Nghiên cứu xử lý nước thải chế biến thủy sản bằng công nghệ Wetland trồng cây chuối hoa (Canna Generalis) đối với dòng chảy đứng

TAÏP CHÍ KHOA HOÏC ÑAÏI HOÏC SAØI GOØN Soá 59 - Thaùng 7/2018 19 Nghiên cứu xử lý nước thải chế biến thủy sản bằng công nghệ Wetland trồng cây chuối hoa (Canna Generalis) đối với dòng chảy đứng Treatment of Seafood Processing Wastewater by Canna Generalis in a Vertical Flow Constructed Wetlands Sinh viên Nguyễn Bửu Lộc, Trường Đại học Sài Gòn Nguyen Buu Loc, Student, Saigon University PGS.TS. Phạm Nguyễn Kim Tuyến, Trường Đại học Sài Gòn Pham Nguyen Kim Tuyen, Assoc. Prof., Ph.D., Saigon University ThS. Dương Thị Giáng Hương, Trường Đại học Sài Gòn Duong Thi Giang Huong, M.Sc., Saigon University Tóm tắt Nghiên cứu này xác định hiệu quả xử lý nước thải chế biến thủy sản bằng công nghệ đất ngập nước kiến tạo (wetland) đối với dòng chảy đứng, thực vật sử dụng trong đó là cây chuối hoa (Canna generalis). Thí nghiệm thực hiện trên ba thời gian lưu (HRT) khác nhau: HRT1= 12 giờ; HRT2= 24 giờ; HRT3= 36 giờ; tương ứng với tải lượng thủy lực (HLR): HLR1= 20 mm/ngày, HLR2 = 12 mm/ngày, HLR3 = 8 mm/ngày. Kết quả xử lý TSS đạt trên 80%, COD trên 75% ở cả ba thời gian lưu khảo sát. Hiệu quả xử lý TP tăng từ 33,3% đến 57,6% khi tăng thời gian lưu từ 12 giờ đến 36 giờ. Hiệu suất xử lý NH4+ khá ổn định ở khoảng 50,5 – 57,9%, trong khi hiệu quả xử lý tổng N tăng đáng kể từ 68 – 80,4%. Điều này cho thấy hiệu suất xử lý khá cao, có thể áp dụng vào thực tế nhưng cần kết hợp với các loài thực vật khác để xử lý tối ưu hơn. Từ khóa: Wetland, xử lý nước thải, nước thải chế biến thủy sản, cây chuối hoa. Abstact To determine the efficiency of seafood processing wastewater treatment by constructed wetland with vertical flow, the plant used in the study is Canna generalis. The experiment was conducted on three hydraulic retention times (HRT): HRT1 = 12 hours; HRT2 = 24 hours; HRT3 = 36 hours; corresponding to hydraulic loading rates (HLR): HLR1 = 20mm d-1, HLR2 = 12mm d-1, HLR3 = 8mm d-1. TSS mass removal rates were very high with efficiencies >80%, COD >75% in all three survey periods. The TP removal increased from 33.3% to 57.6% when the retention time increased from 12 hours to 36 hours. The NH4+ removal was quite stable at 50.5 - 57.9%, while total N removal increased significantly from 68 - 80.4%. This showed that the processing efficiency is quite high and it can be applied in practice but the process needs to be combined with other plants for optimal processing. Keywords: Wetland, wastewater treatment, seafood processing wastewater, Canna Generalis. NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN THỦY SẢN BẰNG CÔNG NGHỆ WETLAND 20 1. Giới thiệu Theo khảo sát của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn năm 2012, có khoảng 4,33% doanh nghiệp và cơ sở chế biến thủy sản chưa thực hiện báo cáo đánh giá tác động môi trường, gần 16% doanh nghiệp chưa xây dựng hệ thống xử lý nước thải mà thải vào hệ thống cống chung hoặc ra sông hồ gây ô nhiễm môi trường nước [2]. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là phương án tối ưu được nhiều doanh nghiệp ưa chuộng trong đó phải kể đến công nghệ Wetland. Công nghệ Wetland xử lý nước thải đã được nghiên cứu và ứng dụng từ năm 1950 ở Đức, ở Hoa Kỳ những năm 1970 [5] và hiện nay đã được sử dụng phổ biến để xử lý các loại nước thải khác nhau một cách hiệu quả, tiết kiệm chi phí. Trong đó, nước thải đô thị đã được nghiên cứu khá phổ biến ở Mount Pleasant (Utah), được Yue Zang thiết kế hệ thống xử lý nước thải đô thị và đạt hiệu suất xử lý BOD hơn 90%, TSS là 87,2%. Maurizio Borin đã thiết kế xử lý nước thải từ một trang trại nuôi heo ở Italy bằng công nghệ wetland với công suất 5 m3/ngày, kết quả xử lý khá tốt với hiệu suất loại bỏ COD là 79%, TN là 64%, Photpho là 61% [1] [10]. Hiện nay, nước ta đã có một số nghiên cứu về công nghệ Wetland trồng cây chuối hoa (Canna generalis) như ứng dụng của Nguyễn Xuân Cường để xử lý nước thải sinh hoạt của thành phố Đông Hà, xử lý 83,7% BOD và 75,5% TSS ở HLR = 5 cm/ngày [4]. Tuy nhiên, đối với nước thải chế biến thủy sản thì hiện nay vẫn chưa được nghiên cứu xử lý bằng công nghệ Wetland trồng cây chuối hoa. Do đó, đề tài “Nghiên cứu xử lý nước thải chế biến thủy sản bằng công nghệ Wetland trồng cây chuối hoa (Canna generalis) đối với dòng chảy đứng” sẽ đóng góp rất nhiều trong các nghiên cứu và ứng dụng các quá trình xử lý nước thải chế biến thủy sản. 2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu 2.1. Bố trí thí nghiệm a. Mô hình Wetland Mô hình được đặt tại phòng thí nghiệm Khoa Khoa học Môi trường, Trường Đại học Sài Gòn, bao gồm một bể chứa có kích thước 100 x 100 x 100 (cm) với độ dốc là 1%. Hình 1. Chi tiết mô hình thí nghiệm NGUYỄN BỬU LỘC - PHẠM NGUYỄN KIM TUYẾN - DƯƠNG THỊ GIÁNG HƯƠNG 21 Hình 2. Mô hình thí nghiệm thực tế b. Giá thể Giá thể được chứa trong bể và được xếp thành 3 lớp, trong đó các loại giá thể và chiều cao từng lớp từ dưới lên như sau:  Đá 4 x 6 (cm) có chiều cao 30 cm  Đá 1 x 2 (cm) có chiều cao 30 cm  Sỏi 0,5 x 1 (cm) có chiều cao 10 cm c. Cây trồng Cây trồng dùng trong thí nghiệm là cây chuối hoa (Canna generalis) có kích thước trung bình từ 30 – 40 cm. Mật độ cây trong bể là 25 cây/m2 vận hành với nước thải chế biến thủy sản trong 10 ngày để thực vật và vi sinh vật phát triển trước khi đưa vào xử lý chính thức. d. Nước thải đầu vào Nước thải chế biến thủy sản được lấy 3 ngày/lần tại bể thu gom của công ty chế biến thủy sản Agrex Sài Gòn (Số 10 Đường Bến Nghé, phường Tân Thuận Đông, quận 7, Tp. Hồ Chí Minh). Kết quả thể hiện trên Bảng 1. Bảng 1: Thông số nước thải đầu vào mô hình thí nghiệm (số mẫu = 45) Thông số Đơn vị Trung bình QCVN 11- MT:2015 /BTNMT cột B Độ lệch chuẩn Nhỏ nhất Lớn nhất pH - 5,7 5,5 - 9 0,5 5,1 6,8 Độ màu Pt- Co 153,9 - 95 80,6 490 TSS mg/L 303,6 100 211,4 110 956,7 NH4 + mg/L 25,5 20 11,7 15,5 62,5 COD mg/L 1822,5 150 393,6 1010,5 256 TN mg/L 71,3 60 46,4 46,4 95,5 TP mg/L 50,6 20 21 21 90 NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN THỦY SẢN BẰNG CÔNG NGHỆ WETLAND 22 2.2. Tiến hành thí nghiệm 2.2.1. Phân tích nước thải đầu vào Nước thải đầu vào được phân tích các chỉ tiêu pH, độ màu, TSS, COD, N-NH4+, tổng N, tổng P, rồi so sánh với QCVN 11 – MT: 2015/BTNMT cột B. Thí nghiệm được lặp lại 3 lần, 3 ngày/lần từ 1/10/2017 đến 21/11/2017. 2.2.2. Vận hành mô hình Nước được cấp liên tục vào mô hình và vận hành ở ba thời gian lưu:  HRT1 = 12 giờ (từ ngày 1/10 đến 15/10), lưu lượng Q1 = 0,025 m3/ngày, ứng với tải lượng thủy lực HLR1 = 25 mm/ngày.  HRT2 = 24 giờ (từ ngày 16/10 đến 30/10), lưu lượng Q2 = 0,012 m3/ngày, ứng với tải lượng thủy lực HLR2 = 12 mm/ngày.  HRT3 = 36 giờ (từ ngày 31/10 đến 21/11), lưu lượng Q3 = 0,008 m3/ngày, ứng với tải lượng thủy lực HLR3 = 8 mm/ngày. 2.2.3. Phân tích nước thải đầu ra Nước thải đầu ra sẽ được phân tích các chỉ tiêu pH, độ màu, TSS, COD, N-NH4+, tổng N, tổng P và so sánh kết quả với QCVN 11 – MT: 2015/BTNMT cột B từ đó đánh giá, nhận xét khả năng xử lý của mô hình thí nghiệm. Thí nghiệm được lặp lại 3 lần, 1 ngày/lần từ ngày 1/10/2017 đến 21/11/2017. 3. Kết quả 3.1. Biến động hiệu quả xử lý Bảng 2. Hiệu quả xử lý của HRT1 = 12 giờ Thông số Đơn vị HRT1 = 12 giờ QCVN 11-MT:2015/BTNMT cột B Đầu vào Đầu ra E (%) pH - 5,9 6,7 5,5 - 9 Độ màu Pt- Co 198,8 54,2 75,3 - TSS mg/L 518,2 80,5 83,9 100 NH4 + mg/L 27,9 14,3 50,5 20 COD mg/L 1466,8 367 75,1 150 TN mg/L 67,1 20,5 68 60 TP mg/L 47,1 31,4 33,3 20 Bảng 3. Hiệu quả xử lý của HRT2 = 24 giờ Thông số Đơn vị HRT2 = 24 giờ QCVN 11-MT:2015/BTNMT cột B Đầu vào Đầu ra E (%) pH - 5,7 6,9 5,5 - 9 Độ màu Pt- Co 127,1 17,2 86,1 - TSS mg/L 178,6 19 88,6 100 NH4 + mg/L 27,1 12,1 53,8 20 COD mg/L 1924,2 197,9 89,5 150 N mg/L 68,4 13,7 80,2 60 TP mg/L 45,9 25,9 42,6 20 NGUYỄN BỬU LỘC - PHẠM NGUYỄN KIM TUYẾN - DƯƠNG THỊ GIÁNG HƯƠNG 23 Bảng 4. Hiệu quả xử lý của HRT3 = 36 giờ Thông số Đơn vị HRT3 = 36 giờ QCVN 11-MT:2015/BTNMT cột B Đầu vào Đầu ra E (%) pH - 5.7 6,8 5,5 - 9 Độ màu Pt- Co 135,7 20,1 84,9 - TSS mg/L 214 17,1 92 100 NH4 + mg/L 21,5 9 57,9 20 COD mg/L 2076,3 163,6 91,9 150 TN mg/L 83,7 16,5 80,4 60 TP mg/L 58,9 24,2 57,6 20 Hình 3. Hiệu suất xử lý ở HRT1, HRT2 và HRT3 Bảng 2 - 4 và hình 3 thể hiện hiệu suất của mô hình ở HRT1 = 12 giờ, HRT2 = 24 giờ và HRT3 = 36 giờ. Khi tăng thời gian lưu thì hiệu suất (E) của COD, TSS, NH4+, TN, TP tăng. Nồng độ đầu ra của COD và TP vẫn còn vượt quy chuẩn khoảng 2 lần. 3.2. Kết quả xử lý COD, TSS, độ màu Hình 4. Kết quả nồng độ COD ở HRT1, HRT2, HRT3 NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN THỦY SẢN BẰNG CÔNG NGHỆ WETLAND 24 Hình 5. Kết quả nồng độ TSS ở HRT1, HRT2, HRT3 Kết quả hiệu suất và nồng độ COD, TSS, độ màu, NH4+, TN, TP được thể hiện ở Bảng 2 - 4 và Hình 4 - 9. Hiệu suất xử lý COD trên 75% ở cả ba HRT, tăng dần từ HRT1 – HRT3. Trong đó, ở HRT1 là 75,1% tương đối cao, HRT2 có hiệu suất tăng mạnh so với HRT1 là 89,5% và HRT3 có hiệu suất cao nhất là 91,9%. Tại HRT1 (với tải lượng thủy lực HLR1 = 25 mm/ngày) có hiệu suất trung bình 75,1%, nồng độ COD ra là 367 mg/L, khá đáng kể so với báo cáo của Hanna Obarska-Pemkowiak ở tải lượng thấp HLR = 15 mm/ngày, hiệu suất COD là 82,3%, nồng độ COD ra là 143,3 mg/L [8]. Hiệu quả xử lý trung bình TSS tăng đều từ HRT1 – HRT3 và có hiệu suất trên 80%; trong đó HRT1 có hiệu suất khá cao là 83,9%, hiệu suất xử lý TSS ở HRT2 cao hơn so với HRT1 là 88,6% tương đối hiệu quả so với báo cáo của Jerry Coleman ở HLR = 12,6 mm/ngày, hiệu suất xử lý TSS trung bình 70% [3] và HRT3 có hiệu suất cao nhất là 92%. Hình 6. Kết quả giá trị độ màu ở HRT1, HRT2, HRT3 NGUYỄN BỬU LỘC - PHẠM NGUYỄN KIM TUYẾN - DƯƠNG THỊ GIÁNG HƯƠNG 25 Độ màu có hiệu suất xử lý trên 75% ở cả ba HRT nghiên cứu, tương đối hiệu quả so với hiệu suất xử lý 43,6% trong báo cáo của Oladejo, O. Seun (2015) ở thời gian lưu 10 ngày [7]. Hiệu quả xử lý độ màu ở cuối giai đoạn vận hành giảm nhẹ, có thể do ảnh hưởng của sự thoái hóa thực vật, làm tăng độ màu trong nước thải đầu ra. Tuy nhiên cần nghiên cứu thêm để đánh giá chính xác hơn. 3.3. Kết quả xử lý NH4+, TN, TP Hình 7. Kết quả nồng độ NH4+ ở HRT1, HRT2, HRT3 Khi tăng thời gian lưu thì hiệu suất xử lý NH4 + vẫn ổn định từ 50,5 – 57,9%. Trong đó, ở HRT1 có hiệu suất xử lý NH4+ thấp nhất là 50,5%, HRT2 là 53,8% và HRT3 có hiệu suất cao nhất là 57,9%. Tương tự như nghiên cứu của Hanna Obarska-Pemkowiak có hiệu suất xử lý NH4 + từ 48 – 59% với HLR = 15 mm/ngày [8]. Hiện tượng này xảy ra vì trong quá trình vận hành không có sự sục khí nên quá trình nitrat hóa diễn ra chậm. Do đó nghiên cứu thêm các quá trình thông khí anh hưởng lên hiệu quả xử lý amoni (NH4+) trong nước thải. Hình 8. Kết quả nồng độ TN ở HRT1, HRT2, HRT- NGHIÊN CỨU XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHẾ BIẾN THỦY SẢN BẰNG CÔNG NGHỆ WETLAND 26 Hình 9. Kết quả nồng độ TP ở HRT1, HRT2, HRT3 Hiệu quả xử lý TN từ 68 – 80,4% khi tăng thời gian lưu (HRT) từ 12 – 36 giờ, tương tự như báo cáo của Prapa Sohsalam (2007) ở HRT từ 1 – 5 ngày với hiệu suất xử lý TN từ 78 – 87% được nghiên cứu với mô hình tương tự sử dụng thực vật T. deabata J. Fraser [9]. Hiệu quả xử lý TP khá thấp, dao động từ 33,3 – 57,6% , cũng tương đồng với báo cáo của Xianqiang Tang (2011) với hiệu suất TP trung bình 60% ở tải lượng thủy lực (HLR) là 19,6 mm/ngày. Kết quả tương tự được Dennis Konnerup báo cáo trong nghiên cứu xử lý nước thải đô thị sử dụng cây chuối hoa với hiệu suất xử lý TP là 35% ở tải lượng HLR = 55 mm/ngày [6]. Do thực vật chỉ hấp thụ một phần TP và sự ảnh hưởng của hàm lượng TP trong phần lắng đến nước thải đầu ra, nên hiệu suất xử lý vẫn còn khá thấp. 4. Kết luận Kết quả cho thấy mô hình thí nghiệm ở thời gian lưu từ 12 – 36 giờ có khả năng xử lý hiệu quả cao, hầu hết chỉ tiêu đạt quy chuẩn; riêng TP và COD vẫn còn vượt QCVN 11-MT:2015/BTMT cột B đến 2 lần, nên cần tiếp tục nghiên cứu ở những mô hình tương tự đối với các loại thực vật khác để đảm bảo nước thải đầu ra đạt quy chuẩn hiện hành. Tuy nhiên, hiệu suất xử lý COD, TSS. TN là khá cao do, đó có thể áp dụng mô hình vào thực tế đối với nước thải cần xử lý các thông số trên để tiết kiệm chi phí tối ưu hơn. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Borin, M. et al (2012), Performance of a hybrid constructed wetland treating piggery wastewate, University of Padova, Viale Dell’Università 16, 35020 Legnaro (Padova), Italy. 2. Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn (2012), Hội thảo thực trạng môi trường các cơ sở chế biến thủy sản. 3. Coleman, J. (2001), Treatment of Domestic Wastewater by Three Plant Species in Constructed Wetlands, Water Air and Soil Pollution. 4. Nguyễn Xuân Cường, Nguyễn Thị Loan (2015), Hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt của hệ thống đất ngập nước nhân tạo tích hợp, Đại Học Huế. 5. Nguyễn Thị Thanh Huệ (2012), Nghiên cứu và đánh giá hiệu quả xử lý nước thải bằng thực vật thủy sinh, Đại Học Khoa học Tự nhiên. 6. Konnerup, D. et al (2008), Treatment of domestic wastewater in tropical, subsurface flow constructed wetlands planted with Canna and Heliconia, ecological engineering 35 NGUYỄN BỬU LỘC - PHẠM NGUYỄN KIM TUYẾN - DƯƠNG THỊ GIÁNG HƯƠNG 27 (2009) 248–257. 7. Oladejo, O. Seun et al (2015), Kitchen Wastewater Treatment with Constructed Wetland Using Water Hyacinth, International Journal of Scientific & Engineering Research. 8. Pemkowiak, H.O et al (2010), Application of Vertical Flow Constructed Wetlands for Highly Contaminated Wastewater Treatment: Preliminary Result, Springer Science +Business Media B.V. 2010. 9. Sohsalam, P. et al (2007), Seafood wastewater treatment in constructed wetland: Tropical case, Bioresource Technology 99 (2008) 1218–1224. 10. Zang, Y. (2012), Design of a Constructed Wetland for Wastewater Treatment and Reuse in Mount Pleasant, Utah, Utah State University. Ngày nhận bài: 04/10/2017 Biên tập xong: 15/7/2018 Duyệt đăng: 20/7/2018