Nghiệm thu đề tài KH cấp Bộ XD: "NC đề xuất giải pháp xử lý chất thải nhà tiêu, nước thải sinh hoạt và chất thải rắn theo hướng vệ sinh sinh thái, khép kín, phù hợp với vùng hải đảo"

Ngày 07/08/2020, Hội đồng Tư vấn Bộ Xây dựng đã tổ chức cuộc họp đánh giá, nghiệm thu kết quả thực hiện Đề tài “Nghiên cứu đề xuất giải pháp xử lý chất thải nhà tiêu, nước thải sinh hoạt và chất thải rắn theo hướng vệ sinh sinh thái, khép kín, phù hợp với vùng hải đảo”, do Trường Đại học Xây dựng thực hiện (2017 – 2019). Tại cuộc họp, sau khi tổng hợp các ý kiến nhận xét, góp ý của các chuyên gia phản biện và thành viên Hội đồng, Vụ trưởng Vụ KHCNMT, Bộ Xây dựng, PGS. TS. Vũ Ngọc Anh, Chủ tịch Hội đồng đánh giá cao sự cố gắng, nghiêm túc của nhóm nghiên cứu Trường Đại học Xây dựng trong quá trình thực hiện đề tài. Các sản phẩm đề tài đầy đủ về số lượng theo yêu cầu của Hợp đồng và đảm bảo chất lượng. Báo cáo tổng kết đề tài đạt chất lượng tốt. Các sản phẩm có ý nghĩa khoa học lẫn giá trị thực tiễn, các giải pháp kỹ thuật được nghiên cứu, hoàn thiện đảm bảo chất lượng và có tính khả thi cao, giải quyết trọn gói các vấn đề về vệ sinh môi trường, phù hợp với các hải đảo. Hội đồng Tư vấn Bộ Xây dựng nhất trí bỏ phiếu nghiệm thu Đề tài với kết quả đạt loại Xuất sắc.

Hình 1. Đại diện Trường Đại học Xây dựng và nhóm thực hiện đề tài tại Hội đồng nghiệm thu Bộ Xây dựng

ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Đất nước ta có Biển Đông, một biển lớn, quan trọng của khu vực và thế giới, với diện tích hơn 1 triệu km², gấp hơn 3 lần diện tích đất liền. Vùng biển Việt Nam có hơn 3.000 đảo lớn, nhỏ, với diện tích phần đất nổi khoảng 1.636 km². Cả nước có 12 huyện đảo, 53 xã đảo, khoảng 20 triệu dân sống ở ven bờ biển và 17 vạn người sống ở các đảo. Biển, đảo là bộ phận lãnh thổ thiêng liêng của Tổ quốc, có vị trí đặc biệt quan trọng trong sự nghiệp xây dựng, phát triển và bảo vệ đất nước.

Điều kiện khí hậu vùng biển đảo nói chung là khắc nghiệt, nhiều nắng gió, mưa bão, nhiệt đới ẩm và gió mùa, nhiệt độ và độ ẩm không khí cao, thời gian ẩm ướt kéo dài và tác động của nước biển cũng như khí quyển trên biển, ven biển gây ăn mòn mạnh đối với các kết cấu xây dựng bằng bê tông và kim loại, trong đó có cốt thép trong BTCT. Các tác động của biến đổi khí hậu lên các khu vực ven biển, hải đảo lại ngày càng rõ rệt.

Các dịch vụ cấp thoát nước, thu gom và xử lý chất thải rắn ở nhiều vùng ven biển, hải đảo còn rất hạn chế, bất cập, do chưa có quy hoạch hợp lý, thiếu đầu tư đồng bộ, do khả năng tiếp cận khó khăn và không có kinh phí bảo trì, … Đặc biệt, còn rất thiếu các giải pháp cung cấp nước sạch, thu gom và xử lý nước thải, xử lý chất thải rắn cho các địa điểm xa xôi, khó tiếp cận ở ven biển và trên các đảo, cho các đơn vị bộ đội hay dân cư. Mô hình nhà tiêu trên các đảo chủ yếu là loại nhà tiêu dội nước với bể tự hoại xây bằng gạch, đá, ... Ở những nơi thiếu nước ngọt, bộ đội và cư dân trên đảo sử dụng nước biển để dội nhà tiêu. Trong môi trường nước biển mặn, vi sinh vật trong bể tự hoại không phân hủy được chất thải hoặc phân hủy rất chậm. Nước thải sau bể tự hoại, nước rửa, … phần lớn đều cho thấm ra cát, chảy thẳng ra biển.  Có nơi, phân bùn từ bể tự hoại không phân hủy được, trôi nổi xung quanh đảo. Cách làm trên dẫn đến môi trường biển, đặc biệt ở mép nước xung quanh đảo bị ô nhiễm nặng, ảnh hưởng nhiều đến sức khỏe, sinh hoạt và hoạt động tuần tra, bảo vệ biển đảo của bộ đội hay cuộc sống của người dân, khách du lịch. Nước ngọt để sinh hoạt vùng ven biển, hải đảo nói chung rất khan hiếm, chưa nói đến nước tưới rau, chăn nuôi gà, lợn. Phân bón, chất cải tạo đất cũng khan hiếm để có thể trồng được rau xanh, thực phẩm thiết yếu để duy trì cuộc sống trên đảo. Điều kiện tiếp tế lương thực, nước uống từ đất liền ra đảo nhiều khi gặp khó khăn do khoảng cách xa, những ngày sóng to gió lớn, biển động, những phức tạp do xung đột quốc tế vùng biển tranh chấp, …

Mục tiêu của đề tài nhằm phát triển các mô hình và giải pháp kỹ thuật vệ sinh phù hợp, theo hướng sinh thái, khép kín, cho phép xử lý tổng hợp chất thải nhà tiêu, nước thải sinh hoạt và chất thải rắn hữu cơ cho các đơn vị bộ đội, cụm gia đình sống trong môi trường hải đảo; kiểm soát hiệu quả ô nhiễm do chất thải sinh hoạt, thu hồi được các chất cần thiết để tái sử dụng trong trồng trọt và chăn nuôi, góp phần bảo vệ sức khỏe, cải thiện điều kiện sinh hoạt, chiến đấu cho bộ đội và cư dân, bảo vệ môi trường, bảo vệ chủ quyền biển đảo.

MỘT SỐ GIẢI PHÁP DO ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU, TRIỂN KHAI ÁP DỤNG:

Nhà tiêu khô ủ phân, chế tạo sẵn kiểu mô đun và giải pháp tạo kết tủa giàu phốt pho (lân) làm phân bón từ nước tiểu + nước biển

Do điều kiện thiếu nước dội, cũng như nhu cầu sử dụng chất dinh dưỡng trong trồng trọt, nhóm nghiên cứu đã đề xuất mô hình Nhà tiêu khô ủ phân, chế tạo sẵn kiểu mô đun để xử lý chất thải nhà tiêu. Chất thải nhà tiêu được ủ compost để làm phân bón. Nước tiểu (giàu P, N) có thể trộn lẫn với nước biển (giàu Mg²⁺), ở điều kiện pH = 8, để tạo thành chất kết tủa (struvite) làm phân bón magne­sium ammonium phosphate hydrate (MAP). Phân bón MAP có chứa tới 35,6% PO₄^3-, 4,3% NH₄⁺ và 15,4% Mg. Phương trình phản ứng xảy ra như sau:

Mg²⁺ + NH₄⁺ + PO₄^3- + 6H₂O = MgNH₄PO₄.6H₂O↓

Hình 2 giới thiệu mô hình nhà tiêu khô ủ phân, tách nước tiểu do đề tài nghiên cứu lắp đặt và chuyển giao cho đơn vị bộ đội tại đảo Cát Bà. Với tỷ lệ theo thể tích giữa Nước biển/Nước tiểu 5,56 : 1, cho hiệu suất thu hồi phốt pho đạt đến 95,31% (Hình 3). Nhà tiêu đáp ứng QCVN 01:2011/BYT về Nhà tiêu hợp vệ sinh của Bộ Y tế.

Hình 2. Nhà tiêu khô, ủ phân, tách nước tiểu, lắp đặt cho đơn vị bộ đội Đảo Cát Bà

Hình 3. Thí nghiệm tạo kết tủa struvite MAP để thu hồi phốt pho từ nước tiểu

Bể tự hoại chế tạo sẵn bằng composite

Ở những nơi có nước ngọt để dội nhà tiêu, nhóm nghiên cứu đã đề xuất mô hình bể tự hoại chế tạo sẵn bằng composite (Hình 4), có cấu trúc xếp chồng lên nhau được để thuận tiện cho việc vận chuyển ra đảo bằng tàu, thuyền, cũng như vận chuyển từ tàu, thuyền lên đảo bằng tay. Vỏ bể composite đáp ứng yêu cầu làm việc trong môi trường biển, tham khảo TCVN  6282 : 2003.

Hình 4. Bể tự hoại chế tạo sẵn bằng composite dùng cho vùng biển đảo

Bể tự hoại dội bằng nước biển, sử dụng chế phẩm vi sinh chịu mặn

Với những nơi thiếu nước ngọt nhưng vẫn có nhu cầu hay thói quen sử dụng nhà tiêu dội nước, để có thể dội nhà tiêu tự hoại bằng nước biển, chế phẩm sinh học xử lý chất thải nhà tiêu trong môi trường nước biển đã được nghiên cứu, phối hợp giữa Trường ĐHXD và Viện Vi sinh vật và Công nghệ sinh học, ĐHQG Hà Nội. Kết quả là bùn kỵ khí BKM có tính thích nghi cao với điều kiện nước biển đã được nuôi tăng sinh thành công. Sản phẩm BKM sau khi nhân nuôi chứa 2,8´10⁹ MPN/ml methanogens và 4,6´10¹⁰ MPN/ml vi khuẩn kỵ khí tổng số, hoạt tính sinh methane ổn định ở 0,867±0,042 gCOD-CH₄/gVSS.ngày, chỉ số thể tích bùn - Sludge volume index (SVI) là 15,8±0.84 ml/g, bùn hạt có kích thước 1-2 mm chiếm tỷ lệ > 50% trong phân bố kích thước hạt bùn. Chế phẩm vi sinh BKMA chứa bùn BKM vi bao trong màng alginate cũng đã được tạo ra, giúp ổn định vi sinh vật trong bùn về số lượng cũng như hoạt tính sinh methane. Các hạt gel alginate chứa bùn BKM có màu xám đen, đường kính ~ 4.5 mm, mật độ methanogens đạt 10⁸ – 10⁹ MPN/ml, hoạt tính sinh methane ổn định ở ~ 0,83 gCOD-CH₄/gVSS.ngày.

Hình 5. Chế phẩm vi sinh BKMA dùng cho Bể tự hoại dội bằng nước biển (phải) và Chế phẩm Bio-MAT dùng cho phân hủy rác hữu cơ (trái)

Chế phẩm BKMA đã được sử dụng để xử lý nước thải trong 2 bể tự hoại dội bằng nước biển lắp đặt tại đảo Cát Bà và đảo Vĩnh Thực, Quảng Ninh. Kết quả vận hành liên tục trong 2 năm (2017 – 2019) cho thấy chế phẩm có tác dụng hỗ trợ khởi động và ổn định hiệu quả xử lý, bùn phát triển tốt và nước đầu ra có chất lượng cải thiện rõ rệt. Chế phẩm cho thấy có thể dùng cho nhà tiêu tự hoại dội bằng nước biển có hàm lượng muối đến 30 g/L.

Hình 6. Bể tự hoại dội bằng nước biển tại Đảo Vĩnh Thực

1. Lấy mẫu đánh giá hoạt động của Bể tự hoại; b) Từ trái sang phải: Mẫu nước biển, Mẫu bùn đáy, Mẫu nước trong bể, Mẫu đầu ra khỏi Bể tự hoại.

Cụm bể xử lý nước thải chế tạo sẵn bằng composite BASTAFAT

Nhóm nghiên cứu đã triển khai 2 mô hình bể xử lý nước thải sinh hoạt chế tạo sẵn kiểu mô đun: Mô hình lọc kỵ khí kết hợp lọc hiếu khí, với giá thể vi sinh bằng đá xốp hay nhựa rỗng; và Mô hình bể tự hoại cải tiến với vách ngăn mỏng và ngăn lọc kỵ khí BASTAT kết hợp với bể xử lý hiếu khí AT (Mô hình BASTAFAT).

Hình 7. Hệ BASTAFAT lắp đặt tại đơn vị bộ đội Đảo Vĩnh Thực

Hình 8. Hệ BASTAFAT lắp đặt tại đơn vị bộ đội Đảo Cô Tô

Hình 7 giới thiệu mô hình bể xử lý nước thải chế tạo sẵn bằng composite BASTAFAT công suất 1-5m³/ngày, bao gồm bể tự hoại cải tiến với vách ngăn mỏng và ngăn lọc kỵ khí BASTAT kết hợp với bể xử lý hiếu khí AT. Nước được cấp lên ngăn hiếu khí AT chứa các đầu phân phối và lớp vật liệu lọc hiếu khí bằng bơm, hoạt động bằng 2 nguồn điện: điện pin mặt trời và điện lưới, có kiểm soát on-line thông qua điện thoại thông minh. Tùy theo yêu cầu, hệ thống được thiết kế với ngăn khử trùng bằng viên Clo hay đèn chiếu tia cực tím (UV). Chế độ làm việc của hệ thống được kiểm soát tự động theo thời gian hay theo mực nước bằng bộ điều khiển PLC.

Mô hình có thể được áp dụng để xử lý nước thải sinh hoạt từ các hộ gia đình, nhóm hộ, các công trình công cộng, các cơ sở du lịch, dịch vụ, các đơn vị bộ đội, vv... Nước thải sau xử lý đạt mức A, QCVN 40:2011/BTNMN và QCVN 14:2008/BTNMT.

Hệ BASTAFAT sử dụng nguồn điện chính là Tấm pin mặt trời IREX Poly 260Wp, bộ sạc năng lượng mặt trời MPPT SNRE 30A, Inverter 1000VA Sine để cấp điện cho Bơm nước thải chìm, với Bình ắc quy SEC 12V DC. Hệ thống sử dụng Bộ giám sát và thu thập dữ liệu từ xa Be-link V2, thu thập dữ liệu gửi về server. Tủ điện được lắp Đồng hồ MFM 383AC đo các thông số tức thời của tải khi máy bơm hoạt động. Các bơm được lắp khởi động từ, bộ rơ le cài đặt thời gian, có thể hoạt động bằng nguồn pin mặt trời hay điện lưới.

Hệ BASTAFAT có giải pháp cấp khí cho bể hiếu khí AT rất hiệu quả thông qua máy bơm và hệ thống đầu phun, do vậy không cần máy thổi khí. Hệ có giải pháp thiết kế tách rác, cát, cặn, để bảo vệ bơm chìm. Bể kín, khít, không rò rỉ, có độ bền cao, chịu được tác động cơ học, không bị ăn mòn trong điều kiện khắc nghiệt vùng biển đảo. Bể có thể được sản xuất ở quy mô công nghiệp, trọng lượng mỗi bể dưới 50kg, cho phép vận chuyển bằng tay lên tàu, thuyền, chuyển từ tàu, thuyền qua xuồng hay từ xuồng xuống đảo dễ dàng. Hình dáng của các bể xử lý cho phép xếp chồng được nhiều bể lên nhau, thuận tiện cho việc vận chuyển. Do các cấu kiện đều được chế tạo sẵn, nên quá trình lắp đặt đơn giản, thuận tiện, rút ngắn được tiến độ thi công. Hệ thống gọn, yêu cầu diện tích ít, tránh được mùi và đảm bảo mỹ quan. Các nắp thăm cho phép bảo trì dễ dàng. Ngoài ra, giải pháp này cho phép tiết kiệm được chi phí xây dựng mạng lưới thoát nước, do có thể xả được trực tiếp nước sau xử lý ra môi trường hay ra mạng lưới thoát nước mưa.

Thiết bị ủ phân vi sinh kiểu trống quay

Hình 9, 10 giới thiệu thiết bị ủ phân vi sinh kiểu trống quay, cho phép xử lý các loại chất thải rắn sinh hoạt hữu cơ, chất thải nhà tiêu, chất thải chuồng trại chăn nuôi, … làm phân compost, có bổ sung chất độn và chế phẩm vi sinh. Thùng ủ được làm bằng composit hay nhựa HDPE tái chế, thể tích 220 L. Xung quanh thân thùng đục 4 hàng lỗ (đường kính 10 mm) để thoáng khí. Trong thùng ủ có gắn các cánh tay bằng thép không gỉ, so le nhau, để trộn đều nguyên liệu khi quay. Thùng ủ được đặt nằm ngang trên giá gỗ hoặc thép, và quay quanh trục quay bằng ống thép. Mô hình này cho phép đảo trộn thuận tiện, giữ đống ủ thoáng khí và không bị mất nhiệt, cũng như giữ được vệ sinh nhờ giảm bớt mùi, giữ đống ủ không bị ngập nước khi mưa, tránh rò rỉ nước rác.

Ngoài chất thải sinh hoạt hữu cơ, chất thải nhà tiêu hay chất thải chăn nuôi, có thể đưa vào thùng ủ các chất độn khác như lá cây, vỏ gỗ, vv… Chất độn này có tác dụng bổ sung nguồn các bon, giúp làm giảm độ ẩm của hỗn hợp chất thải, tạo độ rỗng xốp và thoáng khí cho đống ủ. Tỷ lệ các vật liệu ủ cần đảm bảo tỷ lệ C/N của hỗn hợp trong khoảng 25-30/1.

Để rút ngắn quá trình ủ và làm phong phú thêm mật độ các vi sinh vật có ích trong compost, có thể bổ sung các loại chế phẩm sinh học thường được sử dụng để xử lý phế thải nông nghiệp và chất thải của vật nuôi. Các chế phẩm này thường bao gồm các chủng vi sinh vật hữu ích, sinh tổng hợp mạnh các enzym ngoại bào (xenluloza, amylaza và proteinaza), có khả năng sinh kháng sinh ức chế nấm mốc, vi khuẩn gram âm, và chứa các vi khuẩn Lactobacillus có tác dụng ức chế mạnh các vi khuẩn gây bệnh như E.Coli, Salmonella, vv.

Mô hình thu gom nước mưa và xử lý, cấp nước uống trực tiếp

Đề tài nghiên cứu, lắp đặt mô hình thu gom nước mưa với bể nước mưa bằng composite, sử dụng vật liệu phù hợp cho đựng nước ăn uống, hệ thống thu gom có tự động xả nước mưa đợt đầu, và hệ thống lõi lọc nước mưa nhiều bậc kết hợp với khử trùng bằng tia cực tím để cấp nước uống trực tiếp.

Hình 11. Hệ thống thu gom và xử lý nước mưa, cấp nước uống trực tiếp, lắp đặt cho đơn vị bộ đội Đảo Cô Tô

Hình 12. Tập huấn vận hành, bảo dưỡng và bàn giao hệ xử lý nước thải BASTAFAT cho bộ đội đảo Vĩnh Thực

KẾT QUẢ THU ĐƯỢC VÀ MỘT SỐ ĐIỂM MỚI, SÁNG TẠO

Nhóm đề tài đã nghiên cứu, triển khai và bàn giao, đưa vào sử dụng thành công 02 nhà tiêu dội bằng nước biển, 03 nhà tiêu khô sinh thái, 03 mô hình xử lý nước thải sinh hoạt, 02 mô hình ủ phân compost, 01 mô hình thu gom, xử lý, sử dụng nước mưa cho các đơn vị bộ đội và các hộ dân tại Đảo Cát Bà (Hải Phòng), Vĩnh Thực, Cô Tô (Quảng Ninh).

Dựa trên kết quả nghiên cứu, các giải pháp hạ tầng kỹ thuật tổng thể cho đơn vị bộ đội, điểm dân cư vùng biển đảo được thiết lập, bao gồm giải pháp xử lý chất thải nhà tiêu, xử lý chất thải rắn sinh hoạt, thu gom, xử lý nước thải, lồng ghép với mô hình thu gom nước mưa, mô hình năng lượng mặt trời, đồng thời cho phép tái sử dụng nước thải đã qua xử lý, phân ủ vi sinh, … Có thể linh hoạt mở rộng, tích hợp thêm các giải pháp phù hợp khác như làm ngọt nước biển, sử dụng nước tiết kiệm, năng lượng tái tạo (năng lượng gió), chăn nuôi và trồng trọt... Trong hệ thống này, các dòng thải được tách riêng và xử lý, tái sử dụng ngay tại nguồn, tạo điều kiện thuận lợi để áp dụng các quá trình xử lý hiệu suất cao, thực hiện được các chu trình tuần hoàn nước và chất dinh dưỡng, đồng thời tiết kiệm năng lượng.

Hình 13. Mô hình tổng thể Cấp thoát nước - vệ sinh môi trường đề xuất cho vùng biển đảo

Chế phẩm vi sinh cho nhà tiêu tự hoại sử dụng nước biển để dội (có hàm lượng muối hòa tan đến 30 g/L) là một sản phẩm có tính mới, sáng tạo. Mô hình nhà tiêu khô, tách nước tiểu, ủ phân, có thể ủ kết hợp với chất thải rắn sinh hoạt hữu cơ, chế biến thành phân compost bón cây, cải tạo đất trên đảo; nước tiểu trộn với nước biển tạo kết tủa struvite giàu chất dinh dưỡng (N, P) làm phân bón rất tốt cho cây trồng. Bể xử lý nước thải, bao gồm các quá trình kỵ khí kết hợp hiếu khí, với giải pháp cung cấp oxy cho ngăn hiếu khí không cần máy sục khí, và bơm sử dụng nguồn điện lưới hoặc pin mặt trời, có thể giám sát hệ thống on-line, với thiết kế thông minh, vừa giảm giá thành, vừa đảm bảo hiệu suất xử lý cao. 

Các công trình bể chứa nước, nhà tiêu, công trình xử lý nước thải và chất thải rắn được nghiên cứu theo hướng chế tạo sẵn kiểu mô đun, bằng vật liệu composite có độ bền cao, chịu được môi trường nước mặn, có kết cấu gọn nhẹ và chắc chắn, có thể tháo lắp để dễ vận chuyển bằng đường biển và đường hàng không và lắp đặt, sử dụng, di chuyển trên đảo, vùng ven biển. Giải pháp thiết kế, thi công, lắp đặt và quy trình vận hành, bảo dưỡng đã được hoàn thiện, sẵn sàng chuyển giao để áp dụng vào thực tế.

Nhóm nghiên cứu đã công bố 5 bài báo, báo cáo tại 2 hội nghị, và 1 hồ sơ đăng ký sở hữu trí tuệ. Có 2 nghiên cứu sinh, 2 học viên cao học được thừa hưởng kết quả nghiên cứu.

Nhóm nghiên cứu: GS. TS. Nguyễn Việt Anh (chủ trì), ThS. Nguyễn Việt Anh, TS. Đỗ Hồng Anh, ThS. Trần Hoài Sơn, TS. Đào Anh Dũng, TS. Phạm Duy Đông, PGS. TS. Trần Việt Nga, PGS. TS. Trần Hiền Hoa, CN. Lương Hải Yến, và các CTV.