Đất ngập nước nhân tạo constructed wetland là một trong những hệ thống xử lý đã được nghiên cứu và ứng dụng ở nhiều nơi trên thế giới, không chỉ trong phạm vi nước thải sinh hoạt mà còn
Trang 1ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KHOA SINH – MÔI TRƯỜNG
- -
VŨ THỊ KIM NGỌC
NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO CẢI THIỆN MÔI TRƯỜNG VÀ TẠO CẢNH QUAN KHU
VỰC CHÙA CẦU, TP HỘI AN
KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
Trang 2ĐẶT VẤN ĐỀ
Quá trình đô thị hóa và gia tăng dân số nhanh chóng ở nước ta đã góp phần thúc đẩy suy thoái và ô nhiễm môi trường tự nhiên Trong đó vấn đề ô nhiễm nguồn nước do nước thải sinh hoạt từ các khu dân cư và đô thị ngày càng nghiêm trọng Theo Hội Bảo vệ thiên nhiên và môi trường Việt Nam (VACNE), nước thải sinh hoạt chiếm khoảng 80% tổng số nước thải ở các thành phố, là một nguyên nhân chính gây nên tình trạng ô nhiễm nước và vấn đề này có xu hướng càng ngày càng xấu đi Ước tính, hiện chỉ có khoảng 6% lượng nước thải đô thị được xử lý Theo báo cáo của Tổ chức Y tế thế giới (WHO) công bố đầu năm 2010 cho thấy, mỗi năm Việt Nam có hơn 20.000 người tử vong do điều kiện nước sạch và vệ sinh nghèo nàn và thấp kém Theo thống kê của Bộ Y tế, hơn 80% các bệnh truyền nhiễm ở nước ta liên quan đến nguồn nước Người dân ở cả nông thôn và thành thị đang phải đối mặt với nguy cơ mắc bệnh do môi trường nước đang ngày một ô nhiễm trầm trọng
Trước thực trạng đó, việc kiểm soát ô nhiễm do nước thải sinh hoạt đô thị là một trong những vấn đề được quan tâm Nhiều dự án xây dựng mới, nâng cấp hệ thống thu gom và xử lý nước thải sinh hoạt đô thị đã và đang triển khai thực hiện Hầu hết, những hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt tập trung thường áp dụng các phương pháp xử lý truyền thống như vi sinh vật hiếu khí lơ lửng, vi sinh vật hiếu khí dính bám, kết hợp với các quá trình xử lý cơ học, hóa lý khác như tách rác, lắng cặn, khử trùng… Tuy nhiên, các công trình xử lý tập trung đòi hỏi chi phí đầu tư, vận hành v à b ả o t r ì lớn, đòi hỏi trình độ vận hành cao, đặc biệt là phải có hệ thống thu gom nước thải hoàn chỉnh và đồng bộ
Đất ngập nước nhân tạo (constructed wetland) là một trong những hệ thống
xử lý đã được nghiên cứu và ứng dụng ở nhiều nơi trên thế giới, không chỉ trong phạm vi nước thải sinh hoạt mà còn được áp dụng với nhiều loại nước thải khác như nước thải công nghiệp, nông nghiệp, nước mưa chảy tràn Đây là loại hình xử lý có những ưu điểm so với hệ thống xử lý nước thải tập trung theo phương pháp truyền thống như: thân thiện với môi trường, đạt hiệu suất cao, chi phí đầu tư và vận hành thấp, vận hành đơn giản và tính ổn định cao, đồng thời góp
Trang 3phần làm tăng giá trị đa dạng sinh học, cải tạo cảnh quan môi trường Sinh khối thực vật, bùn phân hủy, nước thải sau xử lý từ bãi lọc trồng cây còn thu được giá trị kinh tế
Chùa Cầu là biểu tượng của di sản văn hóa thế giới phố cổ Hội An, tuy nhiên khu vực này cũng là nơi tập trung nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý của dân cư và các hộ kinh doanh của các phường xung quanh Vấn đề ô nhiễm tại đây đã gây bức xúc trong người dân xung quanh nhiều năm qua, làm giảm hình ảnh đẹp của Hội
An trong mắt du khách
Từ những cơ sở khoa học và thực tiễn trên chúng tôi thực hiện đề tài:
“Nghiên cứu đề xuất mô hình đất ngập nước nhân tạo cải thiện môi trường và tạo cảnh quan khu vực Chùa Cầu, TP Hội An” với mục tiêu kiểm soát ô nhiễm khu
vực Chùa Cầu
Trang 4Hình 1.1 Sơ đồ các loại nước thải được hình thành từ hộ gia đình [4]
b Thành phần và tính chất nước thải
Thành phần chất bẩn trong nước thải sinh hoạt được trình bày ở hình 1.2
Hình 1.2 Tỷ lệ thành phần trong nước thải từ hộ gia đình [4]
Một số dạng nitơ hữu cơ như urê và protein sẽ bị thủy phân trong nước tạo thành amoni Sau đó chúng bị các vi khuẩn Nitrosomonas oxy hóa thành nitrit:
NH4+ + 1,5 O2 2H+ + NO2- + H2O
Trang 5Và tiếp tục bị vi khuẩn Nitrobacter oxy hóa thành nitrat:
NO2- + 0,5O2 NO3
-Photpho trong nước thải thường tồn tại dưới dạng phopho hoạt tính – orthophotphat (60%) và photpho hữu cơ (40%) Các nguyên tố dinh dưỡng (chủ yếu
là N và P) sẽ thúc đẩy quá trình tăng sinh khối của thực vật, đặc biệt là các loại tảo
và có thể dẫn đến hiện tượng phú dưỡng Trong nước thải sinh hoạt, mật độ Coliform phân từ 105 đến 108/100ml Ngoài coliform, người ta còn dùng một số loại virus, thực thế khuẩn, động vật nguyên sinh… để đánh giá chất lượng của nguồn nước và nước thải [4]
1.1.2 Ô nhiễm nước thải sinh hoạt ở các đô thị
Ngày nay, ô nhiễm do nước thải sinh hoạt ở các đô thị đã đến mức báo động Hiện tượng ô nhiễm các sông, hồ, kênh rạch trong các thành phố đang diễn ra nhanh chóng và ngày càng nghiêm trọng hơn Nguồn phát sinh nước thải sinh hoạt chủ yếu
từ các nguồn phân tán như: hộ gia đình, nhà hàng, khách sạn, các cơ sở kinh doanh dịch vụ… Bên cạnh đó, lượng nước mưa chảy tràn kéo theo các chất ô nhiễm cũng góp phần làm tăng tình trạng ô nhiễm các nguồn tiếp nhận [9]
Nguyên nhân chính là do tình trạng phát triển đô thị thiếu quy hoạch, cơ sở hạ tầng thoát nước chưa đồng bộ, chưa có hệ thống thoát nước thải và nước mưa riêng Nhiều hệ thống thoát nước đã cũ, lạc hậu và xuống cấp, không đáp ứng được tốc độ phát triển của đô thị Hơn nữa, hầu hết các thành phố và khu đô thị chưa có hệ thống
xử lý nước thải tập trung [9]
1.1.3 Xử lý nước thải sinh hoạt tại một số đô thị ở Việt Nam
Những năm gần đây, việc đầu tư vào hệ thống thoát nước đô thị được cải thiện đáng kể Một số dự án thoát nước và xử lý nước thải đã và đang được triển khai tại các thành phố như Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng, Vinh, Tuy nhiên nó cũng chỉ đáp ứng tỷ lệ nhỏ so với yêu cầu hiện nay và chủ yếu được thực hiện ở các thành phố lớn Đối với các đô thị nhỏ hơn, các thị xã, thị trấn… vấn đề này hầu như chưa được quan tâm
Trang 6a Trạm xử lý Trúc Bạch và nhà máy xử lý nước thải Đông Anh (Hà Nội)
Trạm xử lý nước thải Trúc Bạch công suất 2.300 m3/ngày đêm, diện tích trạm 0,4 ha Nhà máy xử lý nước thải Đông Anh có tổng diện tích khoảng 6,4 ha, công suất xử lý lưu lượng nước thải đạt 42.000 m3/ngày đêm
Hình 1.3 Quy trình công nghệ xử lý nước thải nhà máy xử lý nước thải
Đông Anh và trạm xử lý nước thải Trúc Bạch [9]
b Trạm xử lý Hà Khánh (Quảng Ninh)
Nhà máy xử lý bằng công nghệ SBR có công suất 7.000m3/ngày đêm, thu gom toàn bộ nước thải sinh hoạt từ 6 phường trung tâm của Thành phố Hạ Long
Trang 7Hình 1.4 Quy trình công nghệ xử lý nước thải tại trạm xử lý Hà Khánh,
tỉnh Quảng Ninh [9]
c Trạm xử lý Bình Hưng (TP.Hồ Chí Minh)
Trạm xử lý được đặt tại xã Bình Hưng, huyện Bình Chánh, thành phố Hồ Chí Minh Công suất trung bình giai đoạn 1 là 141.000 m3/ngày đêm, giai đoạn II nâng công suất lên 500.000 m3/ngày đêm
Trang 8Hình 1.5 Quy trình công nghệ xử lý nước thải tại trạm xử lý nước thải
Các quy trình công nghệ xử lý này được xem là quy trình công nghệ truyền thống trong xử lý nước thải sinh hoạt và đảm bảo được chất lượng nước thải sau xử
lý đạt quy chuẩn quy định
Trang 9Các trạm xử lý này đã giải quyết một phần tình trạng ô nhiễm nước thải sinh hoạt tại các đô thị lớn hiện nay Hầu hết các công trình có kinh phí đầu tư lớn, hệ thống thoát nước phải được xây dựng đồng bộ, chi phí vận hành tương đối lớn, đòi hỏi trình độ của cán bộ vận hành cao
Hiện nay nhiều nơi trên thế giới phát triển công nghệ sử dụng đất ngập nước vừa xử lý ô nhiễm vừa kết hợp tạo cảnh quan lại tiết kiệm chi phí xây dựng, vận hành và bảo trì hơn so với các phương pháp lý hóa thông thường
1.2 Tổng quan về đất ngập nước
1.2.1 Đất ngập nước tự nhiên
Có nhiều định nghĩa khác nhau về thuật ngữ đất ngập nước Theo công ước Ramsar: “Đất ngập nước là vùng đầm lầy than bùn, hoặc vùng ngập nước dù tự nhiên hay nhân tạo, ngập nước thường xuyên hay từng thời kì, là nước tĩnh hay nước chảy, nước lợ hay nước mặn, bao gồm những vùng biển mà độ sâu mực nước khi thủy triều thấp nhất không quá 6m”
Đất ngập nước đôi khi còn được mô tả như “những quả thận của sinh cảnh” do chính thực hiện các chu trình thủy văn và hóa học, là những nơi thu nhận ở hạ nguồn các chất thải có nguồn gốc tự nhiên và nhân sinh, ngăn ngừa ngập lụt, tái nạp tầng chứa nước ngầm [3]
1.2.2 Đất ngập nước nhân tạo
Đất ngập nước tự nhiên cũng có thể được sử dụng để làm sạch nước thải, nhưng chúng có một số hạn chế trong quá trình vận hành do khó kiểm soát chế độ thủy lực và có khả năng gây ảnh hưởng xấu bởi thành phần nước thải tới môi trường sống của động vật hoang dã và hệ sinh thái trong đó Do đó, đất ngập nước nhân tạo
ra đời để khắc phục những hạn chế của đất ngập nước tự nhiên [2]
Đất ngập nước nhân tạo thường được quy hoạch sẵn thành từng thửa và từng
ô Bên dưới của khu đất thường được lót bằng lớp vật liệu không thấm nước (tránh
sự rò rỉ của nước thải ảnh hưởng đến tầng nước ngầm), bên trên lớp đáy lót này sẽ được rãi đá dăm hay cát để hỗ trợ cho sự phát triển của các loại thực vật trong khu đất So với đất ngập nước tự nhiên, độ tin cậy trong hoạt động của đất ngập nước nhân tạo có thể quản lý được như mong muốn, có thể thích ứng với tải trọng hữu cơ
Trang 10cao hơn, với thời gian lưu nước ngắn hơn và cho phép đạt chất lượng dòng ra tốt hơn Một thuận lợi khác của đất ngập nước là nước đầu ra có thể được thu hồi, điều này có thể tạo ra một lượng nước cho mục đích tái sử dụng [1]
Đất ngập nước nhân tạo không hoàn toàn do con người tạo ra bằng những biện pháp kỹ thuật xây dựng, nó gồm hai quy trình diễn ra là tự nhiên và nhân tạo hợp thành một hệ thống mà ở đó nước, thực vật, vi sinh vật và các điều kiện vật lý như ánh sáng mặt trời, đất, không khí, tác động qua lại để cái thiện chất lượng nguồn nước Duy trì và xây dựng đất ngập nước nhân tạo có thể loại bỏ hiệu quả nhiều chất ô nhiễm kết hợp như BOD, COD, chất TSS, nitrat, photphat và thậm chí các kim loại nặng [2]
1.2.2.1 Phân loại các dạng đất ngập nước nhân tạo
Các hệ thống đất ngập nước nhân tạo được phân biệt về cấu trúc, chất nền, hay loại thực vật trong đó Theo mô hình dòng chảy có thể phân loại đất ngập nước nhân tạo thành hai loại: hệ thống chảy tràn bề mặt (FWS) và hệ thống chảy ngầm (SF) [1]
a Đất ngập nước nhân tạo dòng chảy tràn bề mặt (Free water surface –
FWS)
Những hệ thống này thường là đầm lầy, lưu vực chứa nước hoặc các kênh dẫn nước, với lớp lót bên dưới để ngăn sự rò rỉ nước, đất hoặc các lớp lọc thích hợp khác hỗ trợ cho thực vật nổi Lớp nước nông, tốc độ dòng chảy chậm, sự có mặt của thân cây quyết định dòng chảy và đặc biệt trong các mương dài và hẹp, bảo đảm điều kiện dòng chảy nhỏ [1]
Trang 11Hình 1.6 Đất ngập nước nhân tạo dòng chảy tràn bề mặt [21]
b Đất ngập nước nhân tạo dòng chảy ngầm (Subsurface flow - SF)
Hệ thống này còn có tên gọi khác là bãi lọc ngầm trồng cây Khác với các đất ngập nước nhân tạo dòng chảy tràn bề mặt, trong đất ngập nước dòng chảy ngầm, nước thải được đi qua lớp vật liệu lọc bên dưới, chủ yếu là đất, cát và sỏi Trong lớp vật liệu lọc này có trồng những thực vật bậc cao, với hệ thống rễ chùm phát triển mạnh Trong hệ thống dòng chảy ngầm lại chia thành 2 loại, bao gồm đất ngập nước dòng chảy thẳng đứng và hệ thống dòng chảy ngang
Hình 1.7 Đất ngập nước nhân tạo dòng chảy ngầm [21]
- Đất ngập nước nhân tạo dòng chảy ngầm theo phương ngang (Horizontal
subsurface flow – HSF): Trong hệ thống này, nước thải được đưa vào và chảy chậm
Trang 12qua tầng lọc xốp dưới bề mặt của nền trên một đường ngang cho tới khi nó tới được nơi dòng chảy ra Trong suốt thời gian này, nước thải sẽ tiếp xúc với một mạng lưới hoạt động của các đới hiếu khí, hiếm khí và kị khí Các đới hiếu khí xung quanh rễ
và bầu rễ, nơi lọc oxi vào trong bề mặt Khi nước thải chảy qua đới rễ, nó được làm
sạch bởi sự phân hủy sinh học của vi sinh vật và các quá trình hóa sinh
Tuy nhiên, những hệ thống HF xử lý bậc 2 không thực hiện được quá trình nitrat hóa hoàn toàn do giới hạn khả năng chuyển đổi oxy Những hệ thống HF xử
lý bậc ba đạt được sự nitrat hóa tốt Những nghiên cứu riêng biệt (Brix, 1990; Armstrong W và Armstrong J., 1990; Haberl và Perfler, 1990) chỉ ra rằng rễ của những loài thực vật khác nhau thải ra oxy vào vùng rễ nhưng không đủ so với nhu cầu cho phân hủy và quá trình nitrat hóa[18]
- Đất ngập nước nhân tạo dòng chảy ngầm theo phương thẳng đứng
(vertical subsurface flow – VSF):
Nước thải được đưa vào hệ thống qua ống dẫn trên bề mặt Nước sẽ chảy xuống dưới theo chiều thẳng đứng Ở gần dưới đáy có ống thu nước đã xử lý để đưa
ra ngoài [1]
Hệ thống này được phát triển đầu tiên bởi Seidel (1967) được vận hành ở châu
Âu xấp xỉ 20 năm tại Đức, Hà lan, Australia và United Kingdom Hệ thống của Seidel được xem là mô hình dòng chảy đứng tiêu biểu có độ sâu nông (~30cm) và
mô hình được vận hành thay thế song song liên tục trong những giai đoạn đầu và chế độ HF trong những giai đoạn 2 Cooper (1996) đã phát triển thông số thiết kế để đạt được sự nitrat hóa mong muốn trong VF dựa trên nhu cầu oxy, theo những nghiên cứu và lý thuyết của ông [14], [17], [23], [26], [41]
c Đất ngập nước nổi nhân tạo (Foating treatment wetlands - FTWs)
FTWs là biến thể của hệ thống đất ngập nước truyền thống, nó dựa trên khả năng xử lý của rễ cây và thực vật sống trôi nổi trên mặt nước FTWs nổi nhờ hệ thống bè Chính nhờ khả năng nổi nên hệ thống này không chịu ảnh hưởng của chế
độ nước triều lên xuống trong ngày và trong mùa mưa như hệ thống đất ngập nước
cổ điển Đồng thời nó phù hợp với những nơi có diện tích đất ít, chủ yếu là diện tích mặt nước [27]
Trang 13Trong 2 thập kỷ qua, vùng đất ngập nước nổi nhân tạo đã được nghiên cứu tại nhiều nơi trên thế giới và có nhiều ứng dụng, như cải thiện chất lượng nước, tạo ra môi trường sống cho các sinh vật và nâng cao tính thẩm mỹ Hệ thống đất ngập nước nổi nhân tạo sử dụng để xử lý [27]:
- Xử lý nước mưa, nước mưa chảy tràn;
- Nước thải;
- Nước thải chứa acid từ các mỏ khai thác;
- Nước thải từ các trang trại chăn nuôi;
- Nước thải từ các xưởng chế biến gia cầm;
- Các hồ chứa nước
1.2.2.2 Cơ chế loại bỏ chất ô nhiễm trong đất ngập nước nhân tạo
Một hệ thống đất ngập nước nhân tạo là một phức hợp của nước, chất nền và thực vật (cây có mạch và tảo), xác bã (chủ yếu từ xác bã thực vật chết), động vật không xương (hầu hết là ấu trùng và giun) và một số vi sinh vật (hầu hết là vi khuẩn) Các cơ chế tăng cường chất lượng nước có rất nhiều và có mối liên quan với nhau
a Loại bỏ các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học
Trong các loại đất ngập nước nhân tạo, phân hủy sinh học của vi khuẩn đóng vai trò quan trọng 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 được sẽ được loại bỏ qua quá trình lắng Cả hai loại đất ngập nước về
cơ bản đều hoạt động như những bể lọc sinh học Tuy nhiên đối với những hệ thống FWS, vai trò của vi sinh vật lơ lửng dọc theo cột nước cũng vô cùng quan trọng Cơ chế loại bỏ BOD trong các màng vi sinh vật cũng tương tự như trong bể lọc sinh học nhỏ giọt Phân hủy sinh học xảy ra khi các chất hữu cơ hòa tan được mang vào lớp màng vi sinh bám trên phần thân ngập nước của thực vật, hệ thống rễ và những vùng vật liệu xung quanh nhờ quá trình khuếch tán Vai trò của thực vật trong hệ thống là:
(1) Cung cấp môi trường thích hợp cho vi sinh vật thực hiện quá trình phân hủy sinh học (hiếu khí) cư trú;
Trang 14(2) Vận chuyển oxy vào vùng rễ để cung cấp cho quá trình phân hủy sinh học
hiếu khí trong lớp vật liệu và bộ rễ [34]
b Loại bỏ chất rắn lơ lửng
Các chất rắn lắng được loại bỏ dễ dàng nhờ cơ chế lắng trọng lực, vì hệ thống đất đất ngập nước nhân tạo có thời gian lưu nước dài Những chất rắn không lắng được hoặc chất keo có thể được loại bỏ thông qua các cơ chế lọc (nếu sử dụng cát lọc); lắng và phân hủy sinh học (do sự phát triển của vi khuẩn); hút bám, hấp phụ lên các chất rắn khác (thực vật, đất, cát, lớp sỏi nền, …) nhờ lực hút Van der Wals, chuyển động Brown Đối với sự hút bám lên lớp sỏi nền, một thành phần quan trọng của bãi lọc ngầm, Sapkota và Bavor (1994) cho rằng chất rắn lơ lửng được loại bỏ trước tiên nhờ quá trình lắng và phân hủy sinh học
Các cơ chế xử lý trong hệ thống này phụ thuộc rất nhiều vào kích thước và tính chất của các chất rắn có trong nước thải và các dạng vật liệu lọc được sử dụng Trong mọi trường hợp, thực vật trong bãi lọc không đóng vai trò đáng kể trong việc loại bỏ chất rắn [34]
c Loại bỏ nitơ
Trong hệ thống đất ngập nước, nitơ được loại bỏ nhờ 3 cơ chế sau [33]:
(1) Nitrat hóa/khử nitrat;
(2) Sự bay hơi của NH3;
(3) Sự hấp thụ nitơ của thực vật
Hiện nay, các nhà khoa học vẫn chưa đạt được sự thống nhất về tầm quan trọng của các cơ chế khử nitơ như trên, đặc biệt với hai cơ chế nitrat hóa/khử nitrat
và sự hấp thu của thực vật Đây là vấn đề còn tiếp tục nghiên cứu [1]
Trong các hệ thống đất ngập nước nhân tạo, sự chuyển hóa của nitơ xảy ra trong các tầng oxy hóa và khử của đất bề mặt tiếp xúc giữa rễ và đất, và phần ngập nước của thực vật có thân nhô lên mặt nước mô tả các quá trình xảy ra trong môi trường đất ngập nước Nitơ hữu cơ bị khoáng hóa thành NH4+ trong cả hai lớp đất oxy hóa và khử Lớp oxy hóa và phần ngập nước của thực vật là những nơi chủ yếu xảy ra quá trình nitrat hóa, tại đây NH4+ chuyển hóa thành NO2- bởi vi khuẩn Nitrosomonas và cuối cùng thành NO3- bởi vi khuẩn Nitrobacter Ở môi trường pH
Trang 15cao hơn, một số NH4+ chuyển sang dạng NH3 và bay hơi vào không khí Nitrat trong vùng khử sẽ bị hút đi nhờ quá trình khử nitrat, lọc hay do thực vật hấp thụ Tuy nhiên, nitrat lại được cấp vào từ vùng ôxy hóa nhờ hiện tượng khuếch tán [33]
Hình 1.8 Sự chuyển hóa nitơ trong hệ thống đất ngập nước (Lim, 1998)
Đối với lớp bề mặt chung giữa đất và rễ, oxy từ khí quyển khuếch tán vào vùng rễ qua lá, thân, gốc, rễ của các cây trồng trong bãi lọc và tạo nên một lớp giàu oxy tương tự như lớp bề mặt chung giữa đất và nước (hình 1.8) Quá trình nitrat hóa diễn ra ở vùng rễ hiếu khí, tại đây NH4+ bị oxy hóa thành NO3- Phần NO3- không bị cây trồng hấp thụ sẽ khuếch tán vào vùng thiếu khí, và bị khử thành N2 và N2O do quá trình khử nitrat Lượng amoni trong vùng rễ được bổ sung nhờ nguồn NH4+ từ vùng thiếu khí khuếch tán vào
Trang 16d Loại bỏ photpho
Cơ chế loại bỏ photpho trong hệ thống dòng chảy ngầm có sự hấp thụ của thực vật, các quá trình đồng hóa của vi khuẩn, sự hấp phụ lên đất, vật liệu lọc và các chất hữu cơ, kết tủa và lắng cùng các ion Ca2+, Mg2+, Fe3+ và Mn2+ Khi thời gian lưu nước dài và đất sử dụng có cấu trúc mịn thì các quá trình loại bỏ photpho chủ yếu là
sự hấp phụ và kết tủa, do điều kiện này tạo cơ hội tốt cho quá trình hấp phụ photpho
và các phản ứng trong đất xảy ra [25], [29], [34]
Tương tự như quá trình loại bỏ nitơ, vai trò của thực vật trong việc loại bỏ photpho vẫn còn là một vấn đề đang tranh cãi Dù sao, đây cũng là cơ chế duy nhất đưa hẳn photpho ra khỏi bãi lọc vì photpho không tồn tại ở dạng khí nên không có
cơ chế bốc hơi như của nitơ Các quá trình hấp phụ, kết tủa và lắng chỉ đưa được photpho vào đất hay lớp vật liệu lọc Khi lượng photpho trong lớp vật liệu vượt quá khả năng chứa thì phần vật liệu hay lớp trầm tích đó phải được nạo vét và xả bỏ [1]
e Loại bỏ các kim loại nặng
Khi các kim loại nặng hòa tan trong nước thải chảy vào bãi lọc trồng cây, các
- Hấp thu vào rễ, thân, lá của thực vật trong hệ thống
Các loại thực vật khác nhau có khả năng hấp thu kim loại nặng rất khác nhau Bên cạnh đó, thực vật đầm lầy cũng ảnh hưởng gián tiếp đến sự loại bỏ và tích trữ kim loại nặng khi chúng ảnh hưởng tới chế độ thủy lực, cơ chế hóa học lớp trầm tích và hoạt động của vi sinh vật Vật liệu lọc là nơi tích tụ chủ yếu kim loại nặng Khi khả năng chứa kim loại nặng của chúng đạt tới giới hạn thì cần nạo vét và xả bỏ
để kim loại nặng ra khỏi hệ thống [1], [34]
f Loại bỏ vi khuẩn, virus
Vi khuẩn và virus có trong nước thải được loại bỏ nhờ:
Trang 171.2.2.3 Vai trò của thực vật trong hệ thống đất ngập nước
Trong hệ thống đất ngập nước nhân tạo, thực vật thủy sinh cùng với hệ vi sinh vật vùng rễ đóng vai trò chính trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm Thực vật thường được sử dụng trong các hệ thống này là các thực vật thủy sinh có đặc điểm hình thái phù hợp với chế độ ngập nước cùng với khả năng tích lũy chất dinh dưỡng cao và
tăng sinh khối rất nhanh như Phragmites australis, Typha spp, Crypus,
Thực vật có cơ chế vận chuyển oxy từ thân, lá xuống rễ, oxy sẽ tạo cho môi trường vùng rễ hiếu khí, các phản ứng oxy hóa, các hoạt động biến dưỡng, hô hấp của vi khuẩn ở đây rất mạnh mẽ, và hệ thống cũng đưa CO2 từ vùng rễ trở lên thoát
ra ngoài và làm nguồn nguyên liệu cho quá trình quang hợp [1]
Bảng 1.1 Chức năng loại bỏ chất ô nhiễm của thực vật [1]
Rễ và/hoặc thân Là giá bám cho vi khuẩn phát triển
Lọc và hấp thu chất rắn Thân và/hoặc lá ở mặt nước hoặc
phía trên mặt nước
Hấp thu ánh mặt trời do đó ngăn cản sự phát triển của tảo
Làm giảm ảnh hưởng của gió lên bề mặt xử lý Làm giảm sự trao đổi giữa nước và khí quyển Chuyển oxy từ lá xuống rễ
1.2.2.4 Ưu điểm và nhược điểm của hệ thống đất ngập nước trong xử lý nước thải
a Ưu điểm của hệ thống đất ngập nước nhân tạo
Dễ xây dựng;
Trang 18 Chi phí xây dựng và vận hành thấp hơn những hệ thống xử lý thông thường;
Ít hoặc không tốn năng lượng Vì đã sử dụng nguồn năng lượng mặt trời vận hành hệ thống xử lý (Thực vật, tảo quang hợp; Tia UV diệt mầm bệnh…);
Xử lý hiệu quả, có thể sử dụng với nhiều lưu lượng và nồng độ ô nhiễm khác nhau;
Thiết kế linh động với nhiều kiểu địa hình;
Vật liệu sử dụng và sản phẩm tạo ra đều thân thiện với môi trường;
Đáp ứng về mặt thẩm mỹ;
Biện pháp này ít phát sinh chất thải thứ cấp hơn các phương pháp khác và không gây ra mùi hôi thối
b Nhược điểm của hệ thống đất ngập nước nhân tạo
Tích lũy nhiều chất ô nhiễm sẽ gây độc cho thực vật;
Khả năng hấp thụ sinh học và độc tính của các sản phẩm phân hủy chưa được xác định;
Chậm hơn các phương pháp truyền thống (thường mất 4-7 ngày lưu nước);
Đôi khi cần nhiều quỹ đất xây dựng hơn so với các biện pháp xử lý thông thường;
Chất ô nhiễm có thể đi vào chuỗi thức ăn thông qua động vật ăn cỏ
Tuy có những tồn tại nhưng nhìn chung đất ngập nước nhân tạo vẫn là một giải pháp xử lý nước thải có nhiều ưu điểm, ứng dụng dễ dàng trong điều kiện Việt Nam, đồng thời nếu kết hợp với loài thực vật thích hợp công nghệ này sẽ đạt hiệu
quả cao mà chi phí đầu tư lại thấp, vận hành đơn giản và mang tính ổn định cao
Trang 191.2.2.5 Một số ứng dụng của hệ thống đất ngập nước nhân tạo trong xử lý nước thải
a Một số nghiên cứu, ứng dụng đất ngập nước nhân tạo trên thế giới
Nghiên cứu xử lý nước thải bằng đất ngập nước trồng thực vật được thực hiện đầu tiên bởi Seidel (1955) tại Viện Max Planck ở Plon, Đức Trong năm 1952,
Seidel nghiên cứu sự loại bỏ phenols từ nước thải bởi thực vật Scirpus lacustris (cây
cói) và năm 1956 bắt đầu nghiên cứu xử lý nước thải với S.lacustris (Bastian và Hammer, 1993) Từ 1955 đến sau những năm 1970, Seidel có rất nhiều công trình nghiên cứu về xử lý nước và nước thải bằng thực vật đất ngập nước (Seidel, 1955,
1961, 1976) Sau đó, Kickuth-một sinh viên của Seidel, đã tiếp tục những công việc thí nghiệm và phổ biến khái niệm này ở châu Âu, kết quả là gần 200 hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp được áp dụng Suốt những năm 1970, ở Mỹ, ứng dụng đất ngập nước để xử lý nước thải phát triển với sự hỗ trợ nghiên cứu và phát triển bởi Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ (USEPA), US Army Corporations of Engineer và những cơ quan khác [31]
Năm 1991, lần đầu tiên đất ngập nước nhân tạo có dòng chảy bên dưới đã được xây dựng tại Na Uy để xử lý nước thải sinh hoạt
Ở Mỹ, Bộ nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA) từ năm 1991 đã có những chính sách chỉ đạo và đã có các tài liệu hướng dẫn xây dựng các mô hình xử lý nước thải bằng bãi lọc trồng cây, bao gồm nước thải sinh hoạt, nước thải nông nghiệp, nước thải chăn nuôi gia súc, …
Các nước Bắc Âu như Thụy Điển, mỗi hộ gia đình nông thôn đều xây dựng hệ thống đất ngập nước nhân tạo để xử lý nước thải sinh hoạt, nước thải chăn nuôi của từng hộ [9]
Trên hòn đảo du lịch Phi Phi (Thái Lan), nơi từng bị ảnh hưởng nặng nề của thảm họa sóng thần năm 2005, người ta vừa xây dựng một hệ thống xử lý nước thải phân tán cho các khách sạn, nhà hàng, công suất 400 m3/ngày, bao gồm các bể tự hoại và chuỗi các bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy thẳng đứng và dòng chảy nằm ngang, kết hợp với bãi lọc trồng cây ngập nước và hồ sinh học, bố trí ngay trong khuôn viên khu nghỉ dưỡng Nước thải sau xử lý được tái sử dụng cho tưới vườn
Trang 20Mô hình vừa mang tính thẩm mỹ cao, vừa xử lý ô nhiễm hứa hẹn sẽ được áp dụng rộng rãi cho các nước nhiệt đới khác [16]
b Một số nghiên cứu, ứng dụng đất ngập nước nhân tạo ở Việt Nam
Thử nghiệm của Lê Anh Tuấn (2005) tiến hành tại một ao nuôi cá tại huyện Ô Môn Nước thải từ ao nuôi cá basa được chặn lại một đoạn 5m để đổ cát và trồng sậy với mật độ 25 cây/m2 Đáy và thành đoạn xử lý được lót tấm nylon chống thấm
Độ dốc đáy là 5% Hầu hết các thông số chất ô nhiễm tại đầu ra đạt hiệu quả cao, thỏa chất lượng nước đạt loại A của TCVN 5945-1995 Chỉ riêng chỉ tiêu TSS và vi sinh đạt loại loại B, yếu tố này có thể bị ảnh hưởng một phần tác động của đoạn kênh đầu ra tiếp xúc với vi khuẩn và các chất lơ lửng khác [10]
Nghiên cứu của Nguyễn Việt Anh và cộng sự (2006) Xử lý nước thải sinh hoạt bằng bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy thẳng đứng trong điều kiện Việt Nam
Tác giả sử dụng chủ yếu là cỏ Nến (Typha orientalis) vật liệu lọc sỏi và gạch vỡ,
chế độ lọc ngầm, dòng chảy thẳng đứng và luôn ngập nước Kết quả cho thấy hiệu suất xử lý rất tốt, đạt cột A TCVN 5945:1995 đối với các chỉ tiêu COD, SS, TP [1] Công trình ứng dụng hệ thống đất ngập nước nhân tạo xử lý nước thải y tế của bệnh viện Đa Khoa Nhân Ái Công trình với tổng diện tích 2ha, trồng Sậy, bắt đầu xây dựng từ năm 2008
Nghiên cứu của Nguyễn Thị Loan (2006) sử dụng các hệ thống đất ngập nước nhân tạo để xử lý nước thải tại làng giấy Phong Khê, Bắc Ninh Hệ thống đất ngập
nước nhân tạo là một bể nhỏ sỏi, cát, trồng cây sậy (Phragmites) Thí nghiệm qua 3
giai đoạn với thời gian lưu nước khác nhau Kết quả cho thấy các thống số về chất lượng nước: DO, BOD5, COD, NH4+, NO2-, PO43- , SS đều đạt tiêu chuẩn TCVN 5945:1995 loại A, B [1]
Đinh Diệp Anh Tuấn (2006) nghiên cứu ứng dụng xử lý nước thải sinh hoạt bằng đất ngập nước nhân tạo tại địa bàn Cần Thơ Nước thải sinh hoạt được đi qua
hệ thống lọc lưới, bể lọc than đước và hệ thống đất ngập nước nhân tạo Nước thải đầu ra đạt tiêu chuẩn thải ra môi trường ở tất cả các chỉ tiêu SS, COD, BOD5, TKN,
TP Đặc biệt hiệu suất xử lý Coliform đạt 99,99% [1]