Bãi lọc trồng cây trong dây chuyền công nghệ Xử lý nước thải sinh hoạt là giải pháp hữu hiệu cho vùng ven các đô thị khu vực trung du và miền núi phía Bắc.

Tóm tắt: Bãi lọc trồng cây trong dây chuyền công nghệ Xử lý nước thải sinh hoạt là giải pháp hữu hiệu cho vùng ven các đô thị khu vực trung du và miền núi phía Bắc. Nghiên cứu sinh trưởng của chuối hoa (Canna generalis) trên các loại BLTC cũng như xác định các hệ số động học loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt (BOD5, TN, TP,…) trên các các bãi lọc trồng loại cây này là mục tiêu của nghiên cứu trình bày trong bài báo. Kết quả nghiên cứu trên mô hình thử nghiệm cho thấy: trong điều kiện khí hậu miền núi phía Bắc Việt Nam, cây chuối hoa phát triển tốt trên cả bãi lọc ngầm (HF) lẫn bãi lọc ngập nước (FSW). Dùng Canna generalis làm thực vật trồng tạo cho bãi lọc trồng cây có hiệu suất xử lý các chất hữu cơ và dinh dưỡng trong nước thải sinh hoạt tăng lên.

1. GIỚI THIỆU CHUNG

Trong những năm gần đây, cùng với cả nước, tốc độ phát triển kinh tế xã hội khu vực miền núi phía Bắc Việt Nam tăng lên rõ rệt. Các tác động này tạo nên sức ép đối với môi trường cũng như hệ thống hạ tầng kỹ thuật các đô thị trong khu vực. Hệ thống thoát nước (HTTN) và xử lý nước thải (XLNT) tập trung không kịp đáp ứng với quá trình đô thị hóa. Vì vậy việc xử lý nước thải phi tập trung cho các vùng ven đô thị là phù hợp và cần thiết [1].

Khu vực miền núi phía Bắc có địa hình dốc với khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm quanh năm với hai mùa rõ rệt hè, đông. Đồng thời hàng năm chịu ảnh hưởng của gió mùa Đông Bắc và gió mùa Đông Nam. Nhiệt độ tăng dần từ phía bắc xuống phía nam, trung bình hàng năm khoảng 250C. Thời tiết mùa hè từ tháng 4 đến tháng 10 nóng ẩm và mưa cho tới khi gió mùa nổi lên. Mùa đông từ tháng 11 tới tháng 3 trời lạnh (nhiệt độ từ 15÷260C), khô, có mưa phùn. Lượng mưa trung bình từ 1,700 đến 2,400mm [2]. Điều kiện tự nhiên này phù hợp cho việc ứng dụng các công trình sinh thái để XLNT sinh hoạt. Bãi lọc trồng cây (BLTC) trong dây chuyền công nghệ XLNT sinh hoạt là giải pháp hữu hiệu chovùng ven các đô thị khu vực trung du và miền núi phía Bắc [3], [4].

Dạng BLTC được ứng dụng phổ biến trong XLNT là BLTC ngập nước (FWS) và bãi lọc chảy ngầm (SSF). Ở Việt Nam có nhiều loại cây có thể sử dụng để làm sạch môi trường nước tìm thấy ở Việt Nam. [5]. Các loài cây này hoàn toàn dễ kiếm tìm ngoài tự nhiên và chúng cũng có sức sống khá mạnh mẽ. Tuy nhiên cây chuối hoa (Canna generalis) là loài cây hợp nước của vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới, có thể tạo cảnh quan sinh thái cho các đô thị, nhất là vùng ven đô. Nghiên cứu sinh trưởng của chuối hoa trên các loại BLTC cũng như xác định các hệ số động học loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt (BOD5, TN, TP,…) trên các các bãi lọc trồng loại cây này là mục tiêu của nghiên cứu trình bày trong bài báo.

  1. ĐỐI TƯỢNG, VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đối tượng nghiên cứu là bãi lọc trồng cây ngập nước (Free Water Surface wetland-FWS) và bãi lọc trồng cây chảy ngầm (Submerged Surface Flow -SSF) dạng dòng chảy ngang (Horizontal flow – HF). Nước thải sinh hoạt (NTSH) sử dụng cho các mô hình nghiên cứu là nước thải sinh hoạt sau khi qua bể tự hoại từ HTTN chung của khu dân cư ven đô phường Bách Quang thị xã Sông Công (tỉnh Thái Nguyên), thuộc vùng miền núi phía Bắc Việt Nam. Trên cơ sở hai sơ đồ kết hợp hồ sinh học và BLTC đặt tại hiện trường, nghiên cứu hiệu quả xử lý trên các mô hình thí nghiệm (MHTN) FWS đặt sau hồ sinh học tùy tiện (Hình 1a) và HF đặt trước hồ sinh học hiếu khí (Hình 1b).

Sơ đồ MHTN nghiên cứu XLNT sinh hoạt khu dân cư ven đô thị xã Sông Công.

Cây trồng trên BLTC là cây chuối hoa (Canna generalis), một loài thực vật thuộc chi dong riềng (Cannas), sống ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới, có thể cao từ 75-300 cm [6]. Đây là loài cây lâu năm, thân thảo, rễ chùm, một thân rễ phát triển thành bụi; lá phẳng rộng mọc ra từ thân; cây ưa nắng và sống được cả trong môi trường đất ngập nước và đất khô [7]. Cây có hoa mười hai tháng trong năm, hoa màu sắc sặc sỡ như trắng ngà, vàng, hồng, đỏ thẫm, đỏ,… thường được trồng làm cây cảnh ở đô thị [6]. Do có tốc độ sinh trưởng nhanh, tiêu thụ nhiều nước, sinh khối và hàm lượng N, P trên mặt đất lớn và phần lớn được miễn dịch với sâu hại nên cây chuối hoa được dùng làm thực vật XLNT trong các BLTC [7] [8].

Vật liệu (VL) của BLTC chủ yếu là sỏi và cát. Kích thước các mô hình BLTC được xây dựng theo [9], [10] và [11] và thể hiện trong Bảng 1 đối với loại FWS thể hiện và trong Bảng 2 đối với loại HF.

Bảng 1. Kích thước MHTN loại FWS

Thông số tính toán

Ký hiệu

Đơn vị

Kết quả

Tải trọng thủy lực[9]

HLR

m3/m2/ngày

10

Lưu lượng nước thải

Q

m3/ngày

0,096

Diện tích bề mặt (As = 100Q/HLR) [10]

As

m2

0,96

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 trên bề mặt

h1

m

0,2

Chiều cao lớp VL trồng cây (cát f=1÷2 mm) [10]

h2

m

0,15

Chiều cao lớp VL lọc (Sỏi f = 2÷3 cm)

h3

m

0,9

Chiều cao lớp VL đỡ (Sỏi f=4÷6 cm) [11]

h4

m

0,1

Bảng 2. Kích thước MHTN loại HF

Thông số tính toán

Ký hiệu

Đơn vị

Kết quả

Số lượng bãi lọc HF

A

bể

2

Tải trọng thủy lực [9]

HLR

m3/m2/ngày

5

Lưu lượng nước thải

Q

m3/ngày

0,048

Diện tích của bãi lọc. As = 100Q/HLR

As

m2

0,96

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 VL lọc (sỏi f=2÷3 cm) [11]

h1

m

0,6

Chiều cao VL trồng cây (cát f =1÷2 mm) [10]

h2

m

0,15

Cây chuối hoa giống ban đầu nêu trên Hình 2 và VL lọc nạp trên bể mô hình nêu trên Hình 3.

Cây chuối hoa chuẩn bị trồng.

MHTN khi mới nạp xong VL lọc.

Cây trồng có chiều cao trung bình 20cm, có từ 2 đến 3 lá mầm. Cây trồng cách nhau 20 cm theo cả chiều dọc và chiều ngang. Thời gian lưu nước (HRT) trên công trình BLTC xác định theo công thức: t = V/Q.

Xác định sinh khối khô của thực vật: Thực vật sau khi thu hoạch được vận chuyển đến phòng thí nghiệm, cân trọng lượng trước khi sấy, sau đó cắt nhỏ thành những đoạn dài khoảng 20 ¸ 30 cm, sấy khô đến khối lượng không đổi ở 1030C ¸ 1050C, để nguội trong bình hút ẩm và cân lại trọng lượng khô sau khi sấy. Chênh lệch trọng lượng tươi và trọng lượng khô là độ ẩm của sinh khối. Chênh lệch sinh khối khô ban đầu (trước khi trồng) và khi thu hoạch là độ tăng sinh khối của cây trên BLTC.

Để xác định các hệ số động học phân hủy các chất ô nhiễm của các loại BLTC khi trồng Canna generalis, coi bãi lọc như là các bể phản ứng sinh học bám dính với mô hình dòng đẩy phản ứng bậc 1 cho tất cả các chất ô nhiễm, trong đó có BOD5, TN, NH4+-N, NOx-N, TP, ….. Hằng số tốc độ phản ứng bậc 1 ít nhạy cảm với những điều kiện khí hậu thay đổi và không phụ thuộc vào nhiệt độ [12].

trong đó: As: diện tích xử lý của BLTC (m2); Xe: nồng độ chất ô nhiễm ở dòng ra (mg/L); Xi: Nồng độ chất ô nhiễm ở dòng vào (mg/L); X*: nồng độ nền của chất ô nhiễm, mg/L; k: hằng số tốc độ phản ứng bậc 1 (m/ngày); q: tải trọng thủy lực (m3/m2.ngày hoặc m/ngày); và Q: tốc độ dòng chảy trung bình qua bãi lọc (m3/ngày).

Các thông số chất lượng nước như BOD5, NH4+-N, NO3--N, PO43-P,… được phân tích trong phòng thí nghiệm của trường Đại học Xây dựng và Trung tâm Quan trắc môi trường Thái Nguyên theo các phương pháp chuẩn như: TCVN 6001-1995 (ISO 5815-1989) - Chất lượng nước - Xác định nhu cầu oxi sinh hoá sau 5 ngày (BOD5) - phương pháp cấy và pha loãng [13], TCVN 5988-1995 (ISO 5664-1984) - Chất l­ượng nước - Xác định amoni - Ph­ương pháp chư­ng cất và chuẩn độ [14], TCVN 6180-1996 (ISO 7890-3-1988) - Chất lượng nước – Xác định nitrat - Phương pháp trắc phổ dùng axit sunfosalixylic [15].

  1. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

  2. Sự sinh trưởng của cây trồng trên các mô hình thí nghiệm BLTC

Kết quả theo dõi sự sinh trưởng, phát triển của cây chuối hoa trong thời gian thí nghiệm cho thấy: Trong một tháng đầu sau khi trồng (ngày 7/12/2014) là thời gian để cây thích nghi với điều kiện môi trường, bén rễ. Sang tháng thứ 2 và thứ 3 sau khi đã bén rễ, cây bắt đầu ra những lá non mới, nhưng mức sinh trưởng chậm. Sang tháng thứ 4, cây bắt đầu phát triển mạnh và ra thêm nhiều lá non mới, cao nhanh, lá to và dài. Thời điểm bắt đầu thu hoạch sinh khối là ngày 29/3/2015 (sau 3 tháng 22 ngày). Như vậy, thời gian khởi động mô hình cho cây trồng thích nghi và sinh trưởng là khá dài. Do thời điểm này vào mùa đông trời rét, nhiệt độ trung bình không khí thấp (18÷230C) nên cây trồng sinh trưởng chậm hơn so với điều kiện thời tiết nóng ấm của mùa hè.

Trong khoảng thời gian vận hành MHTN đã tiến hành thu hoạch 19 đợt sinh khối cây chuối hoa tạo thành từ hai bãi lọc HF và FWS. Cây chuối hoa thu hoạch được đo kích thước, cân sinh khối tươi, sinh khối khô và độ ẩm trong 6 đợt thu hoạch đầu tiên. Từ đợt thứ 7 khi thu hoạch cây chỉ tiến hành đo chiều cao cây và cân sinh khối tươi, sau đó sinh khối khô được xác định dựa vào độ ẩm trung bình của cây. Sự tăng trưởng sinh khối của cây chuối hoa trong các BLTC thay đổi theo thời gian, được thể hiện trong các Hình 4 và Hình 5.

Hình 4. Sinh khối thu hoạch được theo thời gian tại các bãi lọc HF và FWS

Hình 5. Sinh khối trung bình/cây theo thời gian thu hoạch tại bãi lọc HF và FWS

Đối với bãi lọc HF, từ tháng 3 đến tháng 5 năm 2015 sinh khối thu hoạch ở các thời điểm có xu hướng tăng dần sau đó giảm xuống trong tháng 6 và tháng 7. Sang tháng 8 và tháng 9 sinh khối lại tăng dần lên so với các tháng trước đó rồi lại giảm xuống ở tháng 10 và tháng 11 và lại tăng lên ở tháng 12. Trong năm 2016 sinh khối của các tháng biến động nhẹ và khá ổn định từ tháng 1 đến tháng 5. Sinh khối thu hoạch được đạt giá trị max là 526,15g vào ngày 17/5/2015 và đạt giá trị min là 95g vào ngày 29/3/2015. Sinh khối trung bình/cây dao động trong khoảng từ 12,53 – 42,76 g, trung bình đạt 29,81 g. Chiều cao trung bình của toàn bộ cây đã thu hoạch của bãi lọc HF đạt mức 1,44m. Trong thời gian nghiên cứu cây chuối hoa ở bãi lọc HF phát triển khá ổn định, có nhiều mầm mới.

Đối với bãi lọc FWS, sinh khối tăng nhanh từ tháng 3 đến tháng 4/2015 và giữ ổn định ở mức cao đến thời gian thu hoạch ngày 7/6/2015. Sau đó, sinh khối giảm dần và thấp nhất là 151,27 g trong đợt thu hoạch ngày 19/7/2015. Sau giai đoạn này, sinh khối tăng dần lên đến thời điểm thu hoạch vào tháng 8, giảm xuống ở thời điểm tháng 10 và tăng lên ở thời điểm tháng 12. Sinh khối giảm nhẹ ở thời điểm tháng 1, 2/2016 và sau đó tăng lên mức cao ở tháng 3, 4, 5/2016. Sinh khối thu hoạch được ở bãi lọc ở các đợt dao động trong khoảng từ 22,84-1182,96 g, đạt giá trị cao nhất vào ngày 12/4/2016 và giá trị thấp nhất ngày 29/3/2015. Sinh khối trung bình/cây dao động trong khoảng từ 22,84 - 71,69g, trung bình đạt 41,49 g/cây. Chiều cao trung bình của toàn bộ cây đã thu hoạch của bãi lọc FWS đạt mức 1,58m. Trong thời gian nghiên cứu cho thấy, cây chuối hoa ở bãi lọc FWS có sự phát triển khá ổn định, cây lên nhiều mầm mới.

So sánh sự tăng trưởng cây chuối hoa ở hai BLTC thể hiện trong Bảng 3.

Bảng 3. Tổng hợp sinh khối cây chuối hoa ở bãi lọc HF và FWS trong thời gian nghiên cứu.

BLTC

Tổng sinh khối (g)

Độ ẩm trung bình (%)

Sinh khối trung bình/cây (g)

Chiều cao trung bình/cây (m)

HF

8196,69

86,96±0,30

29,81±7,58

1,44±0,19

FWS

11908,96

88,84±1,33

41,49±13,13

1,58±0,21

Các giá trị tổng sinh khối, sinh khối trung bình/cây và chiều cao trung bình/cây ở bãi lọc FWS luôn lớn hơn so với ở bãi lọc HF trong toàn bộ thời gian nghiên cứu, với các mức cao hơn tương ứng là 31,17%; 28,17% và 8,63%. Cây chuối hoa có khả năng sinh trưởng trong cả bãi lọc FWS và HF. Tuy nhiên, nó phát triển tốt hơn trong điều kiện đất ngập nước của bãi lọc FWS. Cây phát triển cao hơn và hình thành sinh khối lớn hơn nhiều so với điều kiện khô trong bãi lọc HF. Khi sinh trưởng trong môi trường đất ngập nước độ ẩm của cây cũng cao hơn so với sinh trưởng trong môi trường khô hạn.

  1. Hệ số phân hủy các chất ô nhiễm đặc trưng trong nước thải sinh hoạt của các BLTC qua haiMHTN

Trên cơ sở số liệu thu được từ các đợt thí nghiệm, dựa vào phương trình (1) và (2), sử dụng phương pháp nội suy, xây dựng được phương trình động học phân hủy các chất ô nhiễm đặc trưng trong NTSH gồm các chất hữu cơ (theo BOD5) và các chất dinh dưỡng nitơ (NH4+-N, NO3--N) của các BLTC trên MHTN. Từ đó, xác định được các hệ số phân hủy các chất ô nhiễm.

  • Các hệ số phân hủy chất hữu cơ (kBOD)

Kết quả xác định các hệ số phân hủy chất hữu cơ (kBOD) trong NTSH của các BLTC trên MHTN được tính theo (1), (2) và tổng hợp trong Bảng 4.

Bảng 4. Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong NTSH của các BLTC trên MHTN

BLTC

HLR,

m3/m2/ngày

Tải trọng ô nhiễm,

kg/ha/ngày

KBOD

Hệ số tương quan R2

m/năm

m/ngày

HF

0,050