Xử lý sinh học nước thải nuôi trồng thủy sản bằng cây thủy trúc ( cyperus alternifolius ) và cây lục bình ( elchhornla crasstpes ) kèm với lớp lọc nham thạch trong mô hình đất ngập nước

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH KHOA KỸ THUẬT THỰC PHẨM VÀ MÔI TRƯỜNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Tên đề tài: Xử Lý Sinh Học Nước Thải Nuôi Trồng Thủy Sản Bằng cây Thủy Trúc Cyperus Alternifol

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH KHOA KỸ THUẬT THỰC PHẨM VÀ MÔI TRƯỜNG

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Tên đề tài:

Xử Lý Sinh Học Nước Thải Nuôi Trồng Thủy Sản

Bằng cây Thủy Trúc (Cyperus Alternifolius)Và cây Lục Bình (Eichhornia Crassipes) Kèm Với Lớp Lọc

Nham Thạch Trong Mô Hình Đất Ngập Nước

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Đức Trọng

Chuyên ngành : Quản lý tài nguyên và Môi Trường

Tp.HCM, tháng 10 năm 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNH KHOA KỸ THUẬT THỰC PHẨM VÀ MÔI TRƯỜNG



LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Tên đề tài:

Xử lý sinh học nước thải nuôi trồng thủy sản bằng cây Thủy trúc

“Cyperus Alternifolius” và cây Lục bình “Eichhornia Crassipes”

với với lớp lọc nham thạch trong mô hình đất ngập nước

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Đức Trọng

Chuyên ngành : Quản lý tài nguyên và Môi Trường

Giáo viên hướng dẫn : Ths Lương Quang Tưởng

Tp.HCM, tháng 10 năm 2019

TRƯỜNG ĐH NGUYỄN TẤT THÀNH

KHOA KỸ THUẬT THỰC PHẨM & MÔI TRƯỜNG

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Đức Trọng Mã số sinh viên: 1511543077

Chuyên ngành: Quản lý tài nguyên Môi Trường Lớp: 15DTNMT1C

1 Tên đề tài:

Xử lý sinh học nước thải nuôi trồng thủy sản bằng cây Thủy trúc (Cyperus

Alternifolius) và cây Lục bình (Eichhornia Crassipes)với với lớp lọc nham

thạchtrong mô hình đất ngập nước

2 Nhiệm vụ luận văn

Đánh giá tiềm Năng Xử Lý Sinh Học Cho Nước Thải Nuôi Trồng Thủy Sản Bằng Cây

Thủy trúc ”Cyperus Alternifolius” Và Cây Lục bình ”Eichhornia Crassipes” Trong Mô

Hình Đất Ngập Nước Tại Phòng Thí Nghiệm Nội dung là xem xét chất lượng mẫu nước thải nuôi tôm càng xanh sau 3 ngày, 7 ngày,10 ngày, 14 ngày và tính được khả năng loại

bỏ ô nhiễm hữu cơ trong nước so với số liệu ngày đầu và khả năng sinh trưởng và phát triển của nhóm thực vật trong nguồn nước thải nuôi tôm qua 14 ngày Dựa vào số liệu của nghiên cứu này sẽ là một cơ sở dữ liệu giúp chủ trang trại lựa chọn lọc sinh học như

là một giải pháp tiềm năng trong việc xử lý một phần nước thải trước khi thải vào môi trường cho các trang trại nuôi tôm hiện nay

3 Ngày giao nhiệm vụ luận văn: 02/02/2019

4 Ngày hoàn thành nhiệm vụ luận văn: 10/10/2019

5 Người hướng dẫn:

Họ và tên: Lương Quang Tưởng

Học hàm, học vị: Thạc sỹ Đơn vị: Đại học Nguyễn Tất Thành

Nội dung và yêu cầu của luận văn đã được thông qua bộ môn

(Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình hoàn thành khóa luận tốt nghiệp với tình cảm chân thành tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô trong trường Đại học Nguyễn Tất Thành nói chung và các thầy cô trong khoa Kỹ thuật thực phẩm và Môi trường nói riêng đã tận tình giảng dạy và truyền đạt cho tôi những kiến thức cũng như kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian tôi theo học tại trường

Đặc biệt tôi xin gửi lời đến thầy Lương Quang Tưởng đã giúp đỡ tận tình và hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu để tôi hoàn thành khóa luận Với khoảng thời gian nghiên cứu này tôi đã học được rất nhiều kiến thức bổ ích mà trước đó tôi chưa từng tham khảo qua và đây là những điều cần thiết bổ sung kiến thức cho một sinh viên sắp ra trường như tôi

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn tất cả những người thân, bạn bè và thầy cô đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian hoàn thành khóa luận này

Nguyễn Đức Trọng

Khoa kỹ thuật thực phẩm và Môi trường

Đại học Nguyễn Tất Thành

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan kết quả của đề tài “Xử Lý Sinh Học Nước Thải Nuôi Trồng Thủy

Sản Bằng Thủy Trúc (Cyperus Alternifolius) Và Lục Bình (Eichhornia Crassipes) Kèm Với Lớp Lọc Nham Thạch Trong Mô Hình Đất Ngập Nước” là công trình nghiên

cứu của cá nhân tôi đã thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS Lương Quang Tưởng

Các số liệu và kết quả được trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực, không sao chép của bất cứ ai, và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình khoa học của

nhóm nghiên cứu nào khác cho đến thời điểm hiện tại

Nếu không đúng như đã nêu trên, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về đề tài của mình và chấp nhận những hình thức xử lý theo đúng quy định

TÓM TẮT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

Suy giảm chất lượng nước do làm giàu chất dinh dưỡng từ nuôi tôm đã là một mối quan tâm trên toàn thế giới Công nghệ xử lý ô nhiễm bằng thực vật thủy sinh ở vùng đất ngập nước ngày càng được áp dụng để khắc phục các vùng nước phú dưỡng Mục

tiêu của nghiên cứu này là đánh giá hiệu quả và tiềm năng của cả Cyperus Alternifolius

và Eichhornia crassipes trong quy mô phòng thí nghiệm xây dựng vùng đất ngập nước

trong việc loại bỏ các chất dinh dưỡng bao gồm Nitơ (N) và Photpho (P), sử dụng công nghệ xử lý sinh học (phytoremendiation) ở 3 ngày, 7 ngày, 10 ngày và 14ngày Kết quả cho thấy tỷ lệ sống sót (SVR) của cả hai loài thực vật thủy sinh trong thí nghiệm là cao nhất (100%) trong 14 ngày thử nghiệm Thí nghiệm có thể được xem như là một giải pháp có hiệu quả trong việc giảm nồng độ Ammonium-Nitrogen (NH4-N) với 89,3%, Nitrate-Nitrogen (NO3-N) 94%, Phoshphate-Phospho (PO4-P) với 89,3%, khi so với nồng độ bắt đầu thí nghiệm

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

LỜI CẢM ƠN

TÓM TẮT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

MỤC LỤC

DANH MỤC BIỂU ĐỒ

DANH MỤC BẢNG

DANH MỤC HÌNH

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Chương 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 TÍNH CẤP THIẾT VÀ LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 3

1.2.1 Mục tiêu tổng quát 3

1.2.2 Mục tiêu cụ thể 3

Chương 2 TỔNG QUAN 4

2.1 Tổng quan về nguồn ô nhiễm nước 4

2.1.1 Ô nhiễm nước 4

2.1.2 Nguyên nhân ô nhiễn nước 4

2.1.3 Ảnh hưởng ô nhiễm nước 5

2.1.4 Sơ lược về tình trạng ô nhiễm nguồn nước trên Thế Giới 6

2.1.5 Sơ lược về tình trạng ô nhiễm nguồn nước tại Việt Nam 6

2.2 Tổng quan về nguồn nước thải nuôi tôm 7

2.3 Tổng quan về mô hình đất ngập nước 8

2.3.1 Mô tả mô hình dất ngập nước 8

2.3.2 Nguyên lý cơ bản trong mô hình bãi lọc trồng cây 13

2.3.3 Cơ chế xử lý nước thải bằng đất ngập nước 14

2.4 Một số nghiên cứu về mô hình đất ngập nước trên thế giới 18

2.5 Một số nghiên cứu về mô hình đất ngập nước ở Việt Nam 19

2.6 Tổng quan về thực vật thủy sinh 20

2.6.1 Cây Lục bình 21

2.6.2 Cây Thủy trúc 23

2.7 Tổng quan về lớp lọc nham thạch 24

Chương 3 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25

3.1 NGUYÊN LIỆU - DỤNG CỤ - THIẾT BỊ - HÓA CHẤT 25

3.2 THỜI GIAN VÀ ĐỊA ĐIỂM NGHIÊN CỨU 26

3.2.1 Thời gian nghiên cứu 26

3.2.2 Địa điểm nghiên cứu 26

3.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27

3.3.1 Quy trình công nghệ 27

3.3.2 Sơ đồ nghiên cứu 27

3.3.3 Bố trí thí nghiệm 28

3.4 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 31

3.5 PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ SỐ LIỆU 32

Chương 4 KẾT QUẢ 33

4.1 Kết Quả Các Chỉ Tiêu Hóa Lý Qua 14 Ngày Thí Nghiệm 33

4.2 Kết Quả Các Chỉ Tiêu Dinh Dưỡng Qua 14 Ngày Thí Nghiệm 36

4.3 Kết Quả Chỉ Tiêu Kim Loại Nặng Qua 14 Ngày Thí Nghiệm 39

4.4 Kết Quả Sự Tăng Trưởng Và Phát Triển Của Thực Vật 41

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 43

5.1 KẾT LUẬN 43

5.2 KHUYẾN NGHỊ 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

DANH MỤC BIỂU ĐỒ

Biểu đồ 4.1 Biểu đồ diễn biến Nhiệt độ nước theo các ngày thí nghiệm 34

Biểu đồ 4.2 Biểu đồ diễn biến độ PH theo các ngày thí nghiệm 34

Biểu đồ 4.3 Biểu đồ diễn biến EC(µS/cm) theo các ngày thí nghiệm 35

Biểu đồ 4.4 Biểu đồ diễn biến DO (mg/L) theo các ngày thí nghiệm 35

Biểu đồ 4.5 Biểu đồ diễn biến nồng độ TDS( mg/L) theo ngày 36

Biểu đồ 4.6 Biểu đồ thể hiện NH4-N qua 14 ngày thí nghiệm 38

Biểu đồ 4.7 Biểu đồ thể hiện NH3-N qua 14 ngày thí nghiệm 38

Biểu đồ 4.8 Biểu đồ thể hiện PO4-P qua 14 ngày thí nghiệm 39

Biểu đồ 4.9 Biểu đồ thể hiện Fe qua 14 ngày thí nghiệm 39

Biểu đồ 4.10 Biểu đồ thể hiện Cu qua 14 ngày thí nghiệm 40

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Trọng lượng Thủy trúc Error! Bookmark not defined Bảng 2 Trọng lượng Lục bình Error! Bookmark not defined

DANH MỤC HÌNH

Hình 3.1 (a) Thu mẫu nước thải (b) Cây lục bình (c) Cây thủy trúc 25 Hình 3.2 Hình ảnh bố trí thí nghiệm 28 Hình 3.3 Mô hình hoàn chỉnh 30

Fe: sắt

Chương 1 MỞ ĐẦU

1.1 TÍNH CẤP THIẾT VÀ LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Nói đến tôm Càng xanh hay ngành nuôi trồng thủy hải sản nói chung mọi người đều nghĩ về mặt kinh tế mà ngành này mang lại Nhưng ít ai nghĩ đến vấn đề môi trường từ việc nuôi tôm có thể xảy ra và ảnh hưởng đến môi trường xung quanh Bên cạnh lợi ích

về kinh tế thì hoạt động nuôi tôm có tác động mạnh mẽ góp phần làm môi trường bị ô nhiễm từ nước thải nuôi trồng Trong những năm qua ngành nuôi trồng tôm càng xanh đang có bước phát triển tác động tích cực đến với các hộ dân sống bằng nghề nuôi trồng thủy hải sản

Công nghệ nuôi tôm ở các nước phát triển mạnh nhưng phải đối phó với vấn đề dịch bệnh và sự suy thoái môi trường từ hoạt động nuôi tôm Không chỉ ở Việt Nam mà ngay cả các nước như Thái lan, Indonesia và một số các nước trong khu vực Đông Á, hoạt động nuôi tôm đã tạo ra một bước chuyển và mang lại hiệu quả kinh tế thiết thực cho nông dân Tuy nhiên có những vấn đề phát sinh làm cản trở sự phát triển của hoạt động nuôi tôm như bệnh do virus, sự xuống cấp của môi trường, chặt phá rừng ngập mặn làm thiệt hại và ảnh hưởng đến các trại nuôi tôm có chất lượng Do người dân tại các trang trại, hộ nuôi tôm không ý thức được việc nước thải nuôi trồng ảnh hưởng đến môi trường như thế nào, bùn thải trong quá trình nuôi trồng thủy sản (nuôi tôm công nghiệp, nuôi tôm thâm canh) chứa các nguồn thức ăn dư thừa thối rữa bị phân hủy, các hóa chất và thuốc kháng sinh, các loại khoáng chất Diatomit, Dolomit, lưu huỳnh lắng đọng, các chất độc hại có trong đất phèn Fe2+, Fe3+, Al3+, SO42- Lớp bùn này trong tình trạng ngập nước yếm khí tạo thành các sản phẩm phân hủy độc hại như H2S, NH3, CH4

thải ra trong quá trình vệ sinh và nạo vét ao nuôi tác động xấu đến môi trường xung quanh, ảnh hưởng đến chất lượng thủy sản nuôi trồng Thành phần bùn thải nuôi tôm công nghiệp có chứa khoảng 29,5%, Si 27.842mg/kg, Ca 13.256 mg/kg, K 5.642 mg/kg,

Fe 11.210 mg/kg, H2S 8,3mg/kg, N-NH3 36,1mg/kg, N-NO3 0,3mg/kg, N-NO2

0,1mg/kg, PO4 1,8mg/kg là nguồn gây ô nhiễm môi trường khá nghiêm trọng cần phải được xử lý triệt để nhằm phát triển bền vững nghề nuôi trồng thủy sản

Để quá trình xử lý nước thải bị ô nhiễm nặng chất hữu cơ đạt hiệu quả cao thì cần phải có một quá trình xử lý hiện đại để có thể cải thiện lại nguồn nước đang bị ô nhiễm, nhưng vấn đề còn rất khó khăn trong quá trình này là đòi hỏi phải có chi phí rất cao mới

có thể áp dụng Chính vì chưa có được chi phí cao để có một công nghệ xử lý hiện đại,

do đó một trong cách xử lý khác có thể xử lý được nước ô nhiễm hữu cơ đó là áp dụng

hệ thống xử lý nước thải bằng các loài thực vật thủy sinh nổi trên mặt nước đã và đang được áp dụng nhiều nơi trên thế giới với ưu tiên là rẻ, dễ vận hành đồng thời mức độ xử

lý ô nhiễm cao mà không cần có sự can thiệp của con người vào quá trình tự xử lý tự nhiên của thực vật và vẫn có thể tiết kiệm được chi phí trong xử lý nước thải Bên cạnh

đó, thực vật thủy sinh cũng có thể được áp dụng xử lý nước thải công nghiệp, chăn nuôi chứa hàm lượng ô nhiễm cao mà hiệu quả xử lý không mang lại ảnh hưởng tiêu cực đến những biến đổi bất lợi cho môi trường

Đứng trước mối đe dọa do ô nhiễm nguồn nước đem đến là một điều khá khủng khiếp với tất cả mọi người vì nó đang ngày càng làm ảnh hưởng đến cuộc sống, sức khỏe của chính bản thân chúng ta Do đó, việc áp dụng thực vật thủy sinh để xử lý ô nhiễm là một quy trình tuyệt vời và đây cũng là nguồn lợi đầu tiên cho chúng ta vì hầu hết các nhóm thực vật có khả năng xử lý rất là dễ tìm mà không cần phải tốn nhiều chi phí để nuôi Mặc khác, Việt Nam là nước nhiệt đới, khí hậu nóng ẩm, thích hợp cho thực vật thủy sinh phát triển

Bên cạnh đó, nước thải nuôi trồng thủy sản cũng chứa các thành phần độc hại có thể gây ô nhiễm môi trường cần được xử lý Nước thải nuôi tôm công nghiệp có hàm lượng các chất hữu cơ cao cao (BOD5 12 - 35mg/l, COD 20 - 50mg/l), các chất dinh dưỡng (photpho, nitơ), chất rắn lơ lửng (12 - 70mg/l), ammoniac (0,5 - 1mg/l), coliforms (2,5.102 -3.104 MNP/100ml Nguồn nước thải nuôi trồng thủy sản trong một vụ nuôi (nuôi tôm thường 2 vụ/năm, nuôi cá 1 vụ/năm) có thể đạt đến 15.000 - 25.000 m3/ha tùy thuộc vào quy trình nuôi các loại thủy sản có chứa nhiều thành phần độc hại và các nguồn dịch bệnh phải được xử lý triệt để trước khi thải ra nguồn tiếp nhận Đây là nguồn gây ô nhiễm môi trường rất nghiêm trọng cần phải được xử lý đáp ứng quy chuẩn môi trường quy định Đã có rất nhiều các biện pháp xử lý nhưng khả năng tồn đọng hóa chất

xử lý và kinh phí lớn khiến việc xử lý ô nhiễm do nước thải nuôi tôm và ngành nuôi trồng thủy- hải sản nói chung chưa được nhiều hộ gia đình cũng như trang trại nuôi áp

dụng và chú trọng Chính những vấn đề về ô nhiễm môi trường trên nên đề tài “ Xử lý

sinh học nước thải nuôi trồng thủy sản bằng cây Lục bình và cây Thủy trúc với bộ lọc nham thạch trong mô hình đất ngập nước” là hết sức cần thiết

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

 Ô nhiễm môi trường nước chính là nguồn nước bị các chất độc hại xâm chiếm qua các hoạt động xản xuất hay sinh hoạt của con người Cũng như ô nhiễm không khí thì ô nhiễm môi trường nước để lại nhiều hậu quả to lớn như ảnh hưởng đến sức khỏe của con người, làm cá chết và nhiễm độc hàng loạt.

2.1.2 Nguyên nhân ô nhiễn nước

Có 3 nguyên nhân dẫn đến ô nhiễm môi trường nước hiện nay

 Nguyên nhân do con người:

+ Những chất thải sinh hoạt (phân, rác, nước bẩn,) của con người và gia súc gia cầm không được xử lý đúng theo quy định, các chất thải ở khu xí nghiệp và khu chế xuất, khai thác các khoáng sản, dầu mỏ, dầu khí làm cho cho nguồn nước bị ô nhiễm nghiêm trọng Điều này gây ảnh hưởng trực tiếp đến nhiều vấn đề sức khỏe và cuộc sống con người + Hệ thống nhà máy, xí nghiệp ngày càng phát triển Cùng với đó thì lượng nước thải tăng lên làm cho nước bẩn chảy vào mạch nước ngầm, hoà lẫn gây ô nhiễm môi trường nước Đặc biệt là khi các nhà máy xi nghiệp này còn xả ra lượng lớn khí thải gây ô nhiễm không khí, khi mưa xuống thì các chất ô nhiễm này sẽ lẫn vào trong nước mưa cũng gây nên việc ô nhiễm nguồn nước Điển hình có thể kể đến trường hợp fomosa hà tĩnh và vedan trong những năm gần đây

+ Ngoài ra, sự bùng nổ dân số và việc khoan giếng bừa bải hay việc sử dụng nước sạch không hợp lý, không giữ vệ sinh môi trường sẽ phá vỡ cấu trúc tự nhiên vốn có

 Nguyên nhân do tự nhiên:

+Bên cạnh tác động trực tiếp từ con người thì cũng có một số nguyên nhân tự nhiên gây ảnh hưởng đến môi trường nước Cụ thể là:

+Hoạt động khai thác rừng trái phép dẫn đến sự bào mòn hay sự sụt lở núi đồi, đất ven bờ sông làm dòng nuớc cuốn theo các chất cơ học như bùn, đất, cát, chất mùn +Sự phun trào của núi lửa làm bụi khói bốc lên cao theo nước mưa rơi xuống đất Bên cạnh đó, mực nước biển ngày càng dâng cao do lấn vào sâu gây ô nhiễm các dòng sông

+Sự hòa tan nhiều chất muối khoáng có nồng độ quá cao, trong đó có chất gây ung thư như Arsen, Fluor và các chất kim loại nặng

 Ô nhiễm do nguyên nhân khác

+Do hoạt động giao thông vận tải trên biển: rò rỉ dầu, các sự cố tràn dầu trên biển Các tai nạn đắm tàu thuyền đưa vào biển nhiều hàng hóa phương tiện và hóa chất độc hại +Do rác động của chiến tranh: 1 lượng lớn các chất phóng xạ bị đổ ra biển

+Do hoạt động đánh bắt, nuôi trồng thủy hải sản ven bờ

2.1.3 Ảnh hưởng ô nhiễm nước

- Ở các khu vực nước đứng Sự việc được gọi là phú dưỡng hóa do sự gia tăng độ phì nhiêu của nước bởi các nhân tố dinh dưỡng nhất là nitrat làm sinh sôi nảy nở các phiêu sinh thực vật và các vsv thủy sinh Độc tố của ô nhiễm hóa học Sử dụng nông dược để trừ sâu hại làm ô nhiễm những vùng rộng lớn Các chất này thường tồn tại lâu dài trong môi trường, gây hại cho nhiều sinh vật có ích, đến sức khỏe con người Nhiều chất thải hữu cơ như phenol thải vào nước làm chết vi khuẩn, cá và các động vật khác, làm giảm oxy, khiến vsv yếm khí phát triển tạo ra sản phẩm có mừi và độc hại như CH4,

NH3, H2S, Hydrocacbon Gây tổn thất cao cho các quần xã sinh vật Thủy ngân là chất

ít có trong tự nhiên nhưng ô nhiễm thủy ngân rất đáng sợ Thủy ngân ít bị phân hủy sinh học nên có khuynh hướng tích tụ trong sinh vật thông qua chuỗi và lưới thức ăn Rong biển có thể tích tụ thủy ngân hơn 100 lần trong nước

- Ảnh hưởng chung của tình trạng ô nhiễm nước đó chính là tỉ lệ người mắc bệnh cấp

và mãn tính như viêm kết, tiêu chảy, ung thư ngày càng gia tăng tốc độ cao không thể đối chứng

- Đồng thời, do tiếp xúc trực tiếp trong sinh hoạt hằng ngày của những người đó đối với nguồn nước bị ô nhiễm, người dân sinh sống quanh khu vực ô nhiễm nguồn nước ngày càng mắc nhiều loại bệnh về da

Đặc biệt hơn, ô nhiễm nguồn nước gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người [1], đe dọa trực tiếp đến sự phát triển của một khu vực, một quốc gia Đối với những nguồn nước

bị nhiễm chì, nếu tiếp xúc lâu dài sẽ gây nên những tác động tiêu cực nghiêm trọng đến nội tạng

Sự gia tăng của tỉ lệ ung thư trong thời gian vừa qua có một sự tác động rất lớn đến từ

sự ô nhiễm môi trường đang ngày càng trầm trọng tại nước ta hiện nay, mà một trong những vấn đề đó chính là sự ô nhiễm nguồn nước chính là một trong những tác nhân chính gây nên sự gia tăng của bệnh ung thư

2.1.4 Sơ lược về tình trạng ô nhiễm nguồn nước trên Thế Giới

- Hiện nay tình trạng ô nhiễm nước lục địa và đại dương đang gia tăng với nhịp độ đáng lo ngại Tốc độ ô nhiễm nước phản ánh một cách chân thực tôc độ phát triển kinh

tế của các quốc gia Xã hội càng phát triển thì xuất hiện càng nhiều nguy cơ Ta có thế

kể ra 1 vài ví dụ, ở Mỹ tình trạng thảm thương do ô nhiễm nước cũng xảy ra ở bờ phía đông, cũng như nhiều vùng khác Vùng đại hồ bị ô nhiễm nặng, trong đó hồ Erie, Ontario

ô nhiễm đặc biệt nghiêm trọng Như ở Anh, đầu thế kỉ 19, sông Tamise rất sạch Đến giữa thế kỉ 20 nó trở thành ống cống lộ thiên Các sông khác cũng có tình trạng tương

tự trước khi người ta đưa ra các biện pháp bao vệ nghiêm ngặt

2.1.5 Sơ lược về tình trạng ô nhiễm nguồn nước tại Việt Nam

- Nước ta hiện có nền công nghiệp thực sự chưa phát triển, chịu ảnh hưởng của xu hướng đô thị hóa mạnh mẽ, các khu công nghiệp và các đô thị đã xảy ra tình trạng ô nhiễm ở rất nhiều nơi, trên biển, sông suối, trong cả tầng nước ngầm với các mức độ nghiêm trọng khác nhau

- Đầu tiên là ô nhiễm biển Do có đường bờ biển rất dài nên khi ô nhiễm biển xảy

ra sẽ cực kì phức tạp Do sự phát triển kinh tế, hầu hết vùng thềm lục địa đã bị ô nhiễm

và dần dần lan ra ngoài khơi Điển hình như ở Hải phòng, hằng năm có tới hơn 1500 lượt tàu vận tải biển cập cảng Hải Phòng Lượng dầu cặn qua sử dụng trong quá trình vận tải từ 5-10 m3 Như vậy hàng nghìn m3 dầu cặn qua sử dụng cùng rác thải sinh hoạt của người dân vạn chài và khách du lịch đã tự nhiên theo nhiều cách xả xuống biển

- Tình hình ô nhiễm nước ngọt lại càng trầm trọng hơn Công nghiệp là nguyên nhân chính gây nên ô nhiễm, trong đố mỗi ngành có một loại chất thải khác nhau

Ví dụ KCN Việt Trì mỗi ngày xả hàng trăm nghìn m3 nước thải của nhà máy hóa chất, thuốc trừ sâu, dệt, khoảng 168m3/ ngày đêm xuống hạ lưu cùng 1 lượng nước thải công nghiệp và sinh hoạt từ thượng nguồn Trung Quốc đã làm chất lượng nước sông Hồng ngày càng xấu đi theo cả không gian và thời gian Ở Hà Nội các sông như sông Tô Lịch, sông Sét, sông Lừ có màu đen và hôi thối, đặc biệt là khu công nghiệp Biên Hòa, Đồng Nai và thành phố HCM tạo ra nguồn nước thải công nghiệp và sinh hoạt rất lớn làm nhiễm bản các sông ngòi và vùng phụ cận

- Nước dùng trong sinh hoạt của dân cư càng ngày cang tăng nhanh do dân số và đô thị Nước thải từ sinh hoạt với nước thải từ các khu tiểu thủ công nghiệp trong khu dân

cư là đặc trưng ô nhiễm của các khu đô thị ở nước ta

Nước ngầm cũng bị ô nhiễm nghiêm trọng cùng với sự ô nhiễm nước sông hồ Việc khai thác tràn lan nước ngầm làm cho hiện tượng nhiễm mặn xảy ra ở những vùng ven biển Thái Bình, sông Cửu Long

2.2 Tổng quan về nguồn nước thải nuôi tôm

- Trong quá trình nuôi tôm, các hộ nuôi tôm sử dụng các loại thức ăn công nghiệp

có chứa hàm lượng protein cao để giúp tôm sinh trưởng Điều này là bởi vì quá trình sinh sống và phát triển của tôm phụ thuộc toàn bộ vào protein, không chỉ vì để cho sự phát triển của nó mà còn bởi vì việc chuyển hóa protein để tạo năng lượng cho quá trình sống Từ cơ chế chuyển hóa như vậy, tôm sẽ thải ra rất nhiều amonia vào trong nước Ngoài ra, thức ăn dư thừa, phân tôm, xác tảo sẽ làm tích tụ các hợp chất hữu cơ lơ lửng

và hòa tan (chủ yếu dưới dạng amonia (NH4+/NH3) hoặc nitrite (NO2-), gây ô nhiễm trực tiếp nước ao và ảnh hưởng đến sức khỏe đàn tôm

- Mặc dù hiện nay đa số hộ dân cho tôm ăn bằng máy cho ăn tự động và tính toán

kỹ tỷ lệ sống của tôm để cung cấp lượng thức ăn phù hợp cho đàn tôm, tuy nhiên vì nhiều yếu tố một lượng khá lớn thức ăn sẽ hòa tan vào trong nước nếu thức ăn không được tiêu thụ trong thời gian ngắn Với sự hiện diện của lượng chất hữu cơ hòa tan này

sẽ trở thành "phân bón" cho tảo, đẩy mạnh sự phát triển của tảo và cuối cùng tảo sẽ bị tàn và phân hủy thành amonia

- Không giống như CO2 có thể bay hơi dễ dàng vào không khí, amonia không thể bay hơi tại điều kiện môi trường ao nuôi và sự giảm thiểu hàm lượng amonia trong ao nuôi thì bị hạn chế bởi nhiều yếu tố như: Khả năng hấp thu hạn chế của tảo, sự bất hoạt quá trình nitrat hóa bởi nồng độ oxy thấp dưới đáy ao hay bởi pH, nhiệt độ không phù hợp Chính vì vậy, hoạt động thay nước và xi phông hàng ngày là phương pháp chủ yếu được sử dụng để giảm lượng amonia, nitrite tích tụ trong ao và làm phát sinh lượng lớn nước thải có hàm lượng chất hữu cơ cao, nếu không có một phương pháp xử lý thích hợp được tích hợp vào hệ thống ao nuôi để xử lý lượng nước thải từ quá trình thay nước

và xi phông thì sẽ ảnh hưởng hết sức nghiêm trọng đến môi trường và hệ sinh thái thủy vực

2.3 Tổng quan về mô hình đất ngập nước

2.3.1 Mô tả mô hình dất ngập nước

- Bãi lọc trồng cây chính là mô hình đất ngập nước nhân tạo và nó được định nghĩa như sau: “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”

- Đất ngập nước nhân tạo hay đất ngập nước kiến tạo hay bãi lọc trồng cây là công trình mang đầy đủ các đặc điểm chức năng, vai trò và ý nghĩa của đất ngập nước tự nhiên thông thường Việc thiết kế và xây dựng một mô hình đất ngập nước nhân tạo nhằm phục vụ công tác quản lý và sử dụng hiệu quả hơn Trong xử lý môi trường, việc

sử dụng mô hình đất ngập nước nhân tạo là chủ yếu và đem lại hiệu quả cao hơn, cả về mặt môi trường và kinh tế

- Đất ngập nước nhân tạo hay bãi lọc trồng cây chính là công nghệ xử lý sinh thái mới, được xây dựng nhằm khắc phục những nhược điểm của bãi đất ngập nước tự nhiên

mà vẫn có được những ưu điểm của đất ngập nước tự nhiên Các nghiên cứu cho thấy, bãi lọc nhân tạo trồng cây hoạt động tốt hơn so với đất ngập nước tự nhiên cùng diện tích, nhờ đáy của bãi lọc nhân tạo có độ dốc hợp lý và chế độ thủy lực được đối chứng

Độ tin cậy trong hoạt động của bãi lọc nhân tạo cũng được nâng cao do thực vật và các thành phần khác trong bãi lọc nhân tạo có thể quản lý được như mong muốn

- Bãi lọc trồng cây gần đây đã được biết đến trên thế giới như một giải pháp công nghệ mới, xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên với hiệu suất cao, chi phí thấp và ổn định, ngày càng được áp dụng rộng rãi Ở Việt Nam, công nghệ trên thực chất còn rất mới

- Bãi lọc trồng cây dùng để xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên Với các thông

số làm việc khác nhau, bãi lọc trồng cây được sử dụng rộng rãi trong xử lý nhiều loại nước thải Khác với bãi đất ngập nước tự nhiên, thường là nơi tiếp nhận nước thải sau khi xử lý, với chất lượng đã đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn và chúng chỉ làm nhiệm vụ xử

lý bậc cao hơn, bãi lọc trồng cây là một thành phần trong hệ thống các công trình xử lý nước thải sau bể tự hoại hay sau xử lý bậc hai

 Phân loại bãi lọc trồng cây

- Bãi lọc trồng cây có thể được phân loại theo hình thức nuôi trồng điển hình của các loại thực vật như: hệ thống thực vật nổi, hệ thống rễ chùm nổi và hệ thống thực vật chìm Hầu hết các hệ thống đều sử dụng các loại cây rễ chùm, tuy nhiên có thể phân loại theo dạng vật liệu sử dụng và chế độ dòng chảy trong hệ thống

- Có 2 kiểu phân loại đất ngập nước kiến tạo cơ bản theo hình thức chảy: Loại dòng chảy tự do trên mặt đất (Free surface flow) và loại chạy ngầm trong đất (Subsurface slow)

 Bãi lọc trồng cây có dòng chảy bề mặt (Surface flow wetland - SFW)

- Hệ thống này mô phỏng một đầm lầy hay đất ngập nước trong điều kiện tự nhiên Dưới đáy bãi lọc là một lớp đất sét tự nhiên hay nhân tạo, hoặc rải một lớp vải nhựa chống thấm Trên lớp chống thấm là đất hoặc vật liệu phù hợp cho sự phát triển của thực

vật có thân nhô lên khỏi mặt nước Dòng nước thải chảy ngang trên bề mặt lớp vật liệu lọc Hình dạng bãi lọc này thường là kênh dài hẹp, vận tốc dòng chảy chậm, thân cây trồng nhô lên trong bãi lọc là những điều kiện cần thiết để tạo nên chế độ thuỷ kiểu dòng chảy đẩy (plug-flow)

+ Hệ thống dòng chảy bề mặt là hệ thống được thiết kế có lớp nước bề mặt tiếp xúc với không khí Trong hệ thống dòng chảy ngầm, mực nước được cố định thấp hơn so với bề mặt vật liệu Đối với hệ thống dòng chảy ngầm ngang, lớp vật liệu luôn được giữ trong trạng thái bão hoà nước; đối với hệ thống dòng chảy đứng, lớp vật liệu không ở trạng thái bão hoà vì nước được cấp không liên tục mà theo các khoảng thời gian nhất định và được thấm qua lớp vật liệu (tương tự như trong hệ thống lọc cát gián đoạn) + Tất cả các dạng bãi lọc ngập nước đều được cấy trồng ít nhất là một loại thực vật

có rễ trong một loại vật liệu nào đó (thường là đất, sỏi hoặc cát) Các chất ô nhiễm được khử nhờ sự phối hợp của các quá trình hóa học, lý học, sinh học, lắng, kết tủa và hấp thụ vào đất, quá trình đồng hóa bởi thực vật và các sự chuyển hóa bởi các vi khuẩn Bãi lọc ngầm trồng cây có dòng chảy bề mặt thường có diện tích từ vài trăm đến vài chục mét nghìn vuông Thông thường, tải lượng thủy lực trong các bãi lọc tự nhiên thường nhỏ hơn so với các bãi lọc nhân tạo do không được thiết kế cho mục đích xử lý nước thải Các hệ thống được thiết kế cho mục đích xử lý nước thải có nồng độ nitơ và phôtpho thấp (hoặc lưu giữ hoàn toàn) thường có tải lượng bề mặt rất thấp, ngược lại đối với các

hệ thống được thiết kế để xử lý các chất hữu cơ (BOD) và chất lơ lửng thường có tải lượng bề mặt cao hơn Chiều sâu mực nước trong hệ thống khoảng 5 đến 90 cm, thông thường là 30 đến 40 cm Hệ thống dòng chảy bề mặt thường được sử dụng để xử lý bổ sung và được bố trí sau các loại hồ sinh học tuỳ tiện hoặc hồ hiếu khí trong dây chuyền

xử lý nước thải

 Bãi lọc trồng cây có dòng chảy ngầm (Subsurface flow wetland)

- Bãi lọc trồng cây có dòng chảy ngầm còn được gọi là bãi lọc ngầm trồng cây Ở châu Âu, các hệ thống bãi lọc dòng chảy ngầm qua đất và sỏi đã được ứng dụng và xây dựng rất phổ biến Sậy (Phragmites australis) là loại thực vật được cấy trồng phổ biến nhất trong hầu hết các hệ thống, một số hệ thống có trồng thêm các loại thực vật khác Đất hoặc sỏi thường được dùng làm vật liệu trong các bãi lọc vì chúng có khả năng duy

trì dòng chảy ngầm Các hệ thống sử dụng đất thường gập các vấn đề về dòng chảy tràn

bề mặt, đối với các hệ thống sử dụng sỏi thường gập các hiện tượng tắc dòng Hệ thống dòng chảy ngầm thường có diện tích bề mặt nhỏ (<0,5 ha) và tải lương thủy lực lớn hơn

- Khi chảy qua lớp vật liệu lọc, nước thải được lọc sạch nhờ tiếp xúc với bề mặt của các hạt vật liệu lọc và vùng rễ của thực vật trồng trong bãi lọc Vùng ngập nước thường thiếu oxy, nhưng thực vật của bãi lọc có thể vận chuyển một lượng oxy đáng kể tới hệ thống rễ tạo nên tiểu vùng hiếu khí cạnh rễ và vùng rễ, cũng có một vùng hiếu khí trong lớp lọc sát bề mặt tiếp giáp giữa đất và không khí

- Bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy ngang có khả năng xử lý chất hữu cơ và rắn

lơ lửng tốt, nhưng khả năng xử lý các chất dinh dưỡng lại thấp, do điều kiện thiếu oxy,

kị khí trong các bãi lọc không cho phép nitrat hoá amoni nên khả năng xử lý nitơ bị hạn chế Xử lý photpho cũng bị hạn chế do các vật liệu lọc được sử dụng (sỏi, đá dăm) có khả năng hấp phụ kém

- Loại này bao gồm cả các loại bãi lọc có dòng chảy nằm ngang hay dòng chảy thẳng đứng từ dưới lên, từ trên xuống

 Hệ thống với dòng chảy ngang dưới mặt đất (Horizontal subsurface flow - HSF):

 Hệ thống này được gọi là dòng chảy ngang vì nước thải được đưa vào và chảy chậm qua 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 ở xung quanh

rễ và bầu rễ, nơi lọc O2 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 bởi các quá trình hóa sinh Loại thực vật

sử dụng phổ biến trong các hệ thống HSF là cây sậy

Hệ thống với dòng chảy 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 Các hệ thống VSF thường xuyên được sử dụng để xử lý lần 2 cho nước thải đã qua xử

lý lần 1 Thực nghiệm đã chỉ ra là nó phụ thuộc vào xử lý sơ bộ như bể lắng, bể tự hoại

Hệ thống đất ngập nước cũng có thể được áp dụng như một giai đoạn của xử lý sinh học Tuy nhiên, trên thực tế mô hình ĐNN nhân tạo được xây dựng theo hai hệ thống: Bãi lọc trồng cây ngập nước (FWS); Bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm hay Bãi lọc ngầm trồng cây, với dòng chảy ngang hay dòng chảy thẳng đứng (SSF) Cách thức phân chia các hệ thống khác nhau nhưng chúng hoạt động theo cùng một cơ chế

 Bãi lọc có dòng chảy ngầm trồng cây (Free Water Surface Contructed FWS CW)

Wetland- Dòng chảy dưới bề mặt vùng đất ngập nước (SSF) là: Vùng đất ngập nước của SSF được xây dựng với vật liệu xốp (ví dụ: đất, cát, sỏi) như là một chất nền cho tăng trưởng của thực vật bắt nguồn từ vùng đất ngập nước Các vùng đất ngập nước của SSF được thiết kế để nước chảy theo chiều ngang hoặc theo chiều dọc thông qua các bề mặt

và dưới bề mặt mặt đất Các loài thực vật được trồng phổ biến nhất trong bãi lọc là Cỏ nến, Sậy, Cói, Bấc, Lách oxy cung cấp cho bề mặt và cho phép sinh học tăng trưởng tích lũy về nguồn gốc của nó Vi khuẩn và nấm có lợi sống trong chất nền như màng sinh học gắn liền với các hạt chất nền Dòng chảy được duy trì bởi đáy và độ dốc hoặc

một cấu trúc điều chỉnh cho phép mực nước được hạ xuống ở cuối nền Loại này ít tốn kém và tạo sự điều hòa nhiệt độ khu vực cao hơn loại chảy ngầm, nhưng hiệu quả xử lý kém hơn, tốn diện tích đất nhiều hơn và có thể phải giải quyết thêm vấn đề muỗi và côn trùng phát triển

2.3.2 Nguyên lý cơ bản trong mô hình bãi lọc trồng cây

- Dòng chảy dưới bề mặt vùng đất ngập nước (SSF) với dòng chảy ngang thường thiếu oxy; lượng oxy cung cấp từ dòng chảy chủ yếu do sự khuếch tán trong lớp lọc từ

đó mà không khí thâm nhập Ở loại bãi lọc này, lượng oxy được cung cấp từ rễ cây có vai trò quan trọng để cung cấp cho vi sinh vật hiếu khí hoạt động

- Dòng chảy dưới bề mặt vùng đất ngập nước (SSF) với dòng chảy thẳng đứng quá trình hiếu khí là chiếm ưu thế:

+ Quá trình khuếch tán và xáo trộn diễn ra từ đó không khí thâm nhập qua hệ thống phân phối

+ Nước chứa oxy theo dòng chảy đứng, thấm từ trên xuống dưới cung cấp cho vi sinh vật hoạt động

- Quá trình lọc phụ thuộc và kích thước hạt, kích thước hạt càng nhỏ thì diện tích tiếp xúc bề mặt càng lớn và càng hấp phụ nhiều hơn

- Hấp phụ và lắng được tăng cường bởi hàm lượng Fe, Al, và Ca cao trong vật liệu lọc

+ Hấp thụ chất dinh dưỡng nhờ cây, có khả năng tái sử dụng nếu thu hoạch cây Vận tốc dòng chảy giảm, có quá trình lắng và tích tụ P, kim loại nặng và chất hữu cơ đã bị hấp thụ, hấp phụ[2]

- Phân huỷ dị dưỡng các chất hữu cơ, với cây trồng nhô lên mặt nước thường có lượng ôxy hạn chế, không có quang hợp sảy ra trong nước

- Trong vùng kỵ khí có quá trình khử nitrat và lắng cặn các muối sunphit và kim loại

- Tác dụng của cây trong bãi lọc trồng cây ngập nước:

+ Giảm vận tốc dòng chảy và làm tăng khả năng lắng cặn

+ Giảm xói mòn và sục cặn từ đáy

+ Ngăn gió và chống sục cặn

+ Tạo bóng và giảm sự phát triển của Phytoplankton (kể cả thực vật nổi)

2.3.3 Cơ chế xử lý nước thải bằng đất ngập nước

Để thiết kế, xây dựng, vận hành bãi lọc trồng cây chính xác, đạt hiệu quả cao, việc nắm rõ cơ chế xử lý nước thải của bãi lọc là hết sức cần thiết Các cơ chế đó bao gồm lắng, kết tủa, hấp phụ hoá học, trao đổi chất của vi sinh vật và sự hấp thụ của thực vật Các chất ô nhiễm có thể được loại bỏ nhờ nhiều cơ chế đồng thời trong bãi lọc

Cơ chế loại bỏ các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học trong nước thải:

 Trong các bãi lọc, phân huỷ sinh học đóng vai trò lớn nhất trong việc loại bỏ các chất hữu cơ dạng hoà tan hay dạng keo có khả năng phân huỷ sinh học (BOD) có trong nước thải BOD còn lại cùng các chất rắn lắng được sẽ bị loại bỏ nhờ quá trình lắng Phân hủy sinh học xảy ra khi các chất hữu cơ hoà 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 lọc xung quanh, nhờ quá trình khuếch tán Vai trò của thực vật trong bãi lọc là:

 Cung cấp môi trường thích hợp cho vi sinh vật thực hiện quá trình phân hủy sinh học (hiếu khí) cư trú

 Vận chuyển oxy vào vùng rễ để cung cấp cho quá trình phân hủy sinh học hiếu khí trong lớp vật liệu lọc và bộ rễ

 Bãi lọc ngập nước có khả năng xử lý BOD cao, nồng độ BOD trong nước sau xử

lý thường nhỏ hơn 20 mg/l Trong tất cả các dạng bãi lọc đều có chu trình tuần hoàn cacbon riêng sản sinh lượng BOD thấp (1¸3 mg/l), vì vậy BOD trong nước sau xử lý thường trong mức giới hạn thấp Thậm chí đối với những khu vực có điều kiện khí hậu thấp hoặc có khả năng đóng băng vào mùa đông, BOD trong nước sau xử lý vẫn đạt ở mức thấp

Cơ chế loại bỏ chất rắn trong nước thải:

 Các chất lắng được loại bỏ dễ dàng nhờ cơ chế lắng trọng lực, vì hệ thống bãi lọc trồng cây có thời gian lưu nước dài Chất rắn không lắng được, chất keo có thể được loại bỏ thông qua cơ chế lọc (nếu có sử dụng cát lọc), lắng và phân hủy sinh học (do sự

phát triển của vi sinh vật), hút bám, hấp phụ lên các chất rắn khác (thực vật, đất, cát, sỏi) nhờ lực hấp dẫn Van De Waals, chuyển động Brown Đối với sự hút bám trên lớp 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, tương tự như các quá trình xảy ra trong bể sinh học nhỏ giọt

 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 môi trường hợp, thực vật trong bãi lọc không đóng vai trò đáng kể trong việc loại bỏ các chất rắn

Cơ chế loại bỏ Nitơ trong nước thải:

Nitơ được loại bỏ trong các bãi lọc chủ yếu nhờ 3 cơ chế chủ yếu sau:

+ Nitrat hoá/khử nitơ

+ Sự bay hơi của amoniăc (NH3)

- Đối với bề mặt chung giữa đất và rễ, oxy từ khí quyển khuếch tán vào vùng lá, thân, 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 Nhờ quá trình nitrat hoá diễn ra ở vùng hiếu khí, tại đây

NH4+ bị oxy hoá thành NO3- Phần NO3- không bị cây trồng hấp thụ sẽ bị khuếch tán vào vùng thiếu khí, và bị khử thành N2 và N2O do quá trình khử nitrat Lượng

NH4+ trong vùng rễ được bổ sung nhờ nguồn NH4+ từ vùng thiếu khí khuếch tán vào

Cơ chế loại bỏ Photpho trong nước thải:

- Quá trình khử phôtpho trong bãi lọc ngập nước xảy ra chủ yếu bởi các phản ứng hấp thụ và kết tủa cùng các nguyên tố khóang chất như nhôm (Al), sắt (Fe), canxi (Ca),

và mùn sét trong đất trầm tích Các trạng thái đất ẩm và khô trong các giai đoạn luân phiên làm tăng khả năng cố định phôtpho trong lớp trầm Sự hấp thụ phôtpho bởi thực vật đóng vai trò quan trọng trong hệ thống có tải lượng bề mặt

- Cơ chế loại bỏ photpho trong bãi lọc trồng cây gồm có sự hấp thụ của thực vật, các quá trình đồng hoá của vi khuẩn, sự hấp phụ lên đất, vật liệu lọc (chủ yếu là lên đất sét) và các chất hữu cơ, kết tủa và lắng 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

- Tương tự như quá trình loại bỏ nitơ, vai trò của thực vật trong vấn đề loại bỏ photpho vẫn còn là vấn đề tranh cãi Dù sao, đây cũng là cơ chế duy nhất đưa hẳn photpho ra khỏi hệ thống bãi lọc Các quá trình hấp phụ, kết tủa và lắng chỉ đưa được photpho vào đất hay vật liệu lọc Khi lượng photpho trong lớp vật liệu vượt quá khả năng chứa thì vật liệu phần vật liệu hay lớp trầm tích đó phải được nạo vét và xả bỏ

- Khả năng khử nitơ và phôtpho của bãi lọc ngập nước nhân tạo có thể không ổn định và phụ thuộc vào các đặc tính thiết kế và tải lượng chất bẩn Sự gia tăng lượng sinh khối dư và các khóang chất là cơ sở bền vững cho quá trình khử phôtpho trong bãi lọc ngập nước Để đạt được hiệu quả xử lý phôtpho thường phải mất một thời gian lâu Bãi lọc dùng trong mục đích xử lý phôtpho thường lớn và tiếp nhận nước thải loãng hoặc nước thải đã được xử lý sơ bộ Bãi lọc ngập nước có khả năng xử lý nitơ dễ hơn so với

phôtpho

Cơ chế loại bỏ kim loại nặng trong nước thải:

- Khi các kim loại nặng hoà tan trong nước thải chảy vào bãi lọc trồng cây, các cơ chế loại bỏ chúng gồm có:

+ Kết tủa và lắng ở dạng hydrôxit không tan trong vùng hiếu khí, ở dạng sunfit kim loại trong vùng kị khí của lớp vật liệu

+ Hấp phụ lên các kết tủa oxyhydrôxit sắt, Mangan trong vùng hiếu khí

+ Kết hợp, lẫn với thực vật chết và đất

+ Hấp thụ vào rễ, thân và lá của thực vật trong bãi lọc trồng cây

- Một phần nhỏ các nguyên tố kim loại cũng được hấp thụ và kết hợp cùng các khoáng chất hữu cơ và được tích tụ trong bãi lọc ngập nước dưới dạng trầm tích Sự hấp thụ bởi thực vật và chuyển hóa bởi các vi khuẩn cũng có thể đóng vai trò quan trọng trong xử lý kim loại

- Bãi lọc ngập nước có khả năng lưu giữ tốt một số kim loại nặng Tuy nhiên khả năng lưu giữ kim loại của bãi lọc thường có giới hạn nhất định, trong trường hợp quá tải, nồng độ kim loại có thể đạt ngưỡng gây độc cho hệ thực vật trong hệ thống Vì vậy không nên sử dụng bãi lọc ngập nước để xử lý các loại nước thải có nồng độ kim loại nặng cao

Cơ chế loại bỏ các hợp chất hữu cơ trong nước thải:

- Các hợp chất hữu cơ được loại bỏ trong các bãi lọc trồng cây chủ yếu nhờ cơ chế bay hơi, hấp phụ, phân hủy bởi các vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn và nấm), và hấp thụ của thực vật

- Yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất loại bỏ các hợp chất hữu cơ nhờ quá trình bay hơi là hàm số phụ thuộc của trọng lượng phân tử chất ô nhiễm và áp suất riêng phần giữa hai pha khí-nước xác định bởi định luật Henry

- Quá trình phân hủy các chất bẩn hữu cơ chính nhờ các vi khuẩn hiếu khí và kị khí

đã được khẳng định nhưng quá trình hấp phụ các chất bẩn lên màng vi sinh vật phải xảy

ra trước quá trình thích nghi và phân hủy sinh học Các chất bẩn hữu cơ chính còn có thể được loại bỏ nhờ quá trình hút bám vật lý lên bề mặt các chất rắn lắng được và sau

đó là quá trình lắng Quá trình này thường xảy ra ở phần đầu của bãi lọc Các hợp chất hữu cơ cũng bị thực vật hấp thụ, tuy nhiên cơ chế này còn chưa được hiểu rõ và phụ thuộc nhiều vào loài thực vật được trồng, cũng như đặc tính của các chất bẩn

2.4 Một số nghiên cứu về mô hình đất ngập nước trên thế giới

Ở miền bắc Thụy Điển, bãi lọc trồng cây được sử dụng để xử lý bổ sung nước thải sau các trạm xử lý đô thị Nhìn chung, khử nitơ là mục đích chính, mặc dù hiệu quả xử

lý TS và BOD cũng khá cao Nghiên cứu của J.L Andersson, S Kallner Bastviken và

K S Tonderski đã đánh giá hoạt động trong 3 - 8 năm của bốn bãi lọc trồng cây quy

mô lớn (diện tích 20 - 28 ha) Hai bãi lọc tiếp nhận nước thải đô thị, với các khâu xử lý hoá học và cơ học Hai bãi lọc còn lại tiếp nhận nguồn nước thải đã được xử lý sinh học,

do đó nồng độ BOD (BOD7) và NH4-N đầu vào bãi lọc thấp hơn Các bãi lọc hoạt động khá ổn định, loại bỏ 0,7-1,5 tấn N/ha.năm Đây là giá trị trung bình trong thời gian nghiên cứu, với tải trọng biến đổi từ 1,7-6,3 tấn N/ha/năm Lượng P bị khử cũng biến đổi trong khoảng 10 đến 41 kg/ha.năm, phụ thuộc vào các giá trị tải trọng khác nhau, các dạng hợp chất P và vòng tuần hoàn nội tại của P trong các bãi lọc

Ở Na Uy, bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm đã được xây dựng để xử lý nước thải sinh hoạt vào năm 1991 Ngày nay, ở những vùng nông thôn ở Na Uy, phương pháp này trở nên rất phổ biến để xử lý nước thải sinh hoạt, nhờ các bãi lọc vận hành với hiệu suất cao thậm chí cả vào mùa đông và với chi phí thấp Mô hình quy mô nhỏ được áp dụng phổ biến ở Na Uy là hệ thống bao gồm bể tự hoại, tiếp đến là một bể lọc sinh học hiếu khí dòng chảy thẳng đứng và một bãi lọc ngầm trồng cây với dòng chảy ngang Bể lọc sinh học hiếu khí trước bãi lọc ngầm để loại bỏ BOD và thực hiện các quá trình nitrat hoá trong điều kiện khí hậu lạnh, nơi thực vật “ngủ” vào mùa đông Hệ thống được thiết

kế theo tiêu chuẩn hiện hành cho phép đạt hiệu suất khử P ổn định > 90% trong vòng 15 năm nếu sử dụng cát thiên nhiên chứa nhiều sắt và canxi hoặc sử dụng vật liệu hấp phụ

P tiền chế có trọng lượng nhẹ Lớp vật liệu này sau khi bão hoà P, có thể sử dụng chúng làm chất cải tạo đất hay làm phân bón bổ sung phốtpho Hiệu suất loại bỏ N khoảng 40-60% Hiệu quả loại bỏ các vi khuẩn chỉ thị rất cao, thường đạt tới < 1000 coliform chịu nhiệt/ 100 ml

- Nghiên cứu về loại bỏ vi sinh vật trong nước thải:

Ở Đức, một chương trình nghiên cứu về mặt vi sinh vật - sự tồn tại và chết của các mầm bệnh trong nước thải được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu Hagendorf Ulrich, Diehl Klaus và nhiều người khác trong nhiều năm, trên các mẫu nước lấy từ ba bãi lọc trồng

cây xử lý nước thải đã qua xử lý sơ bộ (bể tự hoại nhiều ngăn, hồ) và từ nước thải sinh hoạt đã qua xử lý sơ bộ Nồng độ của các vi sinh vật chỉ thị hay các mầm bệnh được xác định ở nhiều vị trí và các bậc của hệ thống xử lý Với số liệu từ hơn 3600 phân tích vi sinh, so sánh với các số liệu từ một hệ thống đã vận hành được 18 năm cho phép đưa được cả các yếu tố vận hành vào trong đánh giá

Các nghiên cứu cho thấy rằng hiệu suất loại bỏ trung bình của các vi sinh vật chỉ thị và các mầm bệnh nằm trong khoảng 1,5 - 2,5 đơn vị log với hệ thống xử lý một bậc

và 3 - 5 đơn vị log đối với hệ thống xử lý nhiều bậc Không có sự khác nhau đáng kể giữa bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy ngang và dòng chảy đứng Hiệu suất loại bỏ vi sinh vật trong các bãi lọc trồng cây rõ ràng là hơn hẳn so với hệ thống bùn hoạt tính truyền thống

2.5 Một số nghiên cứu về mô hình đất ngập nước ở Việt Nam

Ở Việt Nam, phương pháp xử lý nước thải bằng các bãi lọc trồng cây còn khá mới

mẻ, bước đầu đang được một số trung tâm công nghệ môi trường và các trường đại học

đã áp dụng thử nghiệm Các đề tài nghiên cứu mới đây nhất về áp dụng phương pháp này tại Việt Nam như "Xử lý nước thải sinh hoạt bằng bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy thẳng đứng trong điều kiện Việt Nam" của Trung tâm Kỹ thuật Môi trường đô thị và khu công nghiệp (Trường Đại học Xây dựng Hà Nội), “Xây dựng mô hình hệ thống đất ngập nước nhân tạo để xử lý nước thải sinh hoạt tại các xã Minh Nông, Bến Gót, Việt Trì” của Trường Đại học Quốc gia Hà Nội đã cho thấy hoàn toàn có thể áp dụng phương pháp này trong điều kiện của Việt Nam Theo GS.TSKH Nguyễn Nghĩa Thìn (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội) thì Việt Nam có đến 34 loại cây có thể sử dụng để làm sạch môi trường nước Các loài cây này hoàn toàn dễ kiếm tìm ngoài tự nhiên và chúng cũng có sức sống khá mạnh mẽ

- Ở Việt Nam, sử dụng công nghệ bãi lọc trồng cây trong xử lý môi trường chủ yếu mới trong giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm Tuy nhiên việc sử dụng các hệ thống tự nhiên nói chung và hệ thống bãi lọc nhân tạo nói riêng đã bắt đầu được sử dụng, như hệ thống bãi lọc xử lý nước thải cho nhà máy chế biến cà phê ở Khe Sanh, hệ thống bãi lọc

xử lý nước thải ở Thành phố Việt Trì

2.6 Tổng quan về thực vật thủy sinh

Giới thiệu:

Thực vật thủy sinh bao gồm thực vật sinh trưởng trong môi trường nước nó có thể gây bất lợi cho con người do sự sinh trưởng quá nhanh và phân bố rộng Tuy nhiên, lợi dụng chúng để xử lý nước thải, làm phân compost, thức ăn cho con người, gia súc có thể làm giảm thiểu các bất lợi gây ra bởi chúng mà còn thu thêm được lợi nhuận

Phân loại:

Nhóm sống chìm trong nước: loại thực vật này chỉ phát triển được dưới mặt nước nơi có đủ nguồn nước và ánh sáng Chúng gây nên các tác hại như làm tăng độ đục của nguồn nước, ngăn cản sự khuyếch tán của ánh sáng vào nước Do đó các loài thủy sinh thực vật này không hiệu quả trong việc làm sạch các chất thải

VD: Rong tóc tiên/ rong đuôi chồn (Hydrilla), rong đuôi chó (contail)

Nhóm trôi nổi trên mặt nước: rễ của loài thực vật này không không bám vào đất trong nước mà nổi lên trên mặt nước, Nó trôi nổi trên mặt nước theo gió và dòng nước

Rễ của chúng tạo điều kiện cho vi khuẩn bám vào để phân hủy các chất thải Nhóm này thích hợp để xử lý nước thải

VD: Lục bình (water hyacinth), Bèo cái (water lettuce), rau muống (water spinach) Nhóm sống vươn lên mặt nước: loại thủy thực vật này có rễ bám vào đất nhưng thân

và lá phát triển trên mặt nước, khả năng quang hợp tốt, ngăn chặn sự phát triển của tảo Loại này thường sống ở những nơi có chế độ hủy triều ổn định Nhóm này thích hợp để

xử lý nước thải

VD:Cây bấc/cây cỏ nến/ cây hương bồ/cây bồn bồn (bulrush), cây đuôi mèo (cattail)

Cơ sở khoa học của phương pháp dùng TVTS xử lý nước thải

TVTS có khả năng xử lý ô nhiễm nước là nhờ hai cơ chế chính là cơ chế vùng rễ và cơ chế hấp thu chất dinh dưỡng của thực vật: Cơ chế vùng rễ: Hệ rễ của TVTS có vai trò

là giá thể để VSV bám vào, oxy được lấy từ không khí hoặc từ quá trình quang hợp vận chuyển qua thân xuống rễ và giải phóng ra môi trường nước xung quanh hệ rễ Nhờ có oxy, các VSV hiếu khí trong vùng rễ phân hủy chất hữu cơ và các quá trình nitrat hóa diễn ra do vậy nước được làm sạch Cơ chế hấp thu chất dinh dưỡng: Các muối khoáng hòa tan có sẵn trong nước hoặc sinh ra trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ là nguồn dinh dưỡng của TVTS, được cây hấp thụ qua hệ rễ, nên nước cũng sẽ được làm sạch [3]

2.6.1 Cây Lục bình

- Có nguồn gốc từ Venezuala, Nam Mỹ

- Thích nghi với những nơi ao tù ẩm ướt, phân bố rộng khắp Việt Nam

Tên gọi và tên khoa học của lục bình

Bảng: sơ lược về cây lục jbinh

Mô tả

Lục bình là loài cây thủy sinh lâu năm có nguồn gốc từ vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới Nam Mỹ Lục bình có lá rộng, dày, bóng, có bầu, cây có thể phát triển chiều cao lên đến 1 mét Thân cây lục bình dài và xốp Rễ có lông chùm, treo tự do, có màu đen Cây

lục bình ra hoa với mỗi cành có trung bình 8 hoa, hoa có màu tím

Lục bình sinh trưởng và phát triển rất nhanh Trung bình, mỗi cây lục bình có thể tăng gấp đôi kích thước trong vòng 2 tuần [4] Cá biệt có một số các thể lục bình được phát hiện có thể phát triển từ 2 đến 5 mét một ngày ở một số khu vực thuộc Đông Nam

Á [5] Lục bình sinh sản chủ yếu bằng các nhánh nối (stolons) Ngoài ra, lục bình cũng

có thể sinh sản bằng việc thụ phấn hoa nhờ sự trợ giúp của loài ong Mỗi cây lục bình

có thể cho ra đời hàng ngàn hạt giống mỗi năm và những hạt giống này có thể tồn tại trong hơn 28 năm.[6]

Môi trường sống và sinh thái

Môi trường sống của lục bình trải dài Chúng có thể sống ở những vùng sa mạc nhiệt đới, vùng cận nhiệt đới cho đến các khu rừng mưa nhiệt đới Nhiệt độ tối thiểu để lục bình phát triển là khoảng 12oC, nhiệt độ tối ưu là từ 25 – 30oC và nhiệt độ tối đa là

từ 33 – 35oC Khả năng chịu pH của lục bình ước tính là từ 5,0 – 7,5 Lục bình sẽ chết khi sống trong môi trường có sương lạnh và nhiệt độ nước lớn hơn 34oC Ngoài ra lục bình không phát triển nếu môi trường nước có độ mặn trung bình lớn hơn 15% so với nước biển.[7]

Lợi ích sinh khối của cây lục bình

Do tốc độ phát triển cao nên lục bình là một nguồn sinh khối tuyệt vời Một hecta cây lục bình có thể sản xuất hơn 70.000 m3 khí sinh học (70% CH4, 30% CO2) [8] Theo Curtis và Duke, 1 kg lục bình khô có thể sản sinh 370 lít khí sinh học, cho giá trị nhiệt 22.000 kj/m3.[9]

Ở dạng tự nhiên, bèo lục bình có tác dụng hấp thụ những kim loại nặng và các chất

ô nhiễm hữu cơ Một số nghiên cứu cho thấy lục bình có thể loại bỏ khoảng 60 – 80% nitơ [10] và khoảng 69% kali trong nước.[11]

Khả năng diệt khuẩn sinh học