Luận văn Nghiên cứu sử dụng xỉ than nhà máy nhiệt điện Mông dương làm chất nền trong hệ thống đất ngập nước nhân tạo để xử lý nước thải sinh hoạt

1 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ---------- Nguyễn Thị Lan Hƣơng NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XỈ THAN NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MÔNG DƢƠNG LÀM CHẤT NỀN TRONG HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƢỚC NHÂN TẠO ĐỂ XỬ LÝ NƢỚC THẢI SINH HOẠT TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2015 2 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Thị Lan Hƣơng NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG XỈ THAN NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN MÔNG DƢƠNG LÀM CHẤT NỀN TRONG HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƢỚC NHÂN TẠO ĐỂ XỬ LÝ NƢỚC THẢI SINH HOẠT Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 60520320 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Nguyễn Thị Loan Hà Nội - 2015 3 TÓM TẮT LUẬN VĂN Họ và tên học viên: Nguyễn Thị Lan Hương Giới tính: Nữ Ngày sinh: 20/09/1989 Nơi sinh: Tĩnh Gia, Thanh Hóa Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 60520320 Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Thị Loan, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN Tên đề tài luận văn: “Nghiên cứu sử dụng xỉ than nhà máy nhiệt điện Mông Dƣơng làm chất nền trong hệ thống đất ngập nƣớc nhân tạo để xử lý nƣớc thải sinh hoạt” 4 MỞ ĐẦU Trong nhịp điệu phát triển chung của cả nước, các đô thị Việt Nam không ngừng mở rộng và phát triển theo hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Tốc độ đô thị hóa ngày càng cao, đời sống của người dân được cải thiện đã làm nảy sinh những vấn đề nghiêm trọng về môi trường. Công tác bảo vệ môi trường chưa được đầu tư đúng cách, các hoạt động thương mại, dịch vụ, sinh hoạt là nguồn phát sinh ô nhiễm nghiêm trọng cũng chưa được quan tâm. Trong đó ô nhiễm môi trường nước đang là vấn đề đáng báo động. Đặc biệt, tình trạng nước thải sinh hoạt ở các khu dân cư đô thị, ven đô và nông thôn đều chưa được xử lý triệt để. Nước thải từ các khu vệ sinh mới được xử lý sơ bộ tại các bể tự hoại, chất lượng chưa đạt yêu cầu xả ra môi trường, là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường. Trong điều kiện hiện nay ở Việt Nam, phần lớn các dự án thoát nước, xử lý nước thải còn chưa đến được mọi nơi, và nếu có cũng mới hướng tới giải quyết vấn đề thoát nước mưa, khắc phục tình trạng ngập úng, và còn rất khó có kinh phí để duy trì vận hành, bảo dưỡng hệ thống vì vậy việc nghiên cứu làm sạch nước thải tại chỗ cho các cụm dân cư bằng công nghệ vừa đơn giản, có chi phí xây dựng và vận hành thấp, vừa đảm bảo vệ sinh môi trường, là một hướng giải quyết hợp lý và khả thi. 5 Mô hình đất ngập nước nhân tạo những năm gần đây đã được biết đến như một giải pháp công nghệ xử lý nước thải chi phí thấp, dễ vận hành đồng thời mức độ xử lý ô nhiễm cao. Đây là công nghệ xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên, thân thiện với môi trường, cho phép đạt hiệu suất cao, chi phí thấp và ổn định, đồng thời góp phần làm tăng giá trị đa dạng sinh học, cải tạo cảnh quan môi trường, hệ sinh thái của địa phương. Mặt khác, mỗi năm, các nhà máy nhiệt điện Việt Nam tiêu thụ gần 14 triệu tấn than và thải ra khoảng 4,5 triệu tấn tro xỉ. Đến năm 2020, lượng tro xỉ thải lên đến 16 triệu tấn/năm. Ngoài việc gây tốn hàng nghìn ha đất để chứa và chôn lấp thì tro xỉ nhiệt điện còn là nguồn gây ô nhiễm môi trường đặc biệt nghiêm trọng cho đất, nước và không khí. Tìm kiếm giải pháp tận thu tro xỉ nhiệt điện, biến loại phế thải này thành nguồn nguyên liệu có giá trị đang được đặt ra cấp bách. Xuất phát từ thực tiễn trên, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu sử dụng xỉ than Nhà máy Nhiệt điện Mông Dương làm chất nền trong hệ thống đất ngập nước nhân tạo để xử lý nước thải sinh hoạt ”. Mục tiêu nghiên cứu: Nâng cao hiệu quả xử lý nước thải nói chung và nước thải sinh hoạt nói riêng bằng việc sử dụng hệ thống đất ngập nước nhân tạo với chất nền từ xỉ than, có chi phí xây dựng cũng như vận hành bảo dưỡng thấp, phù hợp với điều kiện Việt Nam, tận dụng chất thải, đảm bảo giảm thiểu ô nhiễm môi trường. 6 Nội dung nghiên cứu:  Tính chất lý hóa của xỉ than NMNĐ Mông Dương 1.  Khả năng xử lý nước thải sinh hoạt của xỉ than và các vật liệu lọc khác.  Thử nghiệm trồng các loại cây thủy sinh khác nhau trên môi trường nền của xỉ than để tìm ra loài cây có thể phát triển tốt.  Nghiên cứu khả năng xử lý của hệ thống đất ngập nước với chất nền là xỉ than và loài thực vật được lựa chọn để xử lý nước thải sinh hoạt.  Xác định tải lượng dòng thải đầu vào mô hình ĐNN nhân tạo (nồng độ các chỉ tiêu pH, TSS, COD, NH4 + , NO2 - , NO3 - , PO4 3- của NTSH trước xử lý).  Xác định tải lượng dòng thải đầu ra như pH, TSS, COD, NH4 + , NO2 - , NO3 - , PO4 3- và hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt. 7 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về nước thải sinh hoạt 1.1.1. Thành phần và tính chất của nước thải sinh hoạt 1.1.2. Ảnh hưởng của nước thải sinh hoạt đến môi trường 1.2. Nguyên lý công nghệ xử lý nước thải sinh hoạt 1.2.1. Khảo sát và đánh giá mức độ ô nhiễm 1.2.2. Một số phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt 1.2.3. Công nghệ xử lý nước thải bằng hệ thống đất ngập nước nhân tạo 1.3. Tính chất hóa lý của xỉ than nhà máy nhiệt điện 1.4. Các nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam về đất ngập nước nhân tạo 1.4.1. Nghiên cứu trên thế giới 1.4.2. Nghiên cứu tại Việt Nam 8 CHƢƠNG II. PHƢƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 1.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu:  Nước thải sinh hoạt tại Xã Đông Dư, Huyện Gia Lâm, Hà Nội  Xỉ than NMNĐ Mông Dương 1 làm chất nền  5 loại cây có khả năng xử lý nước thải sinh hoạt: Thủy Trúc, Muống Nhật, Mon Nước, Dong Riềng, Phát Lộc. Phạm vi nghiên cứu:  Khả năng xử lý nước thải sinh hoạt của xỉ than và một số vật liệu lọc khác trong hệ thống ĐNN nhân tạo.  Nghiên cứu khả năng sinh trưởng, phát triển của các loại cây Thủy Trúc, Mon Nước, Phát Lộc, Dong Riềng, Muống Nhật trên chất nền là xỉ than trong hệ thống đất ngập nước nhân tạo, chọn ra 2 loại cây phát triển tốt nhất.  Khả năng xử lý nước thải sinh hoạt của 2 loại cây phát triển tốt nhất trên chất nền là xỉ than trong mô hình hệ thống đất ngập nước nhân tạo. 1.2. Phương pháp nghiên cứu 1.2.1. Phương pháp thu thập số liệu, tài liệu thứ cấp 1.2.2. Phương pháp thu thập số liệu, tài liệu sơ cấp 9 CHƢƠNG III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1. Kết quả phân tích tính chất lý hóa của xỉ than Mông Dƣơng 1 Xỉ than NMNĐ Mông Dương 1 có độ ẩm nhỏ 2,02%, là vật liệu khô, tỉ trọng gần bằng tỉ trọng của đất cát 2,656 g/cm3, pH=9,9 có tính kiềm cao, có thể cải thiện độ chua của đất; hàm lượng KLN thuộc giới hạn cho phép theo TCVN 7209:2002, thành phần khoáng chính: SiO2, Al2O3, Fe2O3. Vậy xỉ than Mông Dương 1 có những đặc tính thuận lợi cho việc tái sử dụng trong các lĩnh vực xây dựng, nông nghiệp, và xử lý nước thải. 3.2. Kết quả nghiên cứu về khả năng xử lý nƣớc thải sinh hoạt của các công thức vật liệu lọc 3.2.1. Hiệu suất xử lý COD Sau 5 – 7 ngày xử lý thì hiệu quả của các công thức vật liệu tốt hơn khá nhiều so với thời gian 3 ngày do có thời gian lưu nước lâu hơn, trong đó hiệu suất xử lý COD cao nhất là vật liệu 4 (VL4) và vật liệu 5 (VL5), sau 3 ngày đầu đạt hiệu suất lần lượt là 32,18% và 31,52% thì 5 – 7 ngày sau hiệu suất đạt tới 45,58% và 44,15%. 3.2.2. Hiệu suất xử lý BOD5 Sau 5 – 7 ngày xử lý thì hiệu quả của các công thức vật liệu tốt hơn nhiều so với thời gian 3 ngày và so với công thức đối chứng. Trong đó hiệu suất xử lý BOD5 cao nhất là công thức 4 10 (VL4) và công thức 5 (VL5) đạt hiệu suất lần lượt là 48,79%% và 46,97%. Tuy nhiên với giá trị trên vẫn chưa đạt tiêu chuẩn thải. 3.2.3. Khả năng xử lý NH4 + Giá trị amoni sau 5 ngày xử lý đã giảm xuống còn 11,12mg/l – 8,51 mg/l, ở công thức đối chứng giảm còn 14,86 mg/l, hiệu suất 9,88% thì ở các công thức vật liệu lọc giá trị amoni giảm tới 11,12 mg/l – 8,51 mg/l, hiệu suất từ 32,57% - 48,39%. Đến 7 ngày hiệu suất xử lý amoni tăng không đáng kể, hiệu suất từ 32,63% - 48,51%. Trong đó hiệu suất xử lý amoni cao nhất là công thức 4 (VL4) đạt 48,51%. Với giá trị trên đã đạt tiêu chuẩn thải theo QCVN 14:2011/BTNMT tuy nhiên hiệu suất chưa cao. 3.2.4. Kết quả xác định một số chỉ tiêu vật lý sau xử lý của các công thức Sau 3 ngày xử lý, hiệu quả lọc của các công thức tốt hơn công thức đối chứng, tuy nhiên hiệu quả vẫn còn thấp. Sau 5 ngày, màu và mùi ban đầu gần như đã giảm gần hết, ở công thức đối chứng không có sự thay đổi gì so với ban đầu. Chỉ tiêu pH vẫn nằm trong giới hạn cho phép từ 6,73 – 7,98. Vì vậy, hiệu quả xử lý một số chỉ tiêu vật lý bằng xỉ than rất khả quan. Mặc dù đã giảm được một lượng lớn hàm lượng các chất ô nhiễm, tuy nhiên vẫn chưa đáp ứng được tiêu chuẩn thải theo QCVN 14:2011, bởi quá trình xử lý ở đây chủ yếu là quá trình yếm khí, thiếu oxy trong điều kiện mô hình nhỏ hẹp. Do vậy nên 11 trồng thêm một số loại cây trong mô hình để có thể cung cấp oxy tốt hơn cho quá trình xử lý nhằm đạt hiệu suất xử lý cao hơn. Qua nghiên cứu, công thức có khả năng xử lý chất thải tốt nhất là công thức vật liệu 4, đây là công thức tối ưu nhất. Công thức vật liệu 4 (VL4) là công thức gồm sự kết hợp của các vật liệu lọc cát to, cát mịn và 50% xỉ than làm chất nền. Thứ tự sắp xếp của các vật liệu từ dưới lên trên là cát to, cát mịn, xỉ than với chiều dày lớp vật liệu lần lượt là 4:4:10 cm. Tiến hành sử dụng vật liệu 4 có chất nền là xỉ than cho các thử nghiệm tiếp theo. 3.3. Kết quả thử nghiệm trồng các loại thực vật thủy sinh khác nhau trên môi trƣờng nền của xỉ than Trên cơ sở chọn lựa những cây có khả năng sống ở những vùng ẩm ướt, dễ tìm, có giá trị thẩm mĩ và có khả năng XLNT sinh hoạt. Mỗi loài thực vật có khả năng chống chịu mức độ ô nhiễm khác nhau có thể phát triển tốt, cũng có thể chậm sinh trưởng, tỷ lệ cây chết cao. Vì vậy, các chỉ tiêu về sinh trưởng và phát triển của cây như: chiều cao cây, số lá, số rễ thể hiện sự phản ứng của chúng đối với môi trường mà chúng đang sống. Qua các chỉ tiêu về sinh trưởng và phát triển của 5 loại cây trồng tham gia thí nghiệm như chiều cao cây, số lá, biểu hiện kiểu hình của cây cũng như sự phát triển của bộ rễ, ta thấy được sự thích nghi của từng loại cây đối với môi trường nền là xỉ than và nồng độ của nước thải sinh hoạt đầu vào. Trong đó có hai loại cây 12 phát triển tốt nhất là Mon Nước và Thủy Trúc. Vì vậy, tiến hành lựa chọn Mon Nước và Thủy Trúc cho thí nghiệm tiếp theo. 3.4. So sánh hiệu suất xử lý giữa các công thức với các chỉ tiêu theo dõi Hình 3.1. Hiệu suất xử lý NH4 + , NO2 - , BOD5, COD, TSS, PO4 3- sau 10 ngày trồng cây trên vật liệu 4 Từ hình 3.1 ta thấy điểm chung lớn nhất trong các công thức là CT1 – đối chứng luôn có hiệu suất xử lý thấp hơn so với các công thức có trồng cây và CT4_ Mon Nước + Thủy Trúc luôn có hiệu suất xử lý tốt hơn về các chỉ tiêu. Sự khác nhau này là do có sự cộng hưởng qua lại giữa các loại cây với nhau, cùng với sự hấp phụ các chất ô nhiễm lên bề mặt của xỉ than và lớp vật liệu lọc cũng như sự phân hủy của vi sinh vật trong lớp vật liệu lọc nên cho kết quả tốt hơn so với chỉ có mình lớp nền là xỉ than và lớp vật liệu lọc và trồng một loại cây riêng lẻ. 0 15 30 45 60 75 90 105 CT1 CT2 CT3 CT4 Amoni Nitrit BOD COD TSS Phốtphát 13 Nếu xét riêng từng cây ta thấy, CT2_Mon Nước có hiệu suất xử lý tốt hơn về các chỉ tiêu như Amoni, BOD5, COD so với CT3_Thủy Trúc. Tùy thuộc vào mỗi loại cây trồng mà chúng có khả năng xử lý các chỉ tiêu ở các mức độ khác nhau.  Cây Mon Nước có khả năng xử lý Amoni, Phốtphát là tốt nhất.  Cây Thủy trúc có khả năng xử lý Nitrit là tốt nhất.  Các công thức đều cho hiệu quả xử lý các chỉ tiêu BOD, COD, TSS gần như là tương đương nhau. 14 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận  Qua phân tích các tính chất lý hóa của xỉ than NMNĐ Mông Dương 1, ta thấy, xỉ than có độ ẩm nhỏ (2,02%), tỉ trọng 2,656 g/cm 3, pH=9,9 có tính kiềm cao; hàm lượng KLN thuộc giới hạn cho phép theo TCVN 7209:2002, thành phần khoáng chính là SiO2, Al2O3, Fe2O3. Xỉ than Mông Dương 1 có những đặc tính thuận lợi cho việc tái sử dụng trong xử lý nước thải.  Công thức có khả năng xử lý chất thải tốt nhất là công thức vật liệu 4, VL4 = Cát to + Cát mịn + 50% Xỉ than. Với thứ tự sắp xếp và chiều dày lớp vật liệu theo thứ tự từ dưới lên trên là cát to:cát mịn:xỉ than=4:4:10 cm.  Qua thí nghiệm xác định khả năng sinh trưởng, phát triển cũng như khả năng chịu tải lượng ô nhiễm của các cây trồng trên chất nền là xỉ than và môi trường nước thải sinh hoạt cho thấy: Cây Dong Riềng thích hợp với ngưỡng nồng độ 50%; còn Mon Nước, Thủy Trúc, Muống Nhật, Phát Lộc thích hợp với ngưỡng nồng độ 75% - 100%. Hai loại cây phát triển tốt nhất trên chất nền xỉ than là Thủy Trúc và Mon Nước.  Sau khi nghiên cứu khả năng xử lý nước thải của các công thức cây trồng trên vật liệu 4 (xỉ than, cát to, cát mịn) cho thấy: 15  Công thức có khả năng xử lý tốt nhất là công thức 4 gồm 2 loại cây Thủy Trúc và Mon Nước trồng trên vật liệu 4 (50% xỉ than, cát to, cát mịn).  Nếu xét riêng từng cây với từng chỉ tiêu cụ thể thì: CT2_Mon Nước cho hiệu quả xử lý Amoni, Phốt phát là tốt nhất. Ngoài ra hiệu quả xử lý các chỉ tiêu COD, BOD5 cũng cao hơn so với CT3_Thủy Trúc. CT3_Thủy Trúc cho hiệu quả xử lý Nitrit là tốt nhất so với CT2_Mon Nước. Các công thức đều cho hiệu quả xử lý TSS là gần tương đương nhau. 2. Kiến nghị cho nghiên cứu tiếp theo  Khi xây dựng mô hình ngoài thực tế cần biết cách sử dụng và kết hợp được các vật liệu lọc như xỉ than, cát, sỏi, đá hợp lý để sử dụng trong mô hình ĐNN nhân tạo nhằm mang lại hiệu quả xử lý cao nhất.  Tiếp tục thử nghiệm phân tích một số các chỉ tiêu: coliform, sunphua, kim loại nặng, dầu mỡ để đánh giá toàn diện hơn về khả năng lọc của xỉ than và các vật liệu lọc, đồng thời tiếp tục thử nghiệm khả năng lọc, kết hợp xỉ than với một số vật liệu khác như đá to, sỏi to, mùn bán phân hủy, sét hạt mịn... thay đổi chiều dày lớp vật liệu để tìm ra công thức vật liệu tối ưu nhất.  Nghiên cứu thêm về khả năng xử lý của các cây trồng với một số chỉ tiêu khác như sunfua, nitrat, KLN, coliform...