Sử dụng hệ thống đất ngập nước nhân tạo để xử lý nước thải sinh hoạt

Nghiên cứu Sử dụng hệ thống đất ngập nước nhân tạo để xử lý nước thải sinh hoạt .............................................................................................................................................................................................................................................................................

Sử dụng hệ thống đất ngập nước nhân tạo để xử lý nước thải sinh hoạt

Luận văn thạc sỹ khoa học

Nguyễn Thị Mai Hương, trường đại học khoa học tự nhiên đại học quốc gia hà nội năm 2005

Mở đầu

Khoa học kỹ thuật ngày nay càng phát triển mạnh mẽ nên đã nâng caođược số lượng và chất lượng sản phẩm nhằm đáp ứng được nhu cầu sống ngàycàng cao của con người Đây là mặt tích cực, song bên cạnh đó nó cũng làm chochất lượng môi trường sống của chúng ta bị giảm đáng kể, ô nhiễm môi trường

đã ở mức báo động trên toàn thế giới Do vậy, loài người ngày càng phải đối mặtvới nhiều vấn đề về ô nhiễm môi trường nói chung và môi trường nước nói riêng

đã, đang và sẽ luôn là một trong những vấn đề gây nhức nhối nhất đối với cácquốc gia trên thế giới

Đặc biệt nước thải sinh hoạt hiện nay là vấn đề đáng quan tâm vì trongquá trình phát triển kinh tế, các nhu cầu sinh hoạt rất đa dạng và phức tạp, chúng

ta thải vào nguồn nước nhiều chất thải khác nhau khiễn cho hệ sinh thái tiếpnhận không còn khả năng tự phục hồi, sinh ra ô nhiễm nguồn nước gây hậu quảnghiêm trọng Hiện nay, việc ô nhiễm nước không chỉ ở thành phố mà cả ở nôngthôn

Hàm lượng và thành phần các chất thải vào nguồn nước ngày càng ratăng, từ chất thải chăn nuôi, chất thải bệnh viện, chất thải khách sạn, dầu mỡchất tẩy rửa Với hàm lượng và thành phần như vậy thì hệ sinh thái dễ bị tổnthương,màu nước chuyển sang tối hoặc đen, mùi khó chịu, nhiều màm bệnh xuấthiện nguy hiểm cho con người như thương hàn , tả lỵ, đặc biệt là vào các mùamưa khi các vi sinh vật gặp điều kiện thuận lợi để phát triển, nhiều mầm bênhphát triển thành dịch rất nguy hiểm và khó kiểm soát Bên cạnh đó việc ô nhiễmnước làm ảnh hưởng tới sức khỏe con người qua ăn uống, sinh hoạt hàng ngày

từ đó tích lũy trong cơ thể

Tại Việt Nam, vấn đề bảo vệ môi trường đã được đặc biệt quan tâm vàonhững đầu thập kỷ 1980, từ năm 1985 một trong các vấn đề gay cấn nhất về môitrường đã được khảo sát, nghiên cứu xác định đó là sự suy thoái, sử dụng khônghợp lý và ô nhiễm tài nguyên nước Để giải quyết vấn đề đó thì phảu tìm raphương pháp xử lý thích hợp với từng loại nước thải đặc thù Như nước thải sinhhoạt khu dân cư, nông thôn, bệnh viện Bởi vì chúng có thành phần hóa học ítnhiều khác nhau.

Trong nội dung cụ thể của khóa luận này, chúng tôi tiến hành xử lý nướcthải sinh hoạt xã Minh Nông-Thành phố Việt Trì Đây là khu dân cư có lượngnước thải sinh hoạt khá lớn Màu nước thải đen và có mùi khó chịu cũng nhưxuất hiện hiện tượng phú dưỡng tại nguồn tiếp nhận Phương pháp xử lý ở đây làphương pháp sinh học, sử dụng khả năng phân giải chất hữu cơ của vi sinh vật

và khả năng làm sạch nước của hệ thống đất ngập nước Phương pháp này kếthợp giữa xử lý yếm khí và vi sinh hiếu khí cũng như khả năng làm sạch của thựcvật đất ngập nước

Chính vì vậy chúng tôi xây dựng đề tài: “Sử dụng hệ thống đất ngập

nước nhân tạo để xử lý nước thải sinh hoạt”.

Mục tiêu của luận văn:

-Đánh giá mức độ ô nhiễm của nước thải khu vực xã Minh Nông

-Xác định thời gian lưu nước tối ưu trong bể yếm khí

-Xác định thời gian lưu tối ưu nhất trong hệ thống đất ngập nước

-Xây dựng hệ thống đất ngập nước nhân tạo để xử lý nước thải sinh hoạt.CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Phân loại và các đặc tính của nước thải

Hiện nay, việc đánh giá đúng hàm lượng các tác nhân gây ô nhiễm trongnước phụ thuộc rất nhiều yếu tố, trong đó bao gồm có điều kiện sống của dân

cư, lượng nước sử dụng và hệ thống tiếp nhận Do vậy, việc khảo sát đặc điểmtình thình từng vùng (đô thị, nông thôn, miền núi, đồng bằng, ) là cần thiết vàviệc phân loại các loại nước thải để chọn công nghệ xử lý thích hợp nhất vôcùng quan trọng

1.1.1 Nước thải sinh hoạt

Nước thải sinh hoạt hay là nước thải từ các khu dân cư bao gồm nước sau

sử dụng từ các hộ gia đình, bệnh viện, khách sạn, trường học, cơ quan, khu vuichơi giải trí

Đặc điểm của nước thải sinh hoạt là trong đó có hàm lượng các chất hữu

cơ dễ phân hủy sinh học (cacbonhydrat, protein, lipit) và các chất vô cơ dinhdưỡng đối với sinh vật (nitơ, phốt phát), cùng với vi khuẩn (có thể có cả vi sinhvật gây bệnh) cũng như một số loài kí sinh trùng (trứng giun, sán), và nước thảisinh hoạt có mùi rất khó chịu (H2S, NH3, ) Đặc trưng của các nước thải sinhhoạt thường là chứa nhiều tạp chất khác nhau trong đó khoảng 58% là các chấthữu cơ, 42% là các chất vô cơ, do vậy, các chất hữu cơ thường phân bố ở dạngkeo và không tan Phần lớn các vi sinh vật có trong nước thải thường ở dạng các

vi khuẩn gay bệnh (như tả, lỵ, thương hàn )

Nước thải sinh hoạt sau ki thải ra thường dần trở nên tính axit vì thối rữa.Đặc điểm cơ bản của nước thải sinh hoạt là hàm lượng các chất hữu cơ khôngbền vững (dễ phân hủy sinh học) cao Các chất hữu cơ ở đây có thể có xuất xứ

từ động thực vật các chất hữu cơ trong nước thải có thể chia thành các chấtchứa Nitơ và không chứa Nitơ (các chất hữu cơ chứa Cacbon) Các hợp chấtkhông chứa nitơ như mỡ, xà phòng, hydrat cácbon, xenlulo

1.1.2 Nước thải nông nghiệp

Là nước thải sinh ra trong quá trình canh tác nông nghiệp, nước thải nàythường chứa hàm lượng phân bón hóa học cao, chất bảo vệ thực vật cũng nhưchất hữu cơ nếu sử dụng phân bón quá mức Khi nước thải nông nghiệp bị ônhiễm thì nó gây hậu quả nghiêm trọng là làm cho đất thoái hó, mất năng suất, các hiện tượng chảy tràn khi có mưa dễ gây phát tán loại chất ô nhiễm này

1.1.3 Nước thải công nghiệp

Nước thải công nghiệp là nước thải từ cá cơ sở sản xuất công nghiệp, tiểuthủ công nghiệp, giao thông vận tải, nước thải công nghiệp thường chứa cáchóa chất độc hại (Kim loại nặng Pb, Hg, Cd, Cr, ), các chất hữu cơ khó phânhủy sinh học (Phenol, chất hoạt động bề mặt, ), chất hữu cơ dễ phân hủy sinhhọc từ các cơ sở sản xuất chế biến nông sản, thực phẩm (đường, sữa, bột, tôm,

các, bia, rượu, ) và thuốc sâu Tóm lại nước thải công nghiệp không có đặcđiểm chung mà phụ thuộc vào đạc điểm của từng ngành sản xuất.

Khi nước thải công nghiệp xả ra ao, hồ, cống rãnh thì các chất ô nhiễm cóthể thấm sâu qua đất, tới nước ngầm Mức độ gây ô nhiễm phụ thuộc vào độ sâucủa nước ngầm, thành phần và tính chất của các chất gây ô nhiễm có trong nướcthải, thành phần và cấu trúc của các lớp đất phía trên mực nước ngầm [10]

1.2 Tổng quan về xử lý nước thải bằng hệ thống đất ngập nước nhân tạo 1.2.1 Nước-sự ô nhiễm nguồn nước

Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá, nó gắn liền với sự phát minh

và phát triển của sinh vật đặc biệt là xã hội loài người Không có nước thì không

có sống Nước tham gia vào hầu hết các quá trình sản xuất nông nghiệp, côngnghiệp, giao thông thủy và sinh hoạt của con người Nước bao bọc ¾ bề mặtTrái Đất với thể tích khoảng 1,5 tỷ km3 Trong đó, tỷ lệ nước ngọt chỉ chiếm2,4% tổng lượng nước, với 27.210.600 km3 là nước mặt nằm ở các sông hồ và6.010.600 km3 ở tầng nước ngầm

Nước có vai trò to lớn trong đời sống nhân loại; 2/3 thành phần cơ thểđược cấu tạo từ nước Nước tham gia vào mọi phản ứng sinh hóa và các quátrình trao đổi chất tế bào Sự sống của cong người sẽ bị đe dọa nếu mất 15%lượng nước Con người sử dụng nước một cách trực tiếp hay gián tiếp để uống,tắm giặt; để sản xuất công nghiệp, nông nghiệp Tuy nước có tầm quan trọngnhư vậy, nhưng hiện nay nhiều vùng trên thế giới đã sử dụng nước bừa bãi đồngthời cùng với quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa, thâm canh nông nghiệpcũng như quá trình đô thị hóa ngày càng tăng thì nhu cầu sử dụng nước và xảcác chất bẩn vào nước cúng tăng theo làm cho nguồn nước bị ô nhiễm nghiêmtrọng

Nước thải phải kế đến là nước thải sinh hoạt của dân cư đô thị, nước thảicông nghiệp từ các xí nghiệp công nghiệp, thương nghiệp và dịch vụ, nước thải

từ các khu vui chới giải trí, du lịch, trường học và bệnh viện, nước thải từ nướcmưa chảy tràn qua đồng ruộng cùng với nước tưới tiêu thủy lợi mang theo cácchất mầu mỡ từ đất cùng thuốc trừ sâu, phân bón,

Tất cả các nguốn nước thải này nếu không xử lý đúng mức sẽ làm ônhiễm các nguồn nước ao hồ, sông ngòi, biển và các nguồn nước ngầm.Nhưvaayk, có thể coi nước thải là nguồn ô nhiễm chính cho các thủy vực.

Trong nước thải có những thành phần khác nhau và gây ô nhiễm nước.Các chất gây ô nhiễm trong nước thải có thể chia ra làm các nhóm chính nhưsau:

Những chất độc hoặc gây hại khác nhau là muối của kim loại nặng, asen,xyanua, phenol, anilin, pectixit và những chất khác có khả năng ức chế hoạt tính

hệ enzym gắn liền với oxy hoặc các dạng khác làm rối loạn các quá trình sốngcủa vi sinh vật, cũng như giới sinh vật nói chung

Những chất độc hại này thường có mặt ở nước thải của các xí nghiệp hóachất, in nhuộm, thuộc da, nước có thuốc trừ sâu, các chất này có độc tính cao.Nếu trong bùn lắng có mặt các chất này với liều lượng nguy hiểm thì khôngđược dùng làm phân bón mà cần phải đốt thiêu hủy hoặc chôn cách ly

1 Các chất axit hoặc kiềm làm thay đổi phản ứng môi trường của nguồnnước tự nhiên và kết quả là sự cân bằng sinh thái bị phạm

2 Các chất hoạt động bề mặt khi đổ vào thủy vực sẽ tạo thành một lớpbọt trên mặt nước Các chất này không nguy hiềm, nhưng làm cho nước khôngthoáng khí, hạn chế oxy hòa tan trong nước, ảnh hưởng đến đời sống của giớithủy sinh, trong đó có tảo và vi sinh vật Các chất này khó bị phân hủy

3 Những chất hữu cơ hoà tan có chứa Cácbon và Nitơ, được vi sinh vật

sử dụng như là các chất dinh dưỡng và làm cho giới này phát triển mạnh mẽtrong nước Nhưng hàm lượng các chất này quá cao sẽ kéo theo nhu cầu oxysinh học lớn, làm ảnh hưởng đến các vi sinh vật hiếu khí Như vậy, các vi sinhvật này không thế phát triển được trong điều kiện nồng độ các chất hữu cơ hòatan quá nhiều, làm nước lâu tự làm sạch

4 Những chất hữu cơ không tan như Lignin, xenluloza, tinh bột, các chấtcao phân tử trong đó có những chất trôi nổi trên bề mặt hoặc trong nước trontrường hợp này, sẽ rất khó khăn khi xử lý, đặc biệt là các chất nhựa cao phân tửchưa thể bị phân hủy bởi vi sinh vật trong khoảng thời gian vài chục năm hoặc

lâu hơn nữa Nước thải của các xí nghiệp làm giấy, làm đường từ mía, thường

có hàm lượng lignin cao Chất hữu cơ này cũng khó bị phân hủy khi xử lý [20]

1.2.2 Hệ thống đất ngập nước nhân tạo

Đất ngập nước có thể được định nghĩa là vùng đất được bao phủ quanhnăm bởi nước Trong đó, hệ thống đầm lầy chính là một hệ thống đất ngập nước

tự nhiên Phương pháp xử lý nước thải bằng đất ngập nước là một phương phápđược áp dụng ở nhiều nước trên thế giới Tuy nhiên, cho tới nay ở Việt Namchưa áp dụng phương pháp này vào việc xử lý nước thải Dựa vào những nghiêncứu đã được thực hiện thành công tại các nước khác nhau như Mỹ, Úc, Italya, Công ty Publiser SpA là một công ty đa dịch vụ đã tiến hành một số các hoạtđộng tại Empoir trên một diện tích gần 1500km2 tại trung tâm Tuscany, Italya

Hệ thống đất ngập nước cùng được ứng dụng để xử lý nước thải vùng hồVictoria thuộc cộng đồng các quốc gia Đông Phi-EAC Ngoài ra, hệ thống nàycòn được sử dụng tại Uganda và Tadania bởi trường đại học Dar es Salaam(Mashauri et al., 2000) Năm 2001 dự án được tài trợ bởi SIDA/SAREC để xử lýnước thải nhà máy mía đường tại Kenya với việc sử dụng 08 bể xử lý môitrường với dòng chảy bề mặt tự do

Việc xử lý nước thải bằng hệ thống đất ngập nước có liên quan tới hiệuquả của các quá trình vật lý, hóa học, đặc biệt là sinh học xảy ra trong đó Các

hệ thống này chủ yếu dùng để xử lý nước thải có chứa nhiều chất hữu cơ BODcao như nước thải nhà máy giấy, các nhà máy chế biến thực phẩm, bia rượu, nhàmáy chế biến cà phê, các cơ sở giết mổ hay nước thải sinh hoạt [20]

1.2.3 Nguyên tắc về xử lý nước thải bằng hệ thống đất ngập nước nhân tạo

Nguyên tắc:

Nguyên tắc của phương pháp xử lý nước thải thông qua hệ thống là kếthợp cả xử lý cơ học (lọc) và xử lý sinh học (lợi dụng hệ vi sinh vật có sẵn trongđất và rễ cây để loại bỏ hay giảm các chất ô nhiễm) Ưu điểm của phương phápnày là:

-Phương pháp này không những xử lý hiệu quả với quy mô nhỏ mà còn

có thể được sử dụng ở quy mô công nghiệp

-Phương pháp đơn giản, rẻ tiền và có thể áp dụng phù hợp với từng hộ giađình, sử dụng nguyên liệu vốn có trong tự nhiên nhưng có thể loại bỏ phần lớncác chất hữu cơ như nitơ, phốtpho trong nước thải.

-Phương pháp xử lý hoàn toàn mùi hôi trong nước thải, đặc biệt số lượngbùn dư thừa (bùn hoạt tính) chỉ bằng 1/5 so với các phương pháp xử lý thôngthường [20]

1.2.4 Cơ chế loại bỏ chất thải trong hệ thống đất ngập nước nhân tạo

Các hệ thống đất ngập nước làm giảm nhiều chất ô nhiễm, bao gồm cácchất hữu cơ (BOD, COD), chất rắn lơ lửng, N, P, kim loại, các vi sinh vật gâybệnh Việc làm giảm các chât này được thực hiện bởi các cơ chế xử lý đa dạng

a Hợp chất hữu cơ

Các chất hữu cơ lắng đọng được loại bỏ nhanh chóng dưới những điềukiện nhất định do phân hủy và thấm lọc Sự sinh trưởng của các vi sinh vật bámdính và lơ lửng sẽ bị loại bỏ các hợp chất hữu cơ hòa tan Các hợp chất hữu cơđược phân hủy kị khí và hiếu khí Trong đó, oxy cần đến cho sự phân hủy hiếukhí được cung cấp trực tiếp từ khí quyển bằng cách khuếch tán hoặc ngấm vàobầu rễ Sự hấp thụ các vật hữu cơ bởi thực vật thủy sinh không đáng kể so với sựphân hủy sinh học

-Sự phân hủy hiếu khí các chất hữu cơ hòa tan được điều chỉnh bởi nhómcác vi khuẩn dị dưỡng hiếu khí theo phản ứng sau:

(CH2O) + O2 = CO2 + H2O

Nhóm vi khuẩn tự dưỡng phân hủy các chất hữu cơ chứa Nitơ dưới điềukiện hiếu khí gọi là vi khuẩn nitrat hóa, quá trình này gọi là amoni hóa Cooper(1996) chỉ ra: tất cả các nhóm đều tiêu thụ chất hữu cơ nhưng tốc độ trao đổichất hữu cơ nhưng tốc độ trao đổi chất của nhóm dị dưỡng nhanh hơn, nghĩa làchúng gây ra chủ yếu sự giảm BOD của hệ thống Khi không đầy đủ oxy chocác nhóm này thì sẽ làm giảm nhiều sự biểu hiện của oxy hóa sinh học hiếu khí,tuy nhiên, nếu oxy không được giới hạn, sự phân hủy hiếu khí sẽ được điềuchỉnh bởi lượng các vật chất hữu cơ hoạt động có giá trị với các cơ thể sống

-Sự phân hủy kị khí là một quá trình có nhiều giai đoạn xảy ra trong cácvùng ngập nước khi vắng mặt oxy hòa tan Quá trình có thể thực hiện bới các

nhóm vi khuản tự dưỡng bắt buộc hay không bắt buộc Trong giai đoạn đầu tiên,sản phẩm cuối cùng của sự lên men là các axit béo như axit axetic, bytyric vàlactic, rượu, khí CO2 và H2.

vi khuẩn lên men phức tạp để cung cấp các chất cơ bản cho hoạt động trao đổichất Các nhóm đều đóng một vai trò quan trọng trong sự phân hủy vật chất hữu

cơ và chu trình Cacbon trong đất ngập nước

CH3COOH+H2SO4 2CO2+2H2O+H2S

CH3COOH+4H2 CH4+2H2O

4H2+CO2 CH4+2H2O

Vi khuẩn tạo axit thích nghi tốt hơn nhưng vi khuẩn tạo men nhạy cảmhơn và hoạt động ở pH thay đổi từ 6,5 đến 7,5 Axit sinh ra có thể giảm pHnhanh chóng, do đó, dùng các hoạt động của vi khuẩn tạo metan và dẫn đến việctạo ta các hợp chất có mùi khó chịu từ đất ngập nước Sự phân hủy kị khí cáchợp chất hữu cơ chậm hơn nhiều sự phan hủy hiếu khí Tuy nhiên, khi O2 bị giớihạn mà lượng chất hữu cơ cao thì sự phân hủy kị khí sẽ lấn át

b Chất rắn lơ lửng

Thời gian lưu giữ nước ở các vùng đất ngập nước là lâu dài, nói chung vàingày hoặc lâu hơn Cuối cùng, tất cả các chất rắn có nguồn gốc từ nước thải đều

di chuyển đi Quá trình chín loại bỏ các chất rắn lơ lửng là trầm tích và lọc, ítnhất cos một phần các chất rắn dạng keo được loại bỏ bởi sự phát triển của vikhuẩn.

Tất cả các hệ thống đất ngập nước, hầu hết các chất thải rắn có nguồn gốc

từ nước thải được lọc qua và láng đọng ở vài mét đầu của dòng vào Sự tích lũychất rắn lơ lửng là sự đe dọa chính cho các hoạt động của một hệ thống, đặc biệt

là những hệ thống có dòng chảy dưới lớp bề mặt, những dòng chảy này có thể bịngăn chặn bởi chất rắn lơ lửng Tuy nhiên, dựa vào những thí nghiệm ởAustralia, Bavor và Schulz (1993) đã chỉ ra rằng 80-90% chất rắn lơ lửng củanướ thải đã xử lý sơ cấp và thứ cấp đều là chất dễ bay hơi Tại nhiều hệ thống,phần lớn các chất rắn lắng đọng được chuyển đi ở giai đoạn xử lý sơ cấp trướckhi nước thải được đưa vào hệ thống đất ngập nước hiện tại

*Sư bay hơi amoniac

Sự bay hơi amoniac là một quá trình hóa lý Cân bằng giữa dạng khí vàhydroxy

NH3+H2O = NH4+ +OH

-Reddy và Patrick (1984) chỉ ra rằng: mất NH3 qua bay hơi từ đất ngậpnước và sự trầm tich là không đáng kể nếu pH giảm xuống dưới 7,5 và khôngnhiều lắm nếu pH giảm xuống 8,0 Tại pH=9,3 tỷ lện giữa NH3 và NH4+ là 1:1

và sự bay hơi là quan trọng Sự quang hợp làm tăng pH

Vymazal (1995) chứng minh rằng: tốc độ bay hơi được điều chỉnh bởinồng độ NH4+ trong nước, nhiệt độ, tốc độ gió, bức xạ mặt trời, số lượng thựcvật trong nước, khả năng hay đổi pH trong chu trình ngày đêm

*Sự amoni hóa

Sự amoni hóa (khoáng hóa) là quá trình nitơ hữu cơ biến thành nitơ vô cơ,đặc biệt ở dạng NH4+ Tốc độ khoáng hóa nhanh nhất ở đới oxy hóa và giảm khichuyển từ hiếu khí sang kị khí không bắt buộc và kị khí bắt buộc Tốc độ amonihóa trong đất ngập nước phụ thuộc váo nhiệt độ, pH, tỷ lệ C/N của phần còn lại,các chất dinh dưỡng trong hệ thống và điều kiện đất (cấu trúc bề mặt,cấu trúcbên trong), pH thay đổi giữa 6,3 và 8,5 trong đất bão hòa, pH trung tính Trongđiều kiện thoát nước tốt, sự tập trung NO3- và sản xuất H+ là giá trị pH giảmtrong suốt quá trình khoáng hóa Tốc độ amoni hóa hiếu khí tăng gấp đôi khinhiệt độ tăng 100C (Reddy, 1979).

*Quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa:

Quá trình nitrat hóa: là quá trình oxy hóa sinh học các hợp chất amonithành nitrat với nitrit là sản phẩm trung gian của chuỗi phản ứng Đây là mộtquá trình tổng hợp sinh hóa Vi khuẩn nitrat lấy năng lượng từ quá trình oxy hóa

NH4+ và/hoặc NO2, CO2 được sử dụng như nguồn cacbon cho sự tổng hợp tế bàomới Những cơ thể sống này cần oxy trong suốt quá trình oxy hóa của NH4+

thành NO3- chia thành 1 giai đoạn

Các hợp chất trung gian NOH và NO2.NH2OH được thừa nhận là không

bị tách riêng, nhưng sự tham gia chủa chúng trong phản ứng là cố định với giảthiết là có 2e trao đổi cho mỗi giai đoạn oxy hóa giữa NH4+ và NO2-

Giai đoạn thứ 2 trong quá trình nitrat hóa, sự oxy hóa NO2 thành NO3

-được tạo thành bởi vi khuẩn hiếu khí những vi khuẩn này có thể sử dụng cáchợp chất hữu cơ để tạo năng lượng cho sinh trưởng Ngược lại, với những vikhuẩn oxy hóa NH4+, chỉ một vài vi khuẩn này được tìm thấy trong nước sạch

Tuy nhiên, vi khuẩn Nitrobacter chỉ là một chi của Nitrospira được tìm thấy

trong đất và nước sách như môi trường biển Ngược lại, vi khuẩn oxy hóa NO2

hoặc ít nhất vài loài có thể sinh trưởng trên NO2 và một nguồn C hoặc ít nhất vàiloài có thể sinh trưởng

Theo Vyzamal (1985), quá trình nitrat hóa bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, pH,kiềm hóa nước, nguồn C vô cơ, số lượng vi khuẩn, nồng độ NH4+ và oxy hòatan Nhiệt độ tối ưu cho quá triinhf Nitrat háo trong nước từ 25 đến 350C vàtrong đất từ 30 đến 400C Nhiệt độ thấp hơn (dưới 150C) có ảnh hưởng lớn đếnquá trình này Cooper (1996) chỉ ra rằng, nhiệt độ tối thiểu cho sự sinh trưởng

của vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter là 50C Vi khuẩn Nitrat hóa nhạy cảmvới sự thay đổi của nồng độ NH4+ Giới hạn tối ưu của pH là 7,5 đến 8,5, tuynhiên, những hệ thống phụ thuộc vào khí hậu có thể hoạt động tạo NO3 ở pHthấp hơn nhiều

Phản nitrat hóa: quá trình phản nitrat hóa đầu tiên xảy ra sau khi giảm O2

là sự giảm NO3 để tạo nguyên tử N hoặc khí N2 Đây là quá trình phản nitrathóa Từ một quan điểm sinh thái, phản nitrat hóa là một quá trình cuat vi khuẩntrong đó Nitơ là chất nhận điện tử (e) Kết quả năng lượng được tồn tại dướidạng ATP, chứa P, và được sử dụng bởi sinh vật phản nitrat để cung cấp cho hôhấp Quá rình phản nitrat:

6(CH2O) +4NO3- 6CO2+2N2+6H2O

Phản ứng này không đảo ngược và N được coi là chất nhận điện tử của O2

(oxy?)

Nhiều bằng chứng chỉ ra sự giảm NO3- có thể xảy ra khi có mặt O2 Do

đó, trong đất ngập nước, sự giảm NO3- cũng có thể xảy ra trước khi O2 bị giảm

Sự sản sinh khí N2 trong quá trình phản nitrat cũng được mô tả:

4(CH2O) + 4NO3- 4HCO3- +2N2O +2H2O

5(CH2O) + 4NO3- H2CO3 +4HCO3- +2N2 +2H2O

Có 17 chủng vi khuẩn phản nitrat hóa Chúng lấy năng lượng duy nhấtthông qua các phản ứng hóa học và sử dụng các hợp chất hữu cơ như nguồncung cấp e và nguồn C tế bào Giống Bacillus, Micrococus và pseudimonas có

lẽ quan trọng nhất ở trong đất

Khi oxy đày đủ, những cơ thể sống này oxy hóa một dạng Cacbonhydratthành CO2 và H2O Hô hấp hiếu khí sử dụng O2 như là một chất nhận điện tửhoặc hô hấp kị khí dùng N2 cho mục đích này được thực hiện bởi vi khuaantphản nitrat với cùng các chuỗi hệ thống trao đổi điện tử Việc có cả hai chứcnăng kị khí và hiếu khí có một tầm quan trọng đặc biệt bởi vì nó giúp cho sựphản nitrat tiến đến một tốc độ cần thiết nhanh chóng sau một thời gian trongđiều kiện thiếu oxy mà không cần thay đổi số lương vi khuẩn Vì sự phản nitratxảy ra ở hầu hết những nhóm dị dưỡng kị khí không bắt buộc, nhóm này lấy oxy

từ các dạng N bị oxy hóa như những chất e trong hững quá trình hô hấp, và bởi

vì những quá trình này đi theo những giai đoạn sinh hóa hiếu khí nên nó có thể

bị hiểu lệch đi rằng sự phản nitrat là một quá trình kị khí Quá trình này đúnghơn là xảy ra dưới điều kiện không có oxy

Nói chung từ thực tế của những thay đổi sinh hóa từ NO3- đến N2 là:

Vymazal (1995) tóm tắt: các yếu tố môi trường ảnh hưởng tới quá trìnhphản nitrat là sự vắng mặt oxy, độ ẩm đất, nhiệt độ, pH, nơi xảy ra, loại đất, chấthữu cơ và sự có mặt oxy Lượng N2O tạo ra trong quá trình phản nitrat phụthuộc vào lượng N2 tạo ra và tỷ lệ N2/N2O Tỷ lệ này cũng ảnh hưởng tới sự lưuthông khí, pH, nhiệt độ, NO3-/NH4+ trong hệ thống phản nitrat

Cooper (1996) chỉ ra: sự có mặt của oxy hòa tan làm ức chế các enzymcần thiết cho quá trình phản nitrat và là một tham số quyết định pH tối ưu ởgiũa 7 và 8 Tuy nhiên, chất kiềm được sinh ra trong quá trình phản nitrat có thểlàm tăng pH Phản nitrat cũng phụ thuộc vào nhiệt độ và chỉ xảy ra ở tốc độ rấtthấp ở nhiệt độ dưới 50C Quá trình phản nitrat và kết quả của nó được mô tảtổng quát bởi Payne (1981).

Quá trình nitrat và phản nitrat xảy ra đồng thời trong đất ngập nước, nơi

mà có mặt cả đới hiếu khí và kị khí, đới hiếu khí bề mặt phủ trên tầng kị khíhoặc đới rễ hiếu khí nằm trên đất kị khí Sự cân bằng xảy ra ở cả tầng hiếu khí

Tốc độ hấp thụ chất dinh dưỡng của thực vật giới hạn bởi khối lượng (tốc

độ tăng trưởng) và nồng độ các chất dinh dưỡng trong mô thực vật Sự tích trữchất dinh dưỡng phụ thuộc vào nồng độ chất dinh dưỡng trong mô và cũng dựavào khả năng tích lũy sinh khối cơ bản, đó là mức tăng trưởng tối đa Bởi vậy,nét nổi bật của thực vật được sử dụng để đồng hóa chất dinh dưỡng và tích trữbao gồm các đặc trưng: sự tăng trưởng nhanh, tập trung chất dinh dưỡng cao,khả năng đạt mức tăng trưởng cao (sinh khối trên một đơn vị diện tích)

Trong tài liệu có nhiều mô tả về nồng độ N2 trong mô thực vật Lượngnitơ có thể được loại bỏ nếu thu hoạch sinh khối từ 1.000-2.500 kgN/ha.năm, cóthể lên đến gần 6.000 kgN/ha.năm

Tuy nhiên, chỉ có vài số liệu đã được nghi lại với thực vật từ đất ngậpnước xử lý nước thải Thêm vào đó, việc nhận ra rằng lượng chất dinh dưỡngđược loại bỏ do thu hoạch sinh khối không quan trọng so với các dòng chảy

nước tahir trong đất ngập nước Điều này đặc biệt đúng với các vùng đất ngậpnước với các loài thực vật nổi trong điều kiện loại bỏ N tối ưu thì sinh khối cóthể đóng vai trò quan trọng trong hệ thống xử lý được thiết kế cho mục đích phổbiến.

Nếu các vùng đất ngập nước không được thu hoạch sinh khối, lượng lớnchất dinh dưỡng đi vào trong mô thực vật sẽ quay trở lạo nước do quá trình phânhủy Sự tích trữ chất dinh dưỡng lâu dài trong hệ thống đất ngập nước là kết quả

từ những phần nhỏ rác rưởi không phân hủy được tạo ra từ các yếu tố khác nhaucủa chu trình sinh hóa

Hơn nữa, kim loại hòa tan trong nước được coi là có sẵn cho đời sốngthực vật Kim loại có khả năng trao đổi dễ dàng là những kim loại được hấp thụtới những vị trí cố định của đất sét và các chất hữu cơ, nó có thể được tái hấp thụ

và đi vào nước do các phản ứng cân bằng phức tạp hơn hoặc do có nhiều cationhơn

Một số loài thực vật ngập nước có khả năng hấp thụ trực tiếp kim loạinặng Sự tích tụ quá nhiều có thể giết thực vật trong giai đoạn sinh trưởng Tuynhiên, nhiều loài đã phát triển một cơ chế ngăn chặn sự hấp thụ kim loại

Nhiều nghiên cứu chỉ ra trong rễ thực vật có nồng độ kim loại cao Nồng

độ thấp hơn được tìm thấy trong thân rễ và càng xa rễ nồng độ càng giảm, thấpnhất ở nững phần trên ví dụ như lá Bởi vậy, việc thu hoạch sinh khối phía trênchỉ thu được tối thiểu lượng kim loại bị loại bỏ

e Sự hấp thụ của dạng chất nền

Sự giảm nitơ trong NH3 là chắc chắn và có thể được hấp thụ ở những ivjtrí hoạt động của chất nền Tuy nhiên, sự trao đổi ion của NH4+-N trên các vị trítrao đổi cation của dạng chất nền không được xem là một biện pháp loại bỏ

NH4+-N lâu dài Hơn nữa, sự hấp thụ NH4+-N được cho là thuận nghịch nhanhchóng Bởi vậy, NH4+-N được hấp thụ trong hệ thống dòng chảy liên tục sẽ cânbằng với NH4+-N trong dung dịch Chỉ những dòng chảy gián đoạn thì sự loại bỏ

NH4+-N sẽ nhanh chóng do các cơ chế hập thụ làm giảm NH4+-N trong vị trí hấp

thụ trong suốt thời kỳ nghỉ ngơi

f Phốtpho

Phốtpho là một sản phẩm tiêu biểu trong nước thải Sự oxy hóa sinh họctrong phốtpho (P) tạo ra sự biến đổi hầu hết phốtpho thành dạng muối phốtphát.

Sự loại bỏ phốtpho trong đất ngập nước xử lý gồm: hấp thụ, tạo phức, kết tủa

Hầu hết các nghiên cứu chỉ ra sự tích tụ/trầm tích là sự lắng đọng phốtphotrong thời kỳ dài và các vùng đất ngập nước không bị ảnh hưởng nhiều sự lắngđọng phốtpho như các hệ sinh thái đất Sự tích tụ phốtpho>95% trong các vùngđất ngập nước tự nhiên Không có sự thay đổi hóa trị của phốtpho trong suốt quátrình đồng hóa sinh học phốtpho vô cơ hay phân hủy phốtpho hữu cơ do sinhvật Phốtpho trong đất đầu tiên ở hóa trị V, bởi vì tất cả các trạng thái oxy hóathấp hơn là không ổn định về mặt nhiệt động học và dễ dàng oxy hóa tới PO43-

thậm chí cao hơn trong đất ngập nước

Sự hấp thụ và giữ lại phốtpho trong đất ngập nước được điều chỉnh bởigiá trị pH, các khoáng chất Fe, Al, Ca và lượng phốtpho hoạt động trong đất.Trong đất có tính axit, phốtpho vô cơ được hấp thụ trên hydroxit của Fe và Al và

có thể kết tủa như Fe-P và Al-P Sự kết tủa Ca-P chiếm ưu thế ở pH>7,0 Sự hấpthụ P của đất tăng lên khi nồng độ Al, Fe, Ca cao

Cooper (1996): chưa rõ ràng sự hấp thụ cụ thể nào qua sự trao đổi phối tửhay các phản ứng kết tủa là cơ chế loại bỏ P chính trong đất ngập nước Một kếtquả chỉ ra sự loại bỏ P nhanh chóng từ dung dịch bởi một cơ chế hấp phụ Tuynhiên sự loại bỏ nhanh chóng được tiếp theo bởi một quá trình chậm hơn nhiềudẫn đến dạng trao đổi ít hơn

Thực vật hấp thụ Phốt pho thông qua rễ của chúng và chuyển p vào trong

mô sinh trưởng Khả năng hấp thụ Phốt pho thông qua rễ của nó chậm hơn sovới Ni tơ bởi vì nồng độ phốt pho trong tế bào thấp hơn nông độ Ni tơ Việc thuhoạch sinh khối là cần thiết để loại bỏ phốt pho từ đất ngập nước Điều này đặcbiệt cần thiết đối với các thực vật nổi Sau khi thực vật phân hủy, phốt pho đượcquay trở lại hệ thống Lượng phốt pho được loại bỏ bởi thực vật chỉ là một phầnnhỏ của tổng lương P được loại bỏ trong đất ngập nước

g Sự hấp phụ và trao đổi Cation

Sự hấp phụ liên quan tới sự ràng buộc các phần tử ở dạng hòa tan trongdung dịch tới các vị trí trên cây hay bề mặt hấp phụ Trong một phản ứng trao

đổi cation, ion kim loại mang điện tích dương trong dung dịch gán với vị trímang điện tích âm trên bề mặt của vật hấp phụ Sự tiếp xúc thúc đẩy trao đổication là tĩnh điện và mức độ của sự thúc đẩy này phụ thuộc vào phạm vi rộngcác nhân tố Khi sức hút tĩnh điện vị trí của cation hòa tan vượt quá sức hút củacation gắn kết thì cation hòa tan trong dung dịch sẽ thay thế cation gắn kết đó.Khả năng trao đổi cation của vật chất là một phép đo vị trí ràng buộc trên toàn

bộ khối lượng hay thể tích

Thuộc tính trao đổi cation của thực vật nổi được quy cho là bởi các nhómchức (-COOH) trong các axit humic của mô tế bào thực vật Các nghiên cứu đãgiả định khả năng trao đổi cation đối với nhiều loài thực vật trong đầm ngậpnước Giá trị này cũng được đưa ra ở cả các thực vật sống và chết

Sự hấp phụ kim loại tới bề mặt của thực vật là một quá trình cơ thể đượcchỉ ra ở cả thực vật có tỷ lệ diện tích bề mặt/thể tích cao

h Các quá trình vị sinh trung gian

Sự hấp thụ của đất ngập nước có thể khác nhau giữa các tầng hiếu khí và

kị khí Sự có mặt của vi khuẩn oxy hóa kim loại trong tầng hiếu khí và vi khuẩngiảm lưu huỳnh trong tầng kị khí sẽ gây ra sự giảm oxit kim loại và lưu huỳnh

Sắt (Fe) được tìm thấy trong đất ngập nước lần đầu ở dạng Fe2+, các hợpchất Fe, nó được hòa tan tốt hơn và đầy đủ hơn cho các cơ thể sống

4FeSO4 +2H2SO4 +O2 2Fe2(SO4)3 +2H2O

2FeSO4 +12H2O 4Fe(OH)3 +6 H2SO4

Sự oxy hóa Fe thông qua vi sinh vật được tiếp sau là sự kết tủa củaFe(OH)3 đáng kể được coi như là cơ chế loại bỏ sắt quan trọng nhất trong đấtngập nước xử lý nước thải chứa kim loại Những nghiên cứu chỉ ra sự oxy hóatương tự với nhiều kim loại khác: Ni, Cu, Pb, Zn, Au, Ag

i Sự lọc

Vi khuẩn trong nước có thể tham gia loại bỏ kim loại bằng cách lọc trựctiếp các phần tử vật chất Các loài thực vật tới vùng bề mặt lớn có thể ảnh hưởngtới việc duy trì các phần tử hydroxyt kim loại từ việc kết tủa trong dung dịch

k Vi sinh vật gây bệnh

Vi khuẩn và virut là những cơ thể sống quan trọng ảnh hưởng tới sứckhỏe cộng đồng, nó còn là những phần tử quan trọng ở các quốc gia nhiệt đới vàcận nhiệt Các vùng đất ngập nước với sự kết hợp các nhân tố lý hóa, sinh loại

bỏ các vi sinh vật gây nên

*Tóm lại: Việc giảm các chất này được thực hiện bởi các cơ chế xử

lý đa dạng và được tóm tắt trong bảng 1.1 sau:

Bảng 1.1 Cơ chế loại bỏ chất thải trong hệ thống đất ngập nước

[20]

Trong đó:

SS: Các chất rắn lơ lửng P: Hiệu quả lần 1

B&: Vi khuẩn và virut I: Hiệu quả ngẫu nhiên

HM: Kim loại nặng RO: Các chất hữu cơ khó phân hủy

1.2.5 Phân loại các hệ thống đất ngập nước nhân tạo dựa vào thực vật sử

dụng trong hệ thống

a Các hệ thống dựa vào thực vật nổi tự do

*Các hệ thống dựa vào cây bèo tây (bèo Nhật Bản)

Cây bèo tây là một trong số các thực vật có ảnh hưởng tốt tới môi trường Nó

là một trong số các thực vật thủy sinh sản nhiếu nhất và đông đúc nhất trên thếgiới Nhờ đặc điểm này mà nó được khai thác trong quá trình xử lý nước thải.Các hệ thống cây bèo taay có thể được thiết kế để xử lý nước thải ban đầuchưa qua xử lý, làm sạch hơn nước đã xử lý lần hai hoặc để xử lý lần ba Sự loại

bỏ chất rắn lơ lửng của cây bèo tây xảy ra thông qua đới rễ Với mật độ bảoquản chất rắn lơ lửng của cây bèo tây xảy ra thông qua đới rễ Với mật độ bảoquản tối thiểu sự tráo đổi nhiệt, nhờ đómà các chất rắn lơ lửng sẽ được lắngđọng do trọng lực trong vùng nước lặng phía dưới Thêm vào đó, ở rễ cây có sựtích điện phản ứng lại với những sự tích điện đối ngược lại trong các phần tửchất rắn lơ lửng, làm chúng dính chặt vào rễ cây, từ đó chúng được hấp thụ vàđồng hóa từ từ bởi rễ cây bèo và các vi sinh vật

Khả năng vận chuyển O2 từ tán lá vào đới rễ của cây bèo tây có liên quan đếnquá trình loại bỏ BOD và tạo điều kiện tốt cho quá trình nitrat hóa của vi khuẩnbám dính Toàn bộ hệ thống rễ của cây bèo tây cung cấp một diện tích bề mặtlớn cho các vi sinh vật, do đó tăng khả năng phân hủy vật chất hữu cơ Tốc độdòng chảy tương đối chậm sẽ đảm bảo tối đa cơ hội tiếp xúc giữa nước thải vàcác vi khuẩn bám dính

Sự hấp thụ của bèo, sự bay hơi NH3 và quá trình nitrat-phản nitrat hầu hếtgóp phần vào sự loại bỏ N2 trong hệ thống nuôi bèo tây Nhân tố chính của việcloại bỏ nito là quá trình nitrat và phản nitrat Các chất nitrat hóa có thể tấn côngmạnh váo các rễ cây bèo tây-nơi cung cấp oxy, trong khi những vị trí nhỏ bêncạnh và tầng vi sinh vật đáy sẽ tạo ra những điều kiện kị khí và nguồn C cầnthiết cho quá trình phản nitrat Cách loại bỏ phốt pho P trong hệ thống dựa vàobèo tây là sự hấp thụ P của cây bèo và trong nước thải đô thị điển hình nóthường không vượt quá 30-50% lượng phốt pho Tuy nhiên, nếu không thuhoạch sinh khối đồng loạt thì việc loại bỏ phốt pho sẽ không đạt tới giới hạnnày

Hệ thống xử lý với bèo tây được ứng dụng thành công ở các vùng nhiệt đới

và cận nhiệt Tại các vùng ôn đới và các vùng điều kiện thời tiết lạnh,c ây bèotây bị phá hủy mạng mẽ bởi sương giá, tốc độ sinh trưởng bị giảm mạnh ở nhiệt

độ dưới 100C Do đó, việc sử dụng các hệ thống này bị hạn chế ở vùng ôn đới(nó có thể sử dụng trong các nhà kính hoặc ngoài trời vào mùa hè)

*Các hệ thống trồng bèo tấm

Bèo tấm là một loại thực vật có mạch phổ biến rộng trên thế giới chúng cómặt trong các vùng nước nhỏ như ao cá, mương rãnh, đầm phá Chúng bao gồmkhoảng 35 loài trong 4 nhóm: Lemna, Pirodela, Wolffiella, Wolffia

Bèo tấm là một trong số những thực vật sinh trưởng nhanh nhất trên thế giới.Chúng thường tăng sinh khối lên gấp hai lần ở điều kiện tối ưu trong 2 đến 3ngày, ở một số loài sự tăng trưởng ban đêm lớn hơn hoặc bằng sự tăng trưởngban ngày So với bèo tây thì bèo tấm có phân bố địa lý rộng hơn bởi vì chúng cóthể sinh trưởng ở nhiệt độ thấp từ 1-30C Bèo tấm có những đặc điểm làm chochúng có khả năng xử lý nước thải như:

+Chúng sinh sản tốt: Với mỗi cá thể, 1 lá lược nhỏ sinh ra 20 lá con trongthoiwf gian sống sót Các là con này lại nặp lại như mẹ nó Kết quả là sự tăngtrưởng ngày càng nhanh, ít nhất cho tới khi các cây trở nên bị quá tải hoặc thiếuchất dinh dưỡng Sự chuyển đổi tuần hoàn liên tiếp của các cây thúc đẩy sự sinhtrưởng nối tiếp liên tục

+Cây phản ứng lại với sự giàu chất dinh dưỡng, biến đổi vật chất vào mô tếbào

So với cây bèo tây, bèo tấm đóng vai trò kém trực tiếp hơn trong quá trình xử

lý, bởi vì chúng thiếu một hệ thống rễ sâu và rộng, và bởi thế cung cấp một diệntích bề mặt nhỏ hơn cho vi khuẩn Do vậy, việc sử dụng cây bèo tấm chủ yếutrong việc thu hồi chất dinh dưỡng từ nước thải đã được xử lý bậc hai Bèo tấmbao phủ dày đặc trên bề mặt nước ngăn chặn sự khuếch tán oxy vào nước vàngăn chặn sự tạo oxy do quang hợp vì thiếu ánh sáng Nước trở nên thiếu oxynên quay trở lại sự phản nitrat hóa Sự hấp thụ ánh sáng của bèo tấm bao phủtrên bề mặt nước, hạn chế sự sinh trưởng của thực vật phù du, do đó tạo chất rắn

lơ lửng

Các cơ chế loại bỏ chất rắn lơ lửng, BOD và vi sinh vật là như nhau ở các ao

hồ cố định Nito có thể được loại bỏ bởi bèo hấp thụ trực tiếp rồi thu hoạch sinhkhối, hoặc bởi sự bay hơi NH3, quá trình nitrat và phản nitrat của vi sinh vật.Qua trình nitrat NH3 xảy ra trong đới rễ hiếu khí của cây bèo tấm Tuy nhiên,đới này rất mỏng và do đó hầu như không có sự nitrat hóa xảy ra trong hệ thốngcây bèo Sự phản nitrat xảy ra trong các lớp nước sâu hơn Tuy nhiên, tổ hợpnitrat/phản nitrat không hiệu quả lắm trong việc loại bỏ bằng sự hấp thụ trực tiếphoặc bằng sự kết tủa háo học trong các giai đoạn xử lý cụ thể

Việc sử dụng bèo tấm để xử lý nước thửi không tốt như sử dụng bèo tây.Thực tế chỉ ra rằng chức năng chính của bèo tấm trong hệ thống ngập nước cóchiều sâu đáng kể là cung cấp một bề mặt bao phủ hơn là loại bỏ trực tiếp cácchất ô nhiễm Thời gian lưu trữ nước trong các hệ thống xử lý dựa vào cây bèotấm phụ thuộc vào chất lượng nước thải, hiệu quả đòi hỏi, tốc độ thu hoạch vàkhí hậu, nhưng điển hình là 30 ngày vào mùa hè và vài tháng vào mùa đông.Kích thước tối ưu cho các ao bèo là dài:rộng =15:1 để tạo điều kiện cho dòngchảy Một hệ thống màn che hoặc vách ngăn khác là cần thiết để ngăn chặn sựmất đi của các thực vật nổi nhỏ Các hệ thống thường sâu 3m

Tại vùng khí hậu ôn đới, hệ thống xử lý dựa vào cây bèo tấm là phù hợp chocác ao nhỏ, đặc biệt cho vùng sử dụng có tính chất mùa (mùa hè), bởi vì trongmùa đông các ao bèo chỉ làm việc ở điều kiện yếm khí hoặc ở các vùng đất ngậpnước có khả năng Sự loại bỏ Nito có thể được hoàn thành ở mức chấp nhậnđược với việc sử dụng sự thông khí để tăng cường nitrat hóa

b Các hệ thống dựa vào thực vật rễ bám dưới đáy và thân nổi trên mặt nước.Các hệ thống này dựa vào các loài thực vật nổi tự do khác hoeems hơn các hệthống cây bèo tây hau bèo tấm Các thực vật nổi tự do bao gồm: Rau mà mơ(Hydrocotyle umbellata) và rau diếp nước (Pista Strationtes)

Trong tự nhiên, rau má mơ mọc ở trong bùn ao và bờ mương và sống sót trênmặt nước thành một tầng nổi Rau diếp nước xuất hiện phát triển mạnh nhất ởvùng nước lắng hoặc nơi không có dòng chảy Nó sinh trưởng chủ yếu như làmột thực vật nổi hoặc cũng có thể như một loài thực vật chìm trong một thờigian dài Rau má mơ và rau diếp nước có tốc độ tăng trưởng nhanh, khả năng

đồng hóa chất dinh dưỡng cao nên nó có một tiếm năng đáng kể trong việc loại

bỏ chất dinh dưỡng từ nước Do thời gian tồn tại của các loài thực vật này tươngđối ngắn nên chúng chỉ có thể tích trữ dinh dưỡng trong thời kỳ ngắn Cây rau

má mơ có khả năng vận chuyển oxy tốt và tỷ lệ tăng trưởng, khả năng hấp thuchất dinh dưỡng cao, thậm chí xảy ra cả trong thời kỳ tương đối lạnh của vùngcận nhiệt Cây bèo tây và cây ra má mơ có thể trồng thay thế nhau trong mùađông và mùa hè để duy trì tốc độ quay vòng xử lý cao

Cây rau diếp nước nhạy cảm với sương giá và không phát triển mạnh ởnhững vùng ôn đới Bởi vậy việc sử dụng nó trong việc xử lý nước thải bị hạnchế so với các vùng nhiệt đới và cận nhiệt Hệ thống cây rau diếp nước đơngiản, dễ thực hiện trong vệc xử lý nước thải gia đình Hiệu quả của hệ thống nàygắn với việc quản lý rau diếp nước với việc thu hoạch sinh khối là 25 ngày/lần.Sinh khối thu được dùng để ủ phân, làm thức ăn động vật Vài tình huống xâunhư việc nảy sinh muỗi, côn trùng có liên quan với hệ thống này

*Các hệ thống dựa vào thực vật chìm dưới nước

Các thực vật chìm dưới nước có mô quang hợp chìm dưới nước Các thínghiệm cho thấy khoáng chất có thể được hấp thụ trực tiếp bởi các mô chồi củathực vật chùm (hình 2) Tuy nhiên, cũng không có câu hỏi xem xét khả năng hấpthụ chất dinh dưỡng từ rễ của các thực vật này Tuy nhiên, các thực vật này chỉsinh trưởng tốt trong nước chứa oxy do đó không thể sử dụng chúng trong việc

xử lý nước thải có nồng độ chất hữu cơ cao được phân hủy sinh học bởi vì của

vi sinh vật chất hữu cơ sẽ tạo điều kiện thiếu oxy Thêm vào đó, độ đục củanước không quá cao để ánh sáng đi qua thuận lợi cho sự quang hợp của thực vật.Bởi vậy tiề năng sử dụng các thực vật này là cho xử lý nước thải bậc hai, mặc

dù sự xử lý tốt nước thải lần đầu đã được hệ thống Elodeanutti Sự có mặt củathực vật chìm làm giảm các bon hữu cơ hpaf tan và tăng lượng oxy hòa tan trongthời kỳ quang hợp mạnh Điều này làm tăng pH, tạo điều kiện tối ưu cho sự bayhơi NH3 và sự kết tủa hóa học của P Nồng độ oxy cao cũng tạo điều kiện thíchhợp cho sự khoáng hóa của vật chất hữu cơ trong nước Chất dinh dưỡng đượcđồng hóa bởi các thực vật được duy trì phần lớn trong các mô chồi của các cây

và bới các vi khuẩn bám dính Việc mất chất dinh dưỡng từ tán lá do sự già yếu

của các mô được tiêu thụ một cách nhanh chóng bởi vi khuẩn bám dính xungquanh cây.

*Các hệ thống dựa vào thực vật nổi trên mặt nước

Các hệ thóng xử lý nước thải với các loại thực vật này có thể được xây dựngvới nhiều mô hình khác nhau Nói chung các hệ thống này có thể được phânthành 3 nhóm chính theo mô hình dòng chảy:

(1): Các hệ thống chảy trên mặt

(2): Các hệ thống với dòng chảy ngang dưới mặt đất

(3): Các hệ thống với dòng chảy dưới bề mặt thẳng đứng

(1) Các hệ thống chảy trên bề mặt (Free water surface-FWS)

Những hệ thống này thườn gồm có: lưu vực chứa nước, hoặc các kênh dẫnnước, với lớp lót bên dưới để ngăn sự dò rỉ nướ, đất hoặc các lớp lọc thích hợpkhác hỗ trợ cho thực vật nổi Lớp nước nông, tốc độ dòng chảy chậm và sự cómặt của nhân cây quyết định dòng chảy và đặc biệt trong các mương dài và hẹp,bảo đảm điều kiện dòng chảy nhỏ (Reed và cộng sự, 1998) (hình 1.1)

Hình 1.1 hệ thống đất ngập nước nhân tạo với dòng chảy trên mặt FWS

Các vùng đất ngập nước xử lý bề mặt tự do có chức năng như là các hệ thống

xử lý sinh học tập trung Nước thải chảy vào chứa các chất lơ lửng và các chất ônhiễm hòa tan trải rộng khắp một vùng rộng của vùng nước nông Các chất rắn

lơ lửng có xu hướng ổn định và được giữ lại do tốc độ dòng chảy chậm được chechắn gió Các chất này chứa N, P, các kim loại và chất hữu cơ Những chất ônhiễm không hòa tan này cuối cùng đi vào chu trình sinh hóa cơ bản trong khốinước và đất bề mặt của đất ngập nước Đồng thời, một phần chất hữu cơ N, Phòa tan và các nguyên tố vết được hấp thụ bởi đất, vi khuẩn hoạt động và mộtvài thực vật thông qua môi trường đất ngập nước Những nguyên tố hòa tan nàycũng đi vào toàn bộ chu trình khoáng hóa của hệ sinh thái đất ngập nước

Các chất hữu cơ được loại bỏ nhanh chóng trong các hệ thống chảy trên bềmặt bởi các điều kiện tĩnh lặng, sự phân hủy và quá trình lọc BOD hòa tan đượcloại bỏ bởi các vi sinh vật lơ lửng và bám dính Nguồn oxy chính cho các phảnứng này là các phản ứng trên mặt nước Các hệ thống chảy trên bề mặt loại bỏmột cách có hiệu quả các chất rắn lơ lửng Trong các hệ thống ở đô thị, hầu hết

các chất rắn được lọc và lắng lại trong vài mét nước đầu tiên của dòng vào phíatrên.

Nitơ được loại bỏ có hiệu quả nhất trong các hệ thống chảy trên bề mặt nhờ

sự nitrat và phản nitrat hóa NH3 được oxy hóa trong các đới hiếu khí và NO3

-được biến đổi thành nitơ tự do hoặc N2O trong các đới hiếu khí bởi vi khuẩnphản nitrat Các hệ thống chảy trên bề mặt có thể loại P một cách lâu dài nhưngtương đối chậm Sự loại bỏ P trong các hệ thống chảy trên bề mặt xảy ra nhờ sựhấp thụ, hấp phụ, tạo phức và kết tủa tuy nhiên, quá trình chính trong sự loại bỏ

P (sự kết tủa với ion Al, Fe, Ca) là bị giới hạn bởi sự tiếp xúc giữa tầng nước vàđất

c, Các hệ thống với dòng chảy ngang dưới mặt đất (Horizontal subsurface HSF)

flow-Hình dưới đây chỉ ra sự sắp xếp điển hình các hệ thống với dòng chảy ngangdưới mặt đất Nó được gọi là dòng chảy ngang vì nước thải được đưa vào vàchảy chậm qua tầng lọc xốp dưới bề mặt của nền trên một đường ngang cho tớikhi nó tới được nơi dòng chảy ra Trong suốt thời gian này, nước thải sẽ tiếp xúcvới mạng lưới hoạt động của các đới hiếu khí, hiếm khí và kỵ khí Các đới hiếukhí ở xung quanh rễ và bầu rễ, nơi lọc O2 vào trong bề mặt Trong suốt thời giannước thải chảy qua đới rễ, nó được làm sạch bởi sự phân hủy sinh học của visinh vật bởi các quá trình hóa, lý Các hệ thống dòng chảy ngang dưới mặt đấtphổ biến nhất là hệ thống xử lý có trồng cây sậy (reed HSF)

Hình ảnh về HFS

Các hợp chất hữu cơ được phân hủy hiếu khí cũng tốt như kị khí bởi các vikhuẩn bám dính xung quanh vùng dưới của thực vật (rễ, bầu rễ) và bề mặt lớplọc O2 cần thiết cho phân hủy hiếu khí được cung cấp trực tiếp bởi sụ khuếchtán từ không khí vào hoặc thấm O2 từ rễ thực vật

Các chất rắn chìm và lơ lửng không được loại bỏ trong hệ thống xử lý đàutiên thì được lạo bỏ có hiệu quả bởi sự lọc và lắng đọng, Sự lắng đọng sẽ xảy ratrong những vùng ổn định của bất kỳ hệ thống dòng chảy ngang dưới mặt đấtnào

Nitơ được loại bỏ trong các vùng đất ngập nước dòng chảy ngang dưới mặtđất bởi sự nitrat hóa và phản nitrat hóa, sự bay hơi, hấp thụ Cơ chế loại bỏ chíncủa ni tơ là nitrat và phản nitrat NH3 được oxy hóa thành NO3- bởi vi khuẩnnitrat trong đới hiếu khí và NO3- được chuyển thành N2 bởi vi khuẩn phản nitrattrong đới kị khí.

Các nghiên cứu đã chỉ ra là trong quá trình oxy hóa của đới rễ ở các hệ thốngdòng chảy ngang dưới mặt đất là không đầy đủ, bởi thế sự nitrat không hoàntoàn thành là nguyên nhân chính của sự loại bỏ N bị hạn chế Sự bay hơi, thựcvật hấp thụ, sự hấp phụ có vai trò quan trọng hơn nhiều trong sự loại bỏ ni tơ.Phốtpho được loại bỏ khỏi nước thải đầu tiên ở các hệ thống dòng chảyngang dưới mặt đất bởi các phản ứng trao đổi phối tử, nơi mà PO43- chiếm chỗnước hoặc các nhóm OH- từ bề mặt của Fe(OH)2 hay Al(OH)3 Tuy nhiên, lớplọc sử dụng trong các hệ thống với dòng chảy ngang dưới mặt đất thường khôngchứa lượng lớn Fe, Al, Ca và bởi vậy, sự loại bỏ P nói chung chậm

c, Các hệ thống với dòng chảy thẳng đứng (vertical subsurface flow-VSF)

Sự khác nhau quan trọng giữa các hệ thống với dòng chảy thẳng đứng vớidòng chảy ngang dưới mặt đất là từ các mô hình khác nhau của hệ thống thêmvào đó, hệ thống với dòng chảy thẳng đứng thường có một hệ thống phân phốibao phủ toàn khắp toàn bộ bề mặt

Hình ảnh về các hệ thống với dòng chảy thẳng đứng.

Chỉ một phần sự loại bỏ chất kết tỉa là giống nahu cho tất cả các hệ thống.thường thì nước thải xử lý lần một được truyền theo ống dẫn vào trong cây vàđược lọc qua lớp lọc quá trình loại bỏ xảy rra trong suốt giai đoạn này

Kết quả nước sau xử lý bằng hệ thống với dòng chảy thẳng đững có sử dụng cácloại thực vật khác nhau

Loại thực vật

sử dụng

Độ sâu của rễ(m)

BOD5 (mg/l) TSS (mg/l) NH3 (mg/l)

Bulrush,

Scirpus