NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG THỰC VẬT THỦY SINH

Nghiên cứu và đánh giá hiệu quả xử lý nước rỉ rác bằng thực vật thủy sinh Mở đầu Sự phát triển ngày một cao của nền kinh tế đi đôi với quá trình đô thị hóa đã làm cho diện tích đất ngà

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-NGUYỄN THỊ THANH HUỆ

NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI

BẰNG THỰC VẬT THỦY SINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2012

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-NGUYỄN THỊ THANH HUỆ

NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI

BẰNG THỰC VẬT THỦY SINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2012

́ ĐẠI HỌC QUÔC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN THỊ THANH HUỆ

NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC

THẢI BẰNG THỰC VẬT THỦY SINH

Chuyên ngành: Khoa học môi trường

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DÂN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN THỊ LOAN

Hà Nội – 2012

Nghiên cứu và đánh giá hiệu quả xử lý nước thải bằng thực vật thủy sinh

Nguyễn Thị Thanh Huệ K17 Cao học môi trường 1

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG I 7

TỔNG QUAN VỀ ĐẤT NGẬP NƯỚC VÀ THỰC VẬT ĐẤT NGẬP NƯỚC 7

1.1 Khái quát về Đất ngập nước 7

1.1.1 Các định nghĩa về Đất ngập nước 7

1.1.2 Chức năng của đất ngập nước 9

1.2 Khái quát nhóm thực vật đất ngập nước 10

1.2.1 Giới thiệu chung 10

1.2.2 Phân loại các nhóm thực vật thuỷ sinh 10

1.3 Các loại hình đất ngập nước và quá trình xử lý trong đất ngập nước 14

1.3.1 Lịch sử sử dụng đất ngập nước để làm sạch nước 14

1.3.2 Các loại hình đất ngập nước 15

CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30

2.1 Đối tượng nghiên cứu 30

2.1.1 Nguồn nước rỉ rác từ bãi chôn lấp Thị xã Hùng Quốc, Huyện Trà Lĩnh 30

2.1.2 Thực vật lựa chọn trong đất ngập nước 34

2.2 Phương pháp nghiên cứu 35

2.2.1 Phương pháp tổng quan thu thập tài liệu 35

2.2.2 Phương pháp điều tra và phỏng vấn ngoài thực địa 36

2.2.3 Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu 36

2.2.4 Phương pháp chuyên gia 36

2.2.5 Phương pháp phân tích tổng hợp đánh giá 36

2.2.6 Các phương pháp tính toán 36

CHƯƠNG III: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 40

3.1 Đánh giá hiệu quả xử lý nước rỉ rác của một số hệ thống đất ngập nước trên thế giới và Việt Nam 40

Nghiên cứu và đánh giá hiệu quả xử lý nước thải bằng thực vật thủy sinh

Nguyễn Thị Thanh Huệ K17 Cao học môi trường 2

3.2 Kết quả nghiên cứu về tính khả thi của loài thực vật lựa chọn 47

3.3 Đề xuất mô hình xử lý nước rỉ rác cho bãi chôn lấp rác thải của thị trấn Hùng Quốc – Huyện Trà Lĩnh – Tỉnh Cao Bằng 51

3.4 Mô hình hệ thống xử lý nước rỉ rác bằng cỏ Vetiver 54

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 617

PHỤ LỤC……… ……… 62

Nghiên cứu và đánh giá hiệu quả xử lý nước rỉ rác

bằng thực vật thủy sinh

Mở đầu

Sự phát triển ngày một cao của nền kinh tế đi đôi với quá trình đô thị hóa đã làm cho diện tích đất ngày càng thu hẹp trong đó có quá trình chuyển hóa đất ngập nước sang sản xuất nông nghiệp hoặc nuôi trồng thủy sản hay san lấp để tạo ra các vùng đất cho phát triển công nghiệp, đô thị Trong khi đó, đất ngập nước lại có một vai trò hết sức quan trọng đối với cuộc sống con người Một vai trò hết sức quan trọng của đất ngập nước đó

là khả năng đồng hóa và xử lý chất ô nhiễm bởi tự nhiên và các hoạt động của con người gây ra…

Hiện nay, xử lý nước rỉ rác từ các bãi chôn lấp rác hiện đang là vấn đề

"nóng" tại các đô thị lớn ở Việt Nam Ðây là nguồn nước thải độc hại do có chứa nhiều chất độc hại hủy diệt đối với sinh vật và con người như ni-tơ, a-mô-ni-ắc, vi khuẩn gây bệnh đường ruột, BOD

Có nhiều công trình nghiên cứu và ứng dụng xử lý nước rỉ rác, nhưng phần lớn các công trình này hiệu quả đều không cao, không đáp ứng được yêu cầu xử lý đạt tiêu chuẩn thải với các chỉ tiêu COD và ni-tơ tổng Cùng với các nghiên cứu về việc sử dụng ĐNN nhân tạo để xử lý nước rỉ rác, chúng tôi nhận thấy các loại đất ngập nước có thể được kết hợp để đạt được hiệu quả xử lí cao hơn, đặc biệt là với xử lí nitơ

Tổng quan về đất ngập nước và thực vật đất ngập nước

Đất ngập nước được sử dụng để cải thiện chất lượng nước được biết đến vào những thập kỷ 20 của thế kỷ trước, nhưng hầu hết là các đất ngập nước tự nhiên Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp đất ngập nước tự nhiên chỉ đơn giản được xem là một nguồn tiếp nhận nước thải gần và thuận tiện hơn so với các con sông và các thủy vực khác Hơn nữa, các vùng đất ngập

nước tự nhiên thường có các thành phần đa dạng nên hầu như khó dự đoán được khả năng áp dụng đất ngập nước trong xử lý nước thải tại các khu vực địa lý khác nhau Mặc dù đất ngập nước tự nhiên có khả năng cải thiện đáng kể chất lượng nước thải song khả năng xử lý chưa được xác định rõ Trong vài thập kỷ qua, việc sử dụng đất ngập nước để xử lý nước thải mới được tập trung nghiên cứu và thực hiện một cách có kiểm soát Vai trò của các vùng đất ngập nước trong việc cải thiện chất lượng nước đã trở thành đề tài ngày càng được quan tâm cho việc bảo tồn vùng đất ngập nước tự nhiên

và xây dựng hệ thống đất ngập nước để xử lý nước thải Đất ngập nước nhân tạo có thể được xây dựng với mức độ kiểm soát lớn hơn, do đó cho phép thiết lập các điều kiện thử nghiệm để xử lý các loại các loại chất ô nhiễm với các loài thực vật và kiểu dòng chảy khác nhau Những nghiên cứu xây dựng đất ngập nước nhân tạo để xử lý nước thải bắt đầu vào những năm 1950 ở Đức, ở Hoa kỳ vào những năm 1970 đến 1980 và phát triển mạnh trong những năm 1990, người ta xây dựng nhiều hệ thống xử lý nước thải bằng đất ngập nước và áp dụng rộng rãi không chỉ để xử lý nước thải

đô thị mà còn để xử lý nước thải cho các khu công nghiệp, vùng khai khoáng và nước thải nông nghiệp

Đất ngập nước tự nhiên thể hiện được chức năng xử lý nước thải và nước mưa như: (1) đầm lầy, (2) vùng đất ngập lũ, (3) vùng đất bụi cây rậm

Đất ngập nước nhân tạo gồm dòng chảy bề mặt và dòng chảy ngầm Trong

đó có các hệ thống đất ngập nước như: hệ thống đất ngập nước dòng chảy

bề mặt với thực vật nổi, thực vật ngập nước và thực vật trôi nổi tự do; hệ thống đất ngập nước nhân tạo dòng chảy ngầm nằm ngang, thẳng đứng từ

trên xuống và thẳng đứng từ dưới lên

So với hệ đất ngập nước tự nhiên, hệ đất ngập nước nhân tạo được kiểm soát tốt hơn, do đó tạo cơ sở cho việc thiết lập các hệ thống xử lí nước thải

thử nghiệm với hàm lượng chất ô nhiễm, loại thực vật và kiểu dòng chảy được xác định rõ ràng Ngoài ra, hệ đất ngập nước nhân tạo còn có thêm một số ưu điểm so với các vùng đất ngập nước tự nhiên bao gồm việc lựa chọn vị trí, đa dạng về kích thước, và quan trọng nhất là tải thủy lực và thời

gian lưu được kiểm soát chặt chẽ

Thực vật trong đât ngập nước có sự thích nghi về tổ chức cơ thể, hình thái, chức năng cho phép chúng tiếp tục tồn tại trong những điều kiện khắc nghiệt Trong nhiều hệ sinh thái ĐNN, thực vật ĐNN tái sinh bằng hạt trong suốt những thời kỳ phơi dài đủ để nảy mầm và thiết lập hạt giống Mặt khác, sự phơi và làm ẩm lại của hạt sẽ quyết định giải phóng hạt khỏi tình trạng ngủ, giai đoạn ẩm - lạnh cũng làm tăng phần nào của tình trạng này Sự sống tiếp tục và sự phát triển của hạt phụ thuộc vào khả năng chịu ngập trong nước hoàn toàn hoặc đối với cây mọc cao đủ để các lá cây duỗi thẳng đến khu vực phía trên mặt nước

Thực vật đất ngập nước ngoài khả năng sản xuất sinh khối, còn là thành phần then chốt của hệ sinh thái đất ngập nước bởi vì chúng cung cấp lớp vỏ che chở cho sự sinh sản, nơi ẩn náu thú săn mồi và nơi nghỉ cho các vật ở dưới nước cùng nhiều loài hoang dã Theo đó, thực vật ĐNN tạo dựng nên những chức năng hữu ích của ĐNN, chúng có giá trị xã hội đáng kể như quản lý chất cặn và sự vận chuyển chất dinh dưỡng Những giá trị về giải trí

và giá trị cảnh quan thẫm mỹ được cải thiện nhờ quản lý thành công thực vật ĐNN

Thực vật thuỷ sinh là những loài có khả năng thích nghi cao với môi trường sống ngập trong nước và một số trong các loài đó có khả năng xử lý các chất ô nhiễm trong nguồn nước với hiệu quả rất cao Thực vật thuỷ sinh được sử dụng để xử lý nước ô nhiễm có thể chia làm 3 loại: nhóm thực vật ngập nước, nhóm thực vật trôi nổi, nhóm thực vật nửa ngập nước

Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Mô hình được xây dựng cho bãi rác thị trấn Hùng Quốc – Huyện Trà Lĩnh Thị trấn Hùng Quốc là thị trấn huyện lỵ miền núi, xuất phát từ điều kiện tự nhiên lý tưởng, vị thế thuận lợi, vùng phía Đông Bắc của tỉnh Cao Bằng Nơi đây đã thành lập khu kinh tế cửa khẩu quốc gia Trà Lĩnh – Long Bang (Trung Quốc) Do đó lượng chất thải rắn trong tương lai sẽ là vấn đề lớn đối với thị trấn Hùng Quốc Trong khi đó, hiện này rác thải sinh hoạt được thu gom và vận chuyển đến bãi chôn lấp rác thải của thị trấn chưa được xử lý đạt tiêu chuẩn Khi lượng rác được dự báo trong tương lại sẽ tăng cao, kéo theo đó là lượng lớn nước rỉ rác không được xử lý Trong khi

đó nước rỉ rác là nước thải có nồng độ COD, BOD, NH3-H, cao, vượt quá khả năng chịu đựng của thực vật (điển hình như lúa), các thành phần môi trường và sức khỏe của con người Vậy, cần phải xử lý nước rỉ rác tại bãi rác thị trấn Hùng Quốc

Thực vật thủy sinh được lựa chọn là cỏ Vetiver (cỏ hương bài)

Có hai loài cỏ Vetiver phổ biến đã được trồng để bảo vệ đất là Vetiver

zizanioides và Vetiver nigritana Tuy nhiên loài Vetiver zizanioides phân bố

trong vùng ẩm, trong khi loài Vetiver nigritana hiện diện ở những vùng khô hơn Có hai kiểu gen của loài Vetiver zizanioides đã và đang được sử dụng:

Kiểu gen Bắc Ấn Độ: là loại cỏ hoang dại và được gieo trồng bằng hạt Kiểu gen Nam Ấn Độ: là loại cỏ có khả năng tạo màu cho đất thấp và loại bất thụ

Ở Việt Nam, cỏ Vetiver được gọi là cỏ Hương bài hoặc cỏ Hương lau,

có tên khoa học là Vetiveria zizanioides L, giống cỏ này đã được trồng ở

Thái Bình để sản xuất dầu thơm

Paul Trương (1999) cho rằng Vetiver bắt nguồn từ Nam Ấn Độ và thuộc loại Monto, có một loại cỏ địa phương cũng được gọi là cỏ Hương

bài, cùng tên phân loại là Vetiver zizanioides L được tìm thấy ở Miền

Trung, quanh vùng Pleiku và Ban Mê Thuột, nó tự nhân giống để tồn tại bằng hạt của mình, vì vậy chắc chắn loại cỏ này không bắt nguồn từ Nam

Ấn Độ như loại Monto

Ngoài ra, dựa vào hình dáng cây, hoa và đặc biệt là mùi thơm đặc trưng của bộ rễ, một số nhà khoa học đã đặt tên theo địa phương gồm ba giống như sau:

(1) Giống Đồng Nai có hoa tím, hạt lép không nảy mầm, rễ có mùi thơm đặc trưng của cỏ Vetiver

(2) Giống Bình Phước có hoa tím, hạt lép không nảy mầm, hình dạng giống như giống Đồng Nai nhưng rễ không có mùi thơm

(3) Giống Đắc Lắc có hoa tím, hạt lép không nảy mầm và rễ có mùi thơm đặc trưng như giống Đồng Nai

Các phương pháp được sử dụng trong luận văn là: phương pháp tổng quan, phương pháp tổng quan thu thập tài liệu, phương pháp điều tra và phỏng vấn ngoài thực địa, phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu phương pháp chuyên gia, phương pháp phân tích tổng hợp đánh giá và các phương pháp tính toán để xây dựng bể yếm khí, ô đất ngập nước

Kết quả nghiên cứu

Căn cứ vào hiện trạng quả lý chất thải rắn tại thị trấn Hùng Quốc, cùng với nguồn kinh phí hạn chế, đặc biệt nơi đây có địa hình chủ yếu chia cắt bởi các ngọn núi, đồi; việc đi lại khó khăn, khả năng cung cấp điện hạn chế Trong khí đó hệ thống đất ngập nước có thể được vận hành ở những nơi thiếu điện

Dựa trên thiết kế bãi rác của thị trấn cùng với quỹ đất còn lại trong bãi rác

và lượng nước rác tạo ra mỗi ngày là 110 m3 nước rác để xây dựng hệ thống đất ngập nước Tại bãi rác đã xây đựng bể thu nước rác và nước mưa chảy

tràn với S = 36m2, các thông số như BOD, COD, … giảm đáng kể sau khoảng thời gian lưu tại bể chứa Chính vì vậy, trước khi đưa nước rác vào các ô đất ngập nước thì thu nước vào bể yếm khí S= 122m2

(được mở rộng

và cải tạo từ bể thu nước rỉ rác và nước mưa chảy tràn)

Kết quả điển hình khi nghiên cứu một số hệ thống đất ngập nước xử lý nước rỉ rác:

Với hệ thống HF-VF là hệ thống dòng chảy ngang kết hợp với ô đất lọc sinh học dòng thẳng đứng (S=75m2

) trồng sậy và cỏ nến: loại bỏ NH3-N (Giá trị trung bình dòng vào = 211 mg/L, dòng thải = 3,4 mg/L) và phốt pho (Giá trị TB dòng vào = 0,4 mg/L, dòng ra = không phát hiện) Hiệu quả

xử lý khá tốt, đủ điều kiện sử dụng nước cho tưới tiêu

Với hệ thống HF là hệ thống dòng chảy ngang khi trồng sậy và cỏ nến (S=215m2): loại bỏ NH3-N (Giá trị trung bình dòng vào = 275 mg / L, dòng

ra = 151 mg/L) và phốt pho (Giá trị TB dòng vào = 6,9mg/L, dòng ra = 2,6) Các thông số chưa đạt tiêu chuẩn dùng trong tưới tiêu, vậy nên cần kết hợp giai đoạn xử lý với hệ thống VF để đạt hiệu quả tốt hơn

Nhu cầu nước đầu ra yêu cầu quá trình nitrat hóa xảy ra hoàn toàn nhưng hệ thống dòng chảy ngang xử lý thứ cấp không thể làm điều này vì khả năng vận chuyển oxy hạn chế Hệ thống dòng chảy thẳng đứng có khả năng vận chuyển oxy lớn hơn nhiều, và do đó, tạo điều kiện cho quá trình nitrat hóa tốt hơn Tuy nhiên, trong hệ thống thẳng đứng sự khử nitrat xảy ra rất hạn chế Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, hệ thống đất ngập nước dòng chảy ngang có hiệu quả xử lý thấp với nồng độ cao Trong khi đó, hệ thống kết hợp lại thể hiện ưu thế hơn

Thiết kế được hệ thống đất ngập nước để xử lý nước rỉ rác cho bãi rác của thị trấn Hùng Quốc, huyện Trà Lĩnh, tỉnh Cao Bằng Hệ thống kết hợp dòng chảy ngang và dòng thẳng đứng, sử dụng Cỏ Vetiver với tổng diện

tích là 186 m2 Trong đó, một hệ chảy ngang đặt ở đầu, bao gồm: 3 hệ thống dòng chảy ngang nhỏ với kích thước (19m×1,9m×2m) và một hệ thẳng đứng, bao gồm: 2 hệ chảy thẳng đứng kích thước (19m×1,9m×2m) ở giai đoạn thứ hai

Và khi nghiên cứu về một số loài thực vật ở một số nước trên Thế giới, Việt Nam được sử dụng trong xử lý nước rỉ rác như: sậy, cỏ nến và cỏ Vetiver Cho thấy, cỏ Vetiver có khả năng chịu đựng trong điều kiện hạn hán, lũ lụt

kéo dài (chịu được trong luồng nước sâu từ 0,6-0,8m liên tục trong vòng 45 ngày), sống được trong môi trường nghèo chất dinh dưỡng, có khả năng xử

lý nước thải ở nồng độ cao (khi COD ~ 1500 mg/L), và đặc biệt chúng là loài cây đã được sử dụng lâu năm trong mục đích chống xói mòn, sạt nở ở đất nước chúng ta

Ở Việt Nam, giống C nemoralis hiệu quả không cao nhưng người dân một

số tỉnh ven biển Miền Trung Việt Nam (tiếng địa phương gọi là Cỏ Đế) và Tây Nguyên từ lâu đã biết ích lợi của nó và đã trồng để giữ cho bờ ruộng lúa được vững chắc và quan trọng hơn là bộ rễ của nó ngắn, không thích hợp để ổn định những sườn đất dốc Hơn nữa, cũng chưa có công trình nghiên cứu nào về khả năng của nó trong xử lý nước thải, phục hồi và cải

thiện môi trường nên sử dụng sử dụng giống V zizanioides Cùng với

những công trình nghiên cứu được trình bày ở trên, việc sử dụng cỏ Vetiver

để xử lý nước thải cho hiệu quả cao Chính vì vậy, tôi quyết định lựa chọn

cỏ Vetiver là loại thực vật được trồng trong hệ thống đất ngập nước ở Trà Lĩnh – Cao Bằng Chính vì vậy, đã chọn cỏ Vetiver trồng trong hệ thống đất ngập nước tại khu vực nghiên cứu

Sơ đồ tổng thể hệ thống đất ngập nước tại bãi rác thị trấn Hùng Quốc-

huyện Trà Lĩnh – tỉnh Cao Bằng

chảy thẳng đứng

ĐNN dòng chảy ngang