từ 75-300 cm ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới, nhưng chỉ cao 120-180 cm ở vùng ôn đới [108]. Đây là loài cây bụi, ưa nắng, một thân rễ; lá mọc xen kẽ, phẳng, rộng, mọc ra từ thân cây trong cuộn chặt, dài theo thân cây và sau đó trải rộng ra; sống được cả trong môi trường đất ngập nước và đất khô [120]; hoa màu sắc sặc sỡ như trắng ngà, vàng, hồng, đỏ thẫm và đỏ; những tán lá có thể màu xanh lá cây, xanh lục, đỏ tía, hồng ngọc hoặc màu xanh lá cây với sọc trắng; được trồng làm cây cảnh ở những nơi công cộng như công viên, nhà ga, vườn, bãi cỏ [108]. Phần lớn Cannas miễn dịch với sâu hại và được dùng làm thực vật XLNT trong các BLTC [120] do Cannas có tốc độ sinh trưởng nhanh, tiêu thụ nhiều nước, sinh khối và hàm lượng N, P trên mặt đất lớn [92]. Cây thủy trúc (Cyperus alternifolius) (Hình 3.11 ) là loài cây bụi lâu năm, mọc thẳng thành bụi lớn ở những vùng ẩm ướt hoặc đầm lầy, ưa nắng, chịu được bóng râm, tốc độ sinh trưởng nhanh. Thủy trúc có rễ ngầm khỏe, rễ Hình 3.10. Cây chuối hoa trồng trong mô hình thí nghiệm Hình 3.11. Cây thủy trúc trồng trong mô hình thí nghiệm 73 chùm dạng sợi, dày, thân rễ ngắn; thân cây trên mặt đất với cấu trúc lõi rỗng không phân nhánh, hoa lưỡng tính; lá không cánh, giảm vỏ bọc, dài 10-30 cm màu xanh nhạt đến nâu nhạt; hoa, lá, quả, cuống chung đài thẳng, xếp tỏa ra nổi trên đám lá. Cây thường cao từ 0,5-1,5 m (có thể cao đến 3m). Thủy trúc có thể dễ dàng nhân giống bằng hạt hoặc từ một phần của cây. Thủy trúc được trồng rộng rãi làm cây cảnh quan, hàng rào, thu hoạch làm giấy, mũ, túi sách và cũng được sử dụng như một loài thực vật chống xói mòn đất [78]. Thủy trúc được nghiên cứu như một loài thực vật trồng trong các BLTC xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải đặc biệt là các chất dinh dưỡng N, P [95] và các kim loại nặng ở nhiều nước trên thế giới như Châu Âu (Ý), Châu Á (Trung Quốc, Nhật Bản, Việt Nam). Sinh khối có thể dùng làm thức ăn chăn nuôi, nuôi trồng thủy sản [57]. 3.3.2. Quy trình vận hành mô hình thí nghiệm * Thiết kế quy trình vận hành mô hình thí nghiệm Mô hình thí nghiệm được vận hành qua hai giai đoạn và chia thành 5 đợt, từ tháng 12/2014 đến tháng 5/2016. + Giai đoạn 1: từ 7/12/2014 đến 29/8/2015 gồm 1 đợt (Đợt 1). Mục đích của giai đoạn này là đánh giá khả năng xử lý các chất ô nhiễm trong NTSH khu dân cư phường Bách Quang của 2 mô hình thí nghiệm. Các thông số vận hành của hai mô hình thí nghiệm đợt 1 được thể hiện trong Bảng 3.4. Bảng 3.4. Thông số vận hành của hai mô hình thí nghiệm trong giai đoạn 1 Thông số vận hành Đơn vị Đợt thí nghiệm Công trình thí nghiệm Mô hình 1 Mô hình 2 Hồ tùy tiện Bãi lọc (FWS) Bãi lọc HF 1 Bãi lọc HF2 Hồ hiếu khí Q lít/h Đợt 1: 7/12/2014- 29/8/2015 4 4 2 2 4 HRT ngày 20,16 6,36 5,72 4,57 20 HLR m 3 /m 2 /ngày - 0,1 0,05 0,05 - Loại cây trồng - Cây chuối hoa - Cây chuối hoa - (a) 74 + Giai đoạn 2: gồm bốn đợt thí nghiệm (Đợt 2, 3, 4, 5) từ ngày 26/9/2015 đến ngày 29/5/2016. Mục đích thí nghiệm của giai đoạn này là đánh giá khả năng chịu tải của 2 mô hình thí nghiệm khi thay đổi lưu lượng nước thải vào và so sánh khả năng xử lý của cây thủy trúc và cây chuối hoa trong bãi lọc HF. Cây chuối hoa trồng trong bãi lọc FWS ở cả giai đoạn 1 và giai đoạn 2 vì nó có khả năng phát triển và tạo bóng tốt trong bãi lọc này nhằm hạn chế sự phát triển của tảo có trong nước từ hồ tùy tiện sang. Các thông số vận hành của hai mô hình thí nghiệm trong giai đoạn 2 được thể hiện trong Bảng 3.5. Bảng 3.5. Thông số vận hành của hai mô hình thí nghiệm trong giai đoạn 2 Thông số vận hành Đơn vị Đợt thí nghiệm Công trình thí nghiệm Mô hình 1 Mô hình 2 Hồ tùy tiện Bãi lọc (FWS) Bãi lọc HF 1 Bãi lọc HF2 Hồ hiếu khí (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) Q lít/h Đợt 2: 26/9/2015- 13/12/2015 5 5 2 3 5 HRT ngày 16,12 5,09 4,572 3,05 16 HLR m 3 /m 2 /ngày - 0,125 0,05 0,075 - Loại cây trồng Cây chuối hoa Cây thủy trúc Cây chuối hoa Q lít/h Đợt 3: 13/12/2015- 21/2/2016 6 6 3 3 6 HRT ngày 13,44 4,24 3,05 3,05 13,33 HLR m 3 /m 2 /ngày - 0,15 0,075 0,075 - Loại cây trồng Cây chuối hoa Cây thủy trúc Cây chuối hoa Q lít/h Đợt 4: 21/2/2016- 3/4/2016 7 7 3,5 3,5 7 HRT ngày 11,52 3,64 2,61 2,61 11,43 HLR m 3 /m 2 /ngày 0,175 0,0875 0,0875 75 (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) Loại cây trồng Cây chuối hoa Cây thủy trúc Cây chuối hoa Q lít/h Đợt 5: 3/4/2017- 29/5/2016 8 8 4 4 8 HRT ngày 10,08 3,18 2,29 2,29 10 HLR m 3 /m 2 /ngày 0,2 0,1 0,1 Loại cây trồng Cây chuối hoa Cây thủy trúc Cây chuối hoa * Vận hành mô hình thí nghiệm + Giai đoạn 1 (đợt 1): Từ ngày 7/12/2014 đến 29/8/2015 Quy trình vận hành hai mô hình thí nghiệm giai đoạn 1 được thể hiện trong sơ đồ Hình 3.12. Mô tả sơ đồ: - Bước 1: Chuẩn bị vật liệu: Sỏi lọc và sỏi đỡ: sỏi được mua về, sàng lọc theo đúng kích thước yêu cầu, được rửa sạch, phơi khô sau đó nạp vào các bãi lọc với chiều cao như thiết kế. Cát được nạp vào bãi lọc HF trồng cây và bãi lọc FWS với chiều cao 0,15 m. - Bước 2: Trồng cây: Giống cây chuối hoa được lấy tại khu hệ thống XLNT phường Bách Quang, chọn các cây con có từ 2 -3 lá mầm, khỏe mạnh, không sâu bệnh. Sau đó tiến hành trồng cây vào các bãi lọc, các cây cách nhau một khoảng 20 cm theo cả hàng dọc và hàng ngang. Hình 3.12. Sơ đồ quy trình vận hành mô hình 1 và mô hình 2 giai đoạn 1 Bước 1: Chuẩn bị vật liệu Bước 2: Trồng cây Bước 3: Nạp nước thải vào mô hình thí nghiệm Bước 4: Duy trì mô hình, theo dõi sự phát triển của cây trồng và lấy mẫu phân tích 76 - Bước 3: Nạp nước thải vào mô hình: Nước thải được bơm lên bể phân phối nước thải và tự chảy từ bể chứa vào các bãi lọc ngang và hồ tùy tiện. Lưu lượng nước thải được điều chỉnh qua 2 lớp van cấp nước vào các công trình đã được đặt sẵn ở mức theo như lưu lượng thiết kế. Nước thải được bơm tự động hàng ngày vào 5h sáng và 5h chiều. - Bước 4: Vận hành mô hình, theo dõi sự phát triển của cây trồng và lấy mẫu phân tích. + Giai đoạn 2 (đợt 2, 3, 4, 5): Từ ngày 26/9/2015 đến ngày 29/5/2016 Quy trình vận hành hai mô hình thí nghiệm giai đoạn 2 được thể hiện trong sơ đồ Hình 3.13 và Hình 3.14. Hình 3.13. Sơ đồ quy trình vận hành mô hình 1 giai đoạn 2 Bước 1: Điều chỉnh lưu lượng nước thải vào mô hình thí nghiệm Bước 2: Duy trì mô hình, theo dõi sự phát triển của cây trồng và lấy mẫu phân tích Hình 3.14 . Sơ đồ quy trình vận hành mô hình 2 giai đoạn 2 Đợt 2: Từ 26/9/2015 đến 13/12/1016 Bước 1: Khởi động lại mô hình Bước 2: Trồng cây Bước 3: Nạp nước thải vào mô hình thí nghiệm Bước 4: Duy trì mô hình, theo dõi sự phát triển của cây trồng và lấy mẫu phân tích Đợt 3, 4, 5: (Từ 13/12/2016 đến 29/5/2016) Bước 1: Điều chỉnh lưu lượng nước thải vào mô hình thí nghiệm Bước 2: Duy trì mô hình, theo dõi sự phát triển của cây trồng và lấy mẫu phân tích 77 - Mô tả quy trình vận hành mô hình 1: Bước 1: Tiến hành điều chỉnh lưu lượng nước vào mô hình theo kế hoạch được thể hiện trong Bảng 3.5 tương ứng đối với các đợt 2, 3, 4, 5. Bước 2: Duy trì hoạt động của mô hình, theo dõi sự phát triển của cây trồng và lấy mẫu phân tích trong các đợt thí nghiệm tương ứng. - Mô tả quy trình vận hành mô hình 2: o Đợt 2: Từ ngày 26/9/2015 đến ngày 13/12/1016: Bước 1: Khởi động lại mô hình: Ngày 26/9/2015, tiến hành lấy toàn bộ sỏi trong bãi lọc không trồng cây (HF1) ra rửa sạch, phơi khô và nạp lại vào bãi lọc gồm 01 lớp sỏi lọc dày 0,6 m và 1 lớp cát trồng cây dày 0,15 m. Bơm toàn bộ nước trong hồ hiếu khí ra và rửa sạch hồ. Bước 2: Trồng cây: tiến hành trồng cây thủy trúc vào bãi lọc HF1 từ ngày 4/10/2015. Giống cây thủy trúc được lấy từ bụi cây thủy trúc trồng làm cảnh của một hộ gia đình tại tổ 2 phường Thắng Lợi, Sông Công, Thái Nguyên. Thủy trúc lấy về cắt hết phần lá, được tách thành từng khóm từ 3-5 cây và trồng vào bãi lọc với khoảng cách giữa các khóm là 20cm. Bước 3: Cấp nước vào mô hình thí nghiệm: Cấp nước thải vào bãi lọc HF trồng cây thủy trúc (HF1’) với lưu lượng q= 2 lít/h và điều chỉnh lưu lượng nước cấp vào bãi lọc HF trồng cây chuối hoa (HF2) với q = 3 lít/h. Bước 4: Duy trì hoạt động của mô hình, theo dõi sự phát triển của cây trồng và lấy mẫu phân tích. o Đợt 3, Đợt 4, Đợt 5: Từ ngày 13/12/2016 đến ngày 29/5/2016: Bước 1: Tiến hành điều chỉnh lưu lượng nước vào mô hình theo kế hoạch được thể hiện trong Bảng 3.5 tương ứng đối với các đợt 3, 4, 5. Bước 2: Duy trì hoạt động của mô hình, theo dõi sự phát triển của cây trồng và lấy mẫu phân tích trong các đợt thí nghiệm tương ứng. * Kế hoạch lấy mẫu và phân tích + Kế hoạch lấy mẫu: Kế hoạch thời gian, tần suất, số chu kỳ lấy mẫu, tổng số mẫu lấy trong mỗi đợt thí nghiệm được thể hiện trong Bảng 3.6 78 Bảng 3.6. Kế hoạch lấy mẫu phân tích trong các đợt thí nghiệm Đợt thí nghiệm Nội dung Khoảng thời gian lấy mẫu Tần suất lấy mẫu (tuần/lần) Số chu kỳ lấy mẫu Số mẫu/chu kỳ Tổng số mẫu Đợt 1 8/3/2015 -29/8/2015 2 12 7 84 Đợt 2 8/11/2015 - 13/12/2015 1 6 7 42 Đợt 3 27/12/2015 -31/1/2016 1 6 7 42 Đợt 4 28/2/2016 - 3/4/2016 1 6 7 42 Đợt 5 17/4/2016 - 29/5/2016 1 6 7 42 Kế hoạch chi tiết thời gian lấy mẫu trong hai giai đoạn được thể hiện trong Bảng 4 của Phụ lục 1. + Vị trí lấy mẫu: Để đánh giá được đặc trưng nước thải vào mô hình thí nghiệm, hiệu suất xử lý của các công trình và của hai mô hình thí nghiệm qua các đợt thí nghiệm, số lượng mẫu lấy và các điểm lấy mẫu được xác định cụ thể như sau: (1). Mẫu nước thải vào hai mô hình thí nghiệm, ký hiệu: M1 (2). Mẫu nước thải ra khỏi hồ tùy tiện, ký hiệu: M2 (3). Mẫu nước thải ra khỏi bãi lọc FWS, ký hiệu: M3 (4). Mẫu nước thải ra khỏi bãi lọc HF không trồng cây- HF1 (Đợt 1)/Bãi lọc HF trồng cây thủy trúc - HF1’ (Đợt 2, 3, 4, 5), ký hiệu: M4 (5). Mẫu nước thải ra khỏi bãi lọc HF trồng cây chuối hoa (HF2), ký hiệu: M5 (6). Mẫu nước thải vào hồ hiếu khí, ký hiệu: M6 (7). Mẫu nước thải ra khỏi hồ hiếu khí, ký hiệu: M7 + Các thông số phân tích: pH, TSS, COD, BOD5, TN, N-NH4 + , N-NO3 - , PO4 3- , Coliform, sinh khối và kích thước thực vật. + Thu hoạch sinh khối: Thu hoạch sinh khối nhằm đánh giá sự thích nghi, sinh trưởng và phát triển của thực vật trong các BLTC của hai mô hình thí nghiệm trong thời gian vận hành các mô hình này. Khi cây con phát triển thành cây trưởng thành đến giai đoạn ra hoa thì bắt đầu thu hoạch sinh khối. Cắt toàn bộ các cây trưởng thành, đo 79 chiều cao, cân sinh khối tươi và lấy mẫu sấy khô để xác định sinh khối khô trong thời gian thí nghiệm. 3.3.3. Phương pháp nghiên cứu * Phương pháp lấy mẫu ngoài hiện trường - Lấy mẫu nước thải theo TCVN 5999:1995: Chất lượng nước - lấy mẫu - hướng dẫn lấy mẫu nước thải. - Bảo quản mẫu nước thải theo TCVN 6663-3: 2008: Chất lượng nước- lấy mẫu- phần 3: hướng dẫn bảo quản và xử lý mẫu. * Phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm Các thông số phân tích trong phòng thí nghiệm bao gồm: pH, COD, BOD5, pH, TSS, TN, NH4 + -N, NO3 - -N, PO4 3- -P, Coliform, sinh khối thực vật. Nguyên tắc phân tích các thông số này được thể hiện cụ thể như sau: - Xác định pH: pH được đo trực tiếp tại hiện trường ngay sau khi lấy mẫu bằng máy đo pH cầm tay Model: HI 98107 của hãng Hanna (Mỹ). - Xác định nhu cầu oxy hoá học (COD): COD được xác định theo TCVN 6491:1999 (ISO 6060:1989): Chất lượng nước. Nguyên tắc xác định COD theo phương pháp hồi lưu đóng. - Xác định BOD5: Được xác định theo TCVN 6001-1995 (ISO 5815-1989) - Chất lượng nước - Xác định nhu cầu oxi sinh hoá sau 5 ngày (BOD 5 ) - Phương pháp cấy và pha loãng. - Xác định TSS: Phương pháp trắc quang, sử dụng máy so màu cầm tay DR890 của hãng Hach (Mỹ). - Xác định TN: được xác định theo SMEWW 4500-NC:2012. Sử dụng máy so màu cầm tay DR890 và máy phá mẫu DRB200 Reactor của hãng Hach (Mỹ) để phân tích. Nguyên tắc của phương pháp: Sự phá mẫu với kiềm persulfate sẽ chuyển tất cả các dạng nitơ thành nitrat. Natri metabisulfite được cho vào sau khi phá mẫu để hạn chế các ảnh hưởng của halogen oxide. Nitrat sau đó phản ứng với axit chromotropic dưới điều kiện axit mạnh tạo thành phức màu vàng hấp thụ ánh sáng cao nhất ở bước sóng 420 nm. - Xác định NH4 + -N: Nồng độ NH4 + -N trong mẫu nước thải được phương pháp so màu với thuốc thử Nessler. 80 - Xác định NO3 - -N: TCVN 6180-1996 (ISO 7890-3-1988) - Chất lượng nước - Xác định nitrat - Phương pháp trắc phổ dùng axit sunfosalixylic. - Xác định PO4 3- -P: Nồng độ PO4 3- -P trong mẫu nước thải được xác định theo TCVN 6202:2008 (ISO 6878:2004) Chất lượng nước - Xác định photpho - Phương pháp đo phổ dùng amôni molipdat. - Xác định sinh khối và độ ẩm của thực vật trồng trong các BLTC: Toàn bộ cây chuối hoa thu hoạch được ở hai bãi lọc HF2 và FWS trong 6 đợt thu hoạch đầu và sinh khối cây thủy trúc ở bãi lọc HF1’ được cân sinh khối tươi, đo kích thước các cây sau đó vận chuyển đến phòng thí nghiệm, cắt nhỏ thành những đoạn dài khoảng 20  30 cm, sấy khô đến khối lượng không đổi ở 1030C  1050C, để nguội về nhiệt độ phòng và cân lại trọng lượng khô sau khi sấy. Độ ẩm của thực vật (p) được xác định theo công thức sau: , % (3-1) Trong đó: Mk, Mt là khối lượng thực vật sau khi sấy khô ở nhiệt độ 103 0 C  105 0 C đến khối lượng không đổi và khối lượng thực vật tươi trước khi sấy, g. Sinh khối cây chuối hoa thu hoạch được ở hai bãi lọc HF2 và FWS từ đợt thứ 7 trở đi chỉ cần cân trọng lượng tươi. Sau đó, sinh khối khô được tính dựa vào độ ẩm trung bình của cây xác định được ở 6 đợt thu hoạch đầu. * Phương pháp đo, kiểm soát lưu lượng nước thải vào mô hình Lưu lượng nước thải cấp vào các mô hình được điều chỉnh qua hệ thống 2 lớp van khóa, với các mức mở van cố định, được xác định bằng cách đo lưu lượng nước chảy vào mô hình trong một khoảng thời gian xác định như 30 phút hay 1 giờ. Định kỳ hàng tuần đo kiểm tra lưu lượng nước vào và ra khỏi các mô hình nhằm điều chỉnh mức mở van cần thiết, đảm bảo lưu lượng nước vào theo yêu cầu của các giai đoạn vận hành. * Phương pháp xử lý số liệu Sử dụng phần mềm exel để tổng hợp và xử lý số liệu thu được và vẽ các đồ thị trên cơ sở số liệu đã có. 81 * Phương pháp xác định hệ số động học - Phương pháp xác định hệ số phân hủy chất hữu cơ của các HSH trong mô hình thí nghiệm: Hệ số k được xác định dựa trên mô hình động học quá trình phân hủy chất hữu cơ trong HSH với chế độ dòng chảy đẩy ứng với phản ứng bậc 1 (phương trình 2- 6) và được biến đổi về dạng phương trình (2-11). Từ kết quả phân tích nồng độ BOD5 trung bình vào và ra khỏi HSH ở 5 đợt thí nghiệm với các thời gian lưu khác nhau, dựa vào mối quan hệ giữa k, t, Lt, L0 ở phương trình (2-10) hay phương trình (2-11) xác định được hệ số a. Từ giá trị của a xác định được hệ số k tương ứng ở 5 đợt thí nghiệm của các HSH. - Phương pháp xác định hệ số phân hủy các chất ô nhiễm đặc trưng trong NTSH của các BLTC trong mô hình thí nghiệm: Hệ số phân hủy các chất ô nhiễm (BOD5, NH4 + -N, NOx-N, P-PO4 3- ) của các BLTC trong mô hình thí nghiệm được xác định dựa vào phương trình động học của Kadlec và Knight (1996). Nồng độ nền X* đối với các thông số NH4 + -N, NOx-N và P-PO4 3- được lấy bằng 0 mg/L. Đối với thông số BOD5, nồng độ nền X* ở bãi lọc HF được xác định theo công thức X* = 3,5+0,053Xo (Xo là nồng độ BOD5 trong nước thải vào bãi lọc) và chọn là 2 mg/L với bãi lọc FWS [121]. Từ phương trình (2-28) biến đổi về dạng Y = a . X, trong đó Y = Ce-C * ; X = Ci-C * ; a=e -k/q , do đó xác định được k = - q . lna (m/ngày). Trên cơ sở số liệu thu được từ các đợt thí nghiệm, sử dụng phương pháp nội suy, xây dựng được phương trình động học phân hủy các chất ô nhiễm về dạng Y = a . X. Từ đó, xác định được hệ số phân hủy các chất ô nhiễm đặc trưng cho NTSH của các BLTC trong mô hình thí nghiệm. 82 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 4.1. Hiệu suất xử lý nƣớc thải sinh hoạt phƣờng Bách Quang của mô hình kết hợp hồ tùy tiện và bãi lọc FWS (mô hình 1) 4.1.1. Đặc trƣng nƣớc thải sinh hoạt vào mô hình 1 Kết quả phân tích đặc trưng nước thải vào mô hình 1 trong thời gian nghiên cứu qua 5 đợt thí nghiệm được tổng hợp trong Bảng 4.1. Bảng 4.1. Kết quả phân tích nồng độ trung bình của các thông số đặc trưng nước thải sinh hoạt vào mô hình 1 qua các đợt thí nghiệm S T T Thông số Đơn vị Đợt thí nghiệm Trung bình các đợt thí nghiệm QCVN 14:2008 /BTNMT Cột A Đợt 1 Đợt 2 Đợt 3 Đợt 4 Đợt 5 1 pH - 7,1 ÷ 8,5 7,1 ÷7,5 7,6 ÷8,9 7,1 ÷7,3 6,9 ÷7,4 6,9 ÷8,5 5÷9 2 BOD5 mg