Luận văn thạc sĩ Quản lý tài nguyên và môi trường: Giải pháp công nghệ thực vật nổi giảm thiểu ô nhiễm nước kênh rạch

TỔNG QUAN

Tổng quan về kênh rạch ở Thành phố Hồ Chí Minh

2.1.1 Tổng quan hiện trạng kênh rạch

Thành phố Hồ Chí Minh sở hữu mạng lưới sông ngòi, kênh rạch dày đặc, bao gồm các tiểu lưu vực chính như kênh Nhiêu Lộc - Thị Nghè và Tân Hóa - Lò Gốm Những dòng kênh này chảy qua nhiều quận huyện, tạo nên cảnh quan đô thị đặc trưng với hệ thống giao thông thủy phát triển.

Lò Gốm, Tàu Hủ - Bến Nghé - Kênh Đôi - Kênh Tẻ, Tham Lương – Bến Cát – Vàm Thuật với tổng chiều dài khoảng 76 km [3] Hệ thống các tuyến kênh, rạch này đảm nhận vai trò tiêu thoát nước, phục vụ giao thông thủy và điều hòa hệ sinh thái

Hệ thống kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè dài khoảng 8 km bắt đầu từ khu vực sân bay Tân Sơn Nhất, trải dài qua các quận Phú Nhuận, Quận 3, cuối cùng đổ ra sông Sài Gòn; đảm nhận vai trò tiêu thoát nước chính cho khu vực các Quận 3, Phú Nhuận và Tân Bình, một phần Quận 1 và Bình Thạnh Diện tích tiêu thoát khoảng 3.000 ha[4]

Hệ thống kênh Đôi – kênh Tẻ có vai trò tiêu thoát nước và giao thông thủy cho khu vực phía tây nam Thành phố Đoạn nhánh Bến Nghé – Tàu Hủ đảm nhận tiêu thoát nước của các Quận 1, Quận 5 và Quận 6 với diện tích tiêu khoảng 1.400 ha Hoạt động giao thông thủy và khả năng tải nước bị hạn chế do tại khu vực đoạn đầu các kênh rất nông[4]

Hệ thống kênh Tân Hóa - Lò Gốm dài 6,5 km có diện tích tiêu khoảng 1.800 ha với điểm đầu từ vùng địa hình cao phía tây nam quận Tân Bình, chảy qua Quận 11 và Quận 6 để thoát ra kênh Tân Hóa [4]

Hệ thống kênh Đôi – Tẻ - Tân Hóa – Lò Gốm nối với sông Bình Điền và các rạch lớn khác ở phía nam, sau đó thoát về hạ lưu sông Vàm Vỏ hay sông Nhà Bè Đây là trục tiêu thoát nước quan trọng của khu vực tây nam Thành phố Hồ Chí Minh do lưu lượng lớn, đồng thời cũng chịu ảnh hưởng mạnh mẽ của thủy triều.

Hệ thống kênh Tham Lương – Bến Cát – Vàm Thuật chảy qua địa bàn các quận

Bình Thạnh, Gò Vấp, Tân Bình, Hóc Môn, Bình Tân và đoạn cuối ở Bình Chánh là trục tiêu thoát nước thuộc phía bắc Thành phố Khu vực này tập trung nhiều nhà máy sản xuất công nghiệp dọc tuyến như dọc Quốc lộ 22, khu công nghiệp Tân Bình, [4]

HVTH: Nguyễn Thị Thanh Giang

GVHD: TS Võ Thị Diệu Hiền và PGS.TS Bùi Xuân Thành 5

Ngoài các hệ thống tiêu thoát nước chính trên, còn có các rạch lớn nhỏ phân bố rộng khắp địa bàn Thành phố chủ yếu để phục vụ cho các mục đích sinh hoạt, tưới tiêu như rạch Bến Mương – Láng Thé (phía huyện Củ Chi, Hóc Môn), Rạch Tra – Thầy Cai (phía huyện Củ Chi), kênh An Hạ (phía huyện Hóc Môn, Bình Chánh), các rạch thuộc địa bàn Thành phố Thủ Đức [4]

Tuy nhiên, cùng với sự phát triển của đô thị hóa, các dòng kênh này đã trở nên ô nhiễm nghiêm trọng, điều này đã tác động xấu đến môi trường và chất lượng sống của con người, trở thành một vấn đề nhức nhối cho xã hội Theo Báo cáo Tài nguyên nước Quốc gia giai đoạn 2016 – 2021 [5], thành phố ghi nhận các điểm nóng về ô nhiễm môi trường nước như: sông Sài Gòn đoạn qua cầu Ông Buông, cầu Chữ Y, cầu

An Lộc; sông Vàm Cỏ đoạn qua cảng Phú Định, cầu An Hạ,

Theo Báo cáo hiện trạng môi trường thành phố Hồ Chí Minh năm 2021, chất lượng nước mặt thành phố hiện không đạt ngưỡng tiêu chuẩn so với quy chuẩn quốc gia do ô nhiễm nước thải đô thị chưa qua xử lý, rác thải sinh hoạt xả trực tiếp xuống kênh rạch Tình trạng này càng trầm trọng khi các tuyến kênh rạch bị thu hẹp bề rộng, dẫn đến ô nhiễm cục bộ và cản trở tiêu thoát nước hiệu quả.

Tình trạng ô nhiễm nước ngày càng gia tăng do nhu cầu sử dụng nước ngày càng cao, dẫn đến sản sinh nhiều nước thải Việc xử lý nước thải chưa hiệu quả là nguyên nhân chính gây ô nhiễm nguồn nước nghiêm trọng Tại Việt Nam, ước tính mỗi năm có khoảng 9.000 người tử vong, 20.000 người mắc ung thư do ô nhiễm nước.

GVHD: TS Võ Thị Diệu Hiền và PGS.TS Bùi Xuân Thành 6 nguồn nước bị ô nhiễm [7] Đây là thực trạng đáng báo động mà hiện nay chưa có các biện pháp giải quyết triệt để

2.1.2 Tổng quan tình hình quản lý kênh rạch

Những năm gần đây, thành phố đã có nhiều nỗ lực để cải thiện chất lượng môi trường nước trên các tuyến kênh rạch Đối với công tác cải tạo kênh rạch, Thành phố đã đưa ra 25 dự án cải tạo, nạo vét các tuyến kênh trên địa bàn, dự kiến sẽ thực hiện và hoàn thành trong giai đoạn

Năm 2021, Thành phố triển khai thí điểm trên sông Vàm Thuật hệ thống thiết bị vớt, thu gom chất thải rắn với công suất 90 tấn/ca làm việc, bao gồm: tàu vớt rác, tàu ngoạm, băng tải, tàu xúc rác Đồng thời, Thành phố ban hành Chỉ thị 19 về cuộc vận động "Người dân không xả rác ra đường và kênh rạch" và áp dụng Nghị định số 45 với mức phạt từ 1-2 triệu đồng nhằm giảm thiểu tình trạng vứt bỏ chất thải xuống kênh rạch.

Nguồn tiếp nhận (Sông, kênh rạch)

Nước thải Công nghiệp – Dịch vụ Nước mưa

Hình 2 1 Sơ đồ hiện trạng xả thải ra kênh rạch Thành phố Hồ Chí Minh

GVHD: TS Võ Thị Diệu Hiền và PGS.TS Bùi Xuân Thành 7 với hành vi vứt bỏ chất thải xuống kênh rạch[10]; ngoài ra, chính quyền địa phương cũng đã triển khai các đợt tuyên truyền, vận động người dân giữ gìn vệ sinh môi trường, không xả rác xuống kênh rạch

Một số công nghệ xử lý nước kênh rạch hiện nay

Nước thải sinh hoạt tại nhiều khu vực hiện nay chưa được xử lý mà trực tiếp thải ra các kênh rạch gây ô nhiễm nghiêm trọng Nguyên nhân chính là các nhà máy xử lý nước thải tập trung không đủ công suất đáp ứng需求 nhu cầu, hệ thống thu gom nước về khu xử lý chưa đồng bộ Các biện pháp hạn chế ô nhiễm kênh rạch hiện nay chủ yếu là vớt rác thải và nạo vét bùn định kỳ Tuy nhiên, vì nước thải sinh hoạt là tác nhân chính gây ô nhiễm nên việc thu gom, xử lý nước thải trước khi xả là hết sức cần thiết.

2.2.1 Công nghệ xử lý theo mẻ SBR (Sequancing Batch Reactor)

Công nghệ SBR là phương pháp xử lý nước thải bằng công nghệ sinh học theo mẻ, sử dụng bùn hoạt tính để xử lý nước thải chứa chất hữu cơ và Nitơ, Photpho cao

Hệ thống gồm 05 pha tuần hoàn liên tục theo thứ tự: pha làm đầy; pha phản ứng, thổi khí; pha lắng; pha rút nước; pha ngưng [12]

Công nghệ SBR là công nghệ được sử dụng phổ biến hiện nay Nghiên cứu của Fernandes và cộng sự [13] được thực hiện tại Brazil đã chỉ ra rằng ứng dụng công nghệ SBR mang tính khả thi cao đối với việc xử lý ô nhiễm khi nồng độ đầu vào của nước thải có sự thay đổi lớn Tuy nhiên công nghệ này mang tính phức tạp trong việc kiểm soát do đó cần phải tính toán kỹ lưỡng các yếu tố vận hành

Hiện nay, hầu hết các nhà máy xử lý nước thải tập trung tại Việt Nam đều sử dụng công nghệ SBR như: Bình Hưng (TP.HCM), Tham Lương – Bến Cát (TP.HCM), Cần Thơ, Thủ Dầu 1 (Bình Dương), đạt hiệu quả xử lý BOD thường đạt trên 98% [14]

- Khả năng xử lý ô nhiễm cao;

- Phù hợp với nhiều hệ thống, công suất;

- Không cần sử dụng bể lắng riêng biệt;

- Dễ kiểm soát sự cố

- Quá trình vận hành phức tạp, yêu cầu người vận hành phải có trình độ chuyên môn;

- Lập trình hệ thống điều khiển tự động khó khăn;

- Hệ thống thổi khí dễ bị tắc do bùn

2.2.2 Công nghệ AAO (Anerobic – Anoxic – Oxic)

Công nghệ AAO (Anoxic-Aerobic-Oxic) là một quy trình sinh học liên tục, sử dụng ba bể xử lý khác nhau với hệ vi sinh đặc thù gồm: bể kỵ khí, bể thiếu khí và bể hiếu khí Nguyên lý hoạt động của công nghệ AAO diễn ra theo ba giai đoạn chính: xử lý sinh học kỵ khí nhằm khử BOD, COD; xử lý sinh học thiếu khí để loại bỏ nitơ, photpho; và xử lý sinh học hiếu khí để phân hủy các hợp chất hữu cơ còn lại.

Công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp AAO được ứng dụng rộng rãi tại nhiều nhà máy xử lý nước thải đô thị tại Trung Quốc Một nghiên cứu tại thành phố Trùng Khánh, Trung Quốc đã chứng minh hiệu suất xử lý cao khi công nghệ AAO kết hợp với thiết bị điện phân, đạt 77,24% đối với tổng Nitơ và 95,08% đối với tổng Photpho Tại Việt Nam, công nghệ AAO thường được kết hợp với công nghệ MBR để xử lý nước thải sinh hoạt trong một số hệ thống xử lý nước thải phân tán.

- Phù hợp với nước thải ô nhiễm hàm lượng Nito, Photpho, chất hữu cơ cao;

- Tiết kiệm năng lượng nhờ vào quá trình kỵ khí;

- Chi phí đầu tư xây dựng tương đối thấp;

- Lượng bùn thải phát sinh tương đối thấp

- Chất lượng nước đầu ra phụ thuộc nhiều yếu tố như: pH, vi sinh, nhiệt độ, khả năng lắng của bùn,

- Diện tích xây dựng hệ thống phải đủ lớn;

- Cần khử trùng nước đầu ra

2.2.3 Bể phản ứng sinh học màng (Membrane Bio-Reactor - MBR)

Công nghệ MBR là sự kết hợp giữa vi sinh trong bể bùn hoạt tính lơ lửng và công nghệ màng lọc sợi rỗng trong xử lý nước thải Điểm đặc biệt của công nghệ MBR là giữ lại hàm lượng bùn trong bể sinh học nhờ cơ chế vi lọc của màng Nhờ kích thước màng lọc rất nhỏ nên nước thải sau khi qua màng có chất lượng rất tốt.

Nguyên lý hoạt động của công nghệ này bao gồm các quá trình vi lọc (micro filtration), siêu lọc (ultra filtration), lọc nano (nano filtration), thẩm thấu ngược (reverse osmosis); các màng này được sử dụng như một bộ lọc loại bỏ các chất rắn, tạo ra một nguồn nước an toàn và không có mầm bệnh [18]

Công nghệ MBR được sử dụng nhiều nơi trên thế giới và tại Việt Nam để xử lý nước thải y tế, nước thải công nghiệp và khu dân cư, có khả năng loại bỏ ô nhiễm tốt Tuy nhiên, công nghệ này đòi hỏi chi phí đầu tư đắt đỏ, dễ bị tắc nghẽn màng nếu không vệ sinh định kỳ Thêm vào đó do cần dùng hóa chất để thực hiện vệ sinh định kỳ nên dẫn đến tốn kém thêm chi phí trong quá trình vận hành

- Thời gian lưu nước ngắn, thời gian lưu bùn dài;

- Không cần công đoạn lắng thứ cấp;

- Nước thải đầu ra có chất lượng tốt do loại bỏ được vi khuẩn, vi sinh vật có kích thước rất nhỏ, Coliform, E-Coli gây bệnh;

Nhờ hoạt động ở nồng độ bùn cao, hiệu suất công nghệ màng được cải thiện đáng kể từ 20-30% Kết quả là, nước thải sau xử lý đạt tiêu chuẩn tái sử dụng cho các mục đích tưới tiêu và vệ sinh, đem lại lợi ích đáng kể trong việc bảo tồn nước và giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

- Do kích thước rất nhỏ nên màng lọc thường dễ tắc nghẽn;

- Phải thường xuyên sử dụng hóa chất hoặc dùng hệ thống bơm hút để làm sạch màng MBR theo định kỳ từ 6 – 12 tháng

2.2.4 Bể phản ứng màng sinh học giá thể di động (Moving Bed Biofilm Reactor - MBBR)

Công nghệ MBBR là quá trình xử lý sinh học sử dụng các vật liệu làm giá thể cho vi sinh dính bám vào để sinh trưởng và phát triển Nguyên lý hoạt động của bể MBBR là sử dụng nhựa (giá thể vi sinh di động) trong bể sinh học để tăng lượng vi sinh có sẵn để phân hủy các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải, hệ thống khuấy chìm hoặc thổi khí sẽ khuấy trộn các giá thể nhằm đảm bảo các giá thể vi sinh được khuấy trộn liên tục [20]

Công nghệ MBBR được ứng dụng lần đầu tiên ở Nauy vào đầu thập niên 90 để loại bỏ các hợp chất ô nhiễm hữu cơ ra khỏi nước thải trước khi xả vào biển Bắc [21] Công nghệ này sau đó dần được ứng dụng rộng rãi tại châu Âu và Hoa Kỳ Hiện nay, công nghệ MBBR được ứng dụng rộng rãi trong nhiều nhà máy xử lý nước thải đô thị và công nghiệp trên khắp thế giới

Tại Việt Nam, công nghệ MBBR được ứng dụng để xử lý nước thải sinh hoạt của các khu dân cư, trường học, nhà hàng, khách sạn, bệnh viện, nước thải từ các ngành sản xuất, có hàm lượng BOD, Nito, Photpho cao

- Chịu được tải trọng hữu cơ cao (2.000 - 10.000 gBOD/m³ngày, 2.000 - 15.000 gCOD/m³ngày);

- Hiệu suất xử lý BOD lên đến 90%;

- Loại bỏ được Nito trong nước thải;

- Tiết kiệm được diện tích xây dựng

- Chi phí đầu tư ban đầu cao hơn so với các công nghệ xử lý khác;

- Sau bể MBBR, cần có bể lắng;

- Chất lượng dính bám phụ thuộc vào chất lượng của màng MBBR;

- Sau một thời gian sử dụng, màng MBBR rất dễ bị vỡ, gây nguy hiểm cho hệ thống bơm cũng như giảm hiệu quả dính bám của vi sinh

2.2.5 Công nghệ đất ngập nước kiến tạo (Contructed Wetlands)

GVHD: TS Võ Thị Diệu Hiền và PGS.TS Bùi Xuân Thành 12 Đất ngập nước kiến tạo là công nghệ cải thiện chất lượng nước thải thông qua các quá trình diễn ra tương tự trong các khu đất ngập nước tự nhiên nhưng được tối ưu hóa theo nhu cầu thực tế Nguyên lý hoạt động của công nghệ này là sử dụng thảm thực vật nâng cao hiệu quả lọc và hấp phụ các thành phần ô nhiễm, cung cấp diện tích bề mặt cho các vi sinh vật bám vào để tạo lớp màng sinh học xử lý ô nhiễm [22] Phân loại đất ngập nước kiến tạo:

Dạng dòng chảy đứng (Horizontal Flow System – HFS): được thiết kế sao cho nước thải đầu vào chảy theo phương thẳng đứng (từ trên xuống hoặc từ dưới lên) để đi đến các ống gom nước thải đầu ra Dạng dòng chảy đứng có thể chia ra thành các loại nhỏ như: dòng chảy đứng có trồng cây hay không có trồng cây; dòng chảy từ dưới lên hay dòng chảy từ trên xuống

Tổng quan về công nghệ FTW

2.3.1 Giới thiệu công nghệ FTW

Cơ chế loại bỏ chất ô nhiễm là dùng thực vật hấp thụ kim loại nặng, phân hủy sinh học các hợp chất hữu cơ bằng vi sinh vật, loại bỏ N và P bằng các quá trình hấp thụ và lắng đọng [23][24] Trong hệ thống FTW, thực vật giữ vai trò thiết yếu đối với sự loại bỏ chất ô nhiễm và rễ cây hoạt động như là một bộ lọc để làm sạch nước

Thực vật trên bè thủy sinh sử dụng chất ô nhiễm trong nước thải làm chất dinh dưỡng để tạo sinh khối Các loài thực vật cung cấp oxy qua hệ thống rễ vào môi trường nước thải tạo điều kiện thuận lợi cho các vi sinh vật hiếu khí phát triển để đạt được hiệu quả xử lý tốt hơn

Các vi sinh vật bám vào rễ (như hình 2.3) góp phần thúc đẩy quá trình như lọc, hấp thụ, hấp phụ để loại bỏ chất rắn lơ lửng, chất hữu cơ, kim loại nặng ra khỏi nước thải

Chất dinh dưỡng: hệ thống rễ của thực vật phát triển nhờ hấp thụ chất dinh dưỡng từ nước thải (N, P) Việc loại bỏ N là nhờ vi sinh vật màng sinh học phát triển trên bề mặt rễ Thông qua quá trình nitrat hóa và khử nitrat, Amoniac và Nitrat giải phóng vào khí quyển dưới dạng Nito Bên cạnh đó, cơ chế hấp thụ, tạo phức, kết tủa, đồng hóa thành vi sinh vật và sinh khối thực vật sẽ loại bỏ Photpho [24] Nhờ các quá trình này đã hạn chế sự phú dưỡng hóa, giữ cho nguồn nước ở trạng thái cân bằng

Hình 2 3 Mô hình bè thực vật nổi xử lý ô nhiễm nước

Hình 2 4 Cơ chế loại bỏ chất ô nhiễm của hệ thống FTW

Các chức năng chính của thực vật là: dùng rễ cây hấp thụ trực tiếp các chất ô nhiễm, sản xuất các enzyme ngoại bào bởi rễ [26], cung cấp diện tích bề mặt cho sự phát triển của màng sinh học [27], rễ cây tiết ra dịch rễ giúp khử nitrate [28] và giúp lọc các hạt lơ lửng [29]; ngoài ra, thực vật thủy sinh cũng giúp tăng cường sự keo tụ các chất lơ lửng [26]

Khả năng hấp thụ của thực vật phụ thuộc lớn vào hình thái và đặc tính sinh học của thực vật [30], chẳng hạn như hiệu quả hấp thu dinh dưỡng, khả năng tích lũy tối đa, tốc độ tăng trưởng, tốc độ quang hợp, sự vận chuyển Oxy trong thực vật, loại rễ, Các loài thực vật có bộ rễ dài và phát triển ổn định (như cỏ nến) sẽ có thể loại bỏ TP và TN tốt hơn các loài có bộ rễ chắc, gọn (như cây chuối hoa) [31]

Sự hấp thu chất dinh dưỡng của thực vật được phụ thuộc nhiều vào sinh khối thực vật hơn là những thay đổi về nồng độ chất dinh dưỡng [32] Ngoài ra, việc thực hiện thu hoạch sinh khối cũng rất quan trọng vì sau giai đoạn thực vật thanh lọc chất ô nhiễm, chúng sẽ tiến đến giai đoạn phân hủy, do vậy nếu không thu hoạch sinh khối kịp thời, các chất dinh dưỡng được hấp thu vào mô thực vật sẽ có thể phát tán trở lại vào nguồn nước [30]

Bảng 2 1 Ưu điểm và hạn chế của hệ thống FTW Ưu điểm Hạn chế

- Dễ điều chỉnh kích thước phù hợp với điều kiện thực tế

- Chi phí lắp đặt, vận hành tương đối thấp hơn so với các công trình xử lý ô nhiễm nước khác [2] [33]

- Cung cấp môi trường sống tự nhiên cho các loài sinh vật

- Tạo cảnh quan đô thị

- Là giải pháp hiệu quả, bền vững, thân thiện với môi trường và con người [2]

- Cần thu hoạch sinh khối định kỳ để tránh thực vật chết gây ra tái ô nhiễm [30]

- Các vật liệu làm mô hình có thể trở thành tác nhân gây ô nhiễm nếu không được kiểm soát tốt

2.3.2 Tình hình nghiên cứu ứng dụng FTW trong xử lý ô nhiễm nước

Các công trình nghiên cứu trên thế giới

Hiện nay trên thế giới, khái niệm về FTW đã không còn xa lạ đối với ứng dụng xử lý nước thải Các nghiên cứu thực hiện trên nhiều vùng lãnh thổ khác nhau và sử dụng các loài thực vật khác nhau đều cho thấy rằng phương pháp này có hiệu quả xử lý tốt, chi phí thấp và dễ áp dụng trong thực tế

Vào năm 1993, các đảo nổi nhân tạo (artificial floating island– AFI) đã được xây dựng tại hồ Kasumigaura ở Nhật Bản [34] Các đảo này được xây dựng chủ yếu bằng Polyurethane (nhựa PU) với các khung bằng thép, trên đó trồng các loại thực vật khác nhau, có chức năng chủ yếu là lọc nước, tạo môi trường sống, bảo vệ bờ và cải thiện cảnh quan Ý tưởng về AFI được hình thành rất lâu trong các kỹ thuật về môi trường ở Đức và Hoa Kỳ, nó cũng từng sử dụng ở hồ Biwa – Nhật Bản nhưng đến khi hệ thống AFI tại hồ Kasumigaura được giới thiệu tại hội nghị World Lake lần thứ 06 năm 1995 thì công nghệ này mới đặc biệt được chú ý

Nghiên cứu của Awad và cộng sự đã chứng minh việc sử dụng thực vật bản địa trong phương pháp xử lý nước thải ngầm (FTW) có hiệu quả trong việc giảm mức ô nhiễm cả trong nước mưa và nước thải Trong nghiên cứu cụ thể này, các loài thực vật bản địa được sử dụng là Boronia rubiginosa và Phragmites australis, và chúng đã cho thấy khả năng làm giảm đáng kể chất ô nhiễm trong các điều kiện khí hậu Địa Trung Hải.

Trung Hải Kết quả cũng cho thấy rằng kết hợp cả hai loài sẽ có lợi nhất cho việc loại bỏ TN và TP khỏi nước ô nhiễm

Nghiên cứu của Colares và cộng sự [36] cho thấy sự hiệu quả cao của hệ thống tích hợp FTW-AF-CW-MFC-RBF trong xử lý nước thải sinh hoạt và sản xuất điện sinh học Hệ thống này đạt hiệu suất xử lý ô nhiễm nước cao, giảm tới 64,65% COD, 81,95% BOD5, 93,17% N-NH3, 86,93% TP, 94,3% độ đục và tổng coliform.

Nghiên cứu của Winton và cộng sự [37] về thảm thực vật nổi ở lưu vực sông Zambezi – châu Phi cũng cho thấy rằng sử dụng thảm thực vật nổi tại đây đã giúp cân bằng hệ sinh thái môi trường nước, hạn chế sự phát triển của các sinh vật như: vi khuẩn lam, tảo, thực vật phù du, do khi các sinh vật này phân hủy nhanh chóng sẽ dẫn đến thiếu oxy và làm chết cá Ngoài ra khi thảm thực vật này già đi và chết, nó cũng có thể được sử dụng làm phân bón cho nông nghiệp

Nghiên cứu của Spangler và cộng sự tại Hoa Kỳ cho thấy các loài thực vật như Pontederia cordata và Juncus effusus có thể loại bỏ tới 90% chất ô nhiễm như TP và TN từ nước thải nông nghiệp Quá trình xử lý đạt hiệu quả tối ưu sau khoảng 4-5 tuần Ngoài ra, hệ thực vật nổi sử dụng cây Canna generalis kết hợp với các loài khác đã giảm 38-80% nồng độ nito và 26-64% nồng độ photpho trong nước thải chỉ sau 7 ngày thử nghiệm Trong lĩnh vực nước thải công nghiệp, các nghiên cứu sử dụng thực vật như bèo tây, bèo cái và cỏ nến cũng đã chứng minh khả năng giảm thiểu đáng kể chất ô nhiễm hữu cơ, vô cơ và kim loại nặng.

Trong công trình nghiên cứu xử lý nước thải, các nhà khoa học đã sử dụng kết hợp thực vật và vi khuẩn để tăng hiệu quả TS Võ Thị Diệu Hiền và PGS.TS Bùi Xuân Thành đã áp dụng cây sậy kết hợp với vi khuẩn thúc đẩy tăng trưởng thực vật và phân hủy thuốc nhuộm trong nước thải công nghiệp Nghiên cứu của họ chỉ ra rằng phương pháp này giúp tăng đáng kể sinh khối thực vật Ngoài ra, nhiều nghiên cứu khác cũng sử dụng các loại thực vật như cỏ nến kết hợp với vi khuẩn để xử lý ô nhiễm hữu cơ trong nước thải công nghiệp, góp phần cải thiện chất lượng nước.

Mô hình hệ thống FTW của Nain và cộng sự [40] được thực hiện tại Faisalabad, Pakistan đã vận hành trong hai năm cho thấy tiềm năng lâu dài của việc áp dụng cơ chế xử lý ô nhiễm của FTW Mô hình này có khả năng nhân rộng ở nhiều quốc gia, nhất là những nơi gặp hạn chế về kinh tế, khó khăn về vốn đầu tư và chi phí vận hành cho các công trình xử lý nước thải Đối với nước thải sinh hoạt: Nghiên cứu của Huth và cộng sự [32] thực hiện tại Úc trên 10 loài thực vật khác nhau là một trong các nghiên cứu đầu tiên thực hiện định lượng sự tích lũy sinh khối thực vật, nồng độ và sự hấp thu chất dinh dưỡng của các loài thực vật trong điều kiện hồ sinh học, theo đó, sự hấp thu chất dinh dưỡng của thực vật được kết luận là phụ thuộc nhiều vào sinh khối thực vật hơn là những thay đổi về nồng độ chất dinh dưỡng và tốc độ hấp thụ chất dinh dưỡng khác nhau giữa các loài, tổng tích lũy sinh khối của Baccharis articulata (họ Cúc) lần lượt cao hơn khoảng 2,3, 4,4 và 8,3 lần so với Phragmites australis (sậy), Carex appressa (cói) và Vetiveria zizaninides (cỏ lau); Prajapati và cộng sự [43] thực hiện một nghiên cứu tại Hà Lan kết luận rằng các loài thực vật như bèo cái (Pistia stratiotes), cải tai bèo (Lactuca sativa) có tiềm năng lớn trong việc giảm thiểu ô nhiễm TP, TN và chất hữu cơ nhờ vào hoạt động mạnh của các vi sinh vật có ở rễ

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nội dung nghiên cứu tổng thể

Nội dung 1: Đánh giá hệ thống kênh rạch tại thành phố Hồ Chí Minh

Nội dung 2: Đánh giá khả năng xử lý ô nhiễm của 06 thực vật được chọn thông qua mô hình FTW

Nội dung 3: Đề xuất công nghệ FTW xử lý ô nhiễm nước kênh, rạch

Hệ thống thực vật nổi xử lý ô nhiễm nước

(FTW) Đánh giá hệ thống kênh rạch TP.HCM

(03 tháng) Đánh giá khả năng xử lý ô nhiễm của

06 loài thực vật thông qua thí nghiệm Đánh giá khả năng xử lý ô nhiễm của

06 loài thực vật thông qua thí nghiệm Đối chứng

Tổng hợp, phân tích, đánh giá, kết luận Đánh giá, kết luận Đề xuất công nghệ FTW xử lý ô nhiễm nước kênh rạch

Chọn ra 03 loài thực vật có khả năng xử lý ô nhiễm cao nhất (N, P, COD, Hại khuẩn) Khảo sát thực tế

Hình 3 1 Sơ đồ nội dung nghiên cứu tổng thể

Đánh giá chất lượng nước hệ thống kênh rạch tại thành phố Hồ Chí Minh

Công việc và phương pháp thực hiện nội dung 1 được trình bày trong bảng sau:

Bảng 3 1 Phương pháp thực hiện Nội dung 1

STT Công việc thực hiện Phương pháp

1 Đánh giá tổng quan hiện trạng quản lý các tuyến kênh rạch hiện hữu: các chính sách liên quan, kết quả đạt được, các khó khăn,

Thu thập, tổng hợp tài liệu

2 Khảo sát, đánh giá hiện trạng ô nhiễm một số tuyến kênh rạch chính tại TP.HCM

Lấy mẫu, phân tích các chỉ tiêu môi trường nước Thống kê xử lý số liệu

So sánh với QCVN 08- MT:2015/BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt; Báo cáo hiện trạng môi trường hàng năm

3.2.2 Địa điểm khảo sát chất lượng nước kênh rạch thành phố Hồ Chí Minh Để phục vụ nội dung khảo sát chất lượng nước kênh rạch theo hiện trạng thực tế tại thành phố Hồ Chí Minh, việc lấy mẫu và phân tích các chỉ tiêu môi trường nước được thực hiện tại 16 địa điểm phân bố khắp 04 hệ thống kênh chính của thành phố Các điểm này được lựa chọn ở các vị trí rải rác dọc các tuyến kênh (chủ yếu là đầu tuyến, giữa tuyến và cuối tuyến) Mỗi địa điểm được tiến hành lấy 02 mẫu phân tích vào thời điểm ứng với 02 điều kiện triều (tổng cộng 32 mẫu) Phương pháp đo đạc, phân tích các chỉ tiêu môi trường nước được trình bày cụ thể tại mục 3.5

Bảng 3 2 Các vị trí lấy mẫu khảo sát chất lượng nước kênh rạch Thành phố Hồ Chí Minh

(Tọa độ) Ký hiệu Phường/Xã Quận/

1 Cầu An Phú NM1 An Phú 12 Kênh Vàm Tham

Phường 2 Quận 8 Kênh Đôi Đôi – Tẻ

Hình 3 2 Bản đồ phân bố các địa điểm lấy mẫu nước kênh rạch

Đánh giá khả năng xử lý ô nhiễm của 06 thực vật được chọn thông qua mô hình FTW

06 loài thực vật sẽ được nuôi trồng riêng biệt thành 06 hệ thống FTW quy mô phòng thí nghiệm Một hệ thống FTW không có thực vật sẽ được sử dụng làm hệ thống đối chứng Mô hình thí nghiệm có 07 bể được làm bằng vật liệu nhựa HDPE màu trắng và được bao bọc bởi khung thép Mỗi hệ thống sẽ được ký hiệu lần lượt là FTW 1, FTW 2, FTW 3, FTW 4, FTW 5, FTW 6, FTW C tương ứng với từng loại thực vật là Chuối hoa lai, Sậy, Cỏ voi, Thủy trúc, Cói bạc đầu, Cói thơm và hệ đối chứng

Mỗi bể có kích thước Dài x Cao x Rộng = 1,2 m x 1,2 m x 1 m Độ sâu mực nước được kiểm soát ~ 0,8 m Thể tích làm việc của mỗi FTW là 0,96 m 3 Phao nổi được làm từ ống nhựa PVC ỉ90 cú diện tớch Dài x Rộng = 0,7 m x 0,6 m = 0,42 m 2

Gạch đỏ sẽ được chọn làm giá thể vì đặc tính trơ của nó giúp cây trồng có thể đứng vững mà không ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý của thực vật (chiều cao giá thể vào khoảng 10 cm) Nước kênh ô nhiễm sẽ được thu thập đầu mẻ (thời gian vận hành của mẻ tùy thuộc vào thời gian xử lý chất ô nhiễm) và được sử dụng làm đầu vào cho FTW

Hình 3 3 Giá đỡ thực vật

Hình 3 4 Bể thực hiện mô hình thí nghiệm

3.3.2 Thực vật nghiên cứu a Tiêu chí lựa chọn thực vật

- Sức sống tốt và phát triển mạnh ở vùng nước mặn;

- Có hiệu suất xử lý tốt C, N, các chất ô nhiễm vi lượng, kim loại nặng;

- Phổ biến, tạo mảng xanh lớn;

- Cây mọc chùm, rễ phát triển tốt;

- Ưu tiên các loài thực vật có sẵn tại địa phương, chi phí thấp;

- Có thể ứng dụng tạo cảnh quan b Đặc điểm các thực vật được chọn Đặc điểm các thực vật được chọn cho mô hình FTW được trình bày trong bảng sau:

Bảng 3 3 Đặc điểm thực vật thí nghiệm

Sậy nam Thủy trúc Cói bạc đầu Cỏ voi Cói thơm Chuối hoa lai

Họ Poaceae Cyperaceae Cyperaceae Poaceae Cyperaceae Cannaceae

Phân bố Đầm lầy, suối, đầm lầy ngập mặn

Kênh, ao và ven sông, các khu vực nhiệt đới trên toàn thế giới

Bãi cỏ trống, đất hoang, ven đê, ruộng lúa

Quanh cây trồng, dọc theo lề đường, vùng đất ngập nước, đầm lầy, ven rừng, khu vực bị xáo trộn và đất hoang

Vùng nhiệt đới và nhiệt độ ấm áp, bờ kênh

Vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới, có thể được tìm thấy dọc theo lề đường, ao, hồ hoặc suối Đặc điểm

-Thân rễ và hệ thống rễ xơ

-Sinh trưởng nhanh với bộ rễ khỏe, chịu nước lâu dài ở đầm lầy

-Rễ: Thân rễ mảnh, bò dài, có màng vảy

-Hệ thống thân rễ dày đặc (đỏ đến tím)

-Bộ rễ phát triển mạnh, chống xói lở bờ sông

-Hoa vào mùa hè và

-Phát triển trong điều kiện đất chua và mặn

-Chống xói mòn khi trồng ven bờ suối

-Ưa nắng, ưa bóng râm, nơi có hàm lượng chất hữu cơ cao, pH thấp

Sậy nam Thủy trúc Cói bạc đầu Cỏ voi Cói thơm Chuối hoa lai phân nhánh, thường hình thành các quần thể đơn loài dày đặc và đất ngập nước

-Khả năng thích ứng mạnh mẽ mùa thu

- Có thể tồn tại ở những khu vực bị xáo trộn, cạnh tranh với thảm thực vật bản địa

-Phát triển tốt nhất trong đất ẩm, thoát nước tốt, nhưng chúng có thể chịu được một ít nước đọng hoặc hạn hán sau khi chúng được thiết lập

Tuổi thọ 4,5-6 năm 2-5 năm > 1 năm Cây lâu năm (tồn tại đến 20 năm trong tự nhiên)

Cây lâu năm ngắn ngày (1 năm)

Mua hàng tại TP.HCM

Kênh Chu Văn An Kênh Chu Văn An Kênh Chu Văn An Mua hàng tại

Sậy nam Thủy trúc Cói bạc đầu Cỏ voi Cói thơm Chuối hoa lai

GVHD: TS Võ Thị Diệu Hiền và PGS.TS Bùi Xuân Thành 36 c Chuẩn bị thực vật thí nghiệm

Các loại thực vật chuẩn bị cho thí nghiệm sẽ có các phương pháp chiết khác nhau đối với từng loại [56] Thực vật sau khi thu thập sẽ được tiến hành làm sạch, nuôi với nước máy để thích nghi với môi trường nước, sau đó các thực vật này sẽ được tiến hành nuôi bằng nước kênh cho đến khi thực vật đạt tỉ lệ sống ổn định

Bảng 3 4 Phương pháp chuẩn bị thực vật

Thực vật Phương pháp trồng và thích nghi Ký hiệu

Chuối hoa lai Thu hái cây cao khoảng 20 cm (không tính rễ), có khoảng 2 – 3 lá mầm, rửa sạch, cấy vào bể (có ánh sáng tốt), tưới bằng nước máy

Sau 2 tuần, bắt đầu nuôi bằng nước kênh

Sau khoảng 2 tuần, cây thích nghi ổn định, không có dấu hiệu héo úa

Sậy Thu hái, cắt đoạn khoảng 20 cm (không tính rễ), rửa sạch, cấy vào bể đảm bảo tỉ lệ sống, tưới bằng nước máy Sau 2 tuần, bắt đầu nuôi bằng nước kênh thu thập

Sau 1 tuần, cây thích nghi ổn định, không có dấu hiệu héo úa

Cỏ voi Thu hái, cắt đoạn khoảng 20 cm (không tính rễ), rửa sạch, cấy vào bể, tưới bằng nước máy Sau 2 tuần, bắt đầu nuôi bằng nước kênh thu thập

Thủy trúc Thu hái cây cao khoảng 20 cm (không tính rễ), rửa sạch, cấy vào bể, không cần tưới nước máy Sau 2 tuần, bắt đầu nuôi bằng nước kênh thu thập

Cói bạc đầu Thu hái, cắt đoạn khoảng 20 cm (không tính rễ), rửa sạch, cấy vào bể, tưới bằng nước máy Sau 2 tuần, bắt đầu nuôi bằng nước kênh thu thập

Cói thơm Thu hái, cắt đoạn khoảng 20 cm (không tính rễ), rửa sạch, cấy vào bể, không cần tưới bằng nước máy Sau 2 tuần, bắt đầu nuôi bằng nước kênh thu thập

Cây sau khi được chiết và thích nghi sẽ được tiến hành trồng vào hệ thống FTW như sau:

Sậy Cỏ voi Thủy trúc

Chiều dài trung bình (cm)

Mật độ cây/giá đỡ

Khối lượng thực vật/diện tích bề mặt - g/m 2

Qua thực hiện nội dung 1 là khảo sát đánh giá hiện trạng kênh rạch Thành phố

Hồ Chí Minh, từ các kết quả khảo sát, với tiêu chí chính là nguồn nước thải mang tính đại diện đặc trưng cho kênh rạch nội đô, tác giả lựa chọn nguồn nước nghiên cứu được lấy từ kênh Hàng Bàng – đường Bãi Sậy – Quận 6 – Thành phố Hồ Chí Minh, cách trường đại học Bách Khoa khoảng 3,5 km

Kênh Hàng Bàng dài 1.830 m, chạy từ rạch Lò Gốm (Quận 6) đến đường Vạn Tượng (Quận 5) ngay sau chợ Kim Biên Từ đây, kênh được nối với kênh Tàu Hủ qua một nhánh kênh ngắn chạy giữa hai con đường Kim Biên và Vạn Tượng, Quận 5

Hình 3 5 Vị trí lấy mẫu nước nghiên cứu

GVHD: TS Võ Thị Diệu Hiền và PGS.TS Bùi Xuân Thành 39 Đặc điểm nguồn nước nghiên cứu:

Bảng 3 5 Bảng kết quả phân tích chất lượng nước tại kênh Hàng Bàng, Quận 6

Thông số Đơn vị Giá trị

- Cột B2 – Giao thông thủy và các mục đích khác với yêu cầu nước chất lượng thấp

- Các thông số in đậm là thông số có giá trị vượt QCVN 08-MT:2015 – Cột B2

Dựa vào kết quả trình bày tại bảng 3.5, các thông số chất lượng nước về nồng độ oxy hòa tan (DO), amoni (NH4 +-N), nhu cầu oxy hóa học (COD), ô nhiễm vi sinh (Coliform) tại kênh Hàng Bàng không đạt quy chuẩn Cụ thể như sau:

- Giá trị thông số DO tại thời điểm đo đạc là 0,52 – 0,69 mg/L (thấp hơn so với mức DO tối thiểu theo quy chuẩn 3,8 – 2,9 lần);

- Giá trị thông số NH4 +-N tại thời điểm đo đạc là 12,6 - 16,8 mg/L (vượt quy chuẩn từ 14 - 19 lần);

- Giá trị thông số COD tại thời điểm đo đạc là 70,3 - 90 mg/L (vượt quy chuẩn 1,4 - 1,8 lần);

- Giá trị thông số Coliform tại thời điểm đo đạc là 62400 - 63100 mg/L (vượt quy chuẩn 6,2 - 6,3 lần);

Hình 3 6 Hiện trạng khu vực kênh lấy nguồn nước nghiên cứu

3.3.4 Các điều kiện vận hành

- Hệ thống FTW sẽ được đặt bên cạnh tòa nhà C4 trong khuôn viên của Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM (ĐHBK), được tiếp xúc trực tiếp và đầy đủ với nắng, gió, nhiệt độ của môi trường tự nhiên Vì vậy, khí hậu ở đây cũng được coi là đặc điểm chung của TP.HCM;

- Thực vật: Sậy nam, thủy trúc, cói bạc đầu, cỏ voi, cói thơm, chuối hoa lai;

- Thời gian vận hành theo mẻ: khoảng 30 ngày, trong quá trình này không thực hiện bổ sung hay thay đổi nguồn nước nghiên cứu ban đầu;

- Độ sâu mực nước được kiểm soát khoảng 0,8 m;

- Thể tích làm việc của mỗi FTW là 0,96 m 3

Hình 3 7 Mô hình các bể FTW

Phương pháp đánh giá phát triển sinh khối thực vật

Phương pháp đánh giá sinh khối thực vật dựa theo nghiên cứu của Chung và cộng sự cùng Vo và cộng sự Trong suốt quá trình thí nghiệm, cây trồng được kiểm tra tỷ lệ sống, chiều dài, tỷ lệ còn sống và khối lượng tươi/khô Đồng thời, tỷ lệ sống và sinh khối của cây cũng được theo dõi Để chuẩn bị mẫu, các cây được rửa sạch bằng nước máy để loại bỏ tạp chất bám trên bề mặt.

• Tỷ lệ sống: Tỷ lệ giữa số cây sống so với số cây ban đầu

• Sinh khối: Các cây trồng sẽ được xác định trọng lượng tươi Trong số các cây được chọn, một số ngẫu nhiên được lấy và phân tích trọng lượng khô (Sậy: 1 cây, Thủy trúc: 2 cây, Cói bạc đầu: 2 cây, Cỏ voi: 1 cây, Cói thơm: 2 cây, Chuối hoa lai: 1 cây) Sau 30 ngày, toàn bộ cây bao gồm cả thân, lá và rễ được xác định trọng lượng tươi Đối với trọng lượng khô, lấy ngẫu nhiên số lượng cây như trong phân tích

GVHD: TS Võ Thị Diệu Hiền và PGS.TS Bùi Xuân Thành 42 trọng lượng khô ban đầu Trọng lượng khô được xác định bằng cách cân thực vật tươi đã được sấy khô ở 70 °C cho đến khi trọng lượng không đổi [57] Từ kết quả ban đầu và kết quả cuối cùng, xác định lượng sinh khối tăng lên trong quá trình thí nghiệm

• Tốc độ phát triển chiều dài: Thực vật được đo vào đầu và cuối giai đoạn thí nghiệm Tốc độ tăng chiều dài là phần nhỏ của chiều dài cây tăng lên trong thời gian thí nghiệm Chiều dài chồi và rễ tối đa được đo cho mỗi chậu cây từ bề mặt nước trên (đối với chồi) và dưới (đối với rễ) của mặt nước Mật độ chồi và rễ được ước tính bằng cách đếm số chồi và rễ trên mỗi cây (mỗi cây một cây) Chồi và rễ sẽ được tách ra và cân lấy khối lượng tươi Trọng lượng khô được xác định bằng cách cân thực vật tươi đã được sấy khô ở 70 °C cho đến khi trọng lượng không đổi [57] Đây là phần sinh khối đã tăng lên trong quá trình thí nghiệm.

Phương pháp đo đạc, phân tích các chỉ tiêu môi trường nước

Phương pháp phân tích các chỉ tiêu môi trường nước được tác giả thực hiện tại Phòng thí nghiệm trọng điểm xử lý chất thải bậc cao - Đại học Quốc gia TP.HCM, tòa B7 trường Đại học Bách Khoa TP.HCM Mẫu nước được thu thập cách mặt nước khoảng 30 cm, tính từ phần đáy của giá đỡ thực vật nổi, các mẫu được lưu chứa riêng biệt đối với từng mô hình FTW để tiến hành phân tích

Bảng 3 6 Các chỉ tiêu phân tích chất lượng nước

Thông số Đơn vị Phương pháp phân tích Thiết bị Độ chính xác Tần suất pH - - Hanna HI98136 ± 0,01 01 lần/ngày

DO mg/L - YSI 550A 01 lần/ngày

Nhiệt độ nước o C - - ± 0,01 01 lần/ngày Độ đục NTU - - - 01 lần/ngày

Thông số Đơn vị Phương pháp phân tích Thiết bị Độ chính xác Tần suất

Sự tăng trưởng thực vật - - - - 01 lần/tuần

Sự đa dạng sinh học - - - - Khi có sự xuất hiện của sinh vật mới

TSS mg/L SMEWW 2540 D Tủ sấy 01 lần/tuần

NO 2 - -N mg/L SMEWW 2540 D Tủ sấy ± 0,01 mg/L

NO 3 - -N mg/L SMEWW 4500 NO - 2 B Jenway 7315 01-02 lần /ngày

NH 4 + -N mg/L SMEWW 4500 NH 3 B&C Máy chưng cất

TP mg/L SMEWW 4500 P D Jenway 7315 01 - 02 lần /ngày

Coliform CFU/100 mL SMEWW 9222 B 2017 Petri 02 lần /tuần

Phenanthroline Method Jenway 7315 02 lần /tuần

COD mg/L SMEWW 5220C:2017 01 lần/ngày

Phương pháp phân tích dữ liệu

Phân tích thống kê: Việc chuẩn bị và xử lý thống kê dữ liệu (kết quả phân tích mẫu) được thực hiện bằng Excel (Microsoft 365) và sử dụng phần mềm IBM SPSS Statistics, phiên bản 22

Tiêu đề	Giải pháp công nghệ thực vật nổi giảm thiểu ô nhiễm nước kênh rạch
Tác giả	Nguyễn Thị Thanh Giang
Người hướng dẫn	TS. Võ Thị Diệu Hiền, PGS. TS. Bùi Xuân Thành
Trường học	Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Quản lý Tài nguyên và Môi trường
Thể loại	Luận văn Thạc sĩ
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	141
Dung lượng	3,95 MB