Khả Năng Loại Bỏ Tác Nhân Phú Dưỡng Môi Trường Nước Của Cây Ngổ Trâu (Enydra Fluctuans Lour) Và Cây Bèo Tây (Eichhornia Crassipes (Mart.) Solms).Pdf

MỞ ĐẦU Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên http //www lrc tnu edu vn VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN SINH THÁI VÀ TÀI NGUYÊN SINH VẬT NGUYỄN VĂN THỊNH KHẢ NĂNG LOẠI BỎ TÁC NHÂ[.]

Số hóa bởi Trung tâm Học Liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM VIỆN SINH THÁI VÀ TÀI NGUYÊN SINH VẬT

NGUYỄN VĂN THỊNH

KHẢ NĂNG LOẠI BỎ TÁC NHÂN PHÚ DƯỠNG MÔI TRƯỜNG NƯỚC CỦA CÂY NGỔ TRÂU (ENYDRA FLUCTUANS LOUR) VÀ CÂY BÈO TÂY(EICHHORNIA CRASSIPES (MART.) SOLMS)

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC SINH HỌC

Chuyên ngành: Sinh học thực nghiệm

Đặc biệt, xin trân trọng cảm ơn TS.NCVC Trần Văn Tựa- Trưởng phòng Thủy sinh học Môi trường, Viện Công nghệ Môi trường, người thầy

đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo tận tình tôi trong suốt thời gian nghiên cứu khoa học

Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ quý báu của TS Dương Thị Thủy, Viện Công nghệ Môi trường; Th.S Đào Sỹ Đức, khoa Hóa- Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội; HVCH Nguyễn Trung Kiên, Đại học Bách Khoa Hà Nội Cùng các cô chú, anh chị phòng Thủy sinh học Môi trường và phòng Vi sinh học môi trường, Viện Công nghệ Môi trường trong thời gian tôi tiến hành đề tài

Sự góp ý, chia sẻ của bạn bè, gia đình và đồng nghiệp là nguồn động viên, khích lệ lớn cho tôi hoàn thành Luận văn tốt nghiệp này

Tác giả

Nguy ễn Văn Thịnh

ii

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU i

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Đôi nét về môi trường nước phú dưỡng 3

1.1.1 Khái niệm về ô nhiễm 3

1.1.2 Các khái niệm liên quan đến phú dưỡng hoá 3

1.2 Nguyên nhân và hậu quả của sự phú dưỡng 5

1.2.1 Nguyên nhân 5

1.2.2 Hậu quả của sự phú dưỡng 9

1.3 Các phương pháp chống lại sự phú dưỡng nước 12

1.4 Vai trò của thực vật thủy sinh trong xử lý nước phú dưỡng 15

1.5 Một số mô hình công nghệ sử dụng thực vật thủy sinh để xử lý nước 17

1.5.1 Hệ thống dòng chảy trên bề mặt (surface flow wetlands: SF): hay hệ thống bề mặt nước thoáng (free water surface: FWS) 19

1.5.2 Hệ thống dòng chảy ngầm hay công nghệ vùng rễ 20

1.5.3 Hệ thống thực vật nổi (Floating aquatic plant systems) 20

1.6 Một số nghiên cứu sử dụng TVTS trong xử lý nước thải ở Việt Nam 21

1.7 Khả năng xử lý nước thải của thực vật nghiên cứu 22

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 25

2.1 Cây ngổ trâu và bèo tây 25

2.2 Mục tiêu nghiên cứu 25

2.3 Thời gian và địa điểm nghiên cứu 25

2.4 Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm 25

2.4.1 Hóa chất 25

2.4.2 Dụng cụ 26

2.5 Phương pháp nghiên cứu 26

2.5.1 Phương pháp đánh giá chất lượng nước 26

iii

2.5.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm 27

2.5.3 Phương pháp phân tích và xử lý số liệu 28

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 30

3.1 Ảnh hưởng của một số yếu tố môi trường đến sinh trưởng của bèo tây và ngổ trâu 30

3.1.1 Ảnh hưởng của pH 30

3.1.2 Ảnh hưởng của N-NH4 + 32

3.1.3 Ảnh hưởng của N-NO3 33

3.1.4 Ảnh hưởng của P-PO4 35

3.2 Nghiên cứu khả năng xử lý N và P của bèo tây và ngổ trâu trong điều kiện phòng thí nghiệm 37

3.2.1 Khả năng xử lý N-NH4 + 37

3.2.2 Nghiên cứu khả năng xử lý P-PO4 3 41

3.3 Khả năng xử lý các nhân tố phú dưỡng môi trường nước (nước phú dưỡng) của bèo tây và ngổ trâu ở quy mô pilot 44

Thông số 45

3.3.1 Các chỉ tiêu đặc trưng của nước hồ khu vực Cổ Nhuế sử dụng trong thực nghiệm 45

3.3.2 So sánh khả năng loại bỏ một số tác nhân gây phú dưỡng của cây bèo tây và ngổ trâu ở quy mô pilot 47

3.3.3 Hiệu quả xử lý COD 48

3.3.4 Hiệu quả xử lý T-N 51

3.3.5 Hiệu quả xử lý T-P 54

3.3.6 Hiệu quả xử lý TSS 56

3.3.7 Hiệu quả xử lý Chl.a 59

3.3.8 Khả năng loại bỏ vi sinh vật 61

3.3.9 Hiệu quả loại bỏ vi tảo và vi khuẩn lam 62

3.3.10 Thảo luận chung 64

iv

3.3.11 Đề xuất quy trình xử lý nước phú dưỡng sử dụng cây bèo tây và ngổ trâu64 KIẾN NGHỊ 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 PHỤ LỤC 78

v

CÁC TỪ VIẾT TẮT TRONG LUẬN VĂN

BOD Nhu cầu oxy sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand) COD Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand)

Chl.a Diệp lục tố (Chlophyll a)

DO Oxy hòa tan (Dissolved Oxygen)

F- Coliform Fecal Coliform

T- Coliform Total Coliform

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang Bảng 1.1 Đặc điểm chung của các hồ giàu và nghèo dinh dưỡng 4

Bảng 1.2 Đánh giá độ phì nhiêu của nước hồ 4

Bảng 2.1 Danh mục các hóa chất sử dụng trong nghiên cứu 25

Bảng 2.2 Danh mục các thiết bị sử dụng trong nghiên cứu 26

Bảng 3.1 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ pH đến sinh trưởng của bèo tây và ngổ trâu. 31

Bảng 3.2 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ N-NH4 + tới sinh trưởng của ngổ trâu và bèo tây 32

Bảng 3.3 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ N-NO3 tới sinh trưởng của bèo tây và ngổ trâu 34

Bảng 3.4 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ P-PO4 35

Bảng 3.5 Kết quả nghiên cứu khả năng xử lý N-NH4+ của bèo tây và ngổ trâu trong điều kiện phòng thí nghiệm 38

Bảng 3.6 Kết quả nghiên cứu khả năng xử lý N-NO3 của bèo tây và ngổ trâu trong điều kiện phòng thí nghiệm. 40

Bảng 3.7 Kết quả nghiên cứu khả năng xử lý P-PO4 của bèo tây và ngổ trâu trong điều kiện phòng thí nghiệm. 42

Bảng 3.8 Các thông số của quy trình xử lý nước phú dưỡng bằng bèo tây và ngổ trâu ở quy mô pilot 45

Bảng 3.9 Các chỉ tiêu đặc trưng của nước hồ khu vực Cổ Nhuế, Hà Nội 46

Bảng 3.10 So sánh khả năng loại bỏ một số tác nhân gây phú dưỡng của

vii

bèo tây và ngổ trâu ở quy mô pilot 47

Bảng 3.11 Hiệu suất xử lý COD của bèo tây và ngổ trâu trong quy trình xử lý nước phú dưỡng ở quy mô pilot 49

Bảng 3.12 Hiệu suất xử lý T-N của bèo tây và ngổ trâu ở quy mô pilot 52

Bảng 3.13 Hiệu suất xử lý T-P của bèo tây và ngổ trâu ở quy mô pilot 54

Bảng 3.14 Hiệu suất xử lý TSS của bèo tây và ngổ trâu ở quy mô pilot 57

Bảng 3.15 Hiệu suất xử lý Chl.a của bèo tây và ngổ trâu ở quy mô pilot 59

Bảng 3.16 Khả năng loại bỏ F- Coliform và T- Coliform (MPN/100 ml) 62

Bảng 3.17 Hiệu quả loại bỏ vi tảo và vi khuẩn lam 62

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 3.1 Ảnh hưởng của pH tới sinh trưởng của bèo tây và ngổ trâu 31

Hình 3.2 Ảnh hưởng của N-NH4+ tới sinh trưởng của bèo tây và ngổ trâu 33

Hình 3.3 Biểu đồ biểu diễn ảnh hưởng của nồng độ N-NO3- tới sinh trưởng của ngổ trâu và bèo tây 34

Hình 3.4 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ P- PO43- tới sinh trưởng của ngổ trâu và bèo tây 36

Hình 3.5 Khả năng xử lý N-NH4+ của bèo tây trong phòng thí nghiệm 39

Hình 3.6 Khả năng xử lý N-NH4+của ngổ trâu trong phòng thí nghiệm 39

Hình 3.7 Khả năng xử lý N-NO3- của bèo tây trong phòng thí nghiệm 41

Hình 3.8 Khả năng xử lý N-NO3- của ngổ trâu trong phòng thí nghiệm 41

Hình 3.9 Khả năng xử lý P-PO43- của bèo tây trong phòng thí nghiệm 43

Hình 3.10 Khả năng xử lý P-PO43- của ngổ trâu trong phòng thí nghiệm 43

Hình 3.11 Khả năng loại bỏ một số tác nhân gây phú dưỡng của cây bèo tây và ngổ trâu ở quy mô pilot 47

Hình 3.12 Hiệu suất xử lý COD của bèo tây và ngổ trâu với tải lượng 100 L/m2/ngày ở quy mô pilot 50

Hình 3.13 Hiệu suất xử lý COD của ngổ trâu và bèo tây với tải lượng 200 L/m2/ngày ở quy mô pilot 50

Hình 3.14 Hiệu suất xử lý T-N của bèo tây và ngổ trâu ở quy mô pilot với tải lượng 100 L/m2/ngày 52

ix

Hình 3.15 Hiệu suất xử lý T-N của bèo tây và ngổ trâu ở quy mô pilot

với tải lƣợng 200 L/m2/ngày 53 Hình 3.16 Hiệu suất xử lý T-P của bèo tây và ngổ trâu ở quy mô pilot

với tải lƣợng 100 L/m2/ngày 55 Hình 3.17 Hiệu suất xử lý T-P của bèo tây và ngổ trâu ở quy mô pilot

với tải lƣợng 200 L/m2/ngày 55 Hình 3.18 Hiệu suất xử lý TSS của bèo tây và ngổ trâu ở quy mô pilot

với tải lƣợng 100 L/m2/ngày 58 Hình 3.19 Hiệu suất xử lý TSS của bèo tây và ngổ trâu ở quy mô pilot

với tải lƣợng 200 L/m2/ngày 58 Hình 3.20 Hiệu suất xử lý Chl.a của bèo tây và ngổ trâu ở quy mô pilot

với tải lƣợng 100 L/m2/ngày 60 Hình 3.21 Hiệu suất xử lý Chl.a của bèo tây và ngổ trâu ở quy mô pilot

với tải lƣợng 200 L/m2/ngày 60 Hình 3.22 Hiệu quả loại bỏ vi tảo và vi khuẩn lam 63

1

MỞ ĐẦU

Nước là một trong những nguồn tài nguyên quý giá của nhân loại Nước giữ những vai trò thiết yếu trong sinh hoạt, sản xuất, đồng thời tham gia trực tiếp vào tất cả các quá trình sống, từ đơn giản đến phức tạp

Trong những năm gần đây các cụm từ: môi trường, ô nhiễm môi trường, sinh thái học và bảo vệ môi trường thường được nhắc đến không chỉ riêng ở Việt Nam chúng ta mà đã vang lên như lời cảnh tỉnh trên toàn Thế giới Mỗi ngày con người đã đưa hàng triệu tấn chất thải vào môi trường nói chung, môi trường nước nói riêng: phần nhiều trong số này là các thành phần mang tính độc hại Đặc biệt, vấn đề ô nhiễm dinh dưỡng trong các thủy vực đang làm cho chất lượng nước thay đổi theo chiều hướng bất lợi, kể cả cho các mục đích sử dụng nước và hệ sinh thái Một trong những hậu quả chính của ô nhiễm dinh dưỡng là hiện tượng phú dưỡng

Phú dưỡng (eutrophication)- một dạng suy giảm chất lượng nước

thường xảy ra ở các hồ và hồ chứa, với hiện tượng nồng độ các chất dinh dưỡng nitơ (N), phospho (P) trong hồ tăng cao, tỷ lệ P/N cao do sự tích luỹ tương đối P so với N, làm bùng phát các loại thực vật nước (như rong, tảo ), tăng các chất lơ lửng, chất hữu cơ, làm suy giảm lượng oxy trong nước, gây ô nhiễm môi trường, cân bằng sinh thái bị thay đổi, ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ và cuộc sống của con người

Đã có một số nghiên cứu nhằm giảm thiểu hiện trạng nước phú dưỡng bằng các loài thực vật thủy sinh Phương pháp này tuy không giải quyết triệt

để được các thành phần gây ô nhiễm nhưng chi phí lại thấp, đối tượng nghiên cứu phổ biến, thân thiện với con người Tuy nhiên, tùy theo điều kiện từng vùng và mức độ phú dưỡng môi trường nước khác nhau mà việc lựa chọn loài thực vật thủy sinh thích hợp là rất quan trọng

Xuất phát từ thực tế nêu trên, với mong muốn góp phần nghiên cứu và

2

giải quyết vấn đề ô nhiễm nguồn nước phú dưỡng, đề tài “Khả năng loại bỏ

tác nhân phú dưỡng môi trường nước của cây Ngổ trâu (Enydra fluctuans Lour) và cây Bèo tây (Eichhornia crassipes (Mart.) Solms), đã được tiến hành với các nội dung sau:

- Ảnh hưởng của một số yếu tố môi trường như nồng độ N-NO3-,

N-NH4

+

, P-PO4

3-, pH đến sự sinh trưởng của bèo tây và ngổ trâu;

- Khả năng loại bỏ nitơ và phospho của bèo tây và ngổ trâu trong điều kiện phòng thí nghiệm;

- Hiệu quả xử lý một số yếu tố phú dưỡng của nước ao, hồ tự nhiên của

hệ thống bèo tây và ngổ trâu ở qui mô pilot;

- Đề xuất quy trình xử lý nước phú dưỡng bằng công nghệ sinh thái sử dụng ngổ trâu và bèo tây

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Đôi nét về môi trường nước phú dưỡng

1.1.1 Khái niệm về ô nhiễm

Theo định nghĩa của Tổ chức y tế Thế giới: sự ô nhiễm (hoặc sự nhiễm bẩn) là việc chuyển các chất thải hoặc năng lượng vào môi trường đến mức

có khả năng gây hại đến sức khoẻ con người, đến sự sinh trưởng và phát triển của sinh vật và làm suy giảm chất lượng môi trường

Trong đó ô nhiễm các thủy vực là một quá trình diễn ra có nguyên nhân

và có hậu quả của nó Ô nhiễm nước của các thủy vực có thể ở hai dạng: do mất cân bằng trong tự nhiên và do các chất độc

Ô nhiễm bởi sự mất cân bằng trong quá trình tự nhiên có thể phân biệt

2 dạng: sự mất cân bằng trong chu trình dinh dưỡng, đặc biệt trong trường hợp quá nhiều chất dinh dưỡng gọi là phú dưỡng, mức độ nặng hơn nữa là phì dưỡng (hypertrophication); quá trình lắng đọng axit, gây chua hóa môi trường nước tự nhiên trong chu trình thủy văn gây mưa axit

Ô nhiễm do các chất độc khác nhau bao gồm các chất hoàn toàn phi tự nhiên do con người gây ra nhờ sự cố tràn dầu, các hóa chất bảo vệ thực vật, phân bón hóa học, các chất thải có kim loại nặng (Đặng Ngọc Thanh và cộng

sự, 2007)

1.1.2 Các khái niệm liên quan đến phú dưỡng hoá

Từ phú dưỡng với nghĩa tổng quát là „„giàu dinh dưỡng‟‟ được Naumann đưa ra năm 1919 (Lê Huy Bá và cộng sự, 2000), khi trình bày khái

niệm về sạch và giàu dinh dưỡng Ông phân biệt: hồ sạch là hồ chứa ít tảo,

thực vật lơ lửng; còn hồ phú dưỡng là hồ giàu thực vật trôi nổi

Sự phú dưỡng hóa được định nghĩa như là sự làm giàu nước quá mức bởi những chất dinh dưỡng vô cơ cùng với dinh dưỡng có nguồn gốc thực

4

vật Thông thường đó là muối nitrat và phosphat Chúng gây nên sự gia tăng các sản phẩm sơ cấp Sự phú dưỡng hóa được gọi là nhân tạo nếu do các hoạt động của con người gây nên và gọi là tự nhiên nếu không phải do con người gây ra (Lê Huy Bá và cộng sự, 2000; Brittin Wesley E., và cộng sự, 1972; Ellis K.V., và cộng sự, 1989; Larkin P.A., và cộng sự, 1974; Palmer C Mervin…,1980; Wilber Charles G , 1971) Những đặc điểm chung của các

hồ giàu, nghèo dinh dưỡng và chỉ dẫn để đánh giá độ phì nhiêu của nước hồ

được thể hiện qua Bảng 1.1 và 1.2

Bảng 1.1 Đặc điểm chung của các hồ giàu và nghèo dinh dưỡng

Ít loại, mật độ và năng suất cao, chủ yếu là

Cyanobacteria

Nhiều Nhiều Nhiều

Cá nước ngọt

(Nguồn: Lê Huy Bá và cộng sự, 2000)

Quá trình biến đổi về mặt vật lý, hóa học, sinh học xảy ra trong ao, hồ

tự nhiên, cửa sông hay hồ chứa khi chúng nhận được lượng dinh dưỡng cao (chủ yếu là muối nitơ và phospho) từ sự xói mòn hay từ các dòng nước mặt

của các vùng xung quanh đổ vào thủy vực Sự phú dưỡng của thuỷ vực được

đặc trưng bởi hiệu suất sản sinh cao do được cung cấp đầy đủ chất dinh dưỡng Ngược với loại thuỷ vực nghèo dinh dưỡng (oligotrophic), không sản sinh do ít các chất dinh dưỡng, ngoài ra còn có loại thuỷ vực dinh dưỡng trung bình (mesotrophic) là loại trung gian của hai loại trên (Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường, 1995; Robert G, Wetzel, 1975)

5

Bảng 1.2 Đánh giá độ phì nhiêu của nước hồ

dưỡng

Vừa dinh dưỡng

Phú dưỡng hóa

10- 20 200- 500 3,7- 2,0 10- 80 4- 10 75- 250

Nguồn: Kraonew, 1994 (Lê Huy Bá và cộng sự, 2000))

Theo quan điểm khoa học, hồ phú dưỡng có đặc điểm thường là nông với sự sinh trưởng và phát triển mạnh mẽ của các loài thực vật Hàm lượng các chất dinh dưỡng cơ bản trong hồ cao, hàm lượng trung bình hàng năm của các dạng nitơ vô cơ lớn hơn 0,3 mg/l và hàm lượng phospho vô cơ trung bình năm lớn hơn 0,015 mg/l Độ kiềm dao động từ 50- 100 mg/l Các hồ này

là môi trường sống lý tưởng của rất nhiều loài thực vật nổi, một số loài có thể

nở hoa phổ biến và thường xuyên trong mùa sinh trưởng Nhìn chung tổng sản lượng sơ cấp trong những hồ phú dưỡng dao động từ 0,5- 5,0 g chất hữu

cơ khô/m2/ngày trong mùa sinh trưởng thuận lợi nhất, trong khi sản lượng sơ cấp của các bon hữu cơ là 480 tấn/km2/năm (Wilber Charles G , 1971)

1.2 Nguyên nhân và hậu quả của sự phú dưỡng

1.2.1 Nguyên nhân

Có nhiều nguyên nhân gây lên sự phú dưỡng của hồ nước Tuy nhiên,

sự phú dưỡng có khuynh hướng xảy ra đều đặn nhưng rất chậm thường là qua một giai đoạn hàng trăm năm Yếu tố quan trọng từ những hoạt động của con người thường gây ra sự phú dưỡng nhanh chóng (Wilber Charles G , 1971)

Khi nghiên cứu về môi trường và hệ sinh thái hồ, trong tổng lượng các

6

nguồn nước thải đến hồ, nguồn phospho và nitơ luôn được quan tâm nhiều nhất bởi hai nguồn này là cơ sở vật chất ban đầu, là xuất phát điểm quyết định chất lượng môi trường nước và trầm tích đáy Các kết quả nghiên cứu từ trước tới nay về đầm hồ học đã tổng kết các nguồn dinh dưỡng tiềm năng đến hồ bao gồm:

- Nguồn dinh dưỡng ngoại lai (External Sources)

- Nguồn dinh dưỡng tại chỗ (Internal Sources)

Hình 1.1 Con đường chuyển tải các nguồn gây phú dưỡng tới hồ

(theo Rying, Rast, 1989 ) (Hồ Thanh Hải và cộng sự, 1998)

Nguồn dinh dưỡng ngoại lai được phân biệt bởi nguồn điểm (Point Sources) và nguồn không điểm (Non-point Sources) Nguồn dinh dưỡng điểm

là nguồn gây ô nhiễm có thể xác định được vị trí, lưu lượng cụ thể, ví dụ như các nguồn nước thải từ đô thị, nước thải công nghiệp, nước thải sinh hoạt…Nguồn không điểm là nguồn không xác định được cụ thể vị trí, lưu lượng, ví dụ nước chảy tràn ở khu đô thị, nông thôn, nước mưa bị ô nhiễm

Khí quyển

Vùng lưu vực

(đất đô thị, đất nông nghiệp, đất hoang tự nhiên…)

(nguồn không điểm)

7

(Lê Thị Thanh Hương, 1998 ; Đặng Ngọc Thanh và cộng sự, 2007)

Nguồn dinh dưỡng nội tại trong hồ (Internal sources): là sản phẩm của quá trình quang hợp, trao đổi chất và năng lượng trong chu trình sống của các loài sinh vật thủy sinh Các yếu tố như nhiệt độ, ánh sáng, sự thoát nước chậm gây ứ đọng cũng có thể là nguyên nhân gây nên hiện tượng nở hoa của tảo

Các nguồn gây ô nhiễm cụ thể gồm:

- Nước thải đô thị : khoảng 70- 90% tổng lượng nước sử dụng của đô thị chảy

vào đường cống thoát nước;

- Nước thải sinh hoạt: phát sinh từ các hộ gia đình, bệnh viện, khách sạn, cơ

quan, trường học, chứa các chất thải trong quá trình sinh hoạt;

- Nước thải công nghiệp: từ các cơ sở sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công

nghiệp, giao thông vận tải… Nước thải công nghiệp không có thành phần cơ bản giống nhau, nó phụ thuộc vào ngành sản xuất, ví dụ: nước thải của các xí nghiệp chế biến thực phẩm thường chứa một lượng lớn các chất hữu cơ Tùy theo mức độ xử lý, nước thải công nghiệp sẽ được hòa vào hệ thống thoát nước chung hay hệ thống thoát nước riêng (Brault Jean Loius, 1999);

- Các nguồn từ nông thôn: gồm nguồn nông nghiệp, lâm nghiệp và dân cư

Trong đó nguồn nông nghiệp là nguồn quan trọng nhất (Brittin Wesley E., và

cộng sự, 1972)

Từ các nguồn gây ô nhiễm, nguồn phospho dưới dạng muối phosphat (PO4

3-) là nguyên tố dinh dưỡng quan trọng đối với sự phát triển của thực vật

và vi sinh vật Các chất này có thể thâm nhập vào nước thông qua các quá trình tự nhiên như: các dòng nước lũ chảy qua rừng, đầm lầy, sự xói mòn đất, các chất thải của chim và bò sát sống quanh hồ, sự cố định nitơ của các vi sinh vật… Khi bị phân hủy dưới tác dụng của vi sinh vật nồng độ các ion dinh dưỡng tăng cao, gây ra sự phát triển của tảo ( Nguyễn Hữu Phú, 2001; Brittin Wesley E., và cộng sự, 1972; Canale R.P., và cộng sự, 1973; Muraray, 1994;

8

Mervat E and Logan A.W., 1996)

Bên cạnh muối nitơ và phospho, một số chất khác như: các kim loại vi lượng, các vitamin, các axit amin cũng tham gia vào việc gây nên sự phú

dưỡng (Brittin Wesley E., và cộng sự, 1972)

Một số hồ trên thế giới có hàm lượng các chất gây phú dưỡng khá cao, tại Mỹ, lượng phospho nhân tạo trung bình vào khoảng 2,1 kg/người/năm tương đương với khoảng 1/6 lượng nitơ Hồ Washington nằm ở Tây Bắc nước

Mỹ, có diện tích 87,6 km2

và chỗ sâu nhất là 76,5 m, trong hồ các kết quả nghiên cứu cho thấy lượng phosphat vào mùa đông tăng đáng kể, mật độ thực vật trôi nổi vào mùa hè tăng vài lần trong những năm 1950, loài tảo lam

Oscillatoria rubescens nở hoa dày đặc và có thể quan sát dễ dàng (Lê Huy Bá

và cộng sự, 2000; Đặng Ngọc Thanh2 và cộng sự, 2007)

Hồ Neagh ở Bắc Ailen, có diện tích 383 km2, độ sâu trung bình 8,6 m Nước hồ bị phú dưỡng quá mạnh, lượng phosphat và nitrat ở vịnh Kinnego trong hồ cao gấp 3 lần so với mức cao nhất của hồ Washington, lượng diệp lục α cao gấp 8 lần Ở giữa khối nước hồ, các nồng độ này có thể thấp hơn đôi chút nhưng dù sao đây cũng là hồ có độ dinh dưỡng cao bậc nhất trên thế giới (Lê Huy Bá và cộng sự, 2000)

Hồ Erie là một ví dụ điển hình về phú dưỡng của các hồ Canada và thường được gọi là hồ chết, mỗi ngày hồ nhận 20.000 pound (9080 kg) phosphat, mỗi pound (0,454 kg) phosphat lại có thể kích thích sự phát triển của 700 pound (317,8 kg) tảo (Larkin P.A., và cộng sự, 1974)

Tại Việt Nam, theo thống kê, khoảng 90% cơ sở sản xuất và hầu hết các khu công nghiệp, hệ thống xử lý nước chưa đảm bảo yêu cầu nước thải đầu ra Nước thải của các ngành công nghiệp sản xuất phân bón, thực phẩm, chế biến thủy hải sản… không những làm tăng hàm lượng các ion dinh dưỡng vô cơ

mà làm tăng thêm hàm lượng nhiều chất ô nhiễm nguy hiểm khác Lượng

9

phân dư thừa trong trồng trọt không hấp thụ hết sẽ giữ lại trong đất, một phần trong đó bị rửa trôi đi vào các nguồn nước mặt và nước ngầm Người ta đã xác định được rằng, trong điều kiện lý tưởng về nhiệt độ, thời tiết và kỹ thuật chỉ có 50-70% lượng phân bón được cây sử dụng, 2-20% bị mất do bay hơi, 15-20% được giữ lại trong đất do liên kết với các hạt sét, hạt keo, 2-10% bị rửa trôi đi vào các nguồn nước Trong điều kiện khí hậu nóng ẩm, lại là nước nông nghiệp nên tỷ lệ rửa trôi và mất mát chắc chắn còn lớn hơn rất nhiều (Đào Văn Bảy và cộng sự, 2005; Lâm Ngọc Thụ và cộng sự, 2005)

1.2.2 Hậu quả của sự phú dưỡng

Sự phú dưỡng gây ra những biến đổi rõ rệt tới hệ sinh thái, ảnh hưởng đến môi trường nước, con người và cảnh quan môi trường sống Các ảnh hưởng quan trọng nhất có thể là:

Làm cho sự cân bằng oxy bị phá vỡ Mức quá bão hòa oxy xảy ra vào thời gian được chiếu sáng ban ngày, lúc tảo nở hoa thực hiện quá trình quang hợp, nhưng vào ban đêm nồng độ oxy hòa tan lại giảm xuống ở mức rất thấp thậm chí bằng 0 do sự hô hấp của tảo Mặt khác nồng độ oxy hòa tan thấp vào ban đêm cũng do nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) của các sinh vật phân hủy các tảo chết Điều này ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống các thủy sinh vật sống trong hồ, đặc biệt là cá (Brittin Wesley E., và cộng sự, 1972; Ellis K.V.,

và cộng sự, 1989; Larkin P.A., và cộng sự, 1974; Palmer C Mervin…,1980; Wilber Charles G , 1971) Các điều kiện kị khí khá phổ biến ở các tầng nước sâu của nhiều hồ phú dưỡng Do sự phân hủy kị khí ở nước mà sunfat bị khử thành hydrosunfua (H2S) gây độc cho tất cả các sinh vật sống ở tầng nước sâu (Ellis K.V., và cộng sự, 1989; Palmer C Mervin…,1980)

Theo Andersen P, 1996, hiện tượng nở hoa của tảo độc trong hồ phú dưỡng là hiện tượng mật độ của một hoặc một số loài tảo độc tăng bất thường, đạt tới mức có thể gây nguy hại tới các sinh vật khác Sự nở hoa của tảo độc

10

phát triển (dạng bọt có mùi,vị và nhìn thấy được), chúng có thể tiết độc chất

ra môi trường nước, tạo nên một lớp váng dày, có khi lên đến vài cm trên bề mặt thủy vực Làm thay đổi màu nước, giảm hiệu suất của các chuỗi thức ăn

vì những sinh vật ăn tảo bình thường không thể ăn chúng được và khi tàn lụi chúng sẽ gây ra mùi hôi thối, ô nhiễm môi trường, có thể gây thiệt hại với ngành du lịch (Nguyễn Xuân Nguyên và cộng sự, 2004; Nelson D.L., Cox M

M., 2000)

Về mặt sức khỏe, hầu hết cả con người, động vật nuôi, chim đều rất nhạy cảm với độc tố do tảo độc, hại sinh ra Thông thường đó là các chất rất độc đối với con người như: Hepatotoxin (gây ung thư gan), Neurotoxin (gây độc thần kinh), hay chỉ đơn thuần là các chất gây dị ứng da và mắt (Đặng Diễm Hồng, 2006) Khi tầng nước mặt bị che phủ bởi các lớp váng tảo nở hoa, người ta phải lấy nước cấp ở tầng sâu hơn Nếu sử dụng nước cấp này có thể gây ra một số vấn đề nghiêm trọng : gây tắc các ống lọc nước, làm giảm tuổi thọ của hệ thống ống dẫn nước Trong tầng nước sâu, các sản phẩm của

sự phân hủy kị khí làm cho nước có vị và mùi khó chịu, mặt khác do tiềm năng oxy hóa khử giảm, nước có nồng độ sắt hóa trị thấp và các muối magan cao (Ellis K.V., và cộng sự, 1989; Jones Gary J., 1994; Tiffany L.H , 1968; Wilber Charles G , 1971)

Tổ chức y tế Thế giới (WHO) đã qui định đối với nồng độ độc tố của tảo độc, hại (nếu có) trong nước uống cho con người là không vượt quá 1µg.1-

1 Trên Thế giới, có rất nhiều bằng chứng cho thấy những thiệt hại do tảo độc, hại nở hoa gây nên rất lớn Theo thống kê, hàng năm trên Thế giới có khoảng

2000 người bị ngộ độc (trong đó số người chết chiếm khoảng 15%) do tiêu thụ các động vật thân mềm hai mảnh vỏ hoặc do ăn phải các loài cá bị nhiễm độc tố tảo (Hallegraeff G.M và cộng sự,1995) Thí dụ: Trong khoảng thời gian từ tháng 9/1988 đến tháng 3/1989 tại các vịnh Villareal, Carigara và

11

vùng Samar (Philippin) đã có 45 người ngộ độc do độc tố tảo, trong đó có 6 người chết Ở vịnh Manila, từ năm 1988 đến năm 2001 đã có 672 trường hợp

bị ngộ độc do độc tố tảo, trong đó có 101 người chết Trong năm 1989, ở vịnh

False (Nam Phi), loài Gymnodinium sp nở hoa làm chết khoảng 40 tấn bào

ngư Ở Monte Hermosa (Achentina) từ ngày 11 đến 17/11/1995, tảo độc nở

hoa làm chết khoảng 45 triệu con Ngao- Mesoderma macroides (IOC, 1999)

Người ta còn phát hiện thấy một số loài tảo gây hại phân bố trong các ao nuôi

hải sản ở tỉnh Khánh Hòa, Sóc Trăng, Minh Hải như: Pyrophacus sp., Gonyaulax sp., Alaxandrium sp (Nguyen Thi Minh Huyen và cộng sự, 1996)

Tại Hà Nội, đặc điểm chung của các hồ là hồ nông (trung bình từ 3- 4 m), diện tích không lớn lắm (trừ hồ Tây có diện tích 446 ha, các hồ còn lại có diện tích nhỏ hơn 30 ha), các hồ hầu như khép kín, xung quanh hồ có một số cống làm nhiệm vụ tiếp nhận nước thải của các khu dân cư xung quanh đổ vào hồ Mức độ nước thay đổi theo mùa Độ trong của các hồ không lớn, nước chứa nhiều bùn và thực vật phù du (Dương Đức Tiến, 1991), các hồ đang ô nhiễm nghiêm trọng bởi nước thải và trầm tích, với độ dày của bùn từ 0,5- 1,5 m Lưu lượng nước thải chảy vào vượt quá khả năng tự làm sạch của các hồ Các dòng chảy vào hồ thậm chí làm bốc mùi hôi nồng nặc như hồ Kim Liên, Mễ Trì, Hào Nam Khảo sát cho thấy, các hồ đều bị hiện tượng

“phú dưỡng”, hiện tượng tảo nở hoa, vì thế không còn giữ được sự trong và sạch Nhiều loại tảo và thực vật nổi phát triển rất nhanh trong nước hồ, sau khi chết, các loại tảo tích tụ tại đáy hồ ngày càng dày thêm Quá trình phân hủy của chúng kéo theo sự tiêu thụ lớn về oxy trong nước, làm biến mất các loài thủy sinh khác

Các hồ gần khu vực đông dân (đón nhận nguồn “dinh dưỡng” từ nguồn nước thải dồi dào) như hồ Đống Đa, Giảng Võ, Thành Công, Thanh Nhàn,

số lượng coliform rất lớn, vượt tiêu chuẩn Việt Nam cho phép từ 100 đến 200

12

lần Theo nghiên cứu năm 2006 , vào mùa khô, chỉ số này có thể vượt tới tận

710 lần (hồ Đống Đa) hay 1.750 lần (hồ Giảng Võ) và có thể gấp 2.330 lần (hồ Khương Thượng) Chính vì vậy tại nhiều hồ, dù việc nuôi cá vẫn diễn ra, nhưng nhiều loại cá vừa thả vào đã nổi trắng hồ (http://www.imh.ac.vn) Từ

đó, chúng ta cần có những giải pháp khắc phục, cải thiện ô nhiễm phú dưỡng của các hồ trên mà vẫn đảm bảo tính nhân văn, lịch sử và sinh thái môi trường xung quanh

1.3 Các phương pháp chống lại sự phú dưỡng nước

Các phương pháp phục hồi thủy vực bị phú dưỡng hóa có thể chia làm

2 nhóm:

- Giảm lượng dinh dưỡng đổ vào từ bên ngoài

- Thực hiện các thao tác trong hồ (xây dựng các đường bao, nạo vét lấy bùn, kè hồ cũng như lắp đặt các hệ thống sục khí làm giàu oxy cho các hồ nhỏ nên kết hợp với trồng thực vật nước ven bờ)

Việc đổ nước thải và chất thải vào các dòng nước và hồ là nguồn chủ yếu của các vấn đề gây lên hiện tượng phú dưỡng Ở Mỹ, 40- 70% phospho trong nước thải là từ bột giặt Các trạm xử lý nước sinh hoạt có thể chứa đến 70% tổng lượng phospho cấp cho hồ Việc loại bỏ phospho trong bột giặt có thể giảm đến 50% tổng lượng phospho chảy vào hồ (Lê Huy Bá và cộng sự, 2000)

Các phương pháp xử lý phospho bao gồm ba loại chính: vật lý, hóa học

và sinh học (Wang X.J và cộng sự, 2006) Trong đó phương pháp hóa học, kết tủa phospho bằng muối kim loại đã được ứng dụng rộng rãi (Yeoman S., và cộng sự, 1998; Lee S.I., và cộng sự, 2003) Các chất kết tủa bao gồm

Al2(SO4)3.18H2O, FeCl3.6H2O, FeSO4.7H2O, Fe2(SO4)3 và Ca(OH)2 (Metcalf and Eddy, 2003)

Nói chung, hiệu suất xử lý phospho bằng kết tủa hóa học chịu ảnh

13

hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau Đặc biệt trong trường hợp nước thải có độ kiềm thấp, việc xử lý phospho bằng kết tủa rất khó thực hiện bởi pH thay đổi rất nhanh, ngay sau khi bổ sung chất kết tủa, hiệu xuất xử lý phụ thuộc nhiều vào pH của nước thải (Lujubinko L., và cộng sự, 2004) Sau khi

Al2(SO4)3.18H2O được bổ sung, pH của nước thải giảm xuống Điều này là

do thực tế một phần phèn nhôm đã bị kết tủa dưới dạng hydroxit và H+

hình thành trong nước theo phản ứng sau: Al3+

+ 3H2O→ Al(OH)3↓+ 3H+

(De Hass D.W., và cộng sự, 2000) Qua một số nghiên cứu giá trị pH thích hợp nhất để kết tủa phospho trong nước có độ kiềm thấp bằng nhôm sunphat cũng gần với giới hạn pH tối ưu (pH 6-7) (Georgantas D.A., và cộng sự, 2006)

Ngoài ra, phospho trong nước cũng được loại bỏ nhờ khả năng tích lũy phospho dưới dạng phosphat liên kết (polyphosphat) nhiều hơn mức cần thiết trong thành phần tế bào của một số vi sinh vật và thực vật thủy sinh Trong ao hiếu khí, hai cơ chế chính loại bỏ phospho là sự hấp thu của tảo, các thực vật thủy sinh và sự cố định trong cặn đáy nhờ sự kết tủa của các ion hoặc muối canxi phosphat Việc thu hái sinh khối thực vật và lưu thông dòng chảy trong mùa sinh trưởng của thực vật là hết sức cần thiết để loại bỏ lượng phospho phát sinh (từ các phần thân, rễ, lá thối rữa) Giai đoạn cuối cùng của quá trình loại bỏ phospho trong nước là thu hoạch sinh khối thực vật và trầm tích đáy (Jensen Ric, 1998, Sooknah, R.D., 1999)

Loại bỏ nitơ khỏi nước thải là quá trình quan trọng nhất và cũng phức tạp nhất Nitơ tồn tại trong nước ở nhiều dạng như NH3, nitơ hữu cơ, NO3-,

NO2

(Sooknah, R.D., 1999) Nitơ hữu cơ qua quá trình khoáng hóa trong điều kiện kị khí được biến đổi thành amon Tuy nhiên, mức độ chuyển hóa này phụ thuộc vào nguồn gốc của nitơ hữu cơ, tỷ lệ C/N của chất hữu cơ cũng như chất nhận điện tử Quá trình nitrat hóa chủ yếu được thực hiện dưới tác dụng

của nhóm vi khuẩn tự dưỡng bắt buộc các vi khuẩn thuộc nhóm Nitrosomonas

14

và Nitrobacter, chúng chuyển hóa amon thành nitrit và nitrat Ngoài khả năng

oxy hóa amon, các vi khuẩn dị dưỡng còn có thể khử nitrat sinh trưởng cả trong những môi trường giàu hay nghèo chất hữu cơ Vì vậy, chúng là những

vi khuẩn rất lý tưởng trong xử lý môi trường ô nhiễm do NH4+, NO3-, NO2

-(Nguyễn Đức Lượng và cộng sự, 2003; Trần Hiếu Nhuệ, 1998)

Trong hệ thực vật thủy sinh, quá trình nitrat hóa có khả năng xảy ra trong nước và vùng rễ ở nồng độ thấp cacbon hữu cơ Khi nồng độ oxy của lớp nước phía dưới thực vật thủy sinh thấp, tỷ lệ nitrat hóa có thể bị giới hạn bởi lượng oxy cung cấp Quá trình phản nitrat hóa xảy ra khi có mặt của oxy, khi các vi sinh vật kị khí tùy nghi sử dụng nitrat như là chất nhận điện tử cuối cùng trong quá trình hô hấp Trong quá trình này, lượng nitrat giảm xuống và

sản sinh ra nitơ oxit và khí nitơ (Sooknah, R.D., 1999)

Người ta có thể kiểm soát sự nở hoa của tảo độc trong nước phú dưỡng bằng phương pháp hóa học, ví dụ dùng các hóa chất tiêu diệt trực tiếp tảo độc (như sunphat đồng, quinon, terbutryn…) hay là các chất có bản chất sinh học như L-Lysine (Yoshida M., và cộng sự, 2004)

Kiểm soát bằng phương pháp vật lý: ví dụ như ở Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc người ta đã sử dụng bột sét làm chất kết bông để loại bỏ các tế bào tảo độc nở hoa và một số tảo khác không cần thiết trong thủy vực, hay việc khuấy sục bằng cơ học, sóng siêu âm cũng có tác dụng giảm số lượng và thành phần tảo gây nở hoa

Kiểm soát bằng phương pháp sinh học, ví dụ như sự phát triển của quần thể động vật ăn lọc, sống đáy là chiến lược phát triển lâu dài để kiểm soát các quần thể tảo trong những vùng nhất định

Kiểm soát bằng phương pháp thủ công, ví dụ dùng phao nổi gom dồn lớp váng tảo nở hoa trên bề mặt (Đặng Diễm Hồng, 2006)

Qua nghiên cứu cho thấy, khả năng tự làm sạch nước của các thủy vực

15

trong tự nhiên là do môi trường nước luôn diễn ra các quá trình lý hóa, sinh học bao gồm: hấp thụ các kim loại nặng thông qua các nhóm thực vật có bộ rễ trong tầng nước (các loại bèo), các loại thực vật thủy sinh có rễ trong đáy thủy vực (lau sậy); phân hủy hoặc tích tụ các chất hữu cơ và các chất khác của sinh vật kết tủa và lắng đọng các chất vẩn vô cơ và hữu cơ; tăng hàm lượng oxy nhờ quang hợp của tảo và thực vật thủy sinh Điều đó cho thấy tầm quan trọng của thực vật thủy sinh trong các hồ ô nhiễm (Đặng Ngọc Thanh và cộng

sự, 2007; Lê Huy Bá và cộng sự, 2000)

1.4 Vai trò của thực vật thủy sinh trong xử lý nước phú dưỡng

Thực vật thủy sinh (TVTS) là những loài cây sống, phát triển trong môi trường ngập nước Trong điều kiện nước thải chứa nhiều chất hữu cơ, sẽ rất tốt cho chúng phát triển, bộ rễ của TVTS chứa một hệ vi khuẩn phong phú giúp phân giải các chất hữu cơ làm thức ăn cho cây Thực tế cho thấy ao hồ

có hệ thực vật thủy sinh phát triển mạnh, chúng sử dụng chất hữu cơ đã hạn chế tảo phát triển, nước trong hơn Hệ rễ cũng giúp cố định các kim loại nặng độc hại như Cd, Cu, Hg và Zn để cho sự đồng hóa và phát triển sinh khối (vista.gov.vn; nea.gov.vn)

Nhiều TVTS mọc trong hệ sinh thái đất ngập nước bao gồm đất ngập nước nhân tạo, dùng để xử lý nước thải Những TVTS mọc ở đây gồm thực vật

có mạch (hạt kín và dương xỉ), rêu và một số tảo lớn trong đó thực vật hạt kín chiếm ưu thế TVTS giống như tất cả các cơ thể quang tự dưỡng khác sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời trong đồng hoá CO2 từ khí quyển để sản xuất chất hữu cơ cung cấp nguồn năng lượng cho các cơ thể dị dưỡng như động vật, nấm

và vi khuẩn Hệ sinh thái đất ngập nước chủ yếu là cây thuỷ sinh là một trong số

hệ sinh thái có năng suất sơ cấp cao nhất, do có sự dồi dào về ánh sáng, nước và chất dinh dưỡng (Brix, H., 1994, Westlake, D.F., 1963)

Được đề xuất bởi: Boyd (1968), Wolverton và Mc Donald (1979),

16

Paverly (1983), Oron et al (1986), Sutton và Orones (1975), Reddy (1983), Shukla và Tripathi et al (1990) (U.S Environmental Protection Agency,

1998) TVTS có thể được sử dụng một cách hiệu quả trong việc giảm thiểu

mức độ ô nhiễm nguồn nước, sinh khối của chúng có thể được sử dụng để sản xuất biogas, thức ăn gia súc, đồ thủ công mỹ nghệ, sản xuất sợi hoặc phân bón Hiệu quả xử lý ô nhiễm của một số loài TVTS và tảo đã được kiểm nghiệm trong các điều kiện thí nghiệm và cho thấy rằng chúng có tiềm năng trong xử lý nước thải (Tripahi, D.B., Suresh C., Shukla, 1991)

Người ta đã biết đến khả năng của TVTS trong việc vận chuyển oxy từ không khí vào trong nước nhờ bộ rễ, cho phép hình thành nhóm vi sinh vật hiếu khí trong bộ rễ thực vật Các vi sinh vật hiếu khí thích hợp cho việc phân giải các hợp chất hữu cơ phức tạp thành các chất đơn giản Sản phẩm của quá trình phân giải này sẽ được thực vật sử dụng cho quá trình sinh trưởng, phát triển Khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm vô cơ và hữu cơ trong nước là có sự cộng sinh giữa thực vật thủy sinh và các vi sinh vật sống trong và xung quanh

rễ của chúng Thực vật và các vi sinh vật có thể đạt được hiệu quả xử lý cao khi chúng phối hợp với nhau trong một hệ sinh thái cân bằng (Perdomo, Silvana D., 1994) Oxi chuyển từ phần thân và lá khí sinh xuống bộ rễ và giải phóng ra vùng rễ, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa Bởi vậy TVTS đóng vai trò chủ yếu trong việc giảm nồng độ

cũng như TSS và COD (Greenway, M., 2003)

Vai trò chủ yếu của thực vật thủy sinh

- Làm giá thể cho vi sinh vật sinh sống: các vi sinh vật sống trên rễ và phần thân, lá có vai trò chính trong quá trình xử lý;

- Tạo điều kiện cho quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa: Sự chuyển hóa từ NH3 thành NO3- xảy ra khi nước thải phải được sục khí, khi đó các vi

17

khuẩn hiếu khí sẽ thực hiện chuyển hóa này Nếu như ở điều kiện kị khí sẽ tạo

ra quá trình ức chế oxy hóa NH3 thành dạng NO3

- Tuy nhiên một lượng oxy khuếch tán từ rễ thực vật tạo ra một vùng hiếu khí, tạo điều kiện cho sinh trưởng của các vi sinh vật hiếu khí;

- Chuyển hóa nước và chất ô nhiễm: thực vật hấp thu các chất và ion gây ra ô nhiễm vào trong cơ thể của chúng Trong quá trình xử lý, các chất có tiềm năng gây ô nhiễm có thể ở trạng thái không hoạt động qua sự trao đổi, kết tủa, bám dính, tích tụ, oxy hóa và sự biến đổi các ion;

- Sử dụng dinh dưỡng: TVTS sử dụng nitơ, phospho và các nguyên tố

vi lượng khác Mặt khác, phần lớn các chất dinh dưỡng được hấp thu bởi thực vật sẽ quay trở lại hệ thống qua các phần thân, lá, rễ bị chết;

- Lọc: thân và lá của thực vật nửa ngập nước và rễ của thực vật nổi như

là một lớp ngăn chặn một số chất lơ lửng, tạo điều kiện cho sự phân hủy các hợp chất hữu cơ bằng cách kéo dài thời gian cho quá trình biến đổi sinh hóa;

- Nguồn che sáng: TVTS giúp điều hòa nhiệt độ của nước, ngăn chặn sự phát triển của các nhóm tảo, qua đó hạn chế sự dao động của pH và lượng oxy hòa tan giữa ban ngày và ban đêm (United…, 2002)

Trong tự nhiên, sử dụng TVTS cho xử lý nước thải có thể được tiến hành trong các kênh rạch với độ sâu từ 20- 50cm hoặc trong các ao có độ sâu

từ 50cm- 2m Để xác định loài thực vật cho xử lý nước thải cần xem xét đặc điểm sinh trưởng, khả năng chống chịu của thực vật và các nhân tố môi

trường (Greenway, M., 2003) Ngoài ra cũng cần xem xét đặc điểm của nước

thải, yêu cầu về chất lượng dòng thải, loại hệ thủy sinh, cơ chế loại bỏ ô nhiễm, lựa chọn quy trình, các chất thiết kế đặc biệt, độ tin cậy của quá trình (Perdomo, Silvana D., 1994)

1.5 Một số mô hình công nghệ sử dụng thực vật thủy sinh để xử lý nước

đã có hàng ngàn hệ thống xử lý nước thải (thành phố, công nghiệp, khai thác mỏ ) bằng công nghệ sử dụng TVTS đang hoạt động Phương pháp xử lý ô nhiễm hữu cơ và vô cơ tại vùng rễ của một số TVTS đã được nghiên cứu và triển khai có hiệu quả tại Đức, Nhật Bản

Công nghệ sử dụng thực vật trong xử lý nước thải được gọi là

“Constructed Wetland” được gọi là công nghệ đất ngập nước Thông thường

2 năm, lại có hội nghị quốc tế về vấn đề này Hội nghị lần thứ 10 tổ chức tại

Bồ Đào Nha vào tháng 9 năm 2006 có 183 báo cáo toàn văn của các nhà khoa học từ 39 quốc gia trong đó có Việt Nam

Nhìn chung việc sử dụng thực vật thuỷ sinh cho xử lý xử lý ô nhiễm được tóm tắt trong phạm vi các dạng công nghệ sau:

Cơ chế loại bỏ các chất ô nhiễm:

- Loại bỏ BOD và TSS: các hạt riêng biệt lắng xuống một cách độc lập,

bề mặt thân, lá và rễ cây trong nước tạo thành lớp màng do các loại tảo bám

làm cho chất dạng hạt bị chặn, dính bám và loại bỏ tại đây

- Loại bỏ nitơ: trong SF, ammonium có thể biến đổi thành nitrit (NO2) sau đó thành nitrat (NO3) , nitrat hoá xảy ra 2 bước: NH4 biến thành nitrit do

vi khuẩn thuộc chi Nitrosomonas: NH4+ 1,5O2→ 2H+

+ H2O+ NO2

-, tiếp đó nitrit được biến đổi thành nitrat do chi vi khuẩn nitrobactor: NO2 + 0,5O2→

NO3 Qúa trình phản nitrat hoá xảy ra khi có mặt nguồn các bon, oxy và sinh

ra khí N2, N2O Khi nhiệt độ thích hợp cho nitrat hoá, trên 50% nitơ có thể được loại bỏ

- Loại bỏ phospho: Phospho có mặt trong nước thải chủ yếu ở dạng

phosphat Về cơ bản, sự loại bỏ phosphat trong FWS là sự tích tụ dần trong trầm tích đáy bao gồm sự tách hóa lý và sự biến đổi phosphat sinh học

-Cơ chế loại bỏ sulur: sulfur có dạng hữu cơ, H2S, sulfur nguyên tố và sulphat SO4, nó được cây, các vi sinh vật hấp thu và tạo thành các mô tế bào

từ đó được động vật tiêu thụ

- Loại bỏ nguồn gây bệnh: nước thải sinh hoạt trong đó nước thải từ bể

20

tự hoại đưa vào FWS có thể có các nguồn gây bệnh Các nguồn bệnh đường ruột khi vào FWS đã gặp phải môi trường không thuận lợi nên hầu hết chúng không sống sót được lâu Một số có thể kết hợp với TSS và loại bỏ do lắng xuống, nước sau khi qua hệ thống FWS có số lượng coliform giảm đáng kể

- Loại bỏ kim loại: Các kim loại cần thiết cho thực vật và động vật sinh

trưởng và phát triển nhưng chỉ với lượng rất nhỏ gồm: Ba, Cr, Co, Cu, I, Mn,

Mg, Mo, Ni, Se, Zn và S Các kim loại độc ở nồng độ vết là As, Cd, Pb, Hg

và Silver bạc Khi vào trong hệ thống FWS, kim loại sẽ bị chặn và hút bám lên bề mặt của cây, các mảnh vụn hữu cơ bị lắng đọng

1.5.2 Hệ thống dòng chảy ngầm hay công nghệ vùng rễ

Trong trường hợp này, TVTS thường là lau, sậy, cỏ lác…chúng có rễ

ăn sâu trong nền cát, sỏi với độ sâu khoảng 0,5- 1 m Nước thải chảy qua hệ thống các khe hở trong nền cát, sỏi và được làm sạch nhờ hệ thống rễ cây và hệ vi sinh vật bám quanh rễ Trong thiết kế hệ thống dòng chảy ngầm cần lưu ý

những vấn đề sau:

+ Nước và thuỷ học: mục đích cơ bản của khái niệm xử lý wetland

dòng ngầm là duy trì dòng chảy bên dưới bề mặt của môi trường trồng cây

Hệ thống đất ngập nước nhân tạo đang hoạt động có dòng chảy trên đỉnh của môi trường trồng cây ở mức độ khác nhau

+ Sự bít ở trong vùng vật liệu trồng cây: sự bít ở vùng đầu vào của

nước trong hệ thống đã gây nên dòng chảy trên bề mặt Tuy nhiên,với tải lượng nhỏ hơn 0,5 kg BOD5/m2/ngày, không thấy có dòng chảy trên mặt

1.5.3 Hệ thống thực vật nổi (Floating aquatic plant systems)

Thu nhận các chất dinh dưỡng và các nguyên tố cần thiết qua bộ rễ phát

triển trong nước Sinh khối của một số loài bèo như bèo lục bình (Eichhornia reassipe), bèo cái (Postia straliotes), bèo tấm (Lemnaceae), bèo hoa dâu (Azolla caroliniana) và các loài thực vật nổi khác phát triển rất mạnh trong

21

môi trường nước thải Bộ rễ của bèo còn là nơi cư trú của vi khuẩn hấp thụ và phân hủy chất hữu cơ

Trong đó, hai cây thuỷ sinh nổi được sử dụng phổ biến nhất là bèo tây

và bèo tấm Hai kiểu hệ thống xử lý nước thải sử dụng bèo tây chính là: hệ thống hiếu khí không thông khí (I) và hệ thống hiếu khí có thông khí (II) Hệ thống (I) là các ao nông dòng chảy bất kỳ hoặc các mương dòng chảy không đều trồng bèo tây, hoạt động có hoặc không quay vòng dòng ra và nạp nước thải từng bước Hệ thống (II) khác hệ thống (I) ở chỗ là có cấp khí bổ sung và mức nước sâu hơn Hệ thống (II) có ưu điểm là có thể có tải lượng hữu cơ cao hơn đồng thời giảm diện tích Địa hình bằng phẳng và hơi nghiêng (dốc) là thích hợp để xây dựng hệ thống sử dụng bèo tây

1.6 Một số nghiên cứu sử dụng TVTS trong xử lý nước thải ở Việt Nam

Khả năng sử dụng TVTS trong xử lý nước thải ở Việt Nam đã được nghiên cứu từ năm 1990 (Lâm Minh Triết, 1990) Trong những năm trở lại đây, một số tác giả đã chứng minh được khả năng của một số TVTS trong việc hấp thu các kim loại nặng Trong đó bèo tây và bèo cái có khả năng hấp thụ Pb, Cr, Ni, Co, Zn và Fe trong nước thải công nghiệp, rong đuôi chó và

bèo tấm có khả năng giảm thiểu được Fe, Cu, Pb và Zn, rau muống (Ipomoea aquatica ) có khả năng tích lũy mạnh Cu, Ni, Cr và Zn Qua hệ thống rễ, rau

muống có khả năng tích lũy 0,552 mg Cu, 0,213 mg Ni, 0,090 mg Cr và 0,009

mg Zn trên 1 gam khô trong vòng 48 giờ ở nồng độ kim loại là 5,00 mg/L (Lê Hiền Thảo, 1999; Nguyen Quoc Thong và cộng sự, 2002; Đặng Đình Kim, 2002;Nguyễn Quốc Thông và cộng sự, 2003; Trần Văn Tựa và cộng sự, 2004)

Ngoài ra: xử lý ô nhiễm phospho, ion phosphat trong nước thải và nước thải sinh hoạt bằng TVTS cũng đã đem lại kết quả khả quan (Lâm Ngọc Thụ

và cộng sự, 2005; Nguyễn Việt Anh và cộng sự, 2006) Trần Văn Chiến và cộng sự, 2006, đã có nghiên cứu bước đầu nghiên cứu giảm thiểu ô nhiễm

Trong những năm gần đây, tại Viện Công nghệ Môi trường (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) có các nghiên cứu một số loài thực vật thủy sinh như: bèo tây, bèo cái, rau muống, ngổ trâu, lau sậy, cỏ vetiver để đánh giá đặc điểm sinh học, tính chống chịu và khả năng loại bỏ một số yếu tố gây ô nhiễm từ nước thải công nghiệp mạ điện, nước thải công nghiệp chế biến thực phẩm Kết quả cho thấy các loài thực vật này có tăng trưởng cao, khả năng chống chịu và giảm thiểu ô nhiễm môi trường tương đối tốt Các kết quả thí nghiệm vận hành ở quy mô pilot sử dụng bèo tây và bèo cái trong xử lý nước thải chế biến thủy sản, sử dụng cây sậy và cỏ vetiver trong xử lý nước thải chứa crom và niken đã được xây dựng và vận hành có hiệu quả ( Tua, T.V., 2006; Trần Văn Tựa và cộng sự, 2007; Trần Văn Tựa và cộng sự, 2008)

1.7 Khả năng xử lý nước thải của thực vật nghiên cứu

Bèo tây (Eichhornia crappsipes (Mart.) Solms), còn được gọi là bèo

Nhật Bản hay bèo Lục bình, là loài thực vật nổi sống ở nước ngọt thuộc họ

Lục bình (Pontederiaceae), có nguồn gốc từ Nam Mỹ

Lá bèo tây dày, dai, có hình elip hoặc ovan, mọc thành hình hoa thị, cuống lá phồng và xốp giúp cho cây bèo có thể nổi được trên mặt nước Bèo tây sinh sản chủ yếu bằng chồi (nhờ thân bò) Rễ bèo tây có màu sẫm, dạng sợi, phía ngoài có nhiều lông tơ Bèo tây là một trong số thực vật nổi có nhiều

ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới (Fujioka, R.S.và cộng sự 1999; http:/vnexpress.net )

Bèo tây sinh trưởng ở nhiệt độ 100C – 400C, nhưng mạnh nhất ở 200

C-230C Do đó ở nước ta chúng sống quanh năm.Chúng phát triển mạnh từ tháng

23

4- tháng 10, ra hoa vào tháng 10, tháng 11, được xếp là một trong 10 loài cây có tốc độ sinh trưởng mạnh nhất trên thế giới (Damron, B.L and Wilson, H.R 2003; U.S Environmental Protection Agency, 1998) Chúng có khả năng tăng gấp đôi sinh khối trong vòng 14 ngày (Aquatic Ecosystem Restoration Foundation, 2005; G.K., 1999; Shome, J.N., and Neogi, S.K., 2001) Tỷ lệ tăng trưởng của bèo tây khoảng 10,33 – 19,15kg/ha ngày (Reddy and DeBusk, 1987) (United States Department of Agriculture, 2002) Sinh khối trung bình lớn nhất của bèo tây là 49,6 kg/m2 (Damron, B.L and Wilson, H.R 2003)

Trong điều kiện bình thường, bèo tây có thể bao phủ mặt nước với mật

độ 10kg/m2

, mật độ tối đa có thể đạt được là 50kg/m2 (U.S Environmental

Protection Agency, 1998) Nhiệt độ tối thích cho sự phát triển của bèo tây là

21 - 30oC, ở nhiệt độ 8 -15oC, sinh trưởng gần như bị ngưng trệ, nếu giữ nhiệt độ– 3o

C trong 12 giờ thì toàn bộ lá sẽ bị phá hủy, còn nếu giữ nhiệt độ – 5 oC trong 48 giờ thì toàn bộ cây bèo sẽ bị chết Như vậy bèo tây sinh trưởng rất kém trong vùng có khí hậu lạnh (U.S…, 1998; United…., 2002) Vì sinh trưởng nhanh nên bèo tây gây cản trở tàu bè, các hoạt động đánh bắt thủy sản, cản trở dòng chảy, tái ô nhiễm do thân bèo thối….nếu không được quản lý tốt (Jayaweera, M.W., Kasturiarchchi, J.C and Fernando, P.U.D 2002; Jensen Ric,

1998; Land protection, 2004)

Tốc độ sinh trưởng của bèo tây phụ thuộc vào mật độ, nguồn dinh dưỡng trong nước thải và các điều kiện khí hậu Tốc độ sinh trưởng của bèo tây và thành phần dinh dưỡng của nước thải có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của quá trình xử lý Hấp thu của thực vật là quá trình chủ yếu để loại bỏ dinh dưỡng từ nước thải chứa nhiều N và P (Jensen Ric, 1998) Hiệu quả loại

bỏ N trung bình là 1,2 kg N/ha.ngày, với P, hiệu quả loại bỏ trong trường hợp đảm bảo thu hái một cách hợp lý có thể đạt 30-50 %, trường hợp không được thu hái, hiệu quả loại bỏ P là rất thấp (United States Department of

Cu, Cr, Co, Fe, Zn, Ag, Phenol và một số chất có khả năng gây ung thư Chúng có thể tích tụ các nguyên tố này với hàm lượng cao hơn từ 4.000 đến 20.000 lần so với trong nước (Wolverton& McDonald, 1979; Ho Y.B., Wong

Wai-kin., 1994; Loan, N.T 2001) Bèo tây loại bỏ rất nhiều thành phần của

nước thải bằng cách hấp thu vào trong mô của chúng, ở đó sự tích lũy sinh học có thể cao đến 20.000 lần (Aowal& Singh, 1981) (Tripahi, D.B., Suresh C., Shukla, 1991)

Bèo tây còn góp phần hạ thấp nhiệt độ của nước, giảm sự khuấy động mặt nước của gió và có đủ bóng che cần thiết để hạn chế sự phát triển của tảo, qua đó giảm sự dao động lớn của nồng độ pH và oxy hoà tan vào ban ngày (do hoạt động quang hợp của tảo gây ra) Ngoài ra, các nghiên cứu về khả năng xử lý nước thải của bèo tây cũng được quan tâm ở một số nước trên thế giới như Zambia, Trung Quốc, Ai Cập…(Shome, J.N., and Neogi, S.K., 2001; Tang Shu-yu and Lu Xian- wen, 1993; Tawific, T.A., 2003) Tại Việt Nam bèo tây cũng được nghiên cứu trong việc hấp thu kim loại từ môi trường nước, giảm thiểu ô nhiễm nước thải sinh hoạt, nước thải chế biến thủy sản…(Trần Văn Tựa và cộng sự, 2004; Trần Văn Chiến và cộng sự, 2005; Trần Văn Tựa và cộng sự, 2007)

25

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM

2.1 Đối tượng nghiên cứu

2.1.1 Nước hồ phú dưỡng

Nước sử dụng ở qui mô thực nghiệm lấy từ nước ao, hồ tự nhiên thuộc

xã Cổ Nhuế, huyện Từ Liêm, Hà Nội

Nước sử dụng trong suốt quá trình thí nghiệm theo mẻ qui mô chậu vại là nước máy được bổ sung các hóa chất theo môi trường Gibeaut

(http://www.ag.unr.edu/cramer/hydroponic.html)

2.1.1 Cây ngổ trâu và bèo tây

Ngổ trâu và bèo tây được lấy từ ao tự nhiên khu vực Cổ Nhuế (Từ liêm,

Hà Nội) Những cây tươi, có sức sống tốt, hệ rễ phát triển, không bị sâu bệnh được chọn làm thí nghiệm Trước khi thí nghiệm ngổ trâu và bèo tây được nuôi trong nước sạch từ 3- 5 ngày

2.2 Mục tiêu nghiên cứu

Luận văn tập trung đánh giá khả năng loại bỏ các yếu tố phú dưỡng môi trường nước của bèo tây và ngổ dại qui mô chậu vại và pilốt

2.3 Thời gian và địa điểm nghiên cứu

Các thí nghiệm trong Luận văn được tiến hành từ tháng 10/2009 đến tháng 4/2010, tại khu thí nghiệm của Viện Công nghệ Môi trường Số liệu được phân tích tại phòng thí nghiệm Thủy Sinh học Môi trường, Viện Công nghệ Môi trường, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam

KI; HgI2, KNaC4H4O6.4H2O; NaOH; NH4Cl; CaCO3

K2SO4,H2SO4,NaOH,Na2S2O3.5H2O,phenonphtalein

H2SO4, K2S2O8

K2Cr2O7, H2SO4 đ, AgNO3, HgSO4

(NH4)2SO4 Ca(NO3)2 và KNO3

KH2PO4 HCl và NaOH

Xác định NO3

-Xác định PO4Xác định NH4+Xác định T- N Xác định T- P Xác định COD Tính nồng độ N-

3-NH4+Tính nồng độ NNO3-Tính nồng độ P-

PO4Điều chỉnh pH

Máy COD Reactor của hãng HACH (Mỹ)

Buồng đếm Lagoette (Germany)

Cân KT Sartorius GM 612 và Sartorius

BA110S Máy Kelđan Cuvet thạch anh,thủy tinh Pipet, ống đong, bình thí nghiệm

Đo DO

Đo pH, t0

Đo quang

Ủ và phá mẫu COD Xác định số lượng tế bào thực vật phù du Xác định sinh khối thực vật

Xác định T-N

Đo quang Lấy mẫu hóa chất, thí

nghiệm

2.5 Phương pháp nghiên cứu

2.5.1 Phương pháp đánh giá chất lượng nước

- Xác định hàm lượng N-NO3- bằng phương pháp Brucine

- Xác định tổng Nitơ (T-N) bằng phương pháp Kjeldahn

- Xác định tổng Phospho (T-P): sau bước xử lý bằng axit, các bước tiếp theo như xác định PO43-

- Xác định COD bằng Kili phtalat

28

Mỗi thí nghiệm lặp lại 3 lần Tất cả các chậu thí nghiệm được đặt trong nhà dưới ánh sáng tán xạ Thời gian cho mỗi thí nghiệm là 15 ngày, 2 ngày tiến hành đo DO và pH một lần Trong đó:

▪ Thực nghiệm quy mô pilot

Hệ thống xử lý quy mô pilot gồm 2 mương song song được xây bằng gạch, có kích thước: dài x rộng x sâu tương ứng: 4,6 m x 0,8 m x 0,2 m Đầu mương ngăn (dài 0,2 m) nhận nước vào mương, mức nước trong bình trong mương 10 cm Mỗi mương trồng một loại cây và mật độ cây vừa kín mặt nước Nước phú dưỡng từ ao được bơm liên tục vào mương xử lý với các tải lượng khác nhau Hàng tuần tiến hành phân tích chất lượng nước trước và sau xử lý

Mô hình như sau:

2.5.3 Phương pháp phân tích và xử lý số liệu

+ Sinh khối thực vật được tính dựa trên sinh khối tươi trước và sau khi đặt thí nghiệm Trước khi cân, cây được thu và để ráo nước

+ Tỷ lệ tăng trưởng được đánh giá dựa trên khối lượng của bèo tây và

29

ngổ trâu tăng lên sau thí nghiệm và được tính theo công thức:

x 100

Trong đó:

- G: tỷ lệ tăng trưởng khối lượng (%/chậu)

- P1: khối lượng bèo trước thí nghiệm (g)

- P2: khối lượng bèo sau thí nghiệm (g)

+ Hiệu suất xử lý được tính theo công thức:

30

CHƯƠNG 3

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Ảnh hưởng của một số yếu tố môi trường đến sinh trưởng của

bèo tây và ngổ trâu

Sinh trưởng và phát triển của thực vật nói chung và thực vật thủy sinh nói riêng chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố môi trường như: điều kiện khí hậu,

độ pH, hàm lượng các chất hữu cơ, vô cơ, sự tác động vi sinh vật Với mỗi yếu tố môi trường lại tác động khác nhau đến thực vật ở những nồng độ và hàm lượng nhất định Do đó, việc sử dụng bèo tây và ngổ trâu trong xử lý nước thải, hay nuôi chúng trong môi trường nước phú dưỡng, chúng ta cần tìm hiểu tác động của một số yếu tố môi trường đặc trưng trong nước hồ đến sinh trưởng của thực vật Đối với nước hồ được coi là phú dưỡng, nguyên nhân quan trọng nhất là sự tích tụ chất dinh dưỡng nitơ và phospho

Trong Luận văn này, 4 yếu tố được quan tâm là pH, N-NH4

+

, N-NO3

-, P-PO43- Trong đó, 3 yếu tố được coi là chất gây lên phú dưỡng hóa cần phải

xử lý là, N-NO3-, N-NH4+, P-PO43- còn pH không những có vai trò đối với sự sống của thủy sinh mà nó còn là tác nhân quan trọng gây lên sự chuyển hóa của NH4

+

thành dạng NH3 độc hại

3.1.1 Ảnh hưởng của pH

pH là một trong những chỉ tiêu xác định đối với nước cấp và nước thải

Sự thay đổi pH làm thay đổi các quá trình hòa tan hoặc keo tụ, giảm vận tốc của phản ứng hóa học xảy ra trong nước, cũng như có ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động sống của vi sinh vật và thực vật thủy sinh Nhất là sự tăng pH ảnh hưởng rất lớn đến sự sinh trưởng của thực vật

Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của pH ở các nồng độ: 5, 6, 7, 8, 9 khác

nhau đến sinh trưởng của bèo tây và ngổ trâu được trình bày trong Bảng 3.1