Xử lý nước thải bằng đất ngập nước

Xử lý nước thải bằng đất ngập nước

KHOA MÔI TRƯỜNG

THÁNG 10 NĂM 2009

DANH SÁCH NHÓM

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

NỘI DUNG CHÍNH

CHƯƠNG 1: CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC Ở NHỮNG HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC ĐƯỢC ỨNG DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC

THẢI 5

I Khái niệm đất ngập nước 5

II Giới thiệu hệ thống mô phỏng đất ngập nước 8

III Vai trò của thực vật 9 1 Các loài thực vật ngập nước 9

2 Dự trữ dinh dưỡng tiềm năng 11

3 Sự tích lũy carbon trong đất từ rễ 12

4 Quá trình phóng thích oxygen từ rễ 14

5 Sự trao đổi chất của các xennobiotic 17

6 Sự thoát hơi nước 19

7 Ảnh hưởng của cấu trúc đất 19

IV Vai trò của vi sinh vật 21 V Những khía cạnh về công nghệ 22

CHƯƠNG 2: CÁC ỨNG DỤNG NHỮNG HỆ THỐNG MÔ PHỎNG ĐẤT NGẬP NƯỚC TRONG XỬ LÝ NƯỚC 24

I Sơ lược về bãi lọc trồng cây 24

II Ứng dụng 25 1 Trên thế giới 25

2 Ở Việt Nam 27

TÀI LIỆU THAM KHẢO

LỜI NÓI ĐẦU

“Đất ngập nước”, một khái niệm mà ai cũng có thể tưởng tượng được, nhưng sự

đa dạng và độc đáo của nó thì không phải ai cũng có thể hình dung ra được Như chúng ta đã biết, nước ta có một bờ biển dài, chính vì thế mà diện tích đất ngập nước chiếm 1/3 diện tích cả nước, nghĩa là khoảng 7-10 ha, được phân bố ở vùng châu thổ sông Hồng, sông Cửu Long, các hệ sinh thái đầm phá, các bãi bùn, các vùng cửa sông và vùng ngập mặn dọc theo bờ biển từ Móng Cái đến Hà Tiên Đất ngập nước là một hệ sinh thái rất đặc thù, có ý nghĩa quan trọng đối với sự phát triển kinh tế-xã hội, bảo vệ môi trường và đa dạng sinh học Trước hết đây là vùng

có năng suất sinh học cao, cung cấp nguồn lương thực và thực phẩm chủ yếu để nuôi sống con người Đồng thời cũng là vùng đất có chức năng bảo vệ môi trường

cơ bản như điều tiết nguồn nước ngầm, khống chế lũ lụt, bảo vệ bờ biển, ổn định

vi khí hậu…Đặc biệt hơn, gần đây đã có những nghiên cứu về ứng dụng của các loài thực vật, sinh vật ngập nước trong việc xử lý nước thải, nổi bật trong đó là các đới rễ cây và các vi sinh vật Nhóm chúng tôi đã tìm hiểu và trình bày lại một số kiến thức thu được về những vấn đề trên trong bài báo cáo dưới đây

CHƯƠNG 1: CÁC QUÁ TRÌNH SINH HỌC Ở NHỮNG HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC ĐƯỢC ỨNG

DỤNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

I KHÁI NIỆM ĐẤT NGẬP NƯỚC:

Đất ngập nước (wetland) được hiểu là phần đất có chứa nước trong

đất thường xuyên dạng bão hoà hoặc cận bão hòa Trong thiên nhiên, đất ngập nước hiện diện ở các vùng trũng thấp như các cánh đồng lũ, đầm lầy, ao hồ, kênh rạch, ruộng nước, vườn cây, rừng ngập nước mặn hoặc nước ngọt, các cửa sông tiếp giáp với biển, … Vùng ĐBSCL được xem là vùng đất ngập nước rộng lớn của nước ta vì có đủ các yếu tố của định nghĩa này Đất ngập nước được xem là vùng đất giàu tính đa dạng sinh học, có nhiều tiềm năng nông lâm ngư nghiẹp nhưng rất nhạy cảm về mặt môi trường sinh thái Đất ngập nước tham gia tích cực vào chu trình thủy văn và có khả năng xử lý chất thải qua quá trình tự làm sạch bằng các tác động lý hóa và sinh học phức tạp

Tuy nhiên, việc xử lý nước thải qua đất ngập nước tự nhiên thường chậm, phải có nhiều diện tích và khó kiểm soát quá trình xử lý nên các nhà khoa học

đã đề xuất ra biện pháp xây dựng các khu xử lý nước thải qua đất (land

treatment) Khu này được gọi là khu đất ngập nước kiến tạo (constructed wetland) hay hệ thống mô phỏng đất ngập nước, chữ “kiến tạo” được hiểu là hệ

thống được thiết kế và xây dựng như một vùng đất ngập nước nhưng việc xử lý nước thải hiệu quả hơn, giảm diện tích và đặc biệt có thể quản lý được quá trình vận hành ở mức đơn giản Xử lý nước thải bằng đất ngập nước kiến tạo đã được

áp dụng khoảng 100 năm nay ở Mỹ và Châu Âu và gần đây nhất là ở các nước Châu Á và Châu Úc Việc nghiên cứu kỹ thuật đất ngập nước kiến tạo khá nhiều trong khoảng hơn 20 năm nay, đặc biệt là các công trình của Kadlec và

Knight (1996), US-EPA (1988), Moshiri, (1993), Kadllec et al (2000), Solano

nhu cầu oxy sinh hóa (BOD5), nhu cầu oxy hóa học (COD), lượng oxy hòa tan (DO), tổng lượng chất rắn lơ lửng (TSS), đạm tổng số (TKN), tổng Phophorous (Ptotal), tổng số Coliform, … đều có giảm đáng kể trong nước thải.

Có 2 kiểu phân loại đất ngập nước kiến tạo cơ bản theo hình thức chảy: loại

chảy tự do trên mặt đất (free surface flow) và loại chảy ngầm trong đất (subsurface flow) Loại chảy tự do thì ít tốn kém và tạo sự điều hòa nhiệt độ khu

vực cao hơn loại chảy ngầm nhưng hiệu quả xử lý thì kém hơn, tốn diện tích đất nhiều hơn và có thể phải giải quyết thêm vấn đề muỗi và côn trùng phát triển Đất ngập nước kiến tạo kiểu chảy ngầm lại phân ra hai kiểu chảy: chảy ngang

(horizontal flow) (hình 1) và chảy thẳng đứng (vertical flow) (hình 2) Việc

chọn lựa kiểu hình tùy thuộc vào địa hình và năng lượng máy bơm Đôi khi người ta phối hợp cả hai hình thức xử lý này

Nhiều loại cây trồng cho vùng đất ngập nước kiến tạo được lựa chọn

để tham gia vào quá trình hấp thu các chất ô nhiễm trong nước thải, nhiều nhất là các loại cây sậy, năn, lác, cỏ Vetiver (cho loại chảy ngầm) hoặc lục bình, hoa súng, bèo các loại, …

Hình 1: Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm theo chiều ngang

Hình 2: Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm theo chiều đứng

II GIỚI THIỆU HỆ THỐNG MÔ PHỎNG ĐẤT NGẬP NƯỚC:

Ngày nay các hệ thống mô phỏng những hệ thống đất ngập nước đã có được

sự chấp thuận của quốc tế về các phương pháp xử lý nước thải bên cạnh các kỹ thuật thông thường

Các nhà khoa học nhìn nhận những hệ thống đất ngập nước tự nhiên như những đồng cỏ ẩm ướt; các vùng đầm lầy, vũng lầy; những hồ chứa nước thải tự nhiên; các hồ nước ngọt, nhỏ, nông ở cửa sông; những vùng đất ngập nước khác nhau được xây dựng bởi con người với dòng chảy nằm ngang ở lớp mặt hay dòng

chảy thẳng đứng (hoặc nằm ngang) ở các lớp sâu bên dưới.(Kadlec, 1987;

Wissing, 1995)

Một cách tổng quát, các hệ thống mô phỏng đất ngập nước được định nghĩa như là các vùng đất ngập nước đã được mô phỏng theo một mục đích nhất định và được xây dựng trên các khu vực phi ngập nước để xử lý nước ô nhiễm Trong thực

tế, tất cả những hệ thống xử lý nước thải (chủ yếu là nước thải sinh hoạt nhưng cũng có thể là nước thải công nghiệp, nông nghiệp, nước rỉ rác…) như trên thường

được sử dụng kết hợp với các phương pháp xử lý khác (Wissing, 1995)

Nói chung, chất tham gia phản ứng cùng với tính chất vật lý – hóa học của nó

và các ảnh hưởng quan trọng làm biến đổi một quá trình sinh học cụ thể chính yếu được gây ra do sự tương tác giữa các loài thực vật, vi sinh vật, đất – chất ô nhiễm được xem như là một “ black box ” và thông tin của nó thì rất không đầy đủ Các thông tin chi tiết hơn về vai trò của sự đa dạng các loài thực vật, sự lắng của những tập hợp vi sinh( các loài vi sinh vật cộng sinh) khác nhau, và sự tương tác của các hợp chất sinh học và những tạp chất cụ thể kết hợp với vật liệu của lớp lọc

có thể giúp tạo ra phương pháp xử lý hiệu quả hơn bằng cách cho phép thiết lập những hệ thống mẫu như trên

Do đó, mục đích của việc làm trên phải đáp ứng những điều kiện cần thiết để tăng cường những tương tác sinh học lớn nhất ở trong đới rễ cây- một nỗ lực cần

thiết để phát triển những hệ thống đơn giản và rẻ tiền nhằm xử lý các vấn đề nước thải của các quốc gia kém phát triển.

Vì vậy, chương này tập trung nói về các quá trình sinh học trong đới rễ cây, trong đó nổi bật là sự ứng dụng của các dòng chảy ở các tầng dưới mặt nước được hình thành ở vùng đất ngập nước

III VAI TRÒ CỦA THỰC VẬT:

1 Các loài thực vật ngập nước:

Có hàng trăm loài thực vật ngập nước khác nhau (Mũhlberg, 1980) Việc

ứng dụng những loài thực vật đó trong các hệ thống mô phỏng đất ngập nước để

xử lý nước thải thì phụ thuộc vào các đặc điểm thích nghi của chúng khi được trồng ở vùng đất ngập nước và chịu đựng được các thông số cực hạn khác nhau về hóa học đất cũng như nước (hoặc nước thải), ví dụ như:

 Hàm lượng Oxygen (với môi trường chủ yếu là kỵ khí, có mặt H2S)

 Giá trị pH

 Thành phần độc tính của nước thải (phenol, chất hoạt động bề mặt,

thuốc bảo vệ thực vật, kim loại nặng, v.v… )

 Độ mặn

Đa số các loài thực vật đầm lầy có thể được trồng ở các điều kiện trên, chúng

có thể thích ứng trong điều kiện yếm khí ít hoặc nhiều trong đất bằng cách tác động đến con đường thu nhận không khí vào rễ ở trong nước Nhiều thập kỷ trôi qua, nhiều loài đã được trồng thử trong các điều kiện cực hạn như thế Các thí nghiệm thực tế đã tìm ra được hàng chục loài khác nhau có thề thích nghi với những điều kiện đó

Gần đây, các loài cây tăng trưởng nhanh cũng đã được trồng thử trong các hệ thống mô phỏng vùng đất ngập nước

Bảng 1 Các loài thực vật được sử dụng phổ biến để xử lý nước thải trong các hệ

thống mô phỏng ngập nước.

Pharagmite australis (cây sậy) Phân bố toàn cầu

Giá trị pH tối ưu: 2 – 8

Ngưỡng chịu đựng độ mặn: < 45g/l

Typha latifolia Phân bố toàn cầu

Giá trị pH tối ưu: 4 – 10

Ngưỡng chịu đựng độ mặn: < 1g/l

Typha angustifolia Phân bố toàn cầu

Giá trị pH tối ưu: 4 – 10

Ngưỡng chịu đựng độ mặn: 15 – 30 g/l

Scripus sp (cây cỏ nến) Phân bố toàn cầu

Giá trị pH tối ưu: 4 – 9

Juncus sp (cây bấc, cây cói) Phân bố toàn cầu

Giá trị pH tối ưu: 5 – 7.5

Ngưỡng chịu đựng độ mặn: 0 – 25 g/l,

tùy vào loài.

Iris pseudacorus

Carex sp (cây cói túi, cây lách) Phân bố toàn cầu

Giá trị pH tối ưu: 5 – 7.5

Ngưỡng chịu đựng độ mặn: < 0.5g/l

Glyceria maxima

Acorus calamus (cây thạch xương bồ)

2 Dự trữ dinh dưỡng tiềm năng:

Các cơ chế chuyển hóa chính của các chất dinh dưỡng chính là các quá trình

vi sinh như là sự nitrat hóa, sự phản nitrat hóa và các quá trình hóa lý như sự cố định của phosphate bằng các ion sắt và nhôm trong đất Tuy nhiên, thực vật có khả năng chịu đựng được nồng độ cao các chất dinh dưỡng và kim loại nặng, một số khác có khả năng tích lũy chúng trong mô bào

Dạng phosphorus được kết hợp với sinh khối bề mặt của cây cỏ nến( bulrushes) thì vào khoảng 6.7 g/m2.a (Seidel, 1966) Gần đây, người ta tiến

hành kiểm tra nồng độ P trong mô bào trung gian với nhiều loài thực vật khác nhau, kết quả thu được với giá trị P vào khoảng 0.15% – 1.05% khối lượng khô

(Mc Jannet et al 1995)

Từ khía cạnh kỹ thuật, sư cố định nitrogen trong sinh khối thực vật cũng không quan trọng nhiều Bởi vì chỉ có khoảng 5 – 10% được chuyển hóa khi thực

vật tạo sinh khối (Thable, 1984) Năm 1996, Tanner đã ước tính nồng độ của

nitrogen trên mô biểu bì của thực vật ngập nước chỉ chiếm 15 – 32 mgN trong 100

g khối lượng khô

Ở điều kiện Châu Âu, việc tích lũy dinh dưỡng thấp nên sinh khối thực vật nói chung không được tạo ra trong vùng này Thay vào đó, sự loại bỏ kim loại nặng dường như khả thi hơn bằng nhiều cơ chế khác nhau như là quá trình keo tụ của ion sắt (hoặc của ion nhóm kim loại chuyển tiếp) thành các phức hydroxide sắt (III) hay keo tụ sulfide bằng quá trình khử H2S thành các dạng khác nhau

Hiện nay, có một nghiên cứu chuyên sâu tập trung vào sự chọn lựa thực vật bằng các phương pháp thông thường và tạo ra các giống thực vật chuyển gen với

khả năng chịu đựng và tích lũy kim loại nặng cao (Macek et al, 1997) Mục đích

của công trình này là phát triển những phương pháp kinh tế để tạo ra bộ lọc từ rễ

để loại bỏ kim loại nặng và các nuclide phóng xạ, v.v… từ dòng nước

3 Sự tích lũy carbon trong đất từ rễ:

Thực vật tạo ra một lối thông để vận chuyển carbon từ rễ của chúng vào môi trường đất, quá trình này còn được gọi là sự tích lũy carbon trong đất từ rễ Sản phẩm của quá trình này bao gồm chất dịch, chất nhầy từ cây hay các tế bào chết, v.v… ảnh hưởng đến các quá trình sinh học trong đới rễ cây Hàm lượng carbon hữu cơ được tiết ra từ rễ cây thường vào khoảng 10 – 40% trong sản phẩm của quá

trình quang hợp ở các loài cây nông nghiệp (Helal và Sauerbeck, 1989) Bản chất

tự nhiên của các chất dịch nói trên thường thì khá là khác biệt nhau

Nói chung, các hợp chất được tìm thấy trong mô bào thực vật cũng thường bị

rỉ ra ngoài Lấy ví dụ, các hợp chất thường bị rỉ ra ngoài môi trường từ rễ cây bao gồm các loại đường và vitamin như thiamime, riboflavin (B1), pyridoxin, v.v…; các acid hữu cơ như acid malic và citric; các amino acid, các benzoic acid, những

dẫn xuất của phenol và các hợp chất khác (Miersch et al , 1989) Các hợp chất

nói trên được phân chia thành các nhóm chính và nhóm phụ, chúng có các vai trò sau:

Một số loài cá biệt bài tiết ra những hợp chất đặc biệt vào môi trường đất để

làm giảm sự tăng trưởng của các loài thực vật khác (Miersch et al , 1989) Tác

động này đã được nghiên cứu sâu sắc trên các loài thực vật trong nông nghiệp Tuy nhiên, với các loài thực vật đầm lầy thì rất khó tìm thấy các dấu hiệu cho biết

sự ảnh hưởng qua lại của chúng với các loài khác từ nhiều nguồn tài liệu khác

nhau (Gopal và Goel, 1993).

• Ảnh hưởng của đới rễ cây :

Những hợp chất như là các loại đường và amino acid có thể đóng vai trò như

là những cơ chất của các loài vi sinh vật Khi có sự hiện diện của vitamin, sự tăng

trưởng của vi sinh vật có thể được tăng thêm Trong báo cáo của Helal và

Sauerbeck năm 1989 đã cho thấy phần khối lượng khô (khoảng 80%) của các hợp

chất hữu cơ được tiết ra từ chi Zea có thể được chuyển hóa thành CO2 nhờ một số loài vi sinh sống trong đất, dẫn đến sự gia tăng sinh khối của vật chất trong đới rễ cây Hơn thế nữa, đã có một chứng cứ cho thấy phần xác thực vật cũng ảnh hưởng đến quá trình tự phân hủy vi sinh của một số sinh vật lạ chưa được biết tới

(Horswell et al , 1997).

Thêm vào đó, những thông tin về dịch rỉ từ rễ của một số thực vật đầm lầy thì rất hạn chế Thật vậy, không có bất kỳ một kết quả nghiên cứu nào về dịch rỉ từ rễ

của các loài cây nói trên, kể cả khi chúng đã trưởng thành Năm 1970, Kaitzis đã

nghiên cứu chiết xuất từ rễ của loài Scirpus lacustris và đã tìm thấy một số dẫn

xuất của benzene với nhóm hydroxyl, nhóm methoxyl (CH3O-), aldehyde và nhóm carboxyl Những chất chiết xuất này thể hiện các tác động diệt khuẩn, và do đó người ta cho rằng nó có ảnh hưởng tiêu cực đến đới rễ cây Lấy ví dụ sau, đã có một bản báo cáo kết quả tác động nói trên của chiết xuất từ rễ một số loài như

Alisma plantago, Mentha aquatica, Juncus effusus, Scirpus lacutris, Alnus glutinosa, v.v… Người ta nhận thấy số lượng tế bào Escherichia Coli, enterococci

và salmonellae đã bị suy giảm rất nhiều trong mẫu huyền phù và nước thải bệnh

viện (Seidel, 1973) Những tác động tương tư như vậy cũng đã được phát hiện bởi

Burger và Weise (1984), họ là những người đã tìm ra sự suy giảm nhanh chóng

số lượng tế bào E Coli trong lớp cát đáy khi so sánh chúng với lớp đệm kiểm soát mẫu trong môi trường ngập nước của một số thực vật đầm lầy như Glyceria

aquatica Tuy vậy, thật khó để có thể rút ra một kết luận xa hơn bởi vì bản miêu tả

quá trình thí nghiệm không rõ ràng và thiếu dẫn chứng

Sau đó, Vincent và các cộng sự (1984) đã tiến hành kiểm tra hoạt tính của

Mentha aquatica, Phragmites australis và Scirpus lacustris ở môi trường huyền

phù với E Coli ở điều kiện vô trùng trong ống nghiệm Cả 3 loài cây trên đều

ngăn cản sự phát triển của E Coli trong hệ thống thử nghiệm, trong đó Scirpus sp

(cây cỏ nến) có hiệu quả hơn cả Sau khi loại bỏ thực vật ra khỏi dung dịch dinh

dưỡng, chỉ còn lại loài Mentha aquatica với chiết xuất tăng trưởng của nó với tác

động diệt khuẩn yếu Do đó, các tác giả đã kết luận rằng quá trình tích lũy carbon

từ rễ phụ thuộc vào sự có mặt trực tiếp hay thậm chí là mối tương tác với rễ cây

Năm 1995, Rivera và cộng sự đã quan sát được một lượng lớn tế bào E Coli bị

loại bỏ khỏi môi trường đất của rễ cây sậy và cattail (35 – 91%) nếu so sánh với lớp đệm kiểm soát mẫu (0 – 35%) Trong những thí nghiệm nói trên, không có sự khác biệt cụ thể nào về hiệu suất loại bỏ tế bào cho thấy chúng phụ thuộc vào loại cây

Mặc dù đã có những bản mô tả như trên nhưng thực tế thì vẫn rất khó để hiểu được quá trình tiết dịch của rể cây sẽ kích thích hay hạn chế sự phát triển của vi khuẩn Thêm vào đó, các cơ chế khác của thực vật có tác động gián tiếp như sự hấp phụ, sự kết dính, sự lọc, hoạt tính của động vật nguyên sinh v.v… có thể có

một vai trò nào đó (Kadlec và Knight, 1986).

4 Quá trình phóng thích oxygen từ rễ:

Các loài thực vật bậc cao thích ứng bản thân rất nhanh khi có sự thiếu hụt oxygen trong đới rễ cây Một số thì rất nhạy cảm và dẫn đến chết, số khác thì thích nghi với điều kiện thiếu oxygen với nhiều cơ chế khác nhau (Vartapetian và Jackson, 1997) Các cơ chế đó được biết đến ở các loài thực vật đầm lầy, vốn có khả năng cung cấp thêm oxygen cho rễ từ lá của chúng Sự bổ sung không khí từ

lá cho rễ chịu ảnh hưởng bởi một loại mô bào đặc biệt gọi là mô thông khí Loại

mô này chiếm đến 60% tổng thể tích mô bào của thực vật