Nghiên cứu áp dụng đảo nổi thực vật giảm thiểu sự ô nhiễm hồ đô thị: Thực nghiệm tại hồ Vĩnh Trung thành phố Đà Nẵng

Bài viết Nghiên cứu áp dụng đảo nổi thực vật giảm thiểu sự ô nhiễm hồ đô thị: Thực nghiệm tại hồ Vĩnh Trung thành phố Đà Nẵng trình bày sự phù hợp của công nghệ VFIs; Khả năng giảm thiểu ô nhiễm.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 7(80).2014 35 NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG ĐẢO NỔI THỰC VẬT GIẢM THIỂU SỰ Ô NHIỄM HỒ ĐÔ THỊ: THỰC NGHIỆM TẠI HỒ VĨNH TRUNG THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG RESEARCH ON APPLYING VEGETATED FLOATING ISLANDS TO THE REDUCTION OF POLLUTION IN URBAN LAKES: A CASE STUDY AT VINH TRUNG LAKE, DANANG CITY Trần Văn Quang, Phan Thị Kim Thủy Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; Email: tvquang@dut.udn.vn Tóm tắt - Hồ thị hình thành song song với q trình phát triển thị có vai trị điều hịa nước mưa, tạo cảnh quan Với hệ thống thoát nước hệ thống chung, điều kiện vệ sinh mơi trường cịn nhiều hạn chế, ô nhiễm chất hữu phú dưỡng làm giảm đáng kể giá trị sử dụng hồ hệ sinh thái đô thị Kết nghiên cứu thử nghiệm công nghệ đảo thực vật (VFIs) với Chuối hoa ống “Lund” hồ Vĩnh Trung, thành phố Đà Nẵng cho thấy: (1) với diện tích VFI 15%, chất lượng hồ phục hồi, nồng độ chất ô nhiễm: TSS, BOD5, COD, NNH4, P-PO4 đạt xấp xỉ cột B1, QCVN 08:2008/BTNM; (2) hướng tiếp cận mới, đầy tiềm việc bảo vệ phục hồi chất lượng nước hồ đô thị Abstract - Urban lakes, which are formed alongside the expanding process of cities, play an important role in regulating rainfall and creating landscapes With the joint drainage system, poor environmental sanitation, the pollution of organic matters and eutrophication has considerably reduced the lake's usage The results from the experimental research on Vegetated Floating Islands (VFIs) with Canna Indica via the "Lund" tube at Vinh Trung lake, Da Nang city, have showed that (1) with 15% of the VFI area, the water quality is restored, the concentration of pollutants namely TSS, BOD5, COD, N-NH4, P-PO4 approximately reached level B1 according to VN Standard 08:2008/BTNM; (2) this is a new, potential approach to the protection and restoration of water quality in urban lakes Từ khóa - chuối hoa; hồ thị; phú dưỡng; ô nhiễm; VFIs Key words - canna Indica; urban lakes; eutrophication; pollution; VFIs Đặt vấn đề hệ sinh thái tự nhiên nhân tạo với yếu tố điều khiển (giữa sinh vật với chất vô sinh môi trường) áp dụng rộng rãi nước phát triển việc kiểm soát phú dưỡng bảo vệ nguồn nước Kết áp dụng thực tiễn cho thấy, q trình cơng nghệ sinh thái đất ướt nhân tạo với dòng chảy tràn, hồ sinh vật với loài thực vật phù hợp… có khả hồi phục chất lượng kiểm soát ổn định phú dưỡng nguồn nước với chi phí thấp so với q trình cơng nghệ mơi trường Việc trồng, thả trì diện tích thực vât ổn định bề mặt thống với việc thu hoạch định kỳ lượng sinh khối gia tăng đồng thời làm giảm giảm lượng chất hữu chất dinh dưỡng nguồn nước [7] Công nghệ thảm thực vật (Floating Biofiltration Technology_FBFT) hay đảo thực vật (Vegetated Floating Islands_VFIs) dạng công nghệ kết hợp đất ướt hồ sinh vật với quần thể thực vật ưa nước cố định phát triển bề mặt lớp vật liệu xơ dừa loại nhựa phế liệu có tỷ trọng thấp Các nghiên cứu triển khai áp dụng công nghệ VFIs nước phát triển 10 năm gần cho thấy, cơng nghệ có nhiều ưu điểm bật việc nâng cao hiệu trình xử lý chất dĩnh dưỡng, chất lơ lửng, kim loại nặng chất ô nhiễm khác từ nguồn phân tán từ bên làm giảm nồng độ chất dinh dưỡng nguồn nước.[3; 8] Tương tự công trình đất ướt nhân tạo với hệ thực vật lai hợp, hệ rễ bên đảo cung cấp diện tích bề mặt lớn cho dính bám tăng trưởng màng vi sinh vật tạo điều kiện thuận lợi cho q trình chuyển hóa chất hữu Các vi sinh vật, phù phiêu thực vật thực vật cỡ lớn (macrophyte) hấp thụ chuyển hóa chất ô nhiễm vào chuỗi dinh dưỡng Các chất hữu dạng lơ lửng dính bám vào màng sinh học khu vực rễ bị phân hủy, trở thành thức ăn cho động vật phiêu sinh, Hồ thị hình thành với phát triển đô thị, gắn liền với yếu tố lịch sử, văn hóa cộng đồng dân cư mang lại nhiều lợi ích chất lượng sống người dân đô thị Trong quy hoạch phát triển thị, hồ thường khu vực có địa hình thấp, liên kết với với lưu vực nước bên hệ thống kênh, mương nước có chức điều hịa, tiêu nước mưa, tạo cảnh quan Dưới áp lực trình thị hóa, hồ thị Việt Nam thường có diện tích mặt nước hẹp nơng, chế độ thủy lực - thủy văn hồ phụ thuộc vào điều kiện khí hậu có thay đổi lớn theo mùa Vào mùa khô, mực nước thấp, nước hồ khơng có trao đổi với hệ thống bên ngược lại, vào mùa mưa mực nước cao có trao đổi liên tục tiếp nhận lượng lớn nước mưa chảy tràn lưu vực [6;10] Trong năm gần đây, hệ thống thu gom xử lý nước thải đô thị chưa đáp ứng với tốc độ thị hóa, với hệ thống thoát nước chung điều kiện vệ sinh mơi trường cịn nhiều hạn chế Vào mùa mưa lượng lớn chất ô nhiễm theo nước mưa chảy tràn vào hồ, tích lũy dần theo thời gian gây nên ô nhiễm nguồn nước hồ vào mùa khô Các biện pháp bảo vệ nguồn nước hồ đô thị thực bao gồm: xây dựng hệ thống cống thu gom nước thải, nạo vét bùn đáy thả bèo tây làm nước Mặc dù đầu tư lượng kinh phí khơng nhỏ cho biện pháp kỹ thuật quản lý vận hành, vấn đề ô nhiễm chưa giải Phần lớn thời gian năm, nước hồ ln có màu xanh lục đặc trưng loài tảo vào thời điểm nắng nóng, tảo phát triển “bùng nổ” gây nên tái ô nhiễm chất hữu phát sinh ô nhiễm mùi chết cá [9; 10] Cơng nghệ sinh thái q trình công nghệ thiết lập dựa sở mối quan hệ thành phần Trần Văn Quang, Phan Thị Kim Thủy 36 ấu trùng cá Chất rắn lơ lửng dạng phân tán nhỏ dạng lơ lửng bị kết tủa VFIs có khả tích trữ bon nic, cho phép loại bỏ chuyển hóa nitrat amoniac thành Nitơ Các q trình ngăn ngừa làm chậm lại tượng phú dưỡng giữ cho nguồn nước trạng thái cân [1;2;5;11] Các phân tích cho thấy, cơng nghệ VFIs hướng tiếp cận sinh thái có tính khả thi cao, có khả khắc phục tồn biện pháp kỹ thuật kiểm sốt nhiễm hồ đô thị thực triển khai nghiên cứu áp dụng công nghệ vào điều kiện thực tiễn để bảo vệ phục hồi chức hồ khu vực đô thị việc làm cần thiết Vật liệu phương pháp 2.1 Vật liệu mơ hình thực nghiệm Đảo thực vật sử dụng nghiên cứu thực nghiệm đệm chuyên dụng công ty Shingang Hi-Tech, Korea có kích thước 100 x 100 cm với lớp (a) (b) vật liệu: lưới nhựa polyester với bước lưới x cm, lớp sợi PE xốp thấm nước dày 5cm, lớp cao su xốp thấm nước dày 3cm, khung đỡ inox đan ô vuông 10 x 10 cm giá thể rễ nhân tạo có chiều dài 100 cm Thực vật sử dụng nghiên cứu chuối hoa (Canna Indica) trồng cách cố định trực tiếp lỗ có sẵn đệm neo thả bề mặt thống hồ (Hình 1a, b) Với mục đích đánh giá khả áp dụng công nghệ VFIs điều kiện thực tiễn, hai modul đảo với Chuối hoa với Bèo tây, đặt hồ Vĩnh trung khoảng thời gian năm, từ tháng 12/2012 đến tháng 1/2014 (Hình 1c) Và để có sở xác định hiệu làm nước q trình cơng nghệ, phần nhỏ hồ Vĩnh trung giới hạn ống “Lund” hình trụ có đường kính 4,5m nhựa PVC suốt, phía có vịng thép phía có ống nhựa phao để lập hồn tồn khối nước bên với bên hồ.[4] (c) (d) Hình Các thực nghiệm hồ Vĩnh Trung: (a) đệm nổi; (b) trồng Chuối hoa, (c) modul VFI với Chuối hoa Bèo tây (d) VFI với Chuối hoa ống thực nghiệm Tương tự thực nghiệm đầu, hai modul đảo với chuối hoa trồng Chuối hoa phát triển ổn định (sau tuần), cố định vào ống tiến hành thay nước ống cách tháo phao để nước bên xáo trộn hoàn toàn với bên ngoài, tỉa nhánh hoa để giảm tải trọng kích thích hoa (Hình 1d) Việc quan trắc tiến hành với tần suất lần/ngày điểm mơ hình điểm đối chứng bên ngồi với mẫu nước lấy độ sâu 20 100cm Khi thơng số chất lượng nước ống có thay đổi đáng kể theo thời gian, trình thay nước, thu dọn sinh khối quan trắc tiến hành lặp lại 2.2 Phương pháp Các thông số: nhiệt độ, pH, độ trong, DO ORP xác định trực tiếp trường thông số chất lượng nước: TSS, BOD5, COD, N-NH4 P-PO4, lấy mẫu, bảo quản, vận chuyển xác định phịng thí nghiệm Các dụng cụ lấy mẫu, thiết bị đo nhanh trường phương pháp sử dụng q trình phân tích thơng số chất lượng nước phịng thí nghiệm thiết bị kiểm tra, hiệu chỉnh quy trình phân tích phịng thí nghiệm thực theo phương pháp tiêu chuẩn Khả áp dụng công nghệ đảo thực vật điều kiện khí hậu thời tiết Miền Trung xem xét sở sinh trưởng phát triển Chuối hoa khả thích ứng, chống chịu mơ hình sau tượng cực đoan thời tiết mùa mưa, bão Mức độ giảm thiểu ô nhiễm chất hữu dinh dưỡng nguồn nước áp dụng công nghệ VFIs với Chuối hoa đánh giá sở so sánh số liệu quan trắc thông số chất lượng nước ống thực nghiệm điểm đối chứng bên Hiệu suất làm chất lơ lửng (TSS), chất hữu (BOD5 COD) chuyển hóa chất dinh dưỡng (N-NH4 P-PO4) tính tốn sở số liệu quan trắc thông số chất lượng nước tương ứng thời điểm bắt đầu kết thúc chu nghiệm Hiệu công nghệ VFIs đánh giá sở: so sánh thông số chất lượng nước ống thực nghiệm sau chu kỳ với QCVN 08:2008/BTNMT (Quy chuẩn quốc gia chất lượng nước mặt) kết tham vấn cộng đồng khả tạo cảnh quan cho khu vực công cộng VFIs Kết thảo luận 3.1 Sự phù hợp công nghệ VFIs Sự thích nghi phát triển Chuối hoa hai modul đảo thực vật trình bày hình 2a,b chất lượng đệm sau năm sử dụng trình bày Hình 2c 2d Các hình ảnh thử nghiệm VFIs với Chuối hoa năm cho thấy, môi trường nước hồ Vĩnh Trung bị ô nhiễm chất hữu phú dưỡng, phát triển Chuối hoa nhanh ổn định, đường kính thân, kích thước chiều cao hồn tồn tương tự điều kiện trồng đất Tuy nhiên môi trường nước giàu chất dinh dưỡng nên rễ phát triển TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 7(80).2014 chiều dài, lượng sinh khối tăng phát triển mạnh chiều cao (2d) ảnh hưởng đến trạng thái cân đệm cộng với ảnh hưởng gió lớn mùa bão nên cấu trúc đảo bị phá vỡ (Hình 2c) Để đảm bảo ổn 37 định cùa đệm, cần cắt tỉa định kỳ bổ sung vật liệu để giảm tải trọng sau mùa cần loại bỏ gốc già, thay biện pháp kỹ thuật neo đậu để mùa mưa bão (a) (b) (d) (c) Hình Các hình ảnh thử nghiệm VFIs hồ Vĩnh Trung thời điểm: (a) 6/2013; (b)12/2013; (c d) 1/2014 3.2 Khả giảm thiểu ô nhiễm Các kết quan trắc thay đổi thông số chất lượng nước ống thực nghiệm VFIs với Chuối hoa, điểm đối chứng bên theo thời gian mức quy định (cột B1 B2) QCVN 08:2008/BTNMT trình bày Hình Các kết quan trắc cho thấy: chất lượng nước đợt thử nghiệm, có thay đổi theo chiều hướng tốt Sau khoảng gần tuần, độ nước tăng dần nồng độ TSS, chất hữu cơ, chất dinh dưỡng giảm dần sau khoảng từ đến ngày, thay đổi không đáng kể (b) (c) (e) (f) (d) Hình Sự thay đổi thông số nước hai cột thử nghiệm với điểm đối chứng bên theo thời gian (a) độ trong, (b) TSS,(c) BOD5, (d) COD, (e) N-NH4 (f) P-PO4 so với mức quy định QCVN 01:2008 Nồng độ chất khối nước thử nghiệm giảm là VFIs với hệ thực vật phát triển ổn định phá vỡ trạng thái cân trình sinh thái - chất lượng nước khối nước, khống chất vơ chất dinh dưỡng nước có dịch chuyển dần vào sinh khối hệ thực vật Trạng thái ổn định, cân trình sinh thái – chất lượng nước thiết lập Nếu tiếp tục kéo dài thời gian, nồng độ chất ô nhiễm tiếp tục giảm mức giảm không đáng kể Với độ nước hồ thay đổi khoảng từ 13,5 đến 18,5 cm (trung bình 15 cm), TSS: 71 - 78 mg/l (73,5 mg/l), BOD5: 30-33,6 mg/l (31,4 mg/l), COD: 64-83 mg/l (72,8mg/l), N-NH4: 1,2-1,38 mg/l (1,28 mg/l) P-PO4: 1,02-1,2 mg/l (0,45 mg/l), sau đến ngày, độ nước ống thực nghiệm với VFI tăng thêm với mức tăng trung bình 7,15 cm, TSS cịn lại 36 – 46 mg/l (trung bình 41mg/l), BOD5: 15-19,1mg/l (16,9 mg/l), COD: 40 - 44mg/l (42,8 mg/l), N-NH4: 0,61 – 0,81mg/l (0,65 mg/l) P-PO4: 0,27 – 0,3mg/l (0,3 mg/l) So sánh với kết nghiên cứu tương tự với Trần Văn Quang, Phan Thị Kim Thủy 38 mẫu nước hồ điều kiện phịng thí nghiệm [8], nồng độ chất nhiễm cịn lại cao với TSS cao khoảng 5-9mg/l, BOD5 2-4mg/l, COD: 6-12mg/l, N-NH4: 0,120,15mg/l ngược lại với P-PO4 thấp 0,12-0,17mg/l với nghiên cứu hồ Đầm rong năm 2010, thông số: TSS, BOD5, COD xấp xỉ, N-NH4 P-PO4 có giá trị thấp Quan sát nước ống cho thấy, sau khoảng thời gian vài ngày, chất dạng lơ lửng (mảnh vụn hữu phù du thực vật) giảm đáng kể hình thành mảng huyền phù màu xanh, dính bám vào thành ống, đệm khu vực rễ Quá trình tương tự trình keo tụ sinh học với tác nhân sinh khối (màng) vi sinh vật hình thành từ q trình sinh hóa hiếu khí khu vực rễ sau q trình chuyển hóa tiếp tục xảy với lượng vật chất đông tụ, dẫn đến nồng độ chất nước có tốc độ giảm khơng đáng kể Tham khảo kết nghiên cứu tương tự tài liệu [3] cho thấy, nhận định hợp lý So với mức quy định chất lượng nước QCVN 08:2008/BTNMT, trạng thái cân mới, thông số TSS, BOD5, COD P-PO4 xấp xỉ thấp mức quy định cột B1, riêng N-NH4 lại có giá trị xấp xỉ cao cột B1 Điều cho thấy, để làm giảm lượng Ni tơ xuống thấp cần sử dụng thêm lồi thực vật khác có biện pháp thu hoạch sinh khối kịp thời để làm tăng tốc độ chuyển hóa hợp chất có chứa Nitơ nước Từ số liệu thực nghiệm, thông số công nghệ VFIs với Chuối hoa: hiệu suất làm giảm TSS (ETSS) 46% tương ứng với tải trọng (LTSS) 14,1 g/m2.ngđ, chuyển hóa chất hữu cơ: EBOD5 43%, LBOD: 5,6g/m2.ngđ., ECOD 43%, LCOD 12,4g/m2.ngđ chất dinh dưỡng: EN-NH4 53% LN-NH4 0,26g/m2.ngđ., EP-PO4 41% LP-PO4 0,07 g/m2.ngđ So với công nghệ đất ướt nhân tạo với Chuối hoa nghiên cứu [10] cho thấy, tải trọng xử lý chất ô nhiễm cao Cụ thể với TSS cao 2,7 lần, BOD5 3,6 lần, COD 3,7 lần, N-NH4 9,3 lần P-PO4 1,4 lần So sánh cho thấy, q trình chuyển hóa vật chất công nghệ đảo thực vật ý nghĩa q trình làm nước công nghệ đất ướt nhân tạo Trong công nghệ đất ướt nhân tạo, lượng vật chất chuyển hóa tách hoàn toàn khỏi nước ngược lại, lượng vật chất chuyển hóa cịn nước Cụ thể: lượng TSS (sinh khối từ trình sinh hóa hiếu khí tảo) dính bám rễ lắng đọng trầm tích, theo thời gian tích lũy dần nguy tái ô nhiễm không tránh khỏi Kết luận kiến nghị Trong điều kiện sở hạ tầng quản lý nước thị cịn nhiều hạn chế, ô nhiễm nguồn nước chất hữu phú dưỡng hồ đô thị điều không tránh khỏi Việc áp dụng công nghệ đảo thực vật với Chuối hoa hướng tiếp cận sinh thái, thân thiện với mơi trường, có hiệu cao việc giảm thiểu ô nhiễm, bảo vệ nguồn nước hồ đô thị đồng thời tạo cảnh quan đẹp khu vực công cộng Để áp dụng công nghệ VFIs vào thực tiễn điều kiện khí hậu khu vực Miền Trung Việt Nam, cần thiết triển khai thử nghiệm loại vật liệu rẻ tiền, dễ kiếm để thay đệm nhập ngoại triển khai áp dụng quy mô lớn với khoảng thời gian dài, để có thơng số q trình cơng nghệ có độ tin cậy cao Lời cảm ơn Nghiên cứu nhận tài trợ từ Bộ Giáo dục Đào tạo khuôn khổ đề tài khoa học công nghệ mã số B2012-01-04 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A.M.K Van de Moortel (2008) Use of floating mats for treatment of CSOs 11th Inter Conference on urban drainage, Edinburgh, Scotland, UK, 2008 [2] Bernie Masters (2012) The ability of vegetated floating islands to improve water quality in natural and constructed wetland: a review Water practice & Technology Vol No doi: 10.2166/wpt.2012.022 [3] Craig T Mallison, Randall.K., Stocker and Charles E Cichar (2001) Physical and vegettative characteristic of floating islands J.Aquat.Plant Manage 39:2011 Pp 107-111 [4] Lund, J.W.G (1975) The uses of large experimental tubes in lakes The effect of storage on water quality, 291-312 Vmedmenham Water research Centre [5] Mai Tuấn Anh (2011) Nghiên cứu ứng dụng thí điểm cơng nghệ thảm nổi/đảo phục hồi số ao, hồ/kênh, rạch bị nhiễm địa bàn huyện Bình Chánh, TP.HCM Báo cáo tổng kết đề tài, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh [6] Sở Tài nguyên Môi trường thành phố Đà Nẵng (2010), Báo cáo trạng môi trường giai đoạn 2005-2009, Đà Nẵng 2010 [7] Sven Erik Jørgensen and Lief Albert Jogensen (1989) Ecotechnological approaches to the restoration of lakes 357-374pp Ecological Engineering: An Introduction to Ecotechnology John Wiley & Sons, New York [8] T.R.Headley and C.C.Tanner (2012) Constructed wetland with floating emergent macrophytes: An innovative stormwater treatmet technology Critical Review in Environmental Science and Technology, 42:21, 2261-2310 [9] Trần Đức Hạ, Nguyễn Như Hà (2008) Nghiên cứu đề xuất giải pháp tổng hợp để cải thiện môi trường nước số hồ đô thị vùng sinh thái khác Báo cáo tổng kết đề tài cấp Bộ Xây dựng, mã số RDMT 15-06, 2008 [10] Trần Văn Quang, Báo cáo tổng kết đề tài KHCN cấp Bộ “ Nghiên cứu phục hồi bảo vệ nguồn nước hồ đô thị địa bàn thành phố Đà Nẵng giải pháp công nghệ sinh thái Đà Nẵng tháng 6/2014 [11] Tran Van Quang, Hoang Hai, Miki Yoshizumi (2008) Application of Eco-Technology Combined with Community Activities in the Reduction of Water Pollution Experimental Project at Dam Rong Lake, Thuan Phuoc Ward, Danang City, GSGES Asia Platform, Annual Report 2008 Kyoto University (BBT nhận bài: 06/07/2014, phản biện xong: 16/07/2014) ... pháp kỹ thuật kiểm sốt nhiễm hồ thị thực triển khai nghiên cứu áp dụng công nghệ vào điều kiện thực tiễn để bảo vệ phục hồi chức hồ khu vực ? ?ô thị việc làm cần thiết Vật liệu phương pháp 2.1 Vật. .. Quang, Báo cáo tổng kết đề tài KHCN cấp Bộ “ Nghiên cứu phục hồi bảo vệ nguồn nước hồ ? ?ô thị địa bàn thành phố Đà Nẵng giải pháp công nghệ sinh thái Đà Nẵng tháng 6/2014 [11] Tran Van Quang, Hoang... (2011) Nghiên cứu ứng dụng thí điểm công nghệ thảm nổi /đảo phục hồi số ao, hồ/ kênh, rạch bị ô nhiễm địa bàn huyện Bình Chánh, TP.HCM Báo cáo tổng kết đề tài, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí