a. Quan hệ sống của giới thủy sinh và quá trình tự làm sạch của nước
Giới thủy sinh có trong nước là vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn, nguyên sinh động vật, các động, thực vật phù du, tiêu biểu là tảo, các động thực vật bậc cao như tôm, cá,… Tùy nồng độ các chất hữu cơ dinh dưỡng trong nước, mức oxi hòa tan, nồng độ các chất có độc tính,… sẽ ảnh hưởng đến đời sống sinh vật thủy sinh. Nếu nồng độ chất hữu cơ, COD quá cao, nồng độ oxi hòa tan giảm đến mức tới hạn làm ảnh hưởng tới hệ sinh thái nước và đời sống của giới thủy sinh, dần theo thời gian nước sẽ tự làm sạch, hệ sinh thái nước sẽ được cân bằng trở lại. Đó là quá trình tự làm sạch của nước. Trong môi trường nước luôn có quá trình tự làm sạch, bao gồm các quá trình [5, 8]:
- Quá trình vật lý: Lắng đọng, pha loãng, hỗn hợp, thấm hút ngưng đọng… - Quá trình sinh hóa (khoáng hóa các CHC nhiễm bẩn).
- Quá trình hóa học: Ôxy hóa hoàn nguyên, hóa hợp phân giải…
Các quá trình trên xảy ra đồng thời, đan xen nhau và có tác động qua lại, đồng thời tiến hành quá trình trộn lẫn tương hợp. Tuy nhiên, khả năng tự làm sạch
Học viên: Đỗ Thị Lương – Lớp 13AQLTNMT-VY 19 của nước là có giới hạn. Khi số lượng vật ô nhiễm vượt quá khả năng tự làm sạch của nước (DO<4), hệ thống nước sẽ không thể phục hồi được [31].
Các vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ thành các chất vô cơ (khoáng hóa) cung cấp cho các thực vật thủy sinh, trước hết là tảo. Tảo và các thực vật thủy sinh khác cung cấp oxi cho vi khuẩn. Các loài thực vật thủy sin như tảo, rong đuôi chó, rong xương cá, lau lác, các loại bèo,… có rễ, thân tạo điều kiện cho vi khuẩn hiếu khí, ngoài ra còn cung cấp cho vi sinh vật những hoạt chất sinh học cần thiết, ngược lại vi khuẩn cung cấp ngay tại chỗ cho thực vật những sản phẩm trao đổi chất của mình, khu trú khu vực rễ của TVTS [4].
Vai trò của giới thủy sinh trong quá trình làm sạch nước [8]:
- Vi khuẩn đóng vai trò chủ yếu trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ. Trong quá trình sống của vi khuẩn, CO2 được sinh ra làm nguồn cacbon dinh dưỡng cho tảo và các loại thực vật nổi khác.
- Tảo và thực vật nổi khác sử dụng các chất khoáng, trong đó có CO2 cùng NH4+ do vi khuẩn tạo thành, để phát triển tăng sinh khối và thải ra oxi. Oxi phân tử này làm giàu oxi hòa tan trong nước tạo thuận lợi cho vi khuẩn hiếu khí các chất hữu cơ.
- Các thực vật bậc cao hơn như rong, rêu, cỏ lác, rau ngổ, các loại bèo,… cũng tham gia vào chu trình này, khử các sản phẩm phân hủy từ các chất hữu cơ do vi khuẩn, sử dụng CO2 cùng với nguồn amon, phosphat để tăng sinh khối và thải ra oxi.
- Động vật phù du ăn thực vật phù du và vi khuẩn, đồng thời cũng tham gia phân hủy các chất hữu cơ. Chúng có thể tách chất lơ lửng ra khỏi nước và làm cho nước trong.
b. Cơ chế các quá trình xử lý trong bãi lọc trồng cây
Để thiết kế, xây dựng, vận hành bãi lọc trồng cây chính xác, đạt hiệu quả cao, việc nắm rõ cơ chế xử lý nước thải của bãi lọc là hết sức cần thiết. Những cơ chế cơ bản loại bỏ chất bẩn trong nước thải ở bãi lọc trồng cây bao gồm: Lắng, kết
Học viên: Đỗ Thị Lương – Lớp 13AQLTNMT-VY 20 tủa, hấp phụ hóa học, trao đổi chất của vi sinh vật và sự hấp thụ của thực vật. Các chất ô nhiễm có thể được loại bỏ nhờ nhiều cơ chế đồng thời trong hệ thống [7, 11]:
* Loại bỏ các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học:
Trong các bãi lọc, phân hủy sinh học đóng vai trò lớn nhất trong việc loại bỏ các chất hữu cơ dạng hòa tan hay dạng keo có khả năng phân hủy sinh học (BOD) có trong nước thải. Quá trình phân hủy sinh học xảy ra khi các chất hữu cơ hòa tan được mang vào lớp màng vi sinh bám trên phần phần ngập nước của thực vật, hệ thống rễ và những vùng vật liệu lọc xung quanh, nhờ quá trình khuyếch tán. Vai trò của thực vật trong bãi lọc là: (1) cung cấp môi trường thích hợp cho VSV thực hiện quá trình phân hủy sinh học (hiếu khí) cư trú; (2) vận chuyển ôxy vào vùng rễ để cung cấp cho quá trình phân hủy sinh học hiếu khí trong lớp vật liệu và bộ rễ.
* Loại bỏ các chất rắn:
Các chất rắn lắng và một phần chất hữu cơ được loại bỏ dễ dàng nhờ cơ chế lắng trọng lực, vì hệ thống bãi lọc trồng cây có thời gian lưu nước dài. Chất rắn không lắng được, chất keo có thể được loại bỏ thông qua các cơ chế lọc (nếu sử dụng cát lọc); lắng và phân hủy sinh học (do sự phát triển của vi khuẩn); hút bám, hấp phụ lên các chất rắn khác (thực vật, đất, cát, lớp sỏi nền,…) nhờ lực hấp dẫn Van der Waals, chuyển động Brown.
* Loại bỏ Nitơ:
Nitơ được loại bỏ trong các bãi lọc nhờ 3 cơ chế chủ yếu sau: (1) nitrat hóa/khử nitrat; (2) sự bay hơi của amoniac (NH3); (3) sự hấp thụ của thực vật.
Trong các bãi lọc, sự chuyển hóa của nitơ xảy ra trong các tầng oxy hóa và khử của đất, bề mặt tiếp xúc giữa rễ và đất, và phần ngập nước của thực vật có thân nhô lên mặt nước. Nitơ hữu cơ bị khoáng hóa thành NH4+ trong cả hai lớp đất ôxy hóa và khử. Lớp ôxy hóa và phần ngập của thực vật là những nơi chủ yếu xảy ra quá trình nitrat hóa, tại đây NH4+ chuyển hóa thành NO2- bởi vi khuẩn
Học viên: Đỗ Thị Lương – Lớp 13AQLTNMT-VY 21 Bước 1: NH4+ + 1,5O2 NO2- + 2H+ + H2O
Bước 2: NO2- + 0,5O2 NO3-
Ở môi trường pH cao hơn, một số NH4+ chuyển sang dạng NH3 và bay hơi vào không khí. Nitrat trong vùng khử sẽ bị hụt đi nhờ quá trình khử nitrat, lọc hay do thực vật hấp thụ. Tuy nhiên, nitrat lại được cấp vào từ vùng ôxy hóa nhờ hiện tượng khuyếch tán.
Đối với lớp bề mặt chung giữa đất và rễ, ôxy từ khí quyển khuyếch tán vào vùng rễ qua lá, thân, gốc, rễ của các cây trồng trong bãi lọc và tạo nên một lớp giàu ôxy tương tự như lớp bề mặt chung giữa đất và nước. Quá trình nitrat hóa diễn ra ở vùng rễ hiếu khí, tại đây NH4+ bị ôxy hóa thành NO3-. Phần NO3- không bị cây trồng hấp thụ sẽ khuyếch tán vào vùng thiếu khí và bị khử thành N2 do quá trình khử nitrat.
NO3- + 1,08CH3OH + H+ 0,065C5H7O2N + 0,47N2 + 0,76CO2 + 2,44H2O Ngoài ra, lượng amoni trong vùng rễ được bổ sung nhờ nguồn NH4+ từ vùng thiếu khí khuyếch tán vào.
* Loại bỏ Phốtpho:
Cơ chế loại bỏ phốtpho trong bãi lọc gồm có sự hấp thụ của thực vật, các quá trình đồng hóa của vi khuẩn, sự hấp phụ lên đất, vật liệu lọc (chủ yếu là lên đất sét) và các chất hữu cơ, kết tủa và lắng cùng các ion Ca2+, Mg2+, Fe3+ và Mn2+.
Khi thời gian lưu nước dài và đất sử dụng có cấu trúc mịn thì các quá trình loại bỏ phốtpho chủ yếu là sự hấp phụ và kết tủa, do điều kiện này tạo cơ hội tốt cho quá trình hấp phụ phốt pho và các phản ứng trong đất xảy ra.
Các quá trình hấp phụ, kết tủa và lắng chỉ đưa được phốt pho vào đất hay vật liệu lọc. Khi lượng phốt pho trong lớp vật liệu vượt quá khả năng chứa thì phần vật liệu hay lớp trầm tích đó phải được nạo vét và xả bỏ.
Nitrosomonas
Học viên: Đỗ Thị Lương – Lớp 13AQLTNMT-VY 22
* Loại bỏ các hợp chất hữu cơ:
Các hợp chất hữu cơ được loại bỏ trong các bãi lọc trồng cây chủ yếu nhờ cơ chế bay hơi, hấp phụ, phân hủy bởi các vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn và nấm), và hấp thụ của thực vật.
Yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất loại bỏ các hợp chất hữu cơ nhờ quá trình bay hơi là hàm số phụ thuộc của trọng lượng phân tử chất ô nhiễm và áp suất riêng phần giữa hai pha khí – nước xác định bởi định luật Henry.
Quá trình phân hủy các chất bẩn hữu cơ chính nhờ các vi khuẩn hiếu khí và kỵ khí, nhưng quá trình hấp phụ các chất bẩn lên màng sinh vật phải xảy ra trước quá trình thích nghi và phân hủy sinh học.
Các chất bẩn hữu cơ chính còn có thể được loại bỏ nhờ quá trình hút bám vật lý lên bề mặt các chất rắn lắng được và sau đó là quá trình lắng. Qúa trình này thường xảy ra ở phần đầu của bãi lọc. Các hợp chất hữu cơ cũng bị thực vật hấp thụ, tuy nhiên cơ chế này phụ thuộc nhiều vào loại thực vật được trồng, cũng như đặc tính của các chất bẩn.
* Loại bỏ vi khuẩn và virut:
Cơ chế loại bỏ vi khuẩn, virut trong các bãi lọc trồng cây về bản chất cũng giống như quá trình loại bỏ các VSV này trong hồ sinh học. Vi khuẩn và virut có trong nước thải được loại bỏ nhờ: (1) các quá trình vật lý như dính kết và lắng, lọc, hấp phụ; và (2) bị tiêu diệt do điều kiện môi trường không thuận lợi trong một thời gian dài. Ngoài ra, tác động của các yếu tố lý – hóa của môi trường như nhiệt độ, các yếu tố sinh học bao gồm thiếu chất dinh dưỡng, do các sinh vật khác ăn.
1.4.2. Phạm vi ứng dụng của thực vật thủy sinh trong xử lý nƣớc thải
1.4.2.1. Cánh đồng tưới [6]:
Cánh đồng tưới và cánh đồng lọc là hai công nghệ độc lập nhau. Tuy nhiên trong một số điều kiện cụ thể, hai công nghệ này được kết hợp với nhau thành một dây chuyền công nghệ nối tiếp nhau. Thường thì cánh đồng lọc hỗ trợ cánh đồng tưới khi tới thời kỳ giảm tưới, hoặc là nơi “chế biến” đất nghèo thành đất giàu dinh
Học viên: Đỗ Thị Lương – Lớp 13AQLTNMT-VY 23 dưỡng. Công nghệ cánh đồng tưới sử dụng thực vật để xử lý chất ô nhiễm. Phản ứng đồng hóa của thực vật ngoài tác dụng xử lý các chất ô nhiễm nguồn nước qua bộ rễ, còn xử lý khí thải, mùi hôi và CO2 qua bộ lá. Phản ứng đồng hóa của thực vật còn tạo ra sinh khối, trong đó có sản phẩm nông nghiệp. Các sản phẩm này có thể đáp ứng một nhu cầu nào đó của xã hội. Sản phẩm thu hoạch của cánh đồng tưới có thể góp phần làm giảm chi phí xử lý nước rỉ rác.
Trong nước thải sinh hoạt có chứa các thành phần dinh dưỡng cho cây trồng như: Đạm, lân, kali.... Hàm lượng của chúng phụ thuộc vào tiêu chuẩn thải. Trong đó nitơ là 15-60mg/l, lân là 3-12mg/l và Kali là 6-25mg/l. Những nguyên tố này chủ yếu ở dạng hòa tan, một phần ở dạng lơ lửng. Ví dụ: đối với đạm 85% ở dạng hòa tan, 15% ở dạng lơ lửng; đối với lân tương ứng là 60% và 40%; đối với kali là 95% và 5% [14].
Tỷ lệ giữa các nguyên tố dinh dưỡng N:P:K cần cho thực vật trong nước thải là 5:1:2, trong khi đó ở phân chuồng là 2:1:2. Như vậy, nước thải là một nguồn phân bón tốt có lượng nitơ cao thích hợp với sự phát triển của thực vật [4].
Nước thải công nghiệp cũng có thể dùng để tưới (nếu chứa ít các chất độc hại hoặc chứa với hàm lượng không ảnh hưởng gì đến sự phát triển thực vật). Tổng lượng muối không được quá 4-5g/l, trong đó muối dinh dưỡng là 2g/l. Để tránh cho đất đai không bị dầu mỡ và các chất lơ lửng bịt kín các mao quản thì nước thải trước khi đưa lên cánh đồng tưới, bãi lọc cần phải xử lý sơ bộ [12].
Cánh đồng tưới công cộng và cánh đồng lọc thường xây dựng ở những nơi có độ dốc tự nhiên 0,02%, cách xa khu dân cư về cuối hướng gió. Ví dụ: Đối với bãi lọc với công suất nước thải 200-5000m3/ng.đ là 300m, với q=5.000-50.000m3/ng.đ là 500m, q>50.000 m3/ng.đ. Đối với cánh đồng tưới công cộng khoảng cách vệ sinh tương ứng là 200; 400 và 1.000m [6].
Học viên: Đỗ Thị Lương – Lớp 13AQLTNMT-VY 24
Hình 1.5. Sơ đồ cánh đồng tƣới [24]
Cánh đồng tưới và bãi lọc nên xây dựng ở những nơi đất cát.... Tuy nhiên, cũng có thể xây dựng ở những nơi pha sét, nhưng trong những trường hợp đó tiêu chuẩn tưới nước không nên lấy quá lớn, tức là chỉ tưới đủ mức mà cây trồng yêu cầu và đất có thể kịp thấm. Cánh đồng tưới là những ô (mảnh) đất được san phẳng hoặc dốc không đáng kể và được ngăn cách bằng những bờ đất. Nước thải phân phối vào những ô đó nhờ hệ thống mạng lưới tưới. Mạng lưới tưới bao gồm: mương chính, mương phân phối và hệ thống mạng lưới tưới trong các ô.
Nếu không ép nước thấm xuống tầng đất phía dưới thì sẽ thu lại rồi đổ ra sông hồ bằng hệ thống tiêu nước. Hệ thống tiêu nước có thể là mương máng hở xây dựng theo chu vi của từng ô và cũng có thể là một hệ thống kết hợp: ống ngầm tiêu nước đặt dưới các ô với độ sâu 1,2-2m và các mương máng hở bao quanh.
Đối với cánh đồng tưới công cộng thì diện tích trung bình ô lấy vào khoảng 5-8ha và tỷ lệ giữa các cạnh là 1:4-1:8. Diện tích các ô của bãi lọc, vì tiêu chuẩn tưới nước lớn nên lấy nhỏ hơn. Riêng đối với các cánh đồng nhỏ thì kích thước của các ô xác định từ điều kiện số lượng không ít hơn 3 ô. Để thuận lợi cho canh tác cơ giới, chiều dài của ô nên lấy khoảng 300–1500m, chiều rộng lấy căn cứ vào địa hình, nước ngầm và biện pháp tưới, nhưng không vượt quá 100-200m [21].
Học viên: Đỗ Thị Lương – Lớp 13AQLTNMT-VY 25 Để xác định diện tích của cánh đồng tưới ta cần phân biệt các loại tiêu chuẩn tưới sau:
- Tiêu chuẩn tưới trung bình ngày đêm: Lượng nước thải trung bình ngày đêm tưới trên 1ha diện tích cánh đồng trong suốt một thời gian nhất định (thường là 1 năm).
- Tiêu chuẩn tưới theo vụ: Lượng nước thải tưới cho cây trồng trong suốt thời gian một vụ.
- Tiêu chuẩn tưới một lần: Lượng nước tưới một lần.
- Tiêu chuẩn tưới bón: Lượng nước cần thiết đối với mỗi loại cây trồng, xuất phát từ khả năng tưới bón của nước thải.
Như vậy tiêu chuẩn tưới chỉ có thể xác định được khi tính đến tất cả các yếu tố khí hậu, thủy văn và kỹ thuật cây trồng. Trong mọi trường hợp điều kiện vệ sinh là yếu tố chủ đạo.
Từ yêu cầu về bón và độ ẩm đối với từng loại cây trồng người ta định ra tiêu chuẩn tưới và bón. Những số liệu xác định tiêu chuẩn tưới và bón là những yêu cầu về chất dinh dưỡng của cây trồng và hàm lượng các chất đó ở trong nước thải. Cây trồng chỉ sử dụng một phần lượng chất dinh dưỡng có trong nước thải. Cụ thể là 49% nitơ, 37% phốtpho và 90% kali. Phần còn lại các chất đó lại lẫn trong nước thải và tiêu đi khỏi cánh đồng.
Trong quá trình hoạt động, vấn đề vệ sinh môi trường là yếu tố quan trọng cần thường xuyên được giám sát một cách chặt chẽ. Trên cánh đồng tưới cần quy hoạch một diện tích chứa nước phù hợp chiếm khoảng 20% đến 25%. Vào vụ thu hoạch, gieo hạt hoặc về mùa mưa nước thải sẽ được dự trữ trong các hồ điều hòa kết hợp với nuôi trồng thủy sản.
Học viên: Đỗ Thị Lương – Lớp 13AQLTNMT-VY 26
1.4.2.2. Bãi lọc trồng cây (Constructed Wetland - CW) [22, 23]
Bãi lọc trồng cây là những vùng đất trong đó có mức nước cao hơn hoặc ngang bằng so với mặt đất trong thời gian dài, đủ để duy trì tình trạng bão hòa của đất và sự phát triển của các vi sinh vật và thực vật sống trong môi trường đó.