Xử lý nước thải chi phí thấp bằng hệ thống hồ sinh học

Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 2/2016 No. 2/2016 145 XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHI PHÍ THẤP BẰNG HỆ THỐNG HỒ SINH HỌC ThS. Trần Thị Tuyết Trinh Khoa Kỹ thuật Hạ tầng Đô thị, Trường Đại học Xây dựng Miền Trung Tóm tắt Nước sạch và ô nhiễm môi trường luôn luôn là vấn đề trọng tâm trong phát triển kinh tế xã hội. Tình trạng ô nhiễm nguồn nước do nước thải sinh hoạt và nước sản xuất diễn ra tại rất nhiều nơi và kéo theo hàng loạt hệ quả nghiêm trọng tới sức khỏe và chất lượng cuộc sống con người vậy nên vấn đề xử lý nước thải đặc biệt được quan tâm. Công nghệ trong xử lý nước thải hiện nay rất đa dạng, bài báo giới thiệu một trong những phương pháp xử lý nước mang hiệu quả xử lý cao, tiết kiệm năng lượng đó là phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt bằng hồ sinh học trong điều kiện tự nhiên. Hồ sinh học có thể xử lý nước thải ô nhiễm hữu cơ với mức độ thấp lẫn cao, có khả năng tiệt trùng nước thải trước khi xả ra nguồn tiếp nhận. Đồng thời với sự phát triển của khoa học kỹ thuật hiện đại, công nghệ xử lý nước bằng hồ sinh học ngày càng hoàn thiện, phù hợp với mọi quy mô công suất và có chi phí thấp phù hợp áp dụng tại các nước đang phát triển có khí hậu nóng. Từ khóa Hồ sinh học, xử lý nước thải, Wastewater treatment pond systems, lagoons. 1. Hệ thống hồ sinh học xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên Hệ thống hồ sinh học ổn định nước thải (thường gọi là hồ sinh học) là các hồ lớn, không sâu, có mặt bằng phổ biến là hình chữ nhật có bố trí đường dẫn nước vào và nước ra khỏi bể. Các hồ này được sử dụng rộng rãi ở Nam Mỹ, là loại công trình xử lý nước thải phù hợp với các nước đang phát triển ở vùng khí hậu nóng. Quá trình xử lý nước thải thường được diễn liên tục trong hai hoặc nhiều hồ trong đó độ sâu sẽ quyết đinh quá trình hiếu khí hay kỵ khí diễn ra trong hồ. Tương ứng với quá trình xử lý liên tục, từng hồ sẽ có chức năng riêng và chúng được thiết kế phù hợp với mục đích hoặc phần tử ô nhiễm cần được tách ra khỏi nước thải. Nước thải sau xử lý có các thông số nhiễm bẩn và vi sinh vật gây bệnh có nguồn gốc từ nước thải sinh hoạt được giảm đáng kể. Hình 1. Hệ thống xử lý nước thải bằng hồ sinh họcTây Melbourne, công suất > 300.000 m3/ngđ Hình 2. Hệ thống xử lý nước thải bằng hồ sinh học Bình Hưng Hòa Hồ sinh học được phân thành ba loại cơ bản như trong Hình 2, bao gồm: Hồ kỵ khí, Hồ tùy tiện và Hồ hiếu khí. Về đặc điểm cấu tạo và hoạt động chủ yếu dựa vào chu trình xử lý tự nhiên nên độ sâu hồ quyết định hệ vi sinh vật xử lý nước thải trong hồ. Hồ kỵ khí thường có chiều sâu tối thiểu là 2m và thường không quá 5m; Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 2/2016 No. 2/2016 146 Hồ hiếu khí có độ sâu thấp hơn, độ sâu hồ trong khoảng từ 0,5 đến 1,5m; Hồ tùy tiện có khoảng chiều sâu từ 1m đến 2,5m. Thường một chu trình xử lý nước thải được xử lý tuần tự từ hồ kỵ khí, xử lý nước thải có nồng độ BOD5, sau đó nước thải được xử lý trong hồ tùy tiện và cuối cùng hồ hiếu khí xử lý triệt để và khử trùng nước thải. 2. Các quá trình xử lý chủ yếu trong các hồ sinh học Hồ sinh học có các quá trình xử lý chủ yếu đó lá quá trình lên men kỵ khí và ôxy hóa hiếu khí diễn ra theo các giai đoạn như sau: - Lên men kỵ khí gồm hai giai đoạn: Giai đoạn thứ nhất lên men chất hữu cơ, tại đây vi khuẩn sẽ lên men để tạo thành sinh khối mới và hình thành các sản phẩm trung gian khác là axit hữu cơ. Giai đoạn thứ hai phân hủy các axit hữu cơ hình thành từ giai đoạn một nhờ các loại vi khuẩn tạo mêtan thành khí mêtan và các sản phẩm đơn giản khác như CO2, H2O, NH3, - Ôxy hóa hiếu khí có thể biểu diễn bằng các quá trình đơn giản như sau: Chất hữu cơ + O2 vi khuẩn tế bào vi khuẩn mới + H2O + CO2+ PO43- + NH3, v.v, - Ngoài ra, một lượng lớn ôxy được cung cấp nhờ quá trình quang hợp của tảo bổ sung đáng kể cho quá trình xử lý nước thải trong các hồ hiếu khí: H2O + CO2 tảo+ánh sáng tế bào tảo mới + H2O + O2 - Các hợp chất nitơ hữu cơ đầu tiên được khoáng hóa thành amôni trong hồ sinh học kỵ khí hoặc trong bùn cặn của hồ sinh học tùy tiện. Do quá trình amôn hóa các hợp chất nitơ hữu cơ, nồng độ amôni trong nước hồ sinh học kỵ khí thường cao hơn trong nước cống. Quá trình xử lý amôni chủ yếu diễn ra trong hồ sinh học xử lý triệt để. Việc xử lý amôni liên quan chặt chẽ với pH và nhiệt độ bề mặt. Quá trình này diễn ra ở mùa hè mạnh hơn mùa đông. Hình 3. Các loại hồ sinh học Hồ hiếu khí/ hồ xử lý triệt để Hồ kỵ khí Hồ tùy tiện Nước thải vào Nước thải vào Nước thải vào Nước thải ra Nước thải ra Nước thải ra Hồ kỵ khí Nước vào Hồ tùy tiện Hồ hiếu khí H = 2m – 5m H= 1m –2.5m H= 0.5 –1.5m Hệ thống hồ sinh học xử lý nước thải Nước ra Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 2/2016 No. 2/2016 147 - Phôtpho được loại bỏ khỏi nước trong hồ ổn định bằng cách hấp thụ vào sinh khối của tảo. 3. Hồ sinh học kỵ khí Hồ sinh học kỵ khí tiếp nhận nước thải với tải trọng BOD cao (tải trọng > 100gBOD5/m3.ngđ), vận hành trong điều kiện không cần ôxy hòa tan, hồ được sử dụng như một bể tự hoại kiểu hở để xử lý nước thải. Cặn bẩn lắng xuống và được lên men kỵ khí với điều kiện nhiệt độ trên 15oC, hồ này sử dụng tốt trong điều kiện khí hậu ấm. Hiệu quả xử lý khoảng 40% ở nhiệt độ 10oC hoặc thấp hơn cho đến trên 60% ở 20oC. Lớp váng bề mặt hình thành cần được vớt định kỳ hoặc phun nước để tránh các loại côn trùng như ruồi, muỗi phát triển. Bể kỵ khí hoạt động có nhược điểm chính đó là xuất hiện mùi, mùi phần lớn là hydro sunfua nên các nhà tư vấn thiết kế thường ít thiện cảm khi lựa chọn hồ sinh học kỵ khí. Vì hydro sunfuamột phần hòa tan vào nước tạo nên phản ứng phân ly tạo thành các ion HS-, H2S và S2-. Tuy nhiên vấn đề mùi của bể vẫn có thể được cải thiện nhờ điều chỉnh nồng độ pH, khi độ pH của bể được hiệu chỉnh khoảng bằng 7,5 thì lúc này chủ yếu trong nước có khoảng 75% là HS- không gầy mùi hôi thối khó chịu. Ngoài ra để cải thiện nhược điểm của hồ sinh học kỵ khí, có thể phủ kín bề mặt hồ bằng tấm PVC/HDPE (Hình 6) để thu khí biogas hình thành trong quá trình lên men các chất hữu cơ từ nước thải. Khi nước thải được xử lý với quy mô công suất lớn, khí gas có thể được tận dụng làm nhiên liệu cấp cho sinh hoạt hoặc chạy máy và thiết bị trong trạm xử lý. 4. Hồ sinh học tùy tiện Hồ sinh học tùy tiện được thiết kế để xử lý BOD theo tải trọng bề mặt tương đối nhỏ (100 – 400 kg BOD/ha.ngày) để phù hợp với mức độ phát triển của tảo. Có hai dạng hồ sinh học tùy tiện: hồ sinh học tùy tiện sơ cấp thu nhận trực tiếp nước thải từ mạng lưới thoát nước và hồ sinh học tùy tiện thứ cấp thu nhận nước thải sau khi được xử lý một phần (thường là sau hồ sinh học kỵ khí, bể tự hoại, hồ sinh học tùy tiện sơ cấp và hệ thống kênh mương thoát nước). Hồ sinh học tùy tiện hoạt động với tải lượng hữu cơ thấp hơn so với hồ sinh học kỵ khí. Đối với hồ sinh học tùy tiện sơ cấp có hai cơ chế xử lý BOD như sau: - Cơ chế thứ nhất : Cặn được lắng thành lớp bùn dưới đáy hồ và tiếp theo đó là lên men kỵ khí bùn cặn lắng; đến 30% lượng BOD trong nước thải đầu vào có thể chuyển thành khí mêtan. - Cơ chế thứ hai: Phần lớp nước phía trên, vi khuẩn hiếu khí ôxy hóa các hợp phần hữu cơ không lắng được trong nước thải cũng như sản phẩm của quá trình lên men kỵ khí. Lượng ôxy cấp cho quá trình xử lý một phần từ quá trình khuếch tán tự nhiên bề mặt, ngoài ra phần lớn oxy hòa tan cấp cho quá trình xử lý được tạo thành từ quá trình quang hợp của vi tảo. Các loại tảo phổ biến là các tảo Lam và tảo Lục, tảo phát triển làm cho hồ có màu xanh thẩm. Trong hồ sinh học tùy tiện thứ cấp cơ chế xử lý BOD thứ nhất diễn ra không rõ ràng. Các hợp chất hữu cơ theo BOD còn lại không lắng được ôxy hóa bởi các loại vi khuẩn di dưỡng. Lượng ôxy cần thiết cho quá trình xử lý BOD chủ yếu do hoạt động quang hợp của vi tảo trong hồ. Ngoài ra, gió có tác động quan trọng trong hoạt động của hồ sinh học tùy tiện vì nó làm tăng sự khuếch tán ôxy không khí vào nước và xáo trộn các tầng nước trong hồ. Sự xáo trộn này tạo điều kiện phân bố đồng nhất BOD, ôxy hòa tan, vi khuẩn và tảo và làm tăng cường độ ổn định chất thải. 5. Hồ sinh học hiếu khí Hồ sinh học hiếu khí thường được sử dụng để xử lý triệt để nước thải, xử lý các chất hữu cơ và các chất dinh dưỡng một lượng đáng kể đồng thời xử lý vi khuẩn gây bệnh có trong nước thải. Hồ tiếp nhận nước thải từ hồ sinh học tùy tiện. Khi thiết kế hồ sinh học hiếu khí để xử lý triệt để nước thải cần tạo môi trường cường độ Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 2/2016 No. 2/2016 148 bức xạ ánh sáng lớn kết hợp nồng độ oxy hòa tan cao. Nồng độ pH thích hợp thường lớn hơn 9 do có quá trình quang hợp của tảo. Mặt trời đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý các loại vi khuẩn feacal gây bệnh, giữ ấm cho hồ và cung cấp đầy đủ năng lượng để thúc đẩy quá trình quang hợp của tảo, tạo điều kiện tăng pH và hình thành ôxy với nồng độ lớn cần thiết thúc đẩy để tăng cường bù đắp cho sự ôxy hóa quang hóa. 6. Đặc điểm thủy lực, thiết kế và vận hành hồ sinh học - Vị trí hồ sinh học: Hồ sinh học được bố trí cuối hướng gió cách khu dân cư tối thiểu 200m, trong khu vực xây dựng cần hạn chế người qua lại đảm bảo an toàn và ngăn cấm trẻ em đi vào khu vực xử lý. Các hồ được bố trí tại nơi thuận tiện kiểm tra, nơi có điều kiện địa hình bằng phẳng hoặc có độ dốc nhỏ để giảm khối lượng công tác đất. - Điều kiện địa kỹ thuật rất quan trọng trong thiết kế hồ sinh học, các loại đất màu tối gốc canxi vùng nhiệt đới thưởng dẻo khi ướt và giòn khi khô là loại đất không thấm nước và rất phù hợp với hồ sinh học. Các lớp đất màu nâu đỏ dễ thấm nước nên yêu cầu phải có lớp lót đáy hồ. - Cân bằng thủy lực trong hồ sinh học: Để đảm bảo mực nước duy trì trong hồ, lưu lượng dòng vào tối thiểu phải lớn hơm độ bay hơi và độ thấm trong toàn bộ thời gian hoạt động và được biểu diễn bằng công thức (1) như sau: Qv ≥ 0,001.A.(E+S) (1) Trong đó: Qv : Lưu lượng nước thải vào hồ đầu tiên (m3/ngđ); A : Tổng diện tích mặt bằng của hồ (m2); E : Độ bay hơi thực (mm/ngđ); S : Độ thấm của đất (mm/ngđ). Lượng nước thấm lớn nhất (k) phụ thuộc vào điều kiện địa chất, mực nước ngầm của khu vực xây dựng. Nếu độ thấm của đất lớn hơn giá trị tối đa cho phép thì hồ cần được lót. Các biện pháp lót chống thấm khác nhau hiện nay được sử dụng có giá thành hợp lý ví dụ như xi măng, màng chất dẻo và lớp đất có độ thấm nước nhỏ, dày 150 mm. Hình 4. Lót tấm nhựa dẻo chống thấm cho hồ sinh học * Cấu tạo hình học của hồ: Hình dạng của hồ, vị trí cống dẫn nước vào, cống dẫn nước ra phải được thiết kế để chiều dài dòng chảy qua hồ là lớn nhất. Mặt bằng hồ thường có dạng hình chữ nhật, tỉ lệ L:B đối với bể kỵ khí khoảng bằng 3:1 để tránh lắng và tích tụ bùn gần ống dẫn nước thải vào; đối với hồ tùy tiện hoặc hồ xử lý triệt để, tỷ lệ L:B lớn (từ 10 đến 20). Bố trí mặt bằng hồ không nên chọn hình học không đều để tránh tạo vùng chết (nước không lưu thông mà tích tụ lại một chỗ) một mặt giảm diện tích hữu ít của hồ mặt khác tảo và xác vi sinh vật tích tụ lâu ngày sẽ gây mùi khó chịu. Để tận dụng gió làm xáo trộn các lớp nước trong hồ, hồ cần được bố trí sao cho kích thước đường chéo của hồ nằm trùng với hướng gió chủ đạo. Kích thước mặt bằng và đáy hồ sinh học tính toán theo (hình 5). Đối với hồ sinh học kỵ khí xử lý nước thải, để ngăn mùi hôi và thu khí gas làm nhiên liệu, thường sử dụng tấm phủ nhựa trên bề mặt của hồ (hình 6). Hình 5. Kích thước mặt bằng và mặt đáy hồ sinh học Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 2/2016 No. 2/2016 149 Hình 6. Thu gom khí biogas hồ sinh học kỵ khí Các đường dẫn nước ra và nước vào hồ cần được lắp thêm chắn để ngăn váng và bọt nổi. Chiều sâu mực nước xả đối với hồ sinh học kỵ khí là 30cm; hồ sinh học tùy tiện 60cm và hồ sinh học xử lý triệt để 5cm. * Vận hành hồ sinh học: trong quá trình vận hành hồ cần chú ý các khâu làm đầy nước trong hồ, bảo dưỡng hang ngày, hút bùn và quan trắc đánh giá hiệu quả hoạt động của hồ. Làm đầy nước hay khởi động hồ sinh học cần được thực hiện sớm sau khi thi công xong hồ để tránh các vi sinh vật ngoại lai phát triển nhanh chóng làm mất tính ổn định của hồ cũng như làm giảm khả năng thấm của hồ. Thường lượng nước thải ban đầu không đủ để làm đầy hồ vì vậy có thể sử dụng nước sạch để làm đầy hồ đối với hồ tùy tiện và hồ hiếu khí; hồ kỵ khí thường được làm đầy một nửa thể tích và có bể sung một lượng bùn vi sinh từ các công trình xử lý khác. Bảo dưỡng hàng ngày của hồ bao gồm các công việc như bảo dưỡng thiết bị xử lý sơ cấp ví dụ song chắn rác, bể lắng cát, làm sạch đường dẫn nước vào và ra khỏi bể và thu gom chất nổi. Phát quang bờ hồ đảm bảo kiểm soát các loại thực vật xung quanh hồ, trong hồ không được phát triển cây bụi tránh phát sinh thực vật nổi hoặc thực vật ngập nước dễ hình thành các ổ bọ gậy, muỗi phát triển. Phát quang hồ sử dụng các công cụ thủ công hoặc cơ giới đặc biệt không được sử dụng các loại thuốc diệt cỏ. Hồ sinh học kỵ khí và tùy tiện thường hút bùn sau khi hoạt động một năm đến ba năm, bùn được hút ra khỏi bể để đảm bảo dung tích thiết kế của hồ. Khi hút bùn cần giữ lại một lượng vi sinh vật mồi, cần thiết cho quá trình lên men kỵ khí sau đó. Bùn cần được hút đinh kỳ tránh để bùn nén lâu dưới đáy hồ sẽ tạo nên một lớp kỵ nước rất khó hút lên. Ngay sau khi khởi động hồ, hệ thống quan trắc cũng phải được thực hiện kiểm tra đúng định kỳ để đánh giá hiệu quả xử lý và hiệu chỉnh chế độ làm việc của hệ hồ cho hợp lý. Mẫu nước kiểm tra cần lấy theo các mốc thời gian trong ngày. Các thông số chủ yếu thường dung là nhiệt độ, lưu lượng, pH, ôxy hòa tan, BOD5, SS, chỉ số Coliforms, độ đục, độ màu, chỉ số Nitơ. 7. Kết luận và kiến nghị Hệ thống hồ sinh học xử lý nước thải với ưu điểm lớn đó là dễ xây dựng, công tác thi công chủ yếu là công tác đất, hiện nay để đơn giản hóa và dễ cải tạo hồ không xây dựng hồ lót bằng bê tông mà lót bằng vật tấm nhựa dẻo, rút ngắn thời gian thi công. Hồ có cấu tạo đơn giản chi phí xây dựng rẻ hơn so với các bể xây truyền thống, không yêu cầu nhân lực có trình độ cao trong vận hành và duy tu tuy nhiên giá đất là một trở ngại lớn trong việc lựa chọn phương án xử lý nước thải bằng hồ sinh học. Tuy nhiên so sánhvề mặt khách quan, hồ sinh học tốn chi phí ban đầu cho mặt bằng xây dựng lớn tuy nhiên hệ thống xử lý vận hành đơn giản, chi phí xây dựng ít có thể tự cấp năng lượng trong quá trình vận hành trong khi đó các hệ thống xử lý nước thải khác có khối lượng và thời gian thi công lâu, chi Thông báo Khoa học và Công nghệ Information of Science and Technology Số 2/2016 No. 2/2016 150 phí điện năng vận hành hệ thống rất lớn trong suốt thời gian hoạt động. Ưu điểm của hồ có là có tính đệm cao, hồ có thể chịu được hàm lượng kim loại nặng lớn hơn các hồ thông thường, có thể điều tiết lượng nước thải đến để tránh sốc tải của lưu lượng vào. Đặc biệt hồ còn có khả năng xử lý các loại vi sinh vật gây bệnh mà không phải sử dụng hóa chất. Tuy nhiên, hồ có hiệu quả xử lý chất lơ lửng thấp hơn các công trinh xử lý khác do thường có nhiều tảo trong dòng chảy ra. Công nghệ xử lý nước thải bằng hồ sinh học được sử dụng rộng rãi ở các nước phát triển để xử lý nước thải, tái sử dụng nước. Đối với các nước đang phát triển, phạm vi áp dụng chỉ mới phổ biến ở quy mô công suất nhỏ. Tuy nhiên, vận hành các hồ sinh học ở các công trình hiện có tại Việt Nam có nhược điểm là thường sử dụng hệ thống thoáng khí nhân tạo, chủ yếu sử dụng hệ thống hồ hiếu khí làm mất đi tính đa dạng sinh học và lợi thế kỹ thuật và kinh tế của hồ sinh học. Với những ưu điểm và nhược điểm trên, hệ thống hồ sinh học xử lý nước thải nếu được áp dụng đúng thì đó là một hệ thống xử lý chi phí thấp, có thể duy trì hệ thống mà không cần phụ thuộc hoàn toàn vào điện năng và các thiết bị máy móc cơ khí phức tạp. Hệ thống được coi là công nghệ xử lý tự nhiên, gần gũi với tự nhiên, đáp ứng được các tiêu chí môi trường và thích ứng tốt với điều kiện khí hậu ấm nóng.Nếu quỹ đất quy hoạch phù hợp thì việc áp dụng công nghệ này để xử lý nước thải đô thị hoàn toàn khả thi. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Lều Thọ Bách, D.Xanhtoulis, Wang Chengduan và Hans Brix, 2010. “Xử lý nước thải chi phí thấp”, NXB Xây Dựng. [2]. Mara D.D., 2005. “Pond treatment technology”, IWA Publishing. [3]. Oswald, W.J., 1975. “Waste Pond Fuldamentals”, The World Bank. [4]. Sally Gutierrez (Director), National Risk Management Research Laboratory, 2011. “WastewaterTreatmentPond Systemsfor Plant Operators, Engineers, and Managers”, US EPA. [5]. Trần Đức Hạ, 2006. “Xử lý nước thải quy mô vừa và nhỏ”, NXB Xây dựng. [6]. Các trang Wed nước ngoài và tạp chí khác.