Nghiên cứu khả năng xử lý phú dưỡng của một số loài thực vật thủy sinh tại ao cá Bác hồ trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên.

Sự hướng dẫn của PGS.TS Đỗ Thị Lan em tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu khả năng xử lý phú dưỡng của một số loài thực vật thủy sinh tại ao cá Bác hồ trường Đại học Nông Lâm Thái N

LÊ TUẤN ANH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÁI NGUYÊN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Chuyên ngành: Khoa học môi trường

THÁI NGUYÊN - 2014

LÊ TUẤN ANH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÁI NGUYÊN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Chuyên ngành : Khoa học môi trường

Người hướng dẫn khoa học : PGS TS Đỗ Thị Lan

THÁI NGUYÊN – 2014

đào tạo Thực tập giúp cho sinh viên củng cố lại những kiến thức đã được học

trên lý thuyết và tập vận dụng, ứng dụng vào thực tế, đồng thời tạo điều kiện cho sinh viên tiếp xúc với thực tế Qua đó giúp sinh viên học hỏi và đúc kết

được nhiều kinh nghiệm thực tiễn phục vụ cho công tác sau khi ra trường

Được sự nhất trí của Khoa Tài nguyên và Môi trường, Trường Đại học

Nông Lâm - Đại học Thái Nguyên Sự hướng dẫn của PGS.TS Đỗ Thị Lan

em tiến hành nghiên cứu đề tài: “Nghiên cứu khả năng xử lý phú dưỡng của một số loài thực vật thủy sinh tại ao cá Bác hồ trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên”

Để đạt được kết quả như ngày hôm nay, em xin chân thành cảm ơn sự

giúp đỡ, dạy bảo tận tình của các thầy cô giáo trong Ban Giám hiệu nhà trường, Ban Chủ nhiệm Khoa Tài Nguyên và Môi trường cùng các thầy cô giáo Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn cô giáo PGS TS Đỗ Thị Lan đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện đề tài tốt nghiệp của em

Qua thời gian thực tập em đã rút ra được nhiều kinh nghiệm thực tế mà khi ngồi trên ghế nhà trường em chưa được biết đến Em xin chân thành cảm

ơn các thầy cô tại phòng thí nghiệm Khoa môi trường trường ĐHNL đã tạo điều kiện giúp đỡ, chỉ bảo cho em suốt quá trình thực tập tốt nghiệp

Do thời gian thực tập ngắn, em còn hạn chế về kiến thức cũng như kinh nghiệm thực tế nên khoá luận không tránh khỏi những sai sót Kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo để bản báo cáo khoá luận tốt nghiệp của em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, tháng 05 năm 2014

Sinh viên

Lê Tuấn Anh

PHẦN I: MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.3 Ý nghĩa của đề tài 2

1.4 Yêu cầu của đề tài 3

Phần II: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 4

2.1 Cơ sở lý luận 4

2.2 Một số chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước 5

2.2.1 pH: 5

2.2.2 Độ đục: 5

2.2.3 Mùi 5

2.2.4 Hàm lượng chất rắn 6

2.2.5 Hàm lượng oxy hòa tan (DO) 6

2.2.6 Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) 6

2.2.7 Nhu cầu oxy hóa học (COD) 7

2.2.8 Tổng số nitơ (T-N) 7

2.2.9.Tổng hàm lượng photpho (T-P) 8

2.3 Các khái niệm liên quan đến phú dưỡng hóa 8

2.4 Nguyên nhân và hậu quả của sự phú dưỡng 10

2.4.1 Nguyên nhân 10

2.4.2 Hậu quả của sự phú dưỡng 13

2.5 Các phương pháp chống lại phú dưỡng nước 15

2.6 Vai trò của thực vật thủy sinh trong xử lý nước phú dưỡng 18

2.7 Một số mô hình công nghệ sử dụng thực vật thủy sinh để xử lý nước 20 2.7.1 Hệ thống dòng chảy trên bề mặt (surface flow wtlands: SF): hay hệ thống bề mặt nước thoáng (free water surface:FWC) 21

2.8 Khả năng xử lý nước thải của thực vật nghiên cứu 23

2.9 Những kết quả nghiên cứu liên quan đến khả năng làm sạch nước của bèo ở Việt Nam 25

PHẦN 3: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28

3.1 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 28

3.1.1 Đối tượng nghiên cứu 28

3.1.2 Thời gian và địa điểm nghiên cứu: 28

3.1.3 Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm 28

3.2 Phương pháp nghiên cứu 29

3.2.1 Phương pháp lấy mẫu, vân chuyển và bảo quản mẫu: 29

3.2.2 Phương pháp đánh giá chất lượng nước 29

3.2.3 Phương pháp bố trí thí nghiệm 30

3.2.4 Phương pháp xử lý số liệu 31

3.3 Nội dung nghiên cứu và thảo luận 32

3.3.1.Đánh giá hiện trạng chất lượng nước ao cá Bác Hồ 32

3.3.2 Diễn biến về thể tích nước và khối lượng của 3 loại thực vật theo thời gian 32

3.3.3 Diễn biến về hàm lượng đạm trong nước ao cá Bác Hồ 32

3.3.4 Diễn biến hàm lượng lân trong nước ao cá Bác Hồ 32

3.3.5 Diễn biến về độ trong của nước Ao cá Bác Hồ 32

3.3.6 Diễn biến về hàm lượng COD trong nước ao cá Bác Hồ 32

PHẦN IV: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 33

4.1 Đánh giá hiện trạng chất lượng nước ao cá Bác Hồ 33

4.2 Diễn biến thể tích nước và khối lượng các loại thực vật trong các mẫu 34

4.3 Diễn biến về hàm lượng đạm trong các mẫu nước thí nghiệm 37

4.6 Diễn biến hàm lượng COD trong các mẫu nước thí nghiệm 50

PHẦN 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 55

5.1 Kết luận: 55

5.2 Kiến nghị: 56

TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 MỘT SỐ HÌNH ẢNH TRONG KHÓA LUẬN

BTNMT Bộ tài nguyên môi trường

SV Sinh vật

VSV Vi sinh vật

MT Môi trường

HST Hệ sinh thái

BOD Nhu cầu oxy sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand

COD Nhu cầu oxy hóa học ( Chemical Oxygen Demand)

Bảng 2.1 Đặc điểm chung của các hồ giàu và nghèo dinh dưỡng 9

Bảng 2.2 Đánh giá độ phì nhiêu của nước hồ 10

Bảng 4.1 Một số chỉ tiêu của nước trong ao cá chưa qua xử lý 33

Bảng 4.2 Diễn biến thể tích nước trong các mẫu sau xử lý 34

Bảng 4.3 Diễn biến khối lượng các loại cây qua các khoảng thời gian khác nhau 36

Bảng 4.4 Kết quả nghiên cứu khả năng xử lý N-Tổng số của bèo tây, ngổ trâu và rau muống tại phòng thí nghiệm 39

Bảng 4.5 Kết quả nghiên cứu khả năng xử lý P-Tổng số của Bèo tây, ngổ trâu và rau muống tại phòng thí nghiệm 43

Bảng 4.6 Kết quả nghiên cứu khả năng xử Cặn_Tổng số của Bèo tây, ngổ trâu và rau muống tại phòng thí nghiệm 46

Bảng 4.7 Kết quả nghiên cứu khả năng xử lý COD của Bèo tây, ngổ trâu và rau muống tại phòng thí nghiệm 50

Hình 2.1 Con đường chuyển tải các nguồn gây ô nhiễm phú dưỡng tới hồ 11

Hình 4.1 Diễn biến thể tích nước sau các khoảng thời gian xử lý bằng bèo tây, cây ngổ và rau muống 35

Hình 4.2 Tỷ lệ tăng trưởng khối lượng của bèo tây, cây ngổ và rau muống sau các khoảng thời gian khác nhau 36

Hình 4.3 Khả năng xử lý N-Tổng số của bèo tây, cây ngổ và rau muống trong phòng thí nghiệm 39

Hình 4.4 Hiệu xuất xử lý N_Tổng số của bèo tây, cây ngổ và rau muống trong phòng thí nghiệm 40

Hình 4.5 Khả năng xử lý N-Tổng số của bèo tây trong phòng thí nghiệm 40

Hình 4.6 Khả năng xử lý N-Tổng số của cây ngổ trong phòng thí nghiệm 41

Hình 4.7 Khả năng xử lý N-Tổng số của rau muống trong phòng thí nghiệm 41

Hình 4.8 Khả năng xử lý P-Tổng số của bèo tây, cây ngổ và rau muống trong phòng thí nghiệm 43

Hình 4.9 Hiệu xuất xử lý P_Tổng số của bèo tây, cây ngổ và rau muống trong phòng thí nghiệm 44

Hình 4.10 Khả năng xử lý P-Tổng số của bèo tây trong phòng thí nghiệm 44

Hình 4.11 Khả năng xử lý P-Tổng số của cây ngổ trong phòng thí nghiệm 45

Hình 4.12 Khả năng xử lý P-Tổng số của rau muống trong phòng thí nghiệm 45

Hình 4.13 Khả năng xử lý TSS của bèo tây, cây ngổ và rau muống trong phòng thí nghiệm 46

HÌnh 4.14 Hiệu xuất xử lý TSS của bèo tây, cây ngổ và rau muống trong phòng thí ghiệm 47

Hình4.15 Khả năng xử lý TSS của bèo tây trong phòng thí nghiệm 47

Hình 4.16 Khả năng xử lý TSS của cây ngổ trong phòng thí nghiệm 48

HÌnh 4.17 Khả năng xử lý TSS của rau muống trong phòng thí nghiệm 48

Hình 4.19 Hiệu xuất xử lý COD của bèo tây, cây ngổ và rau muống

trong phòng thí nghiệm 52Hình 4.20 Khả năng xử lý COD của bèo tây trong phòng thí nghiệm 52Hình 4.21 Khả năng xử lý COD của cây ngổ trong phòng thí nghiệm 53Hình 4.22 Khả năng xử lý COD của rau muống trong phòng thí nghiệm 53

PHẦN I

MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề

Nước là một trong những nguồn tài nguyên quý giá của nhân loại Nước giữ vai trò quan trọng trong các quá trình sống, từ đơn giản đến phức tạp Trong những năm gần đây các cụm từ: “môi trường”, “ô nhiễm môi trường”, “sinh thái học và bảo vệ môi trường” thường được nhắc đến không chỉ riêng ở Việt Nam chúng ta mà đang vang lên như lời cảnh tỉnh trên toàn thế giới Mỗi ngày con người đã đưa hàng triệu tấn chất thải vào môi trường nói chung, môi trường nước nói riêng, phần nhiều trong số này là các thành phần mang tính độc hại Đặc biệt, vấn đề ô nhiễm dinh dưỡng trong các thủy vực đang làm cho chất lượng nước thay đổi theo chiều hướng bất lợi, kể cả cho các mục đích sử dụng nước và hệ sinh thái Một trong những hậu quả chính của ô nhiễm dinh dưỡng là hiện tượng phú dưỡng

Phú dưỡng (eutrophication) một dạng suy giảm chất lượng nước thường xảy ra ở các hồ chứa, với hiện tượng nồng độ các chất dinh dưỡng nitơ, phospho trong hồ tăng cao, tỷ lệ P/N cao do sự tích lũy tương đối P so với N, làm bùng phát các loại thực vật nước (như rong, tảo ), tăng các chất lơ lửng, chất hữu cơ, làm suy giảm lượng oxy trong nước, gây ô nhiễm môi trường, cân bằng sinh thái bị thay đổi, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe và cuộc sống của con người

Đã có một số nghiên cứu nhằm giảm thiểu hiện trạng nước phú dưỡng

bằng các loài thực vật thủy sinh Phương pháp này tuy không giải quyết triệt

để được các thành phần gây ô nhiễm nhưng chi phí lại thấp, đối tượng nghiên

cứu phổ biến, thân thiện với con người Tuy nhiên, tùy theo điều kiện từng vùng và mức độ phú dưỡng môi trường nước khác nhau mà việc lựa chọn loài thực vật thủy sinh thích hợp là rất quan trọng

Xuất phát từ thực tế đó, với mong muốn góp phần nghiên cứu và giải

quyết vấn đề ô nhiễm nguồn nước phú dưỡng, em quyết định thực hiện nghiên

cứu đề tài: “Nghiên cứu khả năng xử lý phú dưỡng của một số loại thực vật thủy sinh tại ao cá Bác hồ trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên” dưới

sự hướng dẫn của cô giáo PGS.TS Đỗ Thị Lan

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

1.2.1 Mục tiêu tổng quát:

Luận văn tập trung đánh giá khả năng xử lý phú dưỡng của một số loài thực vật thủy sinh, góp phần giải quyết các vấn đề môi trường nước bằng biện pháp sinh học

- Đề xuất biện pháp phù hợp trong xử lý ao hồ phú dưỡg

1.3 Ý nghĩa của đề tài

1.3.1 Ý nghĩa khoa học:

- Bổ sung cho khoa học thực tế khả năng làm sạch môi trường nước của các loài thực vật thủy sinh

1.4 Yêu cầu của đề tài

- Đánh giá chính xác về chất lượng nước ao cá Bác Hồ trường ĐHNL Thái Nguyên

- Các số liệu điều tra, xử lý, phân tích phải trung thực chính xác

- Giải pháp đưa ra phù hợp với điều kiện của khu vực

Phần II TỔNG QUAN TÀI LIỆU

2.1 Cơ sở lý luận

Một số khái niệm:

- Ô nhiễm môi trường theo luật bảo vệ môi trường năm 2005 của Việt Nam: “Ô nhiễm môi trường là sự làm thay đổi tính chất của môi trường, vi phạm Tiêu chuẩn môi trường”

- Trên thế giới, “ô nhiễm môi trường được hiểu là việc chuyển các chất thải hoặc năng lượng vào môi trường đến mức có khả năng gây hại đến sức khỏe con người, đến sự phát triển sinh vật hoặc làm suy giảm chất lượng môi trường Các tác nhân ô nhiễm bao gồm các chất thải ở dạng khí (khí thải), lỏng (nước thải), rắn (chất thải rắn) chứa hóa chất hoặc tác nhân vật lý, sinh học và các dạng năng lượng như nhiệt độ, bức xạ”

Tuy nhiên môi trường chỉ được coi là bị ô nhiễm nếu trong đó hàm lượng, nồng độ hoặc cường độ các tác nhân trên đạt đến mức có khả năng gây tác động xấu đến con người, sinh vật và vật liệu. [8]

- Ô nhiễm nước theo hiến chương Châu Âu về nước đã định nghĩa: “ Ô nhiễm nước là sự biến đổi nói chung do con người đối với chất lượng nước, làm nhiễm bẩn nước và gây nguy hiểm cho con người, cho công nghiệp, nông nghiệp, nuôi cá, nghỉ ngơi, giải trí, cho động vật nuôi và các loài hoang dã”

Ô nhiễm nước có nguồn gốc tự nhiên: Do mưa, tuyết tan, gió bão, lũ lụt đưa vào môi trường nước chất thải bẩn, các sinh vật có hại kể cả xác chết của chúng.[10]

Ô nhiễm nước có nguồn gốc nhân tạo: Quá trình thải các chất độc hại chủ yếu dưới dạng lỏng như các chất thải sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp giao thông vào môi trường nước.[10]

2.2 Một số chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước

2.2.1 pH:

- pH của nước được đặc trưng bằng nồng độ ion H+ trong nước Giá trị

pH nước thải có ý nghĩa quan trọng trong quá trình xử lý Tính chất của nước

được định theo các giá trị khác nhau của pH

pH =7: Nước trung tính

pH >7: Nước mang tính kiềm

pH <7: Nước mang tính acid

Giá trị của pH cho phép ta quyết định xử lý theo phương pháp thích hợp, hoặc điều chỉnh lượng hóa chất cần thiết trong quá trình xử lý nước Các công trình xử lý nước thải áp dụng các quá trình sinh học hoạt động ở pH nằm trong giới hạn tử 6,5 – 9,0 Môi trường thuận lợi nhất để vi khuẩn phát triển thường có pH tử 7 – 8 Các vi khuẩn khác nhau thì có giới hạn pH khác nhau Ngoài ra, pH còn ảnh hưởng đến quá trình tạo bong cặn của các bể lắng bằng cách tạo bong cặn bằng phèn nhôm[8]

2.2.2 Độ đục:

- Nước tự nhiên sạch thường không chứa chất rắn lơ lửng nên trong suốt và không có màu Độ đục do các chất rắn lơ lửng gây ra Những hạt vật chất gây đục thường hấp phụ kim loại cùng các vi sinh vật gây bệnh Nước

đục còn ngăn cản quá trình chiếu sáng của mặt trời xuống đáy thủy vực làm

giảm quá trình quang hợp và nồng độ oxy hòa tan trong nước[5]

2.2.3 Mùi

- Mùi hôi thối khó ngửi của nước thải do các chất hữu cơ của nước thải

bị phân hủy, mùi của hóa chất, dầu mỡ trong nước Các chất có mùi như NH3,

CH4, H2S, các amin, các hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh

- Có thể xác định mùi của nước theo phương pháp đơn giản sau: Mẫu nước có trong bình đậy nắp kín, lắc khoảng 10 – 20s sau đó mở nắp, ngửi mùi rồi đánh giá không mùi, mùi nhẹ, trung bình, nặng và mùi rất nặng.[9]

2.2.4 Hàm lượng chất rắn

- Tổng chất rắn (TSS) là thông số quan trọng đặc trưng nhất của nước thải Nó bao gồm các chất rắn nổi lơ lửng và keo tan Các chất rắn lơ lửng có thể dẫn đến làm tăng khả năng bùn và điều kiện kỵ khí khi thải nước vào môi trường không qua xử lý

- TSS được xác định bằng trọng lượng thô phần còn lại khi cho bay hơi

1 lít nước trên bếp cách thủy rồi sấy khô ở 103 0C cho đến khi trọng lượng không đổi Đơn vị tính bằng mg/l (hoặc g/l)[10]

2.2.5 Hàm lượng oxy hòa tan (DO)

- Hàm lượng oxy hòa tan là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất vì oxy không thể thiếu được với các sinh vật Oxy duy trì quá trình trao đổi chất sinh ra năng lượng cho sự sinh trưởng, sinh sản và tái sinh sản xuất Khi thải các chất thải vào nguồn nước quá trình oxy hóa chúng xẽ làm giảm nồng độ oxy hòa tan trong các nguồn nước này, thậm chí có thể đe dọa sự sống của các loài cá cũng như các sinh vật trong nước

- Việc xác định thông số oxy hòa tan có ý nghĩa quan trọng trong việc duy trì điều kiện hiếu khí trong quá trình xử lý nước Mặt khác, lượng oxy hòa tan còn là cơ sở của phép phân tích xác định nhu cầu oxy sinh hóa

- Có 2 phương pháp xác định DO là phương pháp Winkler và phương pháp điện cực oxy[10]

2.2.6 Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD)

- BOD là lượng oxy cần thiết mà vi sinh vật sử dụng trong quá trình oxy hóa các chất hữu cơ dễ phân hủy có trong nước

- Phương trình tổng quát biểu diễn như sau:

Chất hữu cơ + O2 CO2 + H2O + sinh khối

- Chỉ số BOD là thông số quan trọng để đánh giá mức độ ô nhiễm của nước, BOD càng cao chứng tỏ lượng chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học trong nước ô nhiễm càng lớn[3]

- Trong thực tế, khó xác định được toàn bộ lượng oxy cần thiết để các

vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ có trong nước mà chỉ xác định lượng oxy cần thiết trong 5 ngày ở nhiệt độ 20oC trong bóng tối Mức oxy hóa các chất hữu cơ không đều theo thời gian Thời gian đầu, quá trình oxy hóa xảy ra với cường độ mạnh hơn và sau đó giảm dần[2]

2.2.7 Nhu cầu oxy hóa học (COD)

- COD là lượng oxy cần thiết cho toàn bộ quá trình oxy hóa các chất hữu cơ trong mẫu nước thành CO2 và H2O bằng tác nhân oxy hóa mạnh

- Trong thực tế, COD được dùng rộng rãi để đánh giá mức độ ô nhiễm các chất hữu cơ trong nước Do việc xác định chỉ số này nhanh hơn bằng cách dùng chất oxy hóa mạnh trong môi trường acid để oxy hóa chất hữu cơ[9]

- Ví dụ dùng chất oxy hóa mạnh như K2CrO7 thì phương trình phản ứng như sau;

Chất hữu cơ + CrO72- + H+ CO2 + H2O + Cr3+.

Sau đó đem đo mật độ quang của dung dịch phản ứng trên, dựa vào

đường chuẩn để xác định giá trị COD Vì chỉ số COD biểu thị cả lượng chất

hữu cơ không bị oxy hóa bởi vi sinh vật nên giá trị COD bao giờ cũng cao hơn giá trị BOD

2.2.8 Tổng số nitơ (T-N)

- Nitơ tổng số là tổng các hàm lượng nitơ hữu cơ, amoniac, nitrit, nitrat, chúng có vai trò quan trọng trong hệ sinh thái nước Vì vậy trong xử lý nước thải cùng với các chỉ số trên người ta cần xác định chỉ số tổng nitơ

- Hàm lượng nitơ hữu cơ được xác định bằng phương pháp Kendal Tổng nitơ Kendal là tổng nitơ hữu cơ và amoniac Chỉ tiêu amoniac thường

được xác định bằng phương pháp so màu

- Để xác định được nitơ theo phương pháp Kendal người ta phá mẫu bằng H2SO4 đặc nóng, khi đó các dạng nitơ hữu cơ chuyển về dạng ion NH4+

chuyển thành NH3 sau đó tách NH3 được cất tách ra và xác định bằng chuẩn độ

- Hàm lượng phospho thừa trong nước thải làm cho các loại tảo, các loại thực vật lớn phát triển mạnh làm gây tắc các thủy vực Hiện tượng tảo sinh trưởng mạnh do nước thừa dinh dưỡng, thực chất là hàm lượng P ở trong nước cao Sau đó tảo và vi sinh vật bị tự phân, thối rữa làm cho nước bị ô nhiễm thứ cấp, thiếu oxi hòa tan và làm cho tôm cá bị chết[9]

2.3 Các khái niệm liên quan đến phú dưỡng hóa

Từ phú dưỡng với nghĩa tổng quát là “giàu dinh dưỡng” được Naumann đưa ra năm 1919 (Lê Huy Bá và cộng sự, 2000), khi trình bày khái niệm về sạch và giàu dinh dưỡng Ông phân biệt: hồ sạch là hồ chứa ít tảo, thực vật lơ lửng, còn hồ phú dưỡng là hồ giàu thực vật trôi nổi

Sự phú dưỡng hóa được định nghĩa như là sự làm giàu nước quá mức bởi những chất dinh dưỡng vô cơ cùng với dinh dưỡng có nguồn gốc thực vật Thông thường đó là muối nitrat và phosphat Chúng gây lên sự gia tăng các sản phẩm sơ cấp Sự phú dưỡng hóa được coi là nhân tạo nếu do các hoạt

động của con người gây nên và gọi là tự nhiên nếu không phải do con người

gây ra (Brintin Wesley E, và cộng sự, 1972; Ellis K.V., và cộng sự, 1989; Lar kin P.A và cộng sự, 1974; Palmer C Mervin , 1980)[9]; Những đặc điểm chung của các hồ giàu và nghèo dinh dưỡng và chỉ dẫn để đánh giá độ phì nhiêu của nước hồ được thể hiện qua Bảng 2.1 và 2.2

Bảng 2.1 Đặc điểm chung của các hồ giàu và nghèo dinh dưỡng

Nghèo dinh dưỡng Phú dưỡng hóa

Oxy trong nước mùa hè Có Không

Tảo Nhiều loại, mật độ và

năng suất thấp, chủ yếu

là Chlorophyceae

Ít loại, mật độ và năng suất cao, chủ yếu là Cyanobacteria

Nguồn dinh dưỡng thực

vật

Cá Cá hồi và cá trắng Cá nước ngọt

(Nguồn: Lê Huy Bá và cộng sự, 2000)

Quá trình biến đổi về mặt lý, hóa học, sinh học xảy ra trong ao, hồ tự nhiên, cửa sông hay hồ chứa khí chúng nhận được lượng dinh dưỡng cao ( chủ yếu là muối nitơ và phospho) từ sự xói mòn hay từ các dòng nước mặt của các dòng xung quanh đổ vào thủy vực Sự phú dưỡng của thủy vực được

đặc trưng bởi hiệu suất sản sinh cao do được cung cấp đầy đủ chất dinh

dưỡng Ngược với loại thủy vực nghèo dinh dưỡng (oligotrophic), không sản sinh do ít các chất dinh dưỡng, ngoài ra còn có loại thủy vực dinh dưỡng trung bình (mesotrophic) là loại trung gian của hai loại trên ( Bộ Khoa học Công Nghệ và Môi trường, 1995; Robert G, Wetzel, 1975)[9]

Bảng 2.2 Đánh giá độ phì nhiêu của nước hồ

Chỉ tiêu Nghèo dinh

dưỡng Vừa dinh dưỡng Phú dưỡng hóa

trôi nổi (gC/m2 Ngày) 7-25 75-250 350-700

Nguồn: Kraonew, 1994 ( Lê Huy Bá và cộng sự, 2000)

Theo quan điểm khoa học, hồ phú dưỡng có đặc điểm thường là nông với sự sinh trưởng và phát triển mạnh mẽ của các loài thực vật hàm lượng các chất dinh dưỡng cơ bản trong hồ cao, hàm lượng trung bình hàng năm của các dạng nitơ vô cơ lớn hơn 0,3mg/l và hàm lượng phospho vô cơ trung bình năm lớn hơn 0,015 mg/l Độ kiềm dao động từ 50-100 mg/l Các hồ này là môi trường sống lí tưởng của rất nhiều loài thực vật nổi, một số loài có thể nở hoa phổ biến và thường xuyên trong mùa sinh trưởng Nhìn chung tổng sản lượng sơ cấp trong các hồ phú dưỡng dao động từ 0,5 – 5g CHC khô/ m2/ngày, trong mùa sinh trưởng thuận lợi nhất, trong khi sản lượng sơ cấp của cacbon hữu cơ là 480 tấn/km2/năm (Wilber Charles G ,1971)[9]

2.4 Nguyên nhân và hậu quả của sự phú dưỡng

2.4.1 Nguyên nhân

Có nhiều nguyên nhân gây lên sự phú dưỡng của nguồn nước Tuy nhiên,

sự phú dưỡng có khuynh hướng xảy ra đều đặn nhưng rất chậm thường là qua một giai đoạn hàng trăm năm Yếu tố quan trọng từ những hoạt động của con

người thường gây ra sự phú dưỡng nhanh chóng ( Wilber Charles , 1971)[10]

Khi nghiên cứu về môi trường và hệ sinh thái hồ, trong tổng lượng các nguồn nước thải đến hồ, nguồn phospho và nitơ luôn được quan tâm nhiều nhất bởi hai nguồn này là cơ sở vật chất ban đầu, là xuất phát điểm quyết định chất lượng môi trường nước và trầm tích đáy Các kết quả nghiên cứu từ trước tới nay về đầm hồ học đã tổng kết các nguồn dinh dưỡng tiềm năng đến hồ bao gồm:

- Nguồn dinh dưỡng ngoại lai (External Sources)

- Nguồn dinh dưỡng tại chỗ (Internal Sources)

Hình 2.1 Con đường chuyển tải các nguồn gây ô nhiễm phú dưỡng tới hồ

(theo Rying, Rast, 1989) ( Hồ Thanh Hải và cộng sự, 1998)

Nguồn dinh dưỡng ngoại lai được phân biệt bởi nguồn điểm ( Point Sources) và nguồn không điểm ( Non – point Sources) Nguồn dinh dưỡng

Khí quyển

Cống thải ( nguồn điểm)

Trầm tích đáy Nước ngầm

điểm là nguồn gây ô nhiễm có thể xác định được vị trí, lưu lượng cụ thể, ví dụ

như các nguồn nước thải từ đô thị, nước thải công nghiệp, nước thải sinh hoạt…Nguồn không điểm là nguồn không xác định được cụ thể vị trí, lưu lượng, ví dụ nước chảy tràn ở khu đô thị, nông thôn, nước mưa bị ô nhiễm (Lê THị Thanh Hương, 1998; Đặng Thanh và cộng sự, 2007)

Nguồn dinh dưỡng nội tại trong hồ (internal sources): là sản phẩm của quá trình quang hợp, trao đổi chất và năng lượng trong chu trình sống của các loài sinh vật thủy sinh Các yếu tố như nhiệt độ, ánh sáng, sự thoát nước chậm gây ứ đọng cũng có thể là nguyên nhân gây nên hiện tượng nở hoa của tảo

Các nguồn gây ô nhiễm cụ thể gồm:

- Nước thải đô thị: khoảng 70-90% tổng lượng nước sử dụng của đô thị chảy vào cống thoát nước

- Nước thải sinh hoạt: phát sinh từ các hộ gia định, bệnh viện, khách sạn, cơ quan, trường học, chứa các chất thải trong quá trình sinh hoạt

- Nước thải công nghiệp: từ các cơ sở sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp, giao thông vận tải …Nước thải công nghiệp không có thành phần

cơ bản giống nhau, nó phụ thuộc vào ngành sản xuất, ví dụ: nước thải của các

xí nghiệp chế biến thực phẩm thường chứa một lượng lớn các chất hữu cơ Tùy theo mức độ xử lý, nước thải công nghiệp xẽ được hòa vào hệ thống thoát nước chung hay hệ thống thoát nước riêng (Brault Jean loius, 1999)[9]

- Các nguồn từ nông thôn: gồm nguồn nông nghiệp, lâm nghiệp và dân

cư Trong đó nguồn nông nghiệp là nguồn quan trọng nhất ( Brittin Wesley E., và cộng sự, 1972)[9]

Từ các nguồn gây ô nhiễm, nguồn phospho dưới dạng muối phosphat (PO43-) là nguyên tố quan trọng đối với sự phát triển của thực vật và vi sinh vật Các chất này có thể thâm nhập vào nước thông qua các quá trình tự nhiên như: các dòng nước lũ chảy qua rừng, đầm lầy, sự xói mòn đất, các chất thải của chim và bò sát sống quanh hồ, sự cố định nitơ của các vi sinh ật… Khi bị

phân hủy dưới tác dụng của vi sinh vật nồng độ các ion dinh dưỡng tăng cao, gây ra sự phát triển của tảo ( Nguyễn Hữu Phú, 2001; Brittin Wesley., và cộng sự, 1972; Canale R.P., và cộng sự, 1973; Muaray, 1994; Mervat E and Logan A.W., 1996)[10]

Bên cạnh muối nitơ và phospho, một số chất khác như: các kim loại vi lượng, các vitamin, các axit amin cũng tham gia vào việc gây nên sự phú dưỡng (Brinttin Wesley, và cộng sự, 1972)[9]

Một số hồ trên thế giới có hàm lượng các chất gây phú dưỡng khá cao, tại Mỹ, lượng phospho nhân tạo trung bình vào khoảng 2,1 kg/người/năm tương đương với khoảng 1/6 lượng nitơ Hồ Washington nằm ở Tây Bắc nước Mỹ, có diện tích 87,6km2 và chỗ sâu nhất là 76,5 m, trong hồ các kết quả nghiên cứu cho thấy lượng phosphat vào mùa đông tăng đáng kể, mật độ thực vật trôi nổi vào mùa hè tăng vài lần trong những năm 1950, loài tảo lam Oscillatoria rubescens nở hoa dày đặc và có thể quan sát dễ dàng ( Lê Huy Bá

và cộng sự, 2007)

2.4.2 Hậu quả của sự phú dưỡng

Sự phú dưỡng gây ra những biến đổi rõ rệt tới hệ sinh thái, ảnh hưởng

đến môi trường nước, con người và cảnh quan môi trường sống Các ảnh

hưởng quan trọng nhất có thể là:

Làm cho sự cân bằng oxy bị phá vỡ Mức quá bão hòa oxy xảy ra vào thời gian được chiếu sáng ban ngày, lúc tảo nở hoa thực hiện quá trình quang hợp, nhưng vào ban đêm nồng độ oxy giảm xuống ở mức rất thấp thậm chí bằng 0 do sự hô hấp của tảo Mặt khác nồng độ oxy hòa tan thấp vào ban

đêm cũng do nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) của các sinh vật phân hủy các tảo

chết Điều này ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống các thủy sinh vật sống trong hồ, đặc biệt là các ( Brittin Wesley E., và cộng sự, 1972; Ellis K V., và cộng sự 1989; Larkin P.A., và cộng sự 1974; Palmerc Mervin…, 1980)[9] Các điều kiện kị khí ở nước mà sunfat bị khử thành hydrosunfua (H2S) gây

độc cho tất cả các sinh vật sống ở tầng nước sâu ( Ellis K V., và cộng sự

1989.; Palmer C.Mervin , 1980.)[9]

Theo Andersen P, 1996 hiện tượng nở hoa của tảo độc trong hồ phú dưỡng là hiện tượng mật độ của một hoặc một số loài tảo độc tăng bất thường

đạt tới mức có thể gây nguy hại tới các sinh vật khác Sự nở hoa của tảo độc

phát triển (dạng bọt có mùi, vị và nhìn thấy được), chúng có thể tiết độc chất

ra môi trường nước, tạo nên một lớp váng dày, có khi lên đến vài cm trên bề mặt thủy vực Làm thay đổi màu nước, giảm hiệu suất của chuỗi thức ăn vì những sinh vật ăn tảo bình thường không thể ăn chúng được và khi tàn lụi chúng sẽ gây ra mùi hôi thối, ô nhiễm môi trường, có thể gây thiệt hại với ngành du lịch( Nguyễn Xuân Nguyên và cộng sự, 2004; Nelson D.L., Cox M

M, 2000)[9]

Về mặt sức khỏe, hầu hết cả con người, động vât nuôi, chim… đều rất nhạy cảm với độc tố do tảo độc hại sinh ra Thông thường đó là các chất rất

độc với con người như: Hepatotoxin ( gây ung thư gan), Neurotoxin ( gây độc

thần kinh), hay chỉ đơn thuần là các chất gây dị ứng da và mắt ( Đặng Diễm Hồng, 2006) Khi tầng nước mặt bị che phủ bởi các lớp váng tảo nở hoa, người ta phải lấy nước cấp ở tầng sâu hơn Nếu sử dụng nước cấp này có thể gây ra một số vấn đề nghiêm trọng: gây tắc các ống lọc nước, làm giảm tuổi thọ các ống dẫn nước Trong tầng nước sâu các sản phẩm của sự phân hủy kị khí gây mùi khó chịu, mặt khác do tiềm năng oxy hóa khử giảm, nước có nồng độ sắt III thấp và các muối magan cao ( Ellis K.V., và cộng sự, 1989; Jones Gary J., 1994.)[9]

Tổ chức y tế Thế Giới (WHO) đã gửi quy định đới với nồng độ độc tố của tảo độc, hại ( nếu có) trong nước uống cho con người là không vượt quá 1µ.l-1

Trên Thế Giới, có rất nhiều bằng chứng cho thấy những thiệt hại do tảo độc, hại nở hoa gây nên rất lớn Theo thống kê, hàng năm trên Thế Giới

có khoảng 2000 người bị ngộ độc ( trong đó số người chết chiếm khoảng 15%) do tiêu thụ các động vật thân mềm hai mảnh vỏ hoặc do ăn phải các loài

cá bị nhiễm độc tố tảo ( Hallegraeff G.M và cộng sự, 1995)[10] Ví dụ: Trong khoảng thời gian từ tháng 9/1988 đến tháng 3/1989 tại các vịnh Villareal, Carigara và vùng Samar ( Philippin) đã có 45 người ngộ độc do độc tố tảo, trong đó có 6 người chết Ở vịnh Manila, từ năm 1988 đến năm 2001 đã có

672 trường hợp bị ngộ độc do độc tố tảo, trong đó có 101 người chết Trong năm 1989, ở vịnh False (Nam Phi), loài Gymnodinium sp nở hoa làm chết khoảng 40 tấn bòa ngư

Từ đó, chúng ta cần có những giải pháp khắc phục, cải thiện ô nhiễm phú dưỡng của các hồ trên mà vẫn đảm bảo tính nhân văn, lịch sử và sinh thái môi trường xung quanh

2.5 Các phương pháp chống lại phú dưỡng nước

Các phương pháp phục hồi thủy vực bị phú dưỡng hóa có thể chia làm

2 nhóm[9]:

- Giảm lượng dinh dưỡng đổ vào hồ từ bên ngoài

- Thực hiện các thao tác trong hồ (xây dựng đường hào, nạo vét lấy bùn, kè hồ cũng như lắp đặt các hệ thống sục khí làm giàu oxy cho các hồ nhỏ nên kết hợp với trồng thực vật nước ven bờ)

Việc đổ nước thải và chất thải vào các dòng nước và hồ là nguồn chủ yếu của các vấn đề gây nên hiện tượng phú dưỡng Ở Mỹ, 40% - 70% phospho trong nước thải là từ bột giặt Các trạm xử lý nước sinh hoạt có thể chứa đến 70% tổng lượng phospho tới hồ

Việc loại bỏ phospho trong bột giặt có thể giảm đến 50% tổng lượng phospho chảy vào hồ ( Lê Huy Bá và cộng sự, 2000)

Các phương pháp xử lý phospho bao gồm ba loại chính: vật lý, hóa học

và sinh học ( Wang X.J và cộng sự, 2006)[9] Trong đó phương pháp hóa học, kết tủa phospho bằng muối kim loại đã được ứng dụng rộng rãi ( yeoman S

và cộng sự, 1998; Lee S.I, và cộng sự, 2003)[9] Các kết tủa bao gồm

Al2(SO4)3, 18H2O,FeCl3.6H2O,FeSO4.7H2O,Fe(SO4)3 và Ca(OH)2 (Metcalf and Eddy,2003)[9]

Nói chung, hiệu suất xử lý phospho bằng kết tủa hóa học chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau Đặc biệt trong trường hợp nước thải có độ kiềm thấp, việc xử lý phospho bằng kết tủa rất khó thực hiện bởi pH thay đổi rất nhanh, ngay sau khi bổ sung các chất kết tủa, hiệu xuất xử lý phụ thuộc nhiều vào pH của nước thải ( Lujubinko L., và cộng sự, 2004)[6] Sau khi

Al2(SO4)3.18H2O được bổ sung, pH của nước thải giảm xuống Điều này là do thực tế một phần phèn nhôm đã bị kết tủa dưới dạng hydroxit và H+ hình thành trong nước theo phản ứng sau: Al3+ + 3H2O Al(OH)3 + 3H+ ( De Hass D.W., và cộng sự, 2000)[9] Qua một số nghiên cứu giá trị pH thích hợp nhất để kết tủa phospho trong nước có độ kiềm thấp bằng nhôm sunphat cũng gần với giới hạn pH tối ưu (6-7) ( Georgantas D.A., và cộng sự, 2006)[9]

Ngoài ra, phospho trong nước cũng được loại bỏ nhờ khả năng tích lũy phospho dưới dạng phospho liên kết ( polyphosphat) nhiều hơn mức cần thiết trong thành phần tế bào của một số vi sinh vật hấp thụ của tảo, các thực vật thủy sinh cố định cặn trong đáy nhờ sự kết tủa các ion hoặc muối canxi phosphat Việc thu hái sinh khối thực vật và lưu thông dòng chảy trong mùa sinh trưởng của thực vật là hết sức cần thiết để loại bỏ phospho phát sinh ( từ thân, cành rễ, lá thối rữa) Giai đoạn cuối cùng của quá trình loại bỏ phospho trong nước là thu hoạch sinh khối thực vật và trầm tích đáy (Jensen Ric, 1998, Sooknah, R.D., 1999)[9]

Loại bỏ nitơ khỏi nước thải là quá trình quan trọng nhất và cũng phức tạp nhất Nitơ tồn tại trong nước ở nhiều dạng NH3, nitơ hữu cơ, NO3

-, NO2 -

( Sooknah, R,D., 1999)[9], nitơ hữu cơ qua quá trình khoáng hóa trong điều kiện

kỵ khí được biến đổi thành amon Tuy nhiên, mức độ chuyển hóa này phụ thuộc vào nguồn gốc của nitơ hữu cơ, tỷ lệ C/N của chất hữu cơ cũng như chất

nhận điện tử Quá trình nitrat hóa chủ yếu được thực hiện dưới tác dụng của nhóm vi khuẩn tự dưỡng bắt buộc các vi khuẩn thuộc nhóm Nitrosomonas và Nitrobacter, chúng chuyển hóa amon thành nitrit và nitrat Ngoài khả năng oxy hóa amon, các vi khuẩn dị dưỡng còn có thể khử nitrat sinh trưởng cả trong những môi trường giàu hay nghèo chất hữu cơ Vì vậy, chúng là những vi khuẩn rất lý tưởng trong xử lý môi trường ô nhiễm do NH4+, NO3-, NO2- ( Nguyễn Đức Lượng và cộng sự, 2003; Trần Hiếu Nhuệ, 1998)[9]

Trong hệ thực vật thủy sinh, quá trình nitrat hóa có khả năng xảy ra trong nước và vùng rễ ở nồng độ thấp cacbon hữu cơ Khi nồng độ oxy của lớp nước phía dưới thực vật thủy sinh thấp, tỷ lệ nitrat hóa có thể bị giới hạn bởi lượng oxy cung cấp Quá trình phản nitrat hóa xảy ra khi có mặt của oxy, khi các vi sinh vật kị khí thích nghi sử dụng nitrat như là chất nhận điện tử cuối cùng trong quá trình hô hấp Trong quá trình này, lượng nitrat giảm xuống và sản sinh ra nitơ oxit và khí nitơ ( Sooknah, R.D., 1999)[9]

Người ta có thể kiểm soát sự nở hoa của tảo độc trong nước phú dưỡng bằng phương pháp hóa học, ví dụ dùng các hóa chất tiêu diệt trực tiếp tảo độc (như sunphat đồng, quynon, terbutryn…) hay là các chất có bản chất sinh học như L-Lysine (Yoshida M , và cộng sự, 2004)[9]

Kiểm soát bằng phương pháp vật lý: ví dụ như ở Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc người ta đã sử dụng bột sét làm chất kết bông để loại bỏ các tế bào tảo độc nở hoa và một số tảo khác không cần thiết trong thủy vực, hay việc khuấy sục bằng cơ học, sóng siêu âm cũng có tác dụng giảm số lượng và thành phần tảo gây nở hoa

Kiểm soát bằng phương pháp sinh học, ví dụ như sự phát triển của quẩn thể động vật ăn lọc, sống đáy là chiến lược phát triển lâu dài để kiểm soát các quần thể tảo trong nhưng vùng nhất định

Kiểm soát bằng phương pháp thủ công, ví dụ dùng pháo nổi gom dồn lớp váng tảo nở háo trên bề mặt ( Đặng Diễm Hồng, 2006)

Qua nghiên cứu cho thấy, khả năng tự làm sạch nước của thủy vực trong tự nhiên là do môi trường nước luôn diễn ra các quá trình lý hóa, sinh học bao gồm: hấp thụ các kim loại nặng thông qua các nhóm thực vật có bộ rễ trong tầng nước ( các loại bèo), các loại thực vật thủy sinh có rễ trong đáy thủy vực như ( lau sậy), phân hủy hoặc tích tụ các chất hữu cơ và các chất khác của sinh vật kết tủa và lắng đọng các chất bẩn vô cơ và hữu cơ, tăng hàm lượng oxy nhờ quang hợp của tảo và thực vật thủy sinh Điều đó cho thấy tầm quan trọng của thực vật thủy sinh trong các hồ ô nhiễm ( Đặng Ngọc Thanh

và cộng sự, 2007; Lê Huy Bá và cộng sự, 2000)

2.6 Vai trò của thực vật thủy sinh trong xử lý nước phú dưỡng

Thực vật thủy sinh (TVTS) là những loài cây sống, phát triển trong môi trường ngập nước Trong điều kiện nước thải chứa nhiều chất hữu cơ, sẽ rất tốt cho chúng phát triển, bộ rễ của TVTS chứa một hệ vi khuẩn phong phú giúp phân giải các chất hữu cơ làm thức ăn cho cây Thực tế cho thấy ao hồ

có hệ thực vật thủy sinh phát triển mạnh, chúng sử dụng chất hữu cơ đã hạn chế tảo phát triển, nước trong hơn Hệ rễ cũng giúp cố định các kim loại nặng

độc hại như Cd, Cu, Hg, và Zn để cho sự đồng hóa và phát triển sinh khối (

vista.gov.vn; nea.gov.vn)[10]

Nhiều TVTS mọc trong hệ sinh thái ngập nước bao gồm đất ngập nước nhân tạo, dùng để xử lý nước thải Những TVTS mọc ở đây gồm thực vật có mạch ( hạt kín và dương xỉ), rêu và một số tảo lớn trong đó thực vật hạt kín chiếm ưu thế TVTS giống như tất cả các cơ thể quang tự dưỡng khác sử dụng năng lượng ánh sáng mặt trời trong đồng hóa CO2 từ khí quyển để sản xuất chất hữu cơ cung cấp nguồn năng lượng cho các cơ thể dị dưỡng như động vật, nấm, vi khuẩn Hệ sinh thái đất ngập nước chủ yếu là cây thuỷ sinh là một trong số hệ sinh thái có năng suất sơ cấp cao nhất, do có sự dồi dào về ánh sáng, nước và chất dinh dưỡng (Brix,H.,1994, Westlake, D.F., 1962)[10]

, Wolverton và Mc Donald ( 1979)[9],

Paverly (1983)[6], Oron et al (1986)[9], Sutton và Orones (1975), Reddy (1983), Shukla và Tripathi et al (1990) ( U.S Environmental Protection Agency, 1998)[9] TVTS có thể được sử dụng một cách hiệu quả trong việc giảm thiếu mức độ ô nhiễm nguồn nước, sinh khối của chúng có thể được sử dụng để sản xuất bioga, thức ăn gia súc, đồ thủ công mỹ nghệ, sản xuất sợi hoặc phân bón Hiệu quả xử

lý ô nhiễm của một số loài thực vật thủy sinh và tảo đã được kiểm nghiệm trong các điều kiện thí nghiệm và cho thấy rằng chúng có tiềm năng trong xử lý nước thải ( Tripahi, D.B., Suresh C., Shukla., 1991)[8]

Người ta đã biết đến khả năng của TVTS trong việc vận chuyển oxy từ không khí vào trong nước nhờ bộ rễ, cho phép hình thành nhóm vi sinh vật hiếu khí trong bộ rễ thực vật Các vi sinh vật hiếu khí thích hợp cho việc phân giải các chất hữu cơ phức tạp thành các chất đơn giản Sản phẩm của quá trình phân giải này xẽ được thực vật sử dụng cho quá trình sinh trưởng, phát triển Khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm vô cơ và hữu cơ trong nước là có sự cộng sinh giữa thực vật thủy sinh và vi sinh vật sống trong và xung quanh rễ của chúng Thực vật và các vi sinh vật có thể đạt được hiệu quả xử lý cao khi chúng phối hợp với nhau trong một hệ sinh thái cân bằng ( Perdomo, Silvana D., 1994)[9] Oxy chuyển từ phần thân và lá khí sinh xuống bộ rễ và giải phóng ra vùng rễ, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa Bởi vậy thực vật thủy sinh đóng vai trò chủ yếu trong việc giảm nồng độ NH4

+

, NO2 -

, NO3

-, PO4 3-

, cũng như TSS, và COD (Greenway, M., 2003)[10]

Vai trò chủ yếu của thực vật thủy sinh

- Làm giá thể cho vi sinh vật sinh sống: Các vi sinh vật sống trên rễ và phần thân, lá có vai trò chính trong quá trình xử lý

- Tạo điều kiện cho quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa: Sự chuyển hóa từ NH3 thành NO3- xảy ra khi nước thải được sục khí, khi đó các vi khuẩn hiếu khí xẽ thực hiện chuyển hóa này Nếu như ở điều kiện kị khí xẽ tạo ra

quá trình ức chết oxy hóa NH3 thành dạng NO3- Tuy nhiên một lượng oxy khuếch tán từ rễ thực vật tạo ra một vùng hiếu khí, tạo điều kiện cho sinh trưởng của các vi sinh vật hiếu khí

- Chuyển hóa nước và chất ô nhiễm: Thực vật hấp thụ các chất và ion gây ra ô nhiễm vào trong cơ thể của chúng Trong quá trình xử lý các chất có tiềm năng gây ô nhiễm có thể ở trạng thái không hoạt động qua sự trao đổi, kết tủa, bám dính, tích tụ, oxy hóa và sự biến đổi các ion

- Sử dụng dinh dưỡng: TVTS sử dụng nitơ, phospho và các nguyên tố

vi lượng khác Mặt khác, phần lớn các chất dinh dưỡng được hấp thụ bởi thực vật sẽ quay trở lại hệ thống qua các phần thân, lá, rễ bị chết

- Lọc : Thân và lá của thực vật nửa ngập nước và rễ của thực vật nổi như là một lớp ngăn một số chất lơ lửng, tạo điều kiện cho sự phân hủy các hợp chất hữu cơ bằng cách kéo dài thời gian cho quá trình biến đổi sinh hóa

- Nguồn che sáng: TVTS giúp điều hòa nhiệt độ của nước, ngăn chặn sự phát triển của các nhóm tảo, qua đó hạn chế sự dao động của pH và lượng oxy hòa tan giữa ban ngày và ban đêm ( United…2002)[9] Trong tự nhiên, sử dụng TVTS cho sử lý nước thải có thể được tiến hành trong các kênh rạch với độ sâu

từ 20 – 50 cm hoặc trong các ao có độ sâu từ 50 cm – 2m Để xác định loài thực vật cho xử lý nước thải cần xem xét đặc điểm sinh trưởng, khả năng chống chịu của thực vật và các nhân tố môi trường( Greenway, M,.2003) [9]. Ngoài ra cũng cần xem xét đặc điểm của nước thải, yêu cầu về chất lượng dòng thải, loại hệ thủy sinh, cơ chế loại bỏ ô nhiễm, lựa chọn quy trình các chất thiết

kế đặc biệt, độ tin cậy của quá trình ( Perdomo, Silvana.D., 1994) [9].

2.7 Một số mô hình công nghệ sử dụng thực vật thủy sinh để xử lý nước

(EPA 1999; Robert W Seabloom và cộng sự, 2003; Ran N et al., 2004; Ronald W Crites và cộng sự., 1998; Rittmanm B.E, 2001; Robert H Kadlec, 1994; Vymazal J, 2006, Greenway M., 2003; Rober, W.,Seabloom, P.E, 2003; http:/host02.env.eng.osaka-u.ac.Jp)[9]

“Ở một số nước phát triển như Mỹ, Pháp, Nhật Bản, Đức, Hàn Quốc,…

đã khai thác thành công ưu điểm của thực vật thủy sinh để phát triển các công

nghệ xử lý nước thải Từ những năm 1980 rất nhiều cơ sở xử lý nước thải tại các bang nước Mỹ sử dụng các loài thực vật nổi và hệ thống hồ ổn định trong khâu cuối của quá trình xử lý Tại Pháp đến năm 1993 đã có 2600 trạm xử lý nước thải kết hợp sử dụng ao ổn định Tại Thụy Điển đến năm 2002, diện tích

đất sử dụng cho loại hình công nghệ này đã là 2350 ha còn tại Đan Mạch đến

năm 2004, con số này đã đến 3200ha Đến năm 2006, chỉ riêng ở Mỹ và Canada đã có hàng ngàn hệ thống xử lý nước thải( Thành Phố, công nghiệp, khai thác mỏ…) bằng công nghệ sử dụng TVTS đang hoạt động Phương pháp xử lý ô nhiễm hữu cơ và vô cơ tại vùng rễ của một số TVTS đã được nghiên cứu và triển khai có hiệu quả tại Đức, Nhật Bản”[9]

Công nghệ sử dụng thực vật trong xử lý nước thải được gọi là “ Constructed Wetland” được gọi là công nghệ đất ngập nước Thông thường 2 năm, lại có hội nghị quốc tế về vấn đề này Hội nghị lần thứ 10 tổ chức tại Bồ

Đào Nha vào tháng 9 năm 2006 có 183 báo cáo toàn văn của các nhà khoa

học từ 39 quốc gia trong đó có Việt Nam[10]

Nhìn chung việc sử dụng thực vật thủy sinh cho xử lý ô nhiễm được tóm tắt trong phạm vi các dạng công nghệ sau:

2.7.1 Hệ thống dòng chảy trên bề mặt (surface flow wtlands: SF): hay hệ thống bề mặt nước thoáng (free water surface:FWC)

Hệ thống này được xây dựng ở Mỹ để cải thiện chất lượng nước từ đầu những năm 1970 Trong hệ thống các thể hạt ( điển hình như TSS ) bị giữ và lắng xuống, các thể rắn chứa chất hữu cơ có thể bị phân hủy sinh học ( được xác định như BOD), tổng nitơ và phospho, rất it kim loại và các chất hữu cơ khác khó phân hủy Bề mặt là vùng tự dưỡng chủ yếu gồm tảo sợi, tảo trôi nổi hoặc TVTS nổi hoặc nửa nổi hạn chế ánh sáng xuống vùng sâu, do đó các quá trình vi sinh vật kị khí xảy ra là chủ yếu

Cơ chế loại bỏ các chất ô nhiễm

- Loại bỏ BOD và TSS: Các hạt riêng biệt lắng xuống một cách độc lập, bề mặt thân, lá và rễ cây trong nước tạo thành lớp màng do các loại tảo

bám làm cho chất dạng hạt bị chăn, dính bám và loại bỏ tại đây[9]

- Loại bỏ nitơ: Trong SF, ammonium có thể biến đổi thành nitrit (NO2) sau đó thành nitrat( NO3), nitrat hóa xảy ra hai bước: NH4 biến thành nitrit do

vi khuẩn thuộc chi Nitrosomonas: NH4+ 1,5 O2 2H+ + H2O +NO2-, tiếp đó nitrit được biến đổi thành nitrat do vi khuẩn nitrobactor: NO2 + 0.5 O2 NO3 Quá trình phản nitrat hóa xảy ra khi có mặt nguồn cacbon, oxy và sinh ra khí

N2, N2O Khi nhiệt độ thích hợp cho nitrat hóa, trên 50% nitơ có thể được loại bỏ[4]

- Loại bỏ Phospho: Phospho có mặt trong nước thải chủ yếu ở dạng phosphat Về cơ bản sự loại bỏ phosphat trong FWS là sự tích tụ dần trong trầm tích đáy bao gồm sự tách hóa lý và sự biến đổi phosphas sinh học

- Cơ chế loại bỏ sunfur: sunfur có dạng hữu cơ, H2S, Sunfur nguyên tố

và sunfat SO4, nó được cây, các vi sinh vật hấp thụ và tạo thành các mô tế bào

từ đó được động vật tiêu thụ

- Loại bỏ nguồn gây bệnh: Nước thải sinh hoạt trong đó nước thải từ bể

tự hoại đưa vào FWS có thế có các nguồn gây bệnh Các nguồn bệnh đường ruột khi vào FWS đã gặp phải môi trường không thuận lợi nên hầu hết chúng không sống sót được lâu Một số có thể kết hợp TSS và loại bỏ do lắng xuống, nước sau khi qua hệ thống FWS có số lượng colifom giảm đáng kể

- Loại bỏ kim loại: Các kim loại cần thiết cho thực vật và động vật sinh trưởng và phát triển nhưng chỉ với lượng rất nhỏ gồm: Ba, Cr, Co, Cu, I, Mn,

Mg, Mo, Ni, Se, Zn và S Các kim loại độc ở nồng độ vết là As, Cd, Pd, Hg

và Silver bạc Khi vào trong hệ thống FWS, kim loại sẽ bị chặn và hút bám lên bề mặt của cây, các mảnh vụn hữu cơ bị lắng đọng

2.7.2 Hệ thống dòng chảy ngầm hay công nghệ vùng rễ

Trong trường hợp này, TVTS thường là lau, sậy, cỏ lác… Chúng có rễ

ăn sâu trong nền cát, sỏi với độ sâu 0.5- 1m Nước thải chảy qua hệ thống các

khe hở trong nền cát, sỏi và được làm sạch nhờ hệ thống dễ cây, và hệ vi sinh

vật bám quanh rễ Trong thiết kế hệ thống dòng chảy ngầm cần lưu ý đến vấn

2.7.3 Hệ thống thực vật nổi ( Floating aquatic plant systems)

Thu nhận các chất dinh dưỡng và các nguyên tố cần thiết qua bộ rễ phát triển trong nước Sinh khối của một số loài bèo như bèo lục bình (Eichhornia reassipe), bèo cái (Postia straliotes), bèo tấm (Lemnaceae), bèo hoa dâu (Azolla caroliniana) và các loài thực vật nổi khác phát triển rất mạnh trong môi trường nước thải Bộ rễ của bèo còn là nơi cư trú của vi khuẩn hấp thụ và phân hủy chất hữu cơ

Trong đó, hai cây thủy sinh nổi được sử dụng phổ biến nhất là bèo tây

và bèo tấm Hai kiểu hệ thống xử lý nước thải sử dụng bèo tây chính là: hệ thống hiếu khí không thông khí (I) và hệ thống hiếu khí có thông khí (II) Hệ thống (I) là các ao nông dòng chảy bất kỳ hoặc các mương dòng chảy không

đều trồng bèo tây, hoạt động có hoặc không quay vòng dòng ra và nạp nước

thải từng bước Hệ thống (II) khác hệ thông (I) ở chỗ là có cấp khí bổ sung và mực nước sâu hơn Hệ thống (II) có ưu điểm là có thể có tải lượng hữu cơ cao hơn đồng thời diện tích giảm Địa hình bằng phẳng và hơi nghiêng là thích hợp để xây dựng hệ thống sử dụng bèo tây[9]

2.8 Khả năng xử lý nước thải của thực vật nghiên cứu

- Bèo tây (Eichhornia crappsipes (Mart) Solms), xuất xứ từ châu Nam

Mỹ, du nhập Việt Nam khoảng năm 1905, còn gọi là bèo Nhật Bản hay Lục bình, là loài thực vật nổi sống ở nước ngọt thuộc học Lục bình (Pontederiaceae)

Lá bèo tây dày, có hình elip hoặc ovan, mọc thành hình hoa thị, cuống

lá phồng và xốp giúp cho cây bèo có thể nổi được trên mặt nước Bèo tây sinh sản chủ yếu bằng chồi (nhờ thân bò) Rễ bèo tây có màu sẫm, dạng sợi, phía ngoài có nhiều lông tơ Bèo tây là một trong số thực vật nổi có nhiều ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới (Fujilka, R.S và cộng sự 1999; http:/vnexpress.net )[10]

Bèo tây sinh trưởng ở nhiệt độ 100C – 400C, nhưng mạnh nhất ở

200C – 230C Do đó ở nước ta chúng sống quanh năm Chúng phát triển mạnh từ tháng 4 – 10, ra hoa vào tháng 10, tháng 11, được xếp là một trong

10 loài cây có tốc độ sinh trưởng mạnh nhất TG (Damron,B.L and Wilson, H.R 2003; U.S Environmental Protection Agency, 1998)[10] Chúng có khản năng tăng gấp đôi sinh khối trong vòng 14 ngày (Aquatic Ecosytem Restoration Foundation, 2005; G.K., 1999)[9]

Trong điều kiện bình thường, bèo tây có thể bao phủ mặt nước với mật

, mật độ tối đa là 50kg/m2 (U.S Environmental protection Agency, 1998)[9] Tốc độ sinh trưởng của bèo tây phụ thuộc vào mật độ, nguồn dinh dưỡng trong nước thải và các điều kiện khí hậu Tốc độ sinh trưởng của bèo tây và thành phần dinh dưỡng của nước thải có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của quá trình xử lý Hấp thụ của thực vật là quá trình chủ yếu để loại bỏ dinh dưỡng từ nước thải chứa nhiều N và P (Jensen Ric, 1998)[10] Hiệu quả loại bỏ N trung bình là 1,2 kg N/ha/ngày, với P, hiệu quả loại bỏ trong trường hợp đảm bảo thu hái một cách hợp lý có thể đạt 30 – 50%, trường hợp không được thu hái, hiệu quả loại bỏ N là rất thấp (United States Deppartnent of Agriculture, 2002)[12] Bèo tây có khả năng đồng hóa

cả amon lẫn nitrat trong khi phần lớn các thực vật thủy sinh khác đồng hóa amon cao hơn so với nitrat (SooKnah, R.D., 1999)[9]

Từ những năm 1970, các nghiên cứu về khả năng xử lý nước thải của bèo tây đã được tiến hành ở Mỹ Các kết quả nghiên cứu cho thấy bèo tây có

thể loại bỏ BOD và TSS hết sức hiệu quả (hiệu suất đạt 60% -90%) Không chỉ làm giảm lượng BOD và TSS trong nước thải, bèo tây còn loại bỏ có hiệu quả NO3

Cu, As, Fe… Và mốt số chất có khả năng gây ung thư

Bèo tây còn góp phần hạ nhiệt độ của nước, giảm sự khuấy động mặt nước của gió và có đủ bóng che cần thiết để hạn chế phát triển tảo, qua đó giảm sự giao động lớn của pH và oxy hòa tan vào ban ngày (do hoạt dộng quang hợp của tảo gây ra) Ngoài ra, các nghiên cứu vể khả năng xử lý nước thải của bèo tây cũng được quan tâm ở một số nước trên Thế Giới như Zambia, Trung Quốc, Ai cập….(Shome, J.N., anh Neogi, S.K., 2001; Tang Shu-yu and Lu Xian-wen, 1993; Tawific, T.A., 2003)[9]

- Ngổ trâu có tên khoa học là Enydra fluctuans lour (tên tiếng anh là Bufalo spinach) còn gọi là ngổ đắng, ngổ trâu[10] Ngổ thường mọc theo dìa

ao, bờ ruộng, thuộc họ cây thân thảo, mọc bờ, thân rỗng, giòn, dài 20-30 cm,

có nhiều lông, mùi rất thơm lá mặt nhẵn, mọc đối, không cuống, hơi ôm thân Phần lá gần thân nhỏ lại, mép lá có răng cưa nhỏ và thưa Hoa gần như không cuống mọc đơn độc ở nách lá Quả nang nhẵn, có bướu và nếp nhăn dọc theo quả, ngắn hơn lá đài Hạt nhẵn hình trụ có màu đen nhạt, có vân mạng

Ngổ phân bố mọc nhiều nhất trong vùng Đông Nam Á, nơi chúng phát triển dễ dàng trong môi trường nóng và nhiều nước Chúng mọc nổi trên mặt nước nhưng cũng có thể trồng trên cạn nếu tưới nhiều nước, khi đó rau mọc thành bụi Rau này được sử dụng nhiều trong ẩm thực Việt Nam và cũng có thể dùng như một cây cảnh trong hồ cá cảnh hoặc bể thủy sinh

2.9 Những kết quả nghiên cứu liên quan đến khả năng làm sạch nước của bèo ở Việt Nam

Ở Việt Nam, vấn đề xử lý nước thải sinh hoạt đã và đang thu hút được

sự quan tâm của dư luận và các nhà nghiên cứu Phương pháp xử lý nước thải bằng thực vật thủy sinh là phương pháp một phương pháp đem lại hiệu quả

khá cao Nhiều nghiên cứu về khả năng xử lý ô nhiễm môi trường của thực vật thủy sinh đã được tiến hành

Gần đây, nhóm nghiên cứu Trường ĐH Xây dựng Hà Nội đã tiến hành nghiên cứu đề tài: “Xử lý nước thải sinh hoạt bằng bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy thẳng đứng trong điều kiện Việt Nam” Theo Nguyễn Việt Anh

(2006), “các kết quả nghiên cứu cho thấy, hiệu suất xử lý nước thải trong bãi

lọc trồng cây dòng chảy thẳng đứng, sử dụng vật liệu lọc sỏi và gạch vỡ, luôn ngập nước là rất tốt Hệ thống làm việc ổn định, dao động chất lượng nước

đầu ra không lớn Với sơ đồ 1 bậc, chất lượng nước đầu ra sau bể lọc trồng

cây cho phép đạt được tiêu chuẩn cột B, TCVN 5945-1995 đối với các chỉ tiêu COD, SS, TP Với sơ đồ 2 bậc nối tiếp, chất lượng nước đầu ra sau bể lọc trồng cây đạt tiêu chuẩn cột A, TCVN 5945 - 1995 hay mức 1, TCVN 6772 -

Một trong những loại thực vật thủy sinh được quan tâm nghiên cứu là

bèo Theo Phan Thị Thu Hằng (2008), cây bèo tây có thể làm sạch nước tưới

bị ô nhiễm Pb, Cd, As sau khi trồng 20 - 30 ngày Đây là một giải pháp sinh học hữu ích để xử lý các nguồn nước bị ô nhiễm kim loại nặng

Các nhà khoa học thuộc Trường Đại học Khoa học tự nhiên (Đại học Quốc gia Hà Nội) đã bước đầu thành công trong việc sử dụng bèo tây, rau muống để xử lý đất bị ô nhiễm chì Nhóm nghiên cứu này đã lấy mẫu đất tại ruộng trồng lúa thôn Đông Mai, xã Chỉ Đạo, huyện Văn Lâm, tỉnh Hưng

Yên để tiến hành nghiên cứu “Kết quả cho thấy, hàm lượng chì trong đất

giảm dần theo thời gian: Sau 20 ngày trồng rau, giảm 4,1% sau 40 ngày, giảm 7,3%; Sau 60 ngày, giảm 9% Nhóm nghiên cứu cũng nhận thấy, khả năng hút thu chì của bèo gấp 7,2 lần rau muống.” (Khoa học và đời sống,

2006)[6].

Nhóm cán bộ của Bộ môn Môi trường – Khoa Nông nghiệp và Sinh học ứng dụng - Trường Đại học Cần Thơ đã tiến hành đề tài “Nghiên cứu