Ô nhiễm hồ đô thị là vấn đề nan giảicủa các thành phố, bởi một lượng lớn chất thải đô thị theo hệ thống thoát nước tíchlũy ở các hồ đã gây ô nhiễm kim loại nặng, phú dưỡng, ô nhiễm tảo,
Trang 1SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG
CUỘC THI KHKT DÀNH CHO HỌC SINH THPT
DỰ ÁN
“THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH XỬ LÝ Ô NHIỄM NƯỚC Ở CÁC HỒ SINH THÁI THEO HƯỚNG BỀN VỮNG, THÂN THIỆN VỚI MÔI TRƯỜNG ”
Nhóm tác giả:
1 Nguyễn Dương Phong
2 Lê Đức Nhân
Đà Nẵng, tháng 11 năm 2018
Trang 2I ĐẶT VẤN ĐỀ
1 Tính cấp thiết của đề tài
Ao hồ là tài sản vô giá của các thành phố hiện nay Hồ sinh thái đóng vai trò quan trọng trong điều hòa vi khí hậu, điều tiết nước mưa, tạo cảnh quan xanh và làkhông gian vui chơi giải trí cho cộng đồng dân cư của mỗi thành phố
Tuy nhiên, sự gia tăng dân số, phát triển đô thị và công nghiệp tạo nhiều sức
ép đối với môi trường đô thị trên cả nước Ô nhiễm hồ đô thị là vấn đề nan giảicủa các thành phố, bởi một lượng lớn chất thải đô thị theo hệ thống thoát nước tíchlũy ở các hồ đã gây ô nhiễm kim loại nặng, phú dưỡng, ô nhiễm tảo, nước thiếuôxi… gây nên hiện tượng cá chết hàng loạt trong thời gian qua tại nhiều thành phốlớn trên cả nước như: Lào Cai, Hà Nội, Đà Nẵng…
Các biện pháp như nạo vét lòng hồ, sử dụng chế phẩm sinh học, xử lí bằnghóa chất… đã khắc phục được các hiện tượng ô nhiễm trên tuy nhiên còn nhiềubất cập, hạn chế: đòi hỏi chi phí và công nghệ cao, phụ thuộc nguồn cung cấp từcác nước khác, mang tính khắc phục tạm thời…
Để góp phần cải thiện ô nhiễm nước hồ công viên phù hợp với điều kiện thực tếcủa địa phương, chi phí thấp, có tính chủ động, dễ thực hiện, mang tính cộng đồng
cao…Nhóm chúng em xây dựng dự án: “THỬ NGHIỆM MÔ HÌNH XỬ LÝ Ô NHIỄM NƯỚC Ở CÁC HỒ SINH THÁI THEO HƯỚNG BỀN VỮNG, THÂN
THIỆN VỚI MÔI TRƯỜNG ”
2 Vấn đề nghiên cứu
Làm thế nào để xây dựng hệ thống cải thiện ô nhiễm nước hồ sinh thái ở cácthành phố phù hợp với điều kiện thực tế của địa phương, chi phí thấp, có tính chủđộng, dễ thực hiện, thân thiện với môi trường và mang tính cộng đồng cao
3 Qui trình nghiên cứu
- Bước 1: Tổng quan tài liệu nghiên cứu
- Bước 2: Tiến hành khảo sát thực địa
- Bước 3: Đề xuất ý tưởng
Trang 4II TỔNG QUAN TÀI LIỆU NGHIÊN CỨU
1 Tình hình ô nhiễm nguồn nước sông, hồ ở các thành phố hiện nay :
Sông, hồ ô nhiễm ngày một nghiêm trọng là một thực tế tại các thành phố hiện nay Đó là do tình trạng đô thị hóa chóng mặt, cùng với khối lượng các chất thải, nhất là rác thải, khổng lồ đổ vào sông, hồ hàng ngày, hàng giờ Bên cạnh đó, các loại nước thải sinh hoạt, nước thải bệnh viện, nước thải công nghiệp, nước thải của các làng nghề khi vào môi trường mà không qua xử lý sẽ tàn phá môi trường nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng nước của những con sông
Hơn nữa, do không có nguồn nước bổ sung, độ dốc nhỏ khiến tốc độ chảy chậm, nên các dòng sông không có khả năng tự làm sạch, độc tố tích tụ lâu ngày, dẫn đến
ô nhiễm nguồn nước mặt và cả nguồn nước ngầm Đây là những nguyên nhân khách quan, còn nguyên nhân chủ quan trực tiếp chính là sự thiếu ý thức nghiêm trọng của người dân
Có một thực tế đáng ngại trong cuộc sống hiện nay là, không ít người nghĩ rằng những việc mình làm là quá nhỏ bé, không đủ để làm hại môi trường Một số người khác lại cho rằng việc bảo vệ môi trường là trách nhiệm của Nhà nước, của chính quyền mà không phải là của mình Số khác lại nghĩ rằng việc môi trường đã
bị ô nhiễm thì có làm gì đi chăng nữa cũng không đáng kể, và việc ô nhiễm môi trường cũng không ảnh hưởng gì tới mình nhiều
Việc làm “sống lại” các con sông, hồ, đưa hệ sinh thái sông, hồ trở lại
“mạnh khỏe” phục vụ người dân phải trở thành một trong các chỉ số quan trọng xácđịnh sự phát triển bền vững của các địa phương Để “giải cứu” sông, hồ khỏi ô nhiễm đòi hỏi những giải pháp đồng bộ, với sự tham gia của các cấp, các ngành và của toàn xã hội
Hàng loạt các hồ tại các thành phố: Đà Nẵng, Hải Phòng, Hà Nội…đã xảy rahiện tượng cá chết hàng loạt, nổi trắng hồ Nguyên nhân cá chết trắng ở các hồ cóthể là do thiếu ôxy Hiện tại lớp bùn dưới mặt hồ đã quá dày, ôxy hòa tan trong
Trang 5nước giảm dẫn đến việc cá chết đột ngột như báo chí phản ánh Theo chứng kiến,
có hàng ngàn con cá chết đang trong quá trình phân hủy, gây ô nhiễm nghiêmtrọng Phần lớn cá chết là cá rô phi với trọng lượng khá lớn
Hình 1: Hiện tượng cá chết tại công viên 29/3 Đà Nẵng ngày 01/8/2016
3 Các giải pháp xử lý nguồn nước ô nhiễm của hồ công viên đã được sử dụng:
- Hà Nội: Trước tình trạng các hồ công viên ngày càng ô nhiễm Sau một thời gian lấy mẫu nước xét nghiệm, phân tích, công ty TNHH MTV Thoát nước Hà Nội đã
sử dụng chế phẩm Redoxy-3C công nghệ Đức để xử lý ô nhiễm cho một số hồ Sau khi triển khai sản phẩm Redoxy-3C thành công tại một số hồ, UBND TP đã cho triển khai rộng các hồ trên địa bàn
Vì vẫn đang trong quá trình triển khai rộng nên hiện nay các nhà chuyên môn đangđịnh lượng khoảng 20g/1m3 hồ Tuy nhiên, thời gian tới, tuỳ tình hình thực tế, các chuyên gia sẽ điều chỉnh mức lượng chế phẩm dựa trên chất lượng và độ ô nhiễm của các hồ Khoảng 20 ngày sau khi sử dụng chế phẩm, chuyên gia sẽ đánh giá chất lượng công tác xử lý Về lâu dài, sau khi đánh giá chất lượng hồ trong vòng 6-
9 tháng, Công ty TNHH MTV Thoát nước Hà Nội sẽ phối hợp các cơ quan chức năng để thẩm định mức độ tái ô nhiễm để xét nghiệm và đưa ra giải pháp xử lý tiếptheo Trước mắt, để chuẩn bị cho kế hoạch xử lý trong quý IV năm 2016, Công ty TNHH MTV Thoát nước Hà Nội đã nhập đủ số lượng chế phẩm cho đến năm
2017
Trang 6- Đà Nẵng: nạo vét lòng hồ 29-3 khắc phục tình trạng cá chết và ô nhiễm tại hồ công viên 29/3.
- Một số địa phương khác sử dụng hóa chất để làm sạch hoặc cải tạo hồ
Trang 7III NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
1 Đề xuất ý tưởng mô hình:
Thiết kế mô hình thử nghiệm để xử lý ô nhiễm nguồn nước theo hướng bền vững và thân thiện với môi trường thông qua đề xuất 5 giải pháp nghiên cứu:
2 Các giải pháp nghiên cứu
2.1 Thiết kế hệ thống màng lọc tràn và thu gom tảo thông minh để hạn chế ô nhiễm hữu cơ đồng thời tận dụng nguồn tảo làm phân bón, thức ăn gia súc hoặc sử dụng để sản xuất nhiên liệu sinh học
2.1.1 Hiện tượng tảo nở hoa gây ô nhiễm môi trường
Hiện tượng phú dưỡng ở các hệ sinh thái nước ngọt gây ra sự phát triển bùng
nổ của các loài tảođược gọi là hiện tượng nở hoa trong nước Tảo là loài thực vật phù du, đơn bào, có thể được mô tả bằng công thức: ( CH2O)106(NH3)16H3PO4 Như vậy, tảo được cấu tạo từ các nguyên tố chinh: C, N, P, O, H Từ công thức trên, tỷ số C:N:P là 106:16:1 Tỷ số N:P = 16: 1 được gọi là “ giá trị biên độ đỏ - redfield value” Giá trị này biểu thị lượng cần thiết N và P tạo nên rong tảo, từ đó
có thể xác định được yếu tố nào là yếu tố hạn chế tiềm năng phát triển rong tảo.KhiN:P >16 thì P trở thành yếu tố giới hạn Ngược lại, N:P <16 thì N trở thành yếu tố giới hạn Trong các hệ sinh thái nước ngọt thì yếu tố giới hạn thường là P bởi vì:
+ Các dòng chảy tràn trên mặt chứa một lượng lớn nitrat
+ N dưới dạng nitrat dễ bị hòa tan do đó dễ bị rửa trôi ra các hệ sinh thái nước ngọt
+ Một số loài tảo lục và vi khuẩn có khả năng cố định nitơ dưới dạng N2 từ khí quyển II Diễn biến của quá trình phú dưỡng Trong các hệ sinh thái nước ngọt, luôn tồn tại sẵn các loài tảo và một hàm lượng nhất định các chất N, P để đảm bảo
sự phát triển bình thường của các hệ sinh thái này Khi nồng độ N, P tăng lên, nó
sẽ kích thích sự phát triển của tảo - gọi là hiện tượng “tảo nở hoa ” đó là sự phát triển một cách vượt bậc về số lượng các loài tảo trong hệ sinh thái nước hồ Tùy
Trang 8thuộc vào sự tham gia của loài tảo vào hiện tượng “tảo nở hoa” mà số lượng tảo phát triển ở các mức độ khác nhau.Ở điều kiện bình thường, tảo có10- 100 tb/ml nước, còn trong điều kiện phú dưỡng tảo có thể lên tới 104-105 tb/ml nước(thậm chí lên tới hàng triệu tb/ml nước – loài Gyrodinium aureulum ), kéo theo đó là sự đổi màu của nước - đây là dấu hiệu dễ nhận biết nhất của hệ sinh thái nước ngọt bị phú dưỡng.Tuy nhiên không phải lúc nào hiện tượng này cũng xảy ra, có những trường hợp tảo nở hoa nhưng không làm thay đổi màu nước.Trong hệ sinh thái nước ngọt, thường có tảo lục, tảo lam hay tảo giáp do vậy nước thường đổi màu xanh
Tảo phát triển bao nhiêu thì cũng có một lượng lớn tảo bị chết đi.Khi tảo chết đi sẽ được các vi khuẩn phân hủy, chúng lấy đi O2 khuếch tán trong môi trường nước để phân hủy tảo chết phát triển: (CH2O)106(NH3)H3PO4 + 138 O2=106 CO2+122H2O+16HNO3+ H3PO4 Như vậy để phân hủy 1 phân tử tảo thì
vi khuẩn đã lấy đi của môi trường 276 nguyên tử ôxi, làm giảm nồng độ ôxi làm cho các loài cá và sinh vật thủy sinh khác không đủ ôxi mà chết ngạt Đồng thời, tảo chết đi, rơi xuống đáy, tạo thành lớp trầm tích ở đáy hồ, lâu dần làm cho hồ nông dần đi.Môi trường đáy là nơi nồng độ O2 rất thấp, các vi khuẩn phân hủy trong điều kiện yếm khí, kết quả là sinh ra các khí như H2S… gây mùi hôi thối, làm nước bị vẩn đục, có màu đen hoặc xám đen, gây chết cá hàng loạt…
2.1.2 Sử dụng màng lọc tràn kết hợp hệ thống thu gom tảo thông minh
có áp suất lớn để có thể lọc được nước dẫn đến hao phí điện năng và hiệu quả thấp
Trang 9Ngoài ra mô hình màng lọc tràn giúp tăng diện tích mặt thoáng và tăng lượng ôxy trong nước làm tăng hiệu quả xử lý.
Nước hồ từ bể chứa (1) được bơm (2) lên màng lọc và chảy tràn qua cácmàng lọc (3), (4) và (5), tảo và các chất lơ lững được giữ lại bên trên các màng lọc
sẽ được hệ thống thu gom thông minh tự động đưa về máng chứa và đổ vào bểchứa để sử dụng làm phân bón, thức ăn gia súc hoặc nhiên liệu sinh học Dòngnước tiếp tục thấm qua màng lọc theo các khay kính gom về ống dẫn (6) chảy vào
bể (7) và (8) tại đây các chất ô nhiễm sẽ được các loài thực vật xử lý hấp thụ, cuốicùng nước được tuần hoàn về bể (1) và tiếp tục lặp lại quá trình xử lý
Hình Sơ đồ mô hình xử lý nước hồ ô nhiễm bằng công nghệ thực vật xử lý
1 Bể chứa nước hồ ô nhiễm
2 Máy bơm và vòi dẫn nước
3 Màng lọc chảy tràn (1)
4 Màng lọc tảo chảy tràn (2)
5 Màng lọc tảo chảy tràn (3)
Trang 106 Ống dẫn nước sau khi lọc tảo
7 Bể xử lý bằng Bèo cái và Rong đuôi chồn (vật liệu kính)
8 Bể xử lý bằng cây Phát lộc và Rong đuôi chồn (vật liệu kính)
b Hệ thống thu gom tảo thông minh:
Trên hệ thống màng lọc (1), (2) và (3) thiết kế hệ thống thu gom tảo thông minh
* Sơ đồ thiết kế hệ thống màng lọc và thu gom tảo:
* Nguyên lý hoạt động của hệ thống:
Hệ thống máy bơm sẽ tiến hành bơm nước từ bể nước hồ chảy vào hệ thống màng lọc trong vòng t giờ để kiểm tra lượng tảo đọng lại trên lớp màng lọc (1) thông qua cảm biến lượng tảo Nếu lượng tảo đọng lại trong thời gian ít hơn t giờ có độ dày từ n (mm) trở lên thì động cơ lu lô đẩy tảo và động cơ gạt tảo sẽ hoạt động để gạt lớp tảo vừa thu được vào máng sau đó đổ vào bể chứa Hệ thống bơm tiếp tục hoạt động để kiểm tra t giờ tiếp theo Khi lượng tảo đọng lại trong vòng t giờ h có
độ dày nhỏ hơn n (mm) thì lúc này động cơ lu lô đẩy tảo và động gạt tảo sẽ hoạt động lần cuối để gạt lớp tảo vừa thu vào máng và bể chứa Sau đó động cơ bơm tự động tắt để tiết kiệm năng lượng Cài đặt sau 6h , hệ thống sẽ tiến hành bơm và thực hiện việc kiểm tra lại theo qui trình như trên
Các thông số về thời gian và độ dày lớp tảo trên màng lọc tùy thuộc vào tình hình thực tế và mức độ ô nhiễm tảo của từng hồ đối tượng, có thể cài đặt từ bàn phím vàhiển thị qua màn hình Lcd
Trang 11Sơ đồ hệ thống điều khiển Các linh kiện sử dụng :
- Điều khiển trung tâm : Arduino mega 2560 Arduino Mega ADK là một boardmạch phát triển của arduino dựa trên chíp Atmega 2560 Arduino Mega 2560 làmột vi điều khiển bằng cách sử dụng ATmega 2560
Bao gồm:
54 chân digital (15 có thể được sử dụng như các chân PWM)
16 đầu vào analog,
Trang 12 4 UARTs (cổng nối tiếp phần cứng),
Trang 13- Cảm biến đo lượng tảo
Sử dụng cảm biến đo khoảng cách để đo độ dày lớp tảo
- Bộ định thời gian:
Bộ định thời DS 3231 dùng để đếm và định thời gian hoạt động của hệ thống theo thời gian thực
- Nguồn
Trang 14Nguồn tổ ong với điện áp dầu vào 220v và dầu ra là 12V 10A để cung cấp nănglượng hoạt động cho hệ thống
- Mạch điều khiển động cơ
Module L298 giúp điều khiển các động cơ dc như động cơ lu lô , động cơ gạt với dòng lên đến 2A
Thông số kỹ thuật:
Driver: L298N tích hợp hai mạch cầu H
Điện áp điều khiển: +5 V ~ +12 V
Dòng tối đa cho mỗi cầu H là: 2A (=>2A cho mỗi motor)
Điện áp của tín hiệu điều khiển: +5 V ~ +7 V
Dòng của tín hiệu điều khiển: 0 ~ 36mA (Arduino có thể chơi đến 40mA nên khỏe re nhé các bạn)
Công suất hao phí: 20W (khi nhiệt độ T = 75 ℃)
Nhiệt độ bảo quản: -25 ℃ ~ +130 ℃
2.2 Sử dụng công nghệ thực vật nhằm giảm thiểu ô nhiễm kim loại nặng:
Trong nghiên cứu này chúng em sử dụng một số loài thực vật bản địa, dễươm trồng và đã được nghiên cứu về khả năng xử lý ô nhiễm kim loại nặng trongmôi trường nước
Trang 15Trước đây, việc sử dụng công nghệ thực vật để xử lý nước cho hồ công viên
đã được thực hiện quá các giải pháp như: đóng bè thả trên mặt nước, nuôi các loạithực vật như bèo cái, bèo tấm trên mặt nước Song những giải pháp này còn cáchạn chế: chủ yếu chỉ xử lý ở lớp nước bề mặt, trong một diện tích hồ lớn việc thugom lá, cành, hoặc cơ thể thực vật bị héo, úa gặp nhiều khó khăn và bất cập
Mô hình của chúng em thiết kế sử dụng 3 loài thực vật là bèo cái, cây phátlộc và rong đuôi chồn ở các bể xử lý để xử lý đồng thời 3 tầng nước và việc thugom rác thải vô cùng đơn giản trên một diện tich bể không quá lớn
2.2.1 Cơ sở khoa học của công nghệ thực vật xử lý ô nhiễm
Công nghệ thực vật xử lý ô nhiễm có thể xử lý được các chất ô nhiễm trongmôi trường nhờ vào (1) cơ chế hút nhờ thực vật (phytoextraction), (2) cơ chế cốđịnh nhờ thực vật (phytostabilization) và (3) cơ chế xử lý chất ô nhiễm nhờ quá
trình thoát hơi nước của thực vật (phytovolatilization) (U.S EPA, 2000) [Chuyên
đề: “Ô nhiễm môi trường đất và các biện pháp xử lý”, Võ Văn Minh].
- (1) Cơ chế chiết tách chất ô nhiễm bằng thực vật (Phytoextraction): Quátrình chiết tách chất ô nhiễm bằng thực vật là quá trình xử lý chất độc đặcbiệt là KLN, bằng cách sử dụng các loài thực vật hút các chất ô nhiễm qua rễsau đó chuyển hóa lên các cơ quan trên mặt đất của thực vật (Salt & nnk,1998; Lombi & nnk, 2001)
- (2) Cơ chế cố định chất ô nhiễm bằng thực vật (Phytostabilization): Cơ chế
cố định chất ô nhiễm nhờ thực vật là cách mà các chất ô nhiễm tích lũy ở rễcây và kết tủa trong đất Quá trình diễn ra là nhờ chất tiết ở rễ thực vật cốđịnh chất ô nhiễm và làm giảm khả năng linh động của kim loại trong đất(Ernst & nnk, 1996; Bouwman & nnk, 2001; Marseille & nnk, 2000)
Trang 16- (3) Cơ chế xử lý chất ô nhiễm nhờ quá trình thoát hơi nước ở thực vật
(Phytovolatilization): Thực vật có thể loại bỏ chất độc trong đất thông qua
cơ chế thoát hơi nước Đối với quá trình này, chất ô nhiễm hòa tan được hấpthụ cùng với nước vào rễ, chuyển hóa lên lá và bay hơi vào không khí thông
2.2.3 Các đối tượng thực vật được sử dụng trong mô hình
- Cây Bèo cái (Pistia stratiotes)
Loài cây Bèo cái (Pistia stratiotes), thuộc họ ráy (Araceae), bộ Alismatales
có mặt phổ biến ở các vùng nước ngọt của khu vực nhiệt đới và cận nhiệt đới Bèocái sống nổi trên mặt nước trong khi rễ của nó chìm dưới nước gần các đám lá trôinổi Bèo cái là một loại cây lâu năm một lá mầm với các lá dầy, mềm tạo ra hìnhdáng giống như một cái nơ Các lá có thể dài tới 14 cm và không có cuống, có màuxanh lục nhạt, với các gân lá song song, các mép lá gợn sóng và được che phủbằng các sợi lông tơ nhỏ và ngắn Bèo cái là một loài thực vật đơn tính, có các hoanhỏ ẩn ở đoạn giữa của cây trong các đám lá, các quả mọng màu lục có kích thướcnhỏ được tạo ra sau khi hoa được thụ phấn [9]
Bèo cái thông thường được sử dụng trong các ao nuôi cá ở các vùng nhiệtđới để tạo nơi trú ẩn cho cá bột và cá nhỏ Bèo cái cạnh tranh thức ăn với tảo trongnước vì thế nó có ích trong việc ngăn ngừa sự bùng nổ của loài này Một số tác giảcho rằng cây bèo cái có tác dụng hấp thụ các kim loại nặng và một số chất dinhdưỡng trong môi trường nước Vì thế họ cho rằng nó có tính năng chống ô nhiễmcho nước, đặc biệt quan trọng cho các vùng đô thị một số quốc gia đang phát triển,
do hệ thống dẫn và xử lý nước thải còn chưa hoàn chỉnh nên đã gây ra tình trạng ônhiễm nặng cho nước bề mặt [9], [1]