Tiểu luận đất ngập nước

Những nghiên cứu xây dựng đất ngập nước 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 dự

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẤT NGẬP NƯỚC 4

1.1 CÁC ĐỊNH NGHĨA VỀ ĐẤT NGẬP NƯỚC 4

1.2 CHỨC NĂNG CỦA ĐẤT NGẬP NƯỚC 5

1.2.1 Chức năng sinh thái 5

1.2.2 Chức năng kinh tế của đất ngập nước 5

1.2.3 Chức năng xã hội 6

1.3 VAI TRÒ CỦA ĐẤT NGẬP NƯỚC 6

1.4 ĐẤT NGẬP NƯỚC TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI VÀ PHÂN LOẠI 7

1.4.1 Lịch sử sử dụng đất ngập nước để làm sạch nước 7

1.4.2 Đất ngập nước tự nhiên 7

1.4.3 Đất ngập nước nhân tạo 7

1.4.3.1 Theo hệ thống phân loại Ramsar 8

1.4.3.2 Theo hệ thống phân loại ĐNN của tổ chức bảo tồn thiên nhiên quốc tế (IUCN WETLAND CLASSIFICATION, DUGAN, 1999) 9

1.4.3.3 Theo Bộ Khoa học, Công nghệ và Môi trường năm 2001 về việc phân loại đất ngập nước nhân tạo 9

1.5 SỰ KHÁC BIỆT GIỮA ĐẤT NGẬP NƯỚC TỰ NHIÊN VÀ NHÂN TẠO 11

CHƯƠNG 2 SƠ LƯỢC VỀ ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO 13

2.1 THÀNH PHẦN CỦA VÙNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO 13

2.1.1 Nước 13

2.1.2 Chất nền, trầm tích, và rác 13

2.1.3 Thực vật thủy sinh 14

2.1.4 Vi sinh vật 15

2.1.5 Động vật 15

2.2 ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO 16

2.2.1 Ưu điểm thi công vùng ngập nước 16

2.2.2 Nhược điểm của vùng đất ngập nước nhân tạo 16

2.3 DUY TRÌ VÀ BẢO DƯỠNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC 17

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG CỦA MÔ HÌNH ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO 19

3.1 MỘT SỐ THỰC VẬT TIÊU BIỂU VÙNG ĐẤT NGẬP NƯỚC 19

3.1.1 Cây bèo tây 21

3.1.2 Cây sậy (tên khoa học là Phragmites communis) 22

3.1.3 Cỏ Vetiver – Cỏ Hương Bài (Tên khoa học Vetiveria Zizanioides L thuộc họ Graminae, họ phụ Panicoideae, tộc Andropogoneae, tộc phụ Sorghinae .) 23

3.1.4 Cây cỏ nến (Typha) 24

3.2 CƠ CHẾ XỬ LÝ NƯỚC THẢI 24

3.2.1 Các quá trình diễn ra trong hệ thống đất ngập nước 24

3.2.1.1 Quá trình vật lí, hóa học 24

3.2.1.2 Quá trình sinh học 25

3.2.2 Cơ chế các quá trình xử lý nước thải 25

3.2.2.1 Loại bỏ các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học 26

3.2.2.2 Loại bỏ chất rắn 27

3.2.2.3 Cơ chế loại bỏ Nitơ 28

3.2.2.4 Cơ chế loại bỏ photpho 30

3.2.2.5 Cơ chế loại bỏ kim loại nặng 30

3.2.2.6 Loại bỏ các hợp chất hữu cơ 31

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI 33

4.1 TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ 33

4.1.1 Vị trí xây dựng 34

4.1.2 Thổ nhưỡng 34

4.1.3 Yếu tố thủy văn 34

4.1.4 Kỳ vọng hiệu suất 35

4.2 CÁC MÔ HÌNH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO 35

4.2.1 Hệ thống dòng chảy trên bề mặt (Free water surface - FWS) 35

4.2.2 Hệ thống dòng chảy ngang dưới mặt đất (Horizontal subsurface flow - HSF) 35

4.2.3 Hệ thống với dòng chảy thẳng đứng (Vertical subsurface flow - VSF) 36

4.3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 38

4.3.1 Thiết kế hệ thống đất ngập nước nhân tạo dòng chảy mặt (FWS) 39

4.3.1.1 Mô hình liên tục – sequential model 39

4.3.1.2 Cơ sở tính toán, thiết kế hệ thống FWS 41

4.3.2 Thiết kế hệ thống đất ngập nước nhân tạo dòng chảy ngầm (SFS) 45

CHƯƠNG 5 TỒ CHỨC QUAN TRẮC VÀ QUẢN LÝ HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO 48

5.1 QUAN TRẮC CHẤT LƯỢNG NƯỚC 48

5.2 QUẢN LÝ THẢM THỰC VẬT TRONG HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC 48

5.3 QUAN TRẮC ĐẤT NGẬP NƯỚC TRONG HỆ THỐNG 49

KẾT LUẬN 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẤT NGẬP NƯỚC 1.1 CÁC ĐỊNH NGHĨA VỀ ĐẤT NGẬP NƯỚC

Định nghĩa về đất ngập nước có thể chia làm 2 nhóm chính: một nhóm theo nghĩa rộng và một nhóm theo nghĩa hẹp:

- Nhóm định nghĩa theo nghĩa rộng được nhiều người công nhận nhất là công ước Ramsar (năm 1971): "Đất ngập nước bao gồm: những vùng đầm lầy, đầm lầy than bùn, những vực nước bất kể là tự nhiên hay nhân tạo, những vùng ngập nước tạm thời hay thường xuyên, những vực nước đứng hay chảy, là nước ngọt, nước lợ hay nước mặn,

kể cả những mực nước biển có độ sâu không quá 6m khi triều thấp"

- Theo nghĩa hẹp: Nhìn chung đất ngập nước là khu vực chuyển tiếp giữa đất và nước, đới chuyển tiếp sinh thái Những nơi mà sự ngập nước của đất gây ra sự phát triển của một hệ sinh thái đặc trưng, bao gồm một loạt các môi trường ẩm ướt như đầm lầy, đồng cỏ ẩm ướt, đất ngập nước thủy triều, vùng ngập và ven sông vùng đất ngập nước dọc theo dòng kênh

Phạm vi phân bố và diện tích của đất ngập nước:

- Đất ngập nước xuất hiện ở mọi nơi từ địa cực tới xích đạo Hiện nay, người ta vẫn chưa biết chính xác diện tích đất ngập nước chiếm bao nhiêu phần trăm diện tích

bề mặt Trái Đất

- UNEP (Chương trình Môi trường Liên hiệp quốc) cho rằng diện tích đất ngập nước vào khoảng 570 triệu hecsta (5,7 triệu km²), tức là khoảng 6% diện tích bề mặt của trái đất, bao gồm 2% là hồ, 30% là bãi lầy, 20% là đầm lầy và 15% là đồng bằng cửa sông

- Mitsch và Gosselink trong cuốn sách giáo khoa: “ Tiêu chuẩn đất ngập nước’’ (tái bản lần thứ 4, năm 2000) cho biết diện tích cây Đước bao phủ khoảng 240.000 km², diện tích San hô vào khoảng 600.000 km² ở vùng ven biển và trên toàn thế giới

- Tuy nhiên trong báo cáo đánh giá toàn cầu về tài nguyên đất ngập nước của Ramsar tổ chức vào năm 1999, chỉ ra rằng diện tích này trên toàn cầu tối thiểu là từ 748-778 triệu hécta, còn nếu căn cứ vào các nguồn thông tin khác nữa thì con số “tối thiểu” này có thể tăng lên từ 999 đến 4.462 triệu hécta

1.2 CHỨC NĂNG CỦA ĐẤT NGẬP NƯỚC

Đất ngập nước cung cấp một số chức năng và giá trị (chức năng đất ngập nước là quá trình cố hữu xảy ra trong vùng đất ngập nước; giá trị đất ngập nước là các thuộc tính của vùng đất ngập nước xã hội nhận thức là có lợi) Trong khi không phải tất cả vùng đất ngập nước cung cấp tất cả các chức năng và giá trị, hầu hết các vùng đất ngập nước cung cấp một số Trong những trường hợp thích hợp xây dựng vùng đất ngập nước có thể cung cấp một số chức năng:

1.2.1 Chức năng sinh thái

- Nạp nước ngầm

- Hạn chế ảnh hưởng lũ lụt

- Ổn định vi khí hậu

- Chống sóng biển, ổn định bờ biển và chống xói mòn

- Xử lý nước, giữ lại chất cặn, chất độc…

- Giữ lại chất dinh dưỡng

- Sản xuất sinh khối

- Giao thông thuỷ

- Giải trí, du lịch

- Cải thiện chất lượng nước

1.2.2 Chức năng kinh tế của đất ngập nước

- Tài nguyên rừng: cung cấp một loạt các sản phẩm quan trọng như gỗ, than, củi

và các sản phẩm khác như nhựa, tinh dầu, tanin, dược liệu …Nhiều vùng ĐNN giàu động vật hoang dã đặc biệt là các loài chim nước, cung cấp các sảnphẩm có giá trị thương mại cao

- Thuỷ sản: Môi trường sống và nơi cung cấp thức ăn cho cá, loài thuỷ sản

- Tài nguyên cỏ và tảo biển: Thức ăn của nhiều loại thuỷ sinh vật, người và gia súc, ngoài ra còn làm phân bón và dược liệu…

- Sản phẩm nông nghiệp: các ruộng lúa nước chuyển canh hoặc xen canh với các cây hoa màu khác tạo nên nhiều sản phẩm quan trọng của vùng đất ngập nước

- Cung cấp nước ngọt: Là nguồn cung cấp nước ngọt cho sinh hoạt, tưới tiêu, cho chăn nuôi gia súc và sản xuất công nghiệp

- Tiềm năng năng lượng: Than bùn, các đập, thác nước… là những nguồn năng lượng quan trọng

1.2.3 Chức năng xã hội

- Tạo cảnh quan, vui chơi, giải trí

- Giá trị văn hoá: lễ hội, giáo dục, nghiên cứu…

- Giá trị đa dạng sinh học

 Nhận thức được giá trị lợi ích của vùng đất ngập nước, kết hợp với chất lượng và minh chứng môi trường sẽ dẫn đến việc xây dựng đất ngập nước nhân tạo cho nhiều mục đích

1.3 VAI TRÒ CỦA ĐẤT NGẬP NƯỚC

Đất ngập nước còn có vai trò quan trọng trong thiên nhiên và môi trường như :

- Lọc nước thải: một vùng đất ngập nước có giá trị khoảng vài chục hectar sẽ có khả năng lọc và xử lý nước thải tương đương với một trạm xử lý nước nhiều triệu dollars Ước tính khoảng 70%N- NH4, 99% nitrir và N – NO3 và 95% P tổng số hòa tan được loại bỏ khi nước thải đi qua ĐNN

- Nạp và ổn định nước ngầm: nước được thấm từ các vùng đất ngập nước xuống các tầng ngập nước trong lòng đất, nước được giữ ở đó và điều tiết thành dòng chảy bề mặt ở vùng ĐNN khác cho con người sử dụng

- Hạn chế ảnh hưởng lũ lụt: Bằng cách giữ và điều hào lượng nước mưa như “bồn chứa” tự nhiên, giải phóng nước lũ từ từ, từ đó có thể làm giảm hoặc hạn chế lũ lụt ở vùng hạ lưu

- Điều hòa khí hậu, chống xói mòn, ổn định bờ biển, chắn gió bão Cùng với Năm quốc tế về Đa dạng sinh học do Liên Hợp Quốc tuyên bố, năm 2010 theo Công ước Ramsar còn có chủ đề là “Đất ngập nước, Đa dạng sinh học và Biến đổi khí hậu” Đây

là những vấn đề đang được thảo luận nhiều nhất trên thế giới, đặc biệt khi biến đổi khí hậu đang ngày càng gia tăng ảnh hưởng trên toàn cầu Trong khi đó, nhiều nghiên cứu cho thấy, đất ngập nước có thể làm giảm những tác động từ biến đổi khí hậu, mặc dù chúng chỉ chiếm 6-8% diện tích bề mặt Trái đất Chính bởi giá trị quan trọng đó, thông điệp cho Ngày Đất ngập nước Thế giới năm nay (02/02/2010) là “Chăm sóc vùng đất ngập nước – giải pháp cho biến đổi khí hậu” Do chu trình trao đổi chất và nước trogn các hệ sinh thái, nhờ lớp phủ thực vật của ĐNN, sự cân bằng của O2 và CO2 trong khí

quyển làm cho vi khí hậu đại phương được ổn định, đặc biệt là nhiệt độ và lượng mưa

ổn định

- Là nơi trú chân của nhiều loài động vật hoang dã, đặc biệt là các loại chim nước, trong đó có nhiều loại quý hiếm, có ý nghĩa quốc tế Các hệ sinh thái rừng ngập mặn và rừng tràm có nhiều giá trị trong việc cung cấp sản phẩm, duy trì cân bằng sinh thái và bảo tồn thiên nhiên; cung cấp nơi kiếm ăn, khu cư trú cho các loài chim qúi hiếm như: Sếu đầu đỏ, cồng cộc, ô tác, giang sen,

1.4 ĐẤT NGẬP NƯỚC TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI VÀ PHÂN LOẠI

1.4.1 Lịch sử sử dụng đất ngập nước để làm sạch nước

Đất ngập nước được sử dụng để cải thiện chất lượng nước đã được biết đến vào những thập kỷ 30 của thế kỷ trước, nhưng hầu hêt là các loại đất ngập nước tự nhiên (U.S EPA, 1999) Những nghiên cứu xây dựng đất ngập nước 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 va áp dụng rộng rải 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 công nghiệp

Do vậy đất ngập nước để xử lý nước thải gồm có hai loại: Đất ngập nước tự nhiên

và đất ngập nước nhân tạo

1.4.2 Đất ngập nước tự nhiên

Đất ngập nước tự nhiên là những vùng ngập nước thường xuyên có nhiều loại cây chịu nước như lau, sậy chứa đựng rất nhiều loài vi sinh sống dưới lớp bề mặt có tiềm năng oxy hóa và tiềm năng khử khác nhau cũng như hỗ trợ tính đa dạng của những loài

vi sinh vật như vi khuẩn, nấm, actinomycetes, động vật nguyên sinh Những loài này phân huỷ những thành phần hữu cơ và vô cơ được đưa vào hệ thống

1.4.3 Đất ngập nước nhân tạo

So với vùng đất ngập nước tự nhiên đang ngày càng mất đi thì việc xây dựng vùng đất ngập nước nhân tạo là thiết yếu hơn và lợi ích thiết thực hơn khi dùng để xử

lý nước thải

Một vùng đất ngập nước được thiết kế và xây dựng có thảm thực vật dùng để lọc

và xử lý chất ô nhiễm trong nước thải (cải thiện chất lượng nước) chảy qua các hệ thống này được gọi là đất ngập nước nhân tạo Hệ thống này được xây dựng mô phỏng

cấu trúc và chức năng của vùng đất ngập nước tự nhiên và chúng còn có một cộng đồng vi sinh vật phong phú để thực hiện việc chuyển đổi các ion trong nước, thực hiện các quá trình sinh hóa, hấp thụ, hập phụ chất gây ô nhiễm, đặc biệt hệ thống này có thể

tự duy trì các hoạt động

Đất ngập nước nhân tạo không có khái niệm rõ ràng mà chỉ là những bảng hệ thống phân loại Tùy theo tổ chức, mục đích nghiên cứu mà có sự phân loại đất ngập nước khác nhau

1.4.3.1 Theo hệ thống phân loại Ramsar

Đất ngập nước nhân tạo

1 Các đầm/ ao nuôi trồng thủy sản (như các đầm nuôi tôm/cá)

2 Các ao; bao gồm các ao nông nghiệp, các ao nuôi, các bể chứa nhỏ (nhìn

chung nhỏ hơn 8ha)

3 Đất được tưới tiêu; bao gồm các kênh mương tưới tiêu và các ruộng lúa

4 Đất nông nghiệp ngập theo mùa (bao gồm các đồng cỏ ngập nước hoặc đồng

cỏ dùng để chăn thả gia súc hoặc được quản lý một cách tích cực)

5 Các điểm khai thác muối; các ruộng/ hồ muối, nước mặn…

6 Các khu vực trữ nước; hồ chứa/đập nước/đập chắn/ đập tràn (nhìn chung trên

8 ha)

7 Các nơi đào; các mỏ cuội/gạch/sét; các mỏ đất mượn, các moong mỏ

8 Các vùng xử lý nước thải; các bãi chứa nước thải sinh hoạt, các ao lắng, các

bể ôxy hóa…

9 Các con kênh, rạch thoát nước, các mương nhỏ

10 Các hệ thống thủy văn castơ ngầm và hang động nhân tạo

1.4.3.2 Theo hệ thống phân loại ĐNN của tổ chức bảo tồn thiên nhiên quốc

tế (IUCN WETLAND CLASSIFICATION, DUGAN, 1999)

Đất ngập nước nhân tạo

1 Canh tác thủy/hải sản Ao nuôi trồng thủy sản, kể cả các ao cá và ao

tôm

2 Nông nghiệp

Các ao đang canh tác, ao giống và ao nhốt cá Đất được tưới nước và các kênh dẫn nước, bao gồm cả các đồng lúa, kênh và rạch

Đất trồng trọt, ngập nước theo mùa

4 Đô thị/Công nghiệp

Các hồ chứa nước dùng để tưới tiêu sinh hoạt

và thải nước, và những vùng ngập nước theo mùa

Đập nước với mực nước thay đổi thường xuyên

hàng tuần hoặc hàng tháng

1.4.3.3 Theo Bộ Khoa học, Công nghệ và Môi trường năm 2001 về việc phân loại đất ngập nước nhân tạo

Bên cạnh hệ thống phân loại quốc tế, nước ta cũng có nhiều hệ thống phân loại

để quản lí và sử dụng tài nguyên ĐNN hiệu quả Trong đó, ĐNN nhân tạo cũng được phân loại rất rõ ràng

Đất ngập nước nhân tạo

1 Các đầm ao nuôi trồng thuỷ sản (ví dụ: tôm,cá)

2 Các đầm, bao gồm cả những đầm canh tác, hồ chứa nhỏ (tổng quát trên 8 ha)

3 Đất có nước tưới; bao gồm cả các mương, kênh dẫn nước và ruộng lúa

4 Đất canh tác ngập nước theo mùa

5 Vùng khai thác muối; các đầm muối, các hồ nước mặn, v.v…

6 Những vùng trữ nước, các hồ chứa, đập nước, những vùng úng nước (tổng

quát rộng trên 8 ha)

7 Các hố đào; nơi khai thác sỏi, đất sét, làm gạch, các mỏ lấy đá, hầm lấyvật

liệu, các hầm khai quặng v.v…

8 Các9 vùng xử lý nước thải, nơi thoát nước, các đầm lắng, v.v…

9 Sông đào, kênh mương thoát nước

Sở dĩ có sự phân loại như vậy là do các loại hình đất ngập nước đều có đặc điểm chung là những khu đất có đủ độ ẩm (đất bị ngập hoặc bị bão hòa bởi nước mặt hoặc nước ngầm), tần suất và thời gian lưu nước đủ dài để thực vật có thể thích nghi với điều kiện đất đai kỵ khí, hạn chế sự phát triển của những thực vật hiếu khí Chế độ thủy văn của vùng đất ngập nước nói chung là một dòng chảy chậm trong vùng nước nông hoặc bị bão hòa

Hình 1.1 Sơ đồ một vùng đất ngập nước

1.5 SỰ KHÁC BIỆT GIỮA ĐẤT NGẬP NƯỚC TỰ NHIÊN VÀ NHÂN TẠO

Trái ngược với vùng đất ngập nước tự nhiên, vùng đất ngập nước nhân tạo do chính con người xây dựng và vận hành với những chức năng mang tính cạnh tranh nhiều hơn

so với vùng ngập nước tự nhiên để phục vụ cho những nhu cầu khác nhau của con người Đất ngập nước nhân tạo được tạo ra từ hệ sinh thái trên cạn, không ngập nước, một môi trường trước đây là mặt đất, mục đích chính dùng để loại bỏ những chất gây ô nhiễm trong nước thải

Khác biệt chính giữa vùng đất ngập nước nhân tạo và đất ngập nước tự nhiên là mức

độ kiểm soát đối với các quá trình tự nhiên Chẳng hạn vùng đất ngập nước nhân tạo hoạt động với lưu lượng dòng chảy tương đối ổn định qua hệ thống, ngược lại cân bằng nước của vùng đất ngập nước tự nhiên thường xuyên thay đổi, chủ yếu là do ảnh hưởng của giáng thuỷ Hệ sinh thái đất ngập nước ở vùng đất ngập nước nhân tạo thường xuyên bị ảnh hưởng bởi lũ lụt, mặt nước chảy tràn Nồng độ tổng chất rắn lơ lửng (TSS), nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) và các thành phần nước thải khác trong hệ thống

xử lý đất ngập nước nhân tạo luôn cao hơn trong hệ thống đất ngập nước tự nhiên Thay đổi nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý vùng đất ngập nước được nhân tạo, ảnh hưởng đến quá trình lắng, lọc các chất ô nhiễm

Vùng đất ngập nước tự nhiên đa dạng hơn về các loài thực vật Hệ thống ngập nước nhân tạo hầu hết là đầm lầy, là những vùng nước nông, thảm thực vật ở đây chủ yếu là những loài thực vật thân cỏ có chức năng hấp phụ, xử lý nước thải như cây bồ hoàng,

cỏ bấc, lau sậy, bèo tây,…

Hình 1.2 Cây Bồ Hoàng Hình 1.3 Lau sậy

Hình 1.4 Cây cỏ bấc Hình 1.5 Cây bèo tây

2.1.1 Nước

Thủy văn là yếu tố quan trọng nhất trong thiết kế xây dựng vùng đất ngập nước vì

nó liên kết tất cả các chức năng trong một vùng đất ngập nước và bởi vì nó được xem như là yếu tố cơ bản trong sự hình thành nên một vùng đất ngập nước xây dựng Thiết

kế chế độ thủy văn của vùng đất ngập nước nhân tạo cần lưu ý ở một số khía cạnh quan trọng:

- Thay đổi nhỏ trong chế độ thủy văn có thể có ảnh hưởng khá đáng kể về trên một vùng đất ngập nước và hiệu suất xử lý của nó

- Vì diện tích bề mặt của nước lớn và độ sâu của hệ thống có thể tương tác mạnh mẽ với không khí thông qua lượng mưa và lượng bốc hơi (nước trong hệ thống mất đi bằng cách bốc hơi từ bề mặt nước, thông qua sự hấp thụ và bốc hơi của thực vật,…)

- Mật độ của thảm thực vật của vùng đất ngập nước có sự ảnh hưởng mạnh mẽ chế độ dòng chảy thủy văn, đầu tiên bằng cách cản trở dòng chảy bởi thông qua mạng lưới của thân, lá, rễ và thứ hai là bằng cách ngăn chặn tiếp xúc với gió và mặt trời

2.1.2 Chất nền, trầm tích, và rác

Chất nền dùng để xây dựng vùng đất ngập nước bao gồm đất, cát, sỏi, đá, và các vật liệu hữu cơ như phân trộn Điển hình là các trầm tích và rác (xác thực vât chết, lá cây khô,…) sau đó tích tụ trong đất ngập nước cùng với vận tốc nước chảy thấp nên

hiệu suất xử lý của vùng đất ngập nước cao Các chất nền, trầm tích, và xả rác là quan trọng vì nhiều lý do:

- Nó hỗ trợ rất nhiều các sinh vật sống trong vùng đất ngập nước

- Bề mặt thấm ảnh hưởng đến sự di chuyển của nước qua vùng đất ngập nước

- Biến đổi nhiều hóa chất và sinh học (đặc biệt là vi khuẩn) diễn ra trong chất nền

- Chất cung cấp lưu trữ nhiều chất gây ô nhiễm

- Sự tích tụ rác làm tăng lượng chất hữu cơ trong đất ngập nước

Chất hữu cơ cung cấp cho các nhiên liệu cho quá trình trao đổi của vi sinh vật, và cacbon là một nguồn năng lượng mà một số phản ứng sinh học quan trọng trong vùng đất ngập nước

Các đặc tính vật lý - hóa học của đất và bề mặt khác bị thay đổi khi chúng đang bị ngập trong nước Trong một nền bão hòa, nước chiếm chỗ không khí trong khí quyển trong các khe hở và sự trao đổi chất của vi sinh vật tiêu thụ oxy Kể từ khi oxy được tiêu thụ nhanh hơn so với nó có thể được thay thế bằng sự khuếch tán trong không khí, các chất nền trở nên thiếu oxy (không có oxy) Giảm môi trường này là rất quan trọng trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm như nitơ và kim loại

2.1.3 Thực vật thủy sinh

Có hai loại thực vật quan trọng trong vùng ngập nước nhân tạo là: thực vật có mạch (các thực vật bậc cao) và thực vật không có mạch (tảo) Sự quang hợp của tảo làm tăng hàm lượng oxy hòa tan trong nước do đó ảnh hưởng đến việc hấp thụ chất dinh dưỡng và kim loại Các loài thực vật thủy sinh tuy không đa dạng bằng các loài phát triển trên cạn nhưng thực vật thủy sinh cũng phát triển phong phú ở nhiều nơi trên Trái Đất, đặc biệt là ở những vùng có khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt đới

Thực vật thủy 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 trog nguồn nước với hiệu qua rất cao Thực vật thủy sinh còn được phân chia thành 3 nhóm: nhóm thực vật ngập nước, nhóm thực vật trôi nổi, nhóm thực vật nữa ngập nước

Thực vật có mạch đóng góp vào việc xử lý nước thải và dòng chảy trong một số yếu tố như sau:

- Chúng ổn định bề mặt nước và hạn chế phân kênh lưu lượng

- Chúng làm chậm vận tốc nước, cho phép các vật liệu có đủ thời gian để xử lý

- Chúng loại bỏ carbon, chất dinh dưỡng (N, P), nguyên tố vi lượng và kết hợp với nhau tạo thành thảm thực vật để vận chuyển khí của khí quyển và vào vùng rễ đi vào trong nước tạo ra sự oxy hóa trong chất nền Hệ thống gốc và rễ của chúng cung cấp nơi bám của vi sinh vật khi chúng chết hoặc mục

Xây dựng vùng đất ngập nước thường được trồng với thảm thực vật nổi (thực vật thân mềm phát triển với nguồn gốc từ chất nền và thân cây, lá nổi lên từ mặt nước) Sử dụng phổ biến trong vùng đất ngập nước được xây dựng bao gồm: cây hương bồ, cỏ đuôi mèo, lau sậy, và một số loài cây lá rộng

2.1.4 Vi sinh vật

Một đặc điểm cơ bản về chức năng của vùng đất ngập nước được quyết định bởi phần lớn các vi sinh vật và sự trao đổi chất Các vi sinh vật bao gồm vi khuẩn, nấm, sinh vật đơn bào, tảo, Một số hoạt động của vi sinh vật:

- Nó chuyển một số lượng lớn các chất hữu cơ và vô cơ thành chất thành các hợp chất đơn giản hoặc không hòa tan

- Nó làm giảm hoặc thay đổi quá trình oxy hóa (oxi hóa khử) trên bề mặt và do

đó ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý của vùng đất ngập nước

- Vi sinh vật tham gia vào việc tái sử dụng các chất dinh dưỡng

Một số biến đổi của vi sinh vật là thực hiện trong quá trình hiếu khí trong khi những vi sinh vật khác là kỵ khí Nhiều loài vi khuẩn kỵ khí tuỳ biến có nghĩa là nó có khả năng hoạt động theo cả hai điều kiện hiếu khí và kỵ khí để ứng phó với sự thay đổi điều kiện của môi trường Các quần thể vi sinh vật của vùng đất ngập nước được xây dựng có thể bị ảnh hưởng bởi các chất độc hại như thuốc trừ sâu, kim loại nặng do đó phải được thực hiện xử lý sơ bộ để ngăn chặn hóa chất ở mức độ gây hại

2.1.5 Động vật

Vùng đất ngập nước nhân tạo cung cấp môi trường sống cho đa dạng các loài động vật không xương sống và động vật có xương sống Động vật không xương sống như côn trùng và sâu đóng góp vào quá trình xử lý bằng cách phân mảnh vụn và tiêu thụ chất hữu cơ Các ấu trùng của nhiều loài côn trùng là thủy sản tiêu thụ một lượng đáng kể vật liệu trong giai đoạn ấu trùng của chúng, mà có thể kéo dài trong nhiều năm Động vật không xương sống cũng có một số vai trò sinh thái Ví dụ ấu trùng

chuồn chuồn là loài săn mồi quan trọng của ấu trùng muỗi Xây dựng vùng đất ngập nước cũng thu hút một loạt các động vật lưỡng cư, rùa, chim và động vật có vú khác

2.2 ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO 2.2.1 Ưu điểm thi công vùng ngập nước

- Cần xây dựng vùng đất ngập nước một cách tiếp cận, có hiệu quả chi phí, có tính khả thi trong kỹ thuật để xử lý nước thải và dòng chảy:

+ Vùng đất ngập nước có thể ít tốn kém và cũng khá cạnh tranh để xây dựng so với các phương pháp xử lý khác (chi phí vận hành bảo dưỡng (năng lượng, vật tư)

thấp)

+ Vận hành và bảo trì chỉ theo định kỳ, chứ không phải là liên tục giúp tiết

kiệm chi phí

+ Vùng đất ngập nước có thể chịu được những biến động về dòng chảy (tạo

điều kiện cho tái sử dụng và tái chế nước)

- Ngoài ra:

+ Cung cấp môi trường sống cho nhiều sinh vật đất ngập nước

+ Hài hòa với cảnh quan và cung cấp môi trường sống cho động vật hoang dã

(Reed và cộng sự năm 1995, Gampel năm 2003)

+ Cung cấp nhiều lợi ích ngoài việc cải thiện chất lượng nước, môi trường

sống như động vật hoang dã và nâng cao thẩm mỹ của không gian mở

+ Chịu được sự thay đổi lớn về lưu lượng cũng như hàm lượng các chất ô nhiễm trong nước thải

+ Nguồn nước sau khi xử lý nếu đạt tiêu chuẩn cho phép thì hoàn toàn an toàn cho mục đích sử dụng khác như sử dụng cho các công trình thủy lợi, rửa, vệ sinh,…

+ Lợi ích kinh tế có thể được bắt nguồn từ việc nuôi trồng thủy hải sản, tiềm

năng về Giáo dục và giải trí (thực hành nghiên cứu khoa học,…)

2.2.2 Nhược điểm của vùng đất ngập nước nhân tạo

Hạn chế chủ yếu của vùng đất ngập nước liên qun đến diện tích cần thiết để xây dựng, chi phí đầu tư cho công trình, quản lý những ảnh hưởng của hệ thống:

+ Thường yêu cầu diện tích đất lớn hơn làm hệ thống xử lý nước thải thông thường Xử lý vùng đất ngập nước có thể tiết kiệm so với các tùy chọn khác chỉ nơi có

đất có sẵn và giá cả phải chăng

+ Yêu cầu một số chi phí tối thiểu

+ Việc thiết kế chế độ thủy lực khó đạt được hiệu quả tối ưu

+ Các thành phần sinh học rất nhạy cảm với hóa chất độc hại, chẳng hạn như

amoniac và thuốc trừ sâu

+ Các chất ô nhiễm hoặc nước dâng trong dòng nước có thể tạm thời làm giảm hiệu quả xử lý để tồn tại

+ Sự tích tụ chất ô nhiễm trong đất ngập nước có thể không ổn định về lâu dài Ngoài ra, việc sử dụng các vùng đất ngập nước xây dựng để xử lý nước thải và kiểm soát nước mưa là một phát triển khá gần đây Nhưng chưa có sự thống nhất về việc thiết kế hiệu suất tối ưu của hệ thống đất ngập nước

2.3 DUY TRÌ VÀ BẢO DƯỠNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC

- Xác định vị trí của bồn chứa, việc này sẽ giúp ngăn chặn các hoạt động có thể gây tổn hại các bồn chứa

- Bảo tồn, duy trì mực nước trong thời gian hoạt động là điều quan trọng Đưa vào quá nhiều nước sẽ không đảm bảo đủ thời gian cho các chất rắn lắng xuống, làm tách riêng biệt

- Hạn chế sử dụng các bồn chứa phụ

- Giảm thiểu hoặc loại bỏ việc sử dụng các sản phẩm tạo rác (xác thực vật chết, cây mục,…) vào hệ thống Thức ăn, chất thải giấy, khăn, báo chí, nhựa, dầu mỡ, bã trà, cà phê,…được xả vào hệ thống sẽ dẫn đến nhu cầu phải bơm thường xuyên hơn Ngoài ra các vi sinh vật trong hệ thống cũng không có khả năng phân hủy các nguyên vật liệu kiểu này

- Không phun vào hệ thông các chất độc hại như: thuốc trừ sâu, thuốc diệt côn trùng, axit,…

- Giảm thiểu việc sử dụng các chất nguy hại chẳng hạn như chất tẩy và chất làm sạch Những chất này có thể ảnh hưởng hoặc gây chết đối với sinh vật trong hệ thống

- Không dẫn nước từ hồ bơi, bình nước nóng vào hệ thống, đặc biệt là các loại nước

có chứa Cholorinated

- Không kết nối mái cống, tầng hầm hoặc ống cống vào hệ thống

- Trước khi trồng cây, luôn rũ sạch đất quanh các gốc cây bởi nó có thể chứa những viên sỏi làm cản trở dòng chảy

- Thử nghiệm với các giống thực vật khác nhau, cây được sử dụng trong các đầm lầy nên được lựa chọn cẩn thận, không chỉ cho các chức năng của hệ thống trong xử lý mà còn đảm bảo tính mỹ quan

- Không được sử dụng sỏi đá vôi trong các đầm lầy Việc sử dụng chúng sẽ ngăn cản tốc độ tăng trưởng của cây trồng trong hệ thống

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG CỦA MÔ HÌNH ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO

Dựa trên những cơ sở nêu trên, việc ứng dụng đất ngập nước trong xử lý, loại bỏ các chất thải độc hại trong môi trường nước là phương pháp mang lại hiệu quả cao, tiết kiệm chi phí, không gây ảnh hưởng lại đối với môi trường, có khả năng thay thế các phương pháp hóa lí truyền thống Đó là việc xây dựng mô hình đất ngập nước nhân tạo (Constructed wetlands)

3.1 MỘT SỐ THỰC VẬT TIÊU BIỂU VÙNG ĐẤT NGẬP NƯỚC

Thực vật thủy

sinh sống chìm

Thực vật thủy

sinh sống trôi nổi

Lục bình (bèo tây) Eichhornia cuasipes

Bèo tai tượng Pistia stratiotes

Các loại

thực vật

nước

Tên thông dụng (tiếng

Việt/tiếng Anh), tên khoa học

Nơi phân

bố

Nhiệt độ môi trường o

C

Nồng

độ muối tối đa

‰

Tối ưu

Tối ưu Có thể

chịu được

Mực nước (cm)

Rễ và/hoặc thân Làm giá bám cho vi khuẩn phát triển

3.1.1 Cây bèo tây

- Đặc tính: Bèo tây xuất xứ từ Nam

Mỹ, du nhập vào Việt Nam khoảng năm

1905 là một loài thực vật thuỷ sinh, thân

thảo, sống nổi theo dòng nước hoặc trong

các ao tù, kênh rạch Ở dạng tự nhiên, loại

bèo này có tác dụng hấp thụ những kim loại

nặng (như chì, thủy ngân và strontium) và vì

thế có thể dùng để xử lý ô nhiễm môi trường

- Tình hình nghiên cứu:

+ Trong một chương trình nghiên cứu thuỷ sinh thực vật của cơ quan hàng không vũ trụ NASA của Mỹ, đứng đầu là Wolverton đã cho thấy Bèo tây có khả năng lọc chất thải, và chỉ ra rằng hệ thống vi khuẩn ở rễ cây có thể phá vỡ hợp chất hữu cơ trong rác thải để tạo chất dinh dưỡng cho cây hấp thu, xử lý các kim loại nặng và hoá chất hữu cơ

+ Tiến hành nghiên cứu phương pháp dùng bèo tây để xử lý nước rò rỉ từ bãi rác, qua nghiên cứu cho thấy, hàm lượng NH4+ sau khoảng thời gian một vài ngày đầu thí nghiệm đã giảm nhanh từ 100,383 mg/lít xuống còn 6,560 mg/lít Nhu cầu oxy hóa học (COD) đã giảm khá nhanh, khoảng từ 60 đến 70% sau 25 ngày, còn hàm lượng BOD đã giảm gần 9 lần (Viện Hóa Học – Viện khoa học Công nghệ Việt Nam,

9/2003 Nghiên cứu xử lý nước thải ô nhiễm chất hữu cơ bằng bèo tây Tạp chí Công

nghiệp hóa chất số 11/2004)

+ Một nghiên cứu khác cho thấy, qua hệ thống xử lý có phân đoạn sử dụng Bèo Tây, nước thải đạt TCVN5942 - 2005 (mức B)

+ Bèo tây còn xử lý đối với độ đục là 97,79%; COD là 66,10%; Nitơ tổng là 64,36%, phosphat tổng là 42,54%, Cu, Zn, Cd, Cr trong nước thải xả ra môi trường đạt

loại A so TCVN 5942 – 1995 (Trương Thị Nga và Võ Thị Kim Hằng, 2010 Hiệu quả

xử lý nước thải chăn nuôi bằng cây rau ngổ và cây lục bình Tạp chí Khoa học đất ,

34/2010)

3.1.2 Cây sậy (tên khoa học là

Phragmites communis)

- Đặc tính: là một loài cây có thể

sống trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt

do đó rất phổ biến Hệ sinh vật quanh rễ

loại cây này có thể phân hủy chất hữu cơ

và hấp thu kim loại nặng trong nươc thải y

tế Cây sậy có thân dày và có thể cao tới

4m sau 5 năm Rễ cây sậy có khả năng làm

tăng lượng oxy trong bể cát và đảm bảo

khả năng chảy qua cát

- Tình hình nghiên cứu:

+ Sậy được nghiên cứu trong việc làm sạch nguồn nước thải tại một cơ sở tuyển quặng thiếc Theo nghiên cứu sậy phát triển khá tốt ngay cả khi được bổ sung lượng nước thải chứa kim loại nặng Và sau khoảng 7 tháng, sậy phát triển ưu thế hơn hẳn trong toàn bộ hệ thống đất ngập nước

+ Lượng kim loại nặng được tích tụ chủ yếu trong lớp bùn của hệ thống đất ngập nước, nhiều nhất là ở phần bùn phía tiếp nhận nước vào Thời gian hoạt động của

hệ thống đất ngập nước càng lâu thì khả

năng làm sạch nguồn nước thải càng hiệu

quả

3.1.3 Cỏ Vetiver – Cỏ Hương Bài (Tên

khoa học Vetiveria Zizanioides L thuộc

họ Graminae, họ phụ Panicoideae, tộc

Andropogoneae, tộc phụ Sorghinae.)

- Đặc tính:

+ Dạng thân cọng, chắc, đặc, cứng và hoá gỗ Cỏ Vetiver mọc thành bụi dày đặc Thân cỏ mọc thẳng đứng, cao trung bình 1,5-2m Phiến lá hẹp, dài khoảng 45-100cm, rộng khoảng 6-12mm, dọc theo rìa lá có răng cưa bén

+ Rễ là phần hữu dụng và quan trọng nhất, rễ có dạng sợi, trãi dài ra từ phần thân cỏ trên mặt đất và cặm vào đất theo hướng ngang, còn rễ cặm đứng vào đất không mọc sâu Hệ thống rễ cỏ Vetiver không mọc trãi rộng mà lại cắm thẳng đứng sâu vào trong đất, sâu 3-4m, rộng đến 2,5m sau hai năm trồng

- Tình hình nghiên cứu:

+ Đã được ứng dụng tại hơn 100 nước trên thế giới Cỏ Vetiver lần đầu tiên được dùng để xử lý nguồn chất thải từ các nhà vệ sinh ở Australia (1996) khi trồng 100 khóm cỏ Vetiver/50m2 có thể tiêu giải hết lượng nước thải từ một khu vệ sinh ở một công viên Kết quả thực nghiệm ở Australia và Trung Quốc đã công bố, trồng 3,5 ha cỏ Vetiver có thể xử lý 4 triệu lít/tháng trong mùa hè và 2 triệu lít/tháng trong mùa đông

+ Ở Australia cỏ Vetiver đã được ứng dụng để xử lý nước thải công nghiệp tới 1,4 triệu lít nước thải/ngày tại một nhà máy chế biến lương thực và 1,4 triệu lít nước thải/ngày tại một lò mổ sản xuất thịt bò

+ Riêng về xử lý nước thải cho chăn nuôi thì ví dụ ở Quảng Đông – Trung Quốc vốn là một nước nuôi nhiều lợn nhất thế giới Đất nước này có khoảng 130 trại lợn, mỗi trại lợn này xả ra 100 – 150 tấn nước thải mỗi ngày Cỏ Vetiver đã cùng với

cỏ Cyperus Alternifolius xử lý hữu hiệu lượng nước thải khổng lồ này khi được trồng thử nghiệm ở các bãi ngập nước thải nuôi lợn với 10 giống cỏ khác

+ Có thể sử dụng cỏ Vetiver vào việc phòng chống sạt lở bờ sông, đê điều nhờ vào đặc điểm, tính chất của chúng

+ Theo kết quả nghiên cứu ở khu vực nuôi trồng thủy sản (Việt Nam), hàm lượng oxy hòa tan (DO) sau xử lý bằng cỏ Vetiver tăng từ 2,95mg/l đến 4,93mg/l trong

12 ngày, hiệu suất đạt tới 67,12% Ngược lại nhu cầu oxy hóa học (COD) lại giảm đáng kể, từ 420 mg/l xuống còn 120 mg/lit sau 12 ngày xử lý và đã giảm 1,92 lần so với trướckhi xử lý Hàm lượng Nitơ cũng giảm 1,94 lần, hàm lượng P cũng giảm 2,503

lần so với trước khi xử lý

3.1.4 Cây cỏ nến (Typha)

- Đặc tính: Có hoa trông giống như cây nhang hay cây nến là một loài thực vật thân thảo Cỏ nến mọc ven rìa đầm lầy nước ngọt hoặc lợ, ít phèn Chiều cao từ 1 – 2m, ở các nước ôn đới có thể cao đến 7m Lá dài và hẹp, quả nhỏ hình thoi Phấn hoa

của các loài cỏ nến được sử dụng trong y học cổ truyền phương Đông với tên là bồ

hoàng Thân ngầm cùng bộ rễ của loài

cây này phát triển rất mạnh, nhất là ở nơi

thường xuyên nước ngập lưu thông

hàm lượng trung bình trong nước chỉ còn

trên dưới 38 microgram (an toàn) (Kết

quả thực nghiệm nhiều năm của Tiến sĩ J.D Jackson công bố trên tờ Civil Engineering)

3.2 CƠ CHẾ XỬ LÝ NƯỚC THẢI

3.2.1 Các quá trình diễn ra trong hệ thống đất ngập nước

- Sự quang phân, ôxi hóa: phân hủy, ôxi hóa các hợp chất dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời

- Sự bay hơi: xảy ra khi có áp suất đủ lớn, hợp chất sẽ chuyển sang thể khí

3.2.1.2 Quá trình sinh học

Các chất hữu cơ hòa tan được phân hủy bởi các vi sinh vật đáy và vi sinh vật bám dính trên thực vật Có sự nitrat hóa và phản nitrat hóa do tác động của vi sinh vật, dưới các điều kiện thích hợp, một khối lượng đáng kể các chất ô nhiễm sẽ được thực vật hấp thụ Có sự phân hủy tự nhiên của các chất hữu cơ trong môi trường

- Phần thực vật tiếp xúc với không khí: Bóng cây làm suy giảm ánh sáng dẫn đến giảm sự sinh trưởng của thực vật phù du; tạo vi khí hậu, cách nhiệt trong mùa đông; giảm tốc độ gió; tạo chất dinh dưỡng thông qua quá trình quang hợp

- Phần thực vật tiếp xúc với nước: Có các hiệu quả lọc (lọc qua các mô xốp); giảm tốc độ dòng chảy, tăng tỷ lệ trầm tích; cung cấp diện tích bề mặt cho vi sinh vật bám dính; tạo O2 bởi quang hợp, tăng sự phân hủy hiếu khí; hấp thụ chất dinh dưỡng

- Rễ và đới rễ trong lớp trầm tích: Giúp ổn định bề mặt lắng đọng, giảm xói mòn; ngăn chặn sự tắc nghẽn lớp lọc trong hệ thống dòng thẳng đứng; sinh O2 làm tăng

sự phân hủy hiếu khí và sự nitrat hóa; hấp thụ chất dinh dưỡng

3.2.2 Cơ chế các quá trình xử lý nước thải

Vùng đất ngập nước đã được chứng minh là có hiệu quả trong xử lý BOD, TSS,

N và P cũng như để giảm kim loại, các chất ô nhiễm hữu cơ và tác nhân gây bệnh Việc nắm rõ cơ chế xử lý nước thải của đất ngập nước là hết sức cần thiết để vận hành mô hình đất ngập nước được chính xác và đạt hiệu quả cao

Các cơ chế đó bao gồm ba quá trình của hệ thống đất ngập nước là vật lý, hóa học (lắng, hấp phụ và bốc hơi tại tầng đáy, lớp bùn đáy và thực vật sống trên mặt nước), quá trình loại bỏ sinh học (các hoạt động trao đổi chất của vi sinh vật và hấp thụ của thực vật) Các chất ô nhiễm có thể được loại bỏ nhờ nhiều cơ chế đồng thời trong hệ thống

3.2.2.1 Loại bỏ các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học

Trong các bãi lọc đất ngập nước, phân hủy sinh học đóng vai trò lớn nhất trong việc loại bỏ các chất hữu cơ dạng hòa tan hay dạng keo có khả năng phân hủy sinh học (BOD) có trong nước thải, BOD còn lại cùng các chất rắn lắng được sẽ bị loại bỏ nhờ quá trình lắng Bãi lọc đất ngập nước về cơ bản hoạt động như bể lọc sinh học Tuy nhiên, đối với bãi lọc đất ngập nước, vai trò của vi sinh vật lơ lửng dọc theo chiều sâu cột nước của bãi lọc đối với việc loại bỏ BOD cũng rất quan trọng Cơ chế loại bỏ BOD trong các màng vi sinh vật bao bọc xung quanh lớp vật liệu lọc tương tự như trong bể lọc sinh học nhỏ giọt Phân hủy sinh học xảy ra khi các chất hữu cơ hòa tan