I. TỔNG QUAN 3
I.3.Công nghệ sinh thái sử dụng thực vật thủy sinh trong xử lý ô nhiễm
phú dưỡng
I.3.1Vai trò của thực vật thủy sinh trong xử lý nước phú dưỡng
Thực vật thuỷ sinh là các loài thực vật sinh trưởng trong môi trường nước. Trong quá trình xử lý nước ô nhiễm nói chung và loại bỏ N và P nói riêng TVTS
đóng vai trò rất quan trọng. Các loài thực vật này không những có thểđược sử dụng một cách hiệu quả trong việc giảm thiểu mức độ ô nhiễm nguồn nước mà sinh khối sau khi xử lý của chúng còn có thể được sử dụng để sản xuất biogas, thức ăn gia súc, sản xuất sợi hoặc phân bón. Hiệu quả xử lý ô nhiễm của một số loài TVTS và tảo đã được kiểm chứng trong các điều kiện thí nghiệm và cho thấy chúng có tiềm năng trong xử lý nước ô nhiễm (Wolverton & McDonal, 1979; Reddy & Sutton, 1984; Reddy, 1983).
Trong công nghệ sinh thái, vai trò chủ yếu của TVTS là:
- Làm giá thể cho vi sinh vật sinh sống : Quần thể vi sinh vật là động lực cho quá trình xử lý. 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 : Trong nước ô nhiễm, lượng ôxy hòa tan rất thấp hoặc đôi khi bằng không. Do đó nitơ trong nước chủ yếu tồn tại dưới dạng nitơ hữu cơ hoặc NH3. Sự chuyển hóa từ NH3 thành NO3- không thể xảy ra trừ khi nước thải phải được sục khí, khi đó các vi khuẩn hiếu khí
sẽ thực hiện chuyển hóa này. Nếu nhưở điều kiện kỵ khí thì sẽ tạo ra quá trình ức chế quá trình ôxy hóa NH3 thành dạng NO3-. Tuy nhiên một lượng ôxy khuếch tán từ rễ thực vật sẽ tạo ra một vùng hiếu khí, tạo điều kiện cho sinh trưởng của các vi sinh vật hiếu khí, vi sinh vật nitrat hóa sẽ chuyển hóa NH3 thành NO3-. Trong vùng kị khí, một số loài sinh vật phản nitrat hóa sử dụng NO3- như là nguồn ôxy cho quá trình hô hấp, nó sẽ chuyển NO3- thành N2, chất này sẽ chuyển từđất hoặc trầm tích vào trong nước và sau đó vào không khí.
- Chuyển hóa nước và chất ô nhiễm : Thực vật hấp thu 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, ôxi hóa và sự biến đổi các ion.
- Sử dụng dinh dưỡng: Thực vật thủy sinh sử dụng nitơ, phospho và các nguyên tố vi lượng khác. Mặt khác, phần lớn các chất dinh dưỡng được hấp thu bởi thực vật sẽ quay trở lại hệ thống qua các phần thân, lá, rễ bị chết. Do vậy, việc thu hái thường xuyên sinh khối thực vật là hết sức quan trọng để loại bỏ các chất dinh dưỡng ra khỏi hệ thống.
- Lọc : Thân và lá của thực vật nửa ngập nước và rễ của thực vật nổi như là một lớp ngăn chặn một số chất lơ lửng. Bởi vậy, thực vật 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 : Sự có mặt của thực vật thủy sinh giúp điều hòa nhiệt độ
của nước và ngăn chặn sự phát triển của các nhóm tảo, qua đó hạn chếđược sự dao
động lớn của pH và lượng ôxy hòa tan giữa ban ngày và ban đêm.
- Cung cấp lớp đất và lớp trầm tích mới: Theo thời gian, một lớp giống như
bùn được tích tụ dần trên mặt nền đáy. Các chất này đôi khi tạo ra một lớp đất hoặc trầm tích lắng đọng mới, chứa cặn bã thực vật, sản phẩm từ quá trình trao đổi chất của vi sinh vật và phần chậm hoặc không phân giải của chất rắn được thực vật giữ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN CAO HỌC
Việc làm sạch nước bắt đầu bằng vi sinh vật tạo thành lớp màng sinh học (biofilms) trên bề mặt của rễ TVTS. VSV phân giải các chất hữu cơ trong nước và làm trong nước, sau đó TVTS hấp thu chất dinh dưỡng như N và P. Trong tự nhiên, việc sử
dụng thực vật thuỷ sinh cho xử 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 phải xem xét đến đặc điểm sinh trưởng, khả năng chống chịu của thực vật, các nhân tố môi trường. Ngoài ra cũng cần xem xét đến đặc điểm của nước thải, yêu cầu về chất lượng dòng thải, loại hệ thuỷ sinh, cơ chế loại bỏ ô nhiễm, lựa chọn quy trình, thiết kế quy trình, độ tin cậy của quá trình (Greenway, 2003; Silvana, 1994).
I.3.2Các loại hình công nghệ sử dụng TVTS trong xử lý ô nhiễm nước
Các loại hình công nghệ chủ yếu xử lý ô nhiễm nước có sử dụng loài TVTS gồm:
1. Sử dụng hồ có mặt thoáng tự do, TVTS trong trường hợp này có rễ bám đất, thân và lá nổi bên trên mặt nước. Độ sâu của nước khoảng 10 - 45 cm. Các loại TVTS điển hình được sử dụng là Lau, Sậy, cỏ Lác, cỏ Nến, Cải soong….Trong trường hợp này TVTS tham gia trực tiếp vào giai đoạn xử lý bậc hai hoặc giai đoạn cuối của qui trình.
2. “Phương pháp vùng rễ” hoặc công nghệ xử lý nước thải chảy qua vùng rễ
của TVTS. Ưu thế của công nghệ là không cần diện tích lớn và khửđược mùi hôi. Trong trường hợp này TVTS thường là lau, sậy, cỏ lác đâm rễ chìm trong nền cát - sỏi với độ sâu khoảng 0,5 - 1 m. Nước thải chảy qua hệ thống lỗ trong nền cát - sỏi và được khửđộc nhờ hệ thống rễ cây và hệ vi sinh vật bám quanh rễ. Trong phương pháp vùng rễ có 2 dạng công nghệ là dòng chảy ngang và dòng thẳng đứng,
3. Hệ thống thực vật nổi. Đây là công nghệ được nghiên cứu kỹ và được ứng dụng nhiều nhất. TVTS điển hình tham gia quy trình xử lý ô nhiễm là bèo Tây, bèo cái, bèo Tấm, rau Muống…. Ngoài việc tham gia loại bỏ các chất hữu cơ, chất thải rắn, nitơ, phôtpho, kim loại nặng, các tác nhân gây bệnh…các loài TVTS này tham
gia trực tiếp việc hạn chế phát sinh hiện tượng nước nở hoa trong ao hồ do cạnh tranh ánh sáng với thực vật phù du.
Hình 2. Các loại hình công nghệ sinh thái sử dụng TVTS trong xử lý ô nhiễm nước
Tại một số quốc gia phát triển như Mỹ, Pháp, Nhật Bản, Đức, Hàn Quốc… công nghệ xử lý nước thải sử dụng TVTS đã được ứng dụng rất thành công. Bắt
đầu từ những năm 1980 rất nhiều cơ sở xử lí nước thải tại các bang nước Mỹ đã phát triển và ứng dụng công nghệ xử lí ô nhiễm với việc sử dụng các loài thực vật nổi và hệ thống hồổn định. Tại Pháp năm 1993 đã có tới 2600 trạm xử lý nước thải kết hợp sử dụng ao ổn định. Phương pháp xử lí ô nhiễm hữu cơ và vô cơ tại vùng rễ
của một số TVTS - còn gọi là “Phương pháp vùng rễ”, đã được các nhà khoa học (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đức nghiên cứu và triển khai có hiệu quả tại nhiều nơi. Các nhà khoa học Nhật Bản
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN CAO HỌC
dạng Bio-park để giảm bớt ô nhiễm các hồ lớn, thông qua đó kiểm soát hiện tượng nở hoa của nước do vi tảo phát triển trong đó có tảo độc (Greenway, 2003; Seabloom, 2003; Ran và cs, 2004).
Trong thực tiễn sử dụng, tuỳ theo điều kiện cụ thể có thể áp dụng một loại hình hay phối hợp với nhau. Ngay tại châu Á, công nghệ sinh thái sử dụng TVTS đang
được ứng dụng ở nhiều nước (Nakazato, 1998; Oshima và cs, 2001). Tại Nhật Bản, nhiều hồ lớn (ví dụ hồ Kasumigaura, hồ lớn thứ 2 của Nhật) đã có các hệ thống TVTS kiểu đảo nổi để làm sạch nước. Tại Trung Quốc, các hồ như Xuan Wu, Tai Hu đã xây dựng các đảo nổi TVTS để giảm thiểu sự phì dưỡng nước hồ (Li và cs., 2008).
I.3.3Một số nghiên cứu sử dụng TVTS trong xử lý ô nhiễm nước tại Việt Nam
Ở Việt Nam, nghiên cứu xử lý nước ô nhiễm bằng công nghệ sinh thái CNST
đã được quan tâm từ lâu. Bằng thực nghiệm, một số tác giả trong nước đã chứng minh được vai trò quan trọng của TVTS trong việc tích luỹ vào cơ thể của chúng các kim loại nặng khác nhau. Chẳng hạn cây bèo Tây có khả năng hấp thụ Pb, Cr, Ni, Zn và Fe trong nước thải công nghiệp (Nguyễn Quốc Thông và cs, 2002, 2003). Một số công trình khác đề cập đến tính chống chịu và khả năng tích luỹ Pb của TVTS như bèo Tấm, bèo Lục bình và bèo Cái, tác giả đi đến kết luận là bèo Lục bình tỏ ra có triển vọng nhất trong xử lý ô nhiễm Pb. Bèo Lục bình phối hợp với vi tảo Chlorella đã được sử dụng trong hồ sinh học để xử lý bổ sung nước thải của nhà máy lọc dầu Tuy Hạ. Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải chăn nuôi lợn sau khi đã xử lý yếm khí bằng một số loài TVTS như Rong đuôi chó, bèo Lục bình, Sen, rau Muống cho thấy sử dụng TVTS vào công đoạn sau cùng là thích hợp. Các chỉ số
COD, TS, NH4, pH đều đạt tiêu chuẩn cho phép.
Từ những năm 1980, Trần Hiếu Nhuệ và Trần Đức Hạđã có một số nghiên cứu ban đầu về việc xử lý nước thải bằng phương pháp lắng kết hợp với hồ sinh học. Lâm Minh Triết (1990), nghiên cứu áp dụng hệ thống hồ sinh vật ba bậc với thực vật nước để xử lý bổ sung nước thải nhiễm dầu trong điều kiện Việt Nam. Lê Hiền Thảo (1999) nghiên cứu quá trình sinh học xử lý ô nhiễm nước một số sông hồ Hà
Nội cho thấy khả năng làm sạch của một số hồ có hiệu quả cao trong đó rong đuôi chó và bèo tấm có khả năng giảm thiểu Fe, Cu, Pb và Zn trong nước hồ Bảy Mẫu. Nguyễn Việt Anh và cs (2005), nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng bãi lọc trồng cây dòng chảy thẳng đứng cho thấy hiệu suất xử lý của bãi lọc trồng cây sử
dụng vật liệu lọc sỏi và gạch vỡ là rất tốt. Hệ thống xử lý sử dụng thực vật này hoạt
động ổn định, chất lượng nước đầu ra biến động không nhiều. Dương Đức Tiến và cs, 2006 xây dựng mô hình hệ thống đất ngập nước nhân tạo với thực vật thuỷ sinh
để xử lý nước thải sinh hoạt ở ngoại ô thành phố Việt Trì cho thấy chi phí xử lý không nhiều và nước thải được cải thiện rõ rệt. Trên góc độ thông tin, Dương Đức Tiến và cs, 2005, Phạm Sơn Dương và cs, 2005 đã tổng hợp và giới thiệu công nghệ
sử dụng thực vật như là công nghệ mới có triển vọng trong xử lý ô nhiễm nước thải và đất. Trần Đức Hạ và cs (2008) xây dựng mô hình hồ hai ngăn với đập tràn có nuôi trồng TVTS (thiên điểu trồng ven cơ hồ và bèo tây phủ 20% diện tích mặt nước) để xử lý nước hồ Yên Sở cho thấy các chỉ tiêu ô nhiễm (BOD, T-N, NH4+, PO43-, SS, kim loại nặng, coliform) giảm rõ rệt. Lượng ôxy hòa tan tăng, cây sinh trưởng tốt. Tác giả cho rằng đây là mô hình khả thi, tăng cường quá trình tự làm sạch nước về chất hữu cơ, dinh dưỡng và coliform.
Trong những năm gần đây, tại Viện Công nghệ môi trường (Viện KH&CN Việt Nam) đã và đang tiến hành các nghiên cứu một cách hệ thống một số loài thực vật thuỷ sinh như: Bèo Tây, Bèo Cái, Rau Muống, Bèo Tấm, Ngổ, Ngổ Dại, Sậy, Cỏ Vetiver, một số vi tảo… để đánh giá đặc điểm sinh học, tính chống chịu và khả
năng loại bỏ Nitơ, phốtpho, COD cũng như các kim loại nặng (Cr, Ni, Pb) từ nước thải công nghiệp mạ điện và nước thải công nghiệp chế biến thực phẩm. Kết quả
cho thấy các loài thực vật này có độ tăng trưởng cao, khả năng chống chịu tương
đối tốt và tham gia tích cực vào việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Mô hình công nghệ qui mô pilốt sử dụng bèo Tây và bèo Cái trong xử lý nước thải chế biến thuỷ
sản, sử dụng cây Sậy và cỏ Vetiver trong xử lý nước thải chứa crôm và niken đã
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN CAO HỌC
trở lên theo TCVN 5945-2005 đối với nước thải công nghiệp (T.V.Tựa và cs, 2005, 2006, 2007, 2008).
Kết quả nghiên cứu về hiện trạng môi trường hồ chứa Núi Cốc (Trần Văn Tựa và cs 2011), một danh thắng của tỉnh Thái Nguyên, cho thấy hàm lượng phốtphat trung bình và phốtpho tổng trong nước hồ cao hơn rất nhiều so với nước sạch tự
nhiên. Đây là một trong các nguyên nhân quan trong làm nở hoa vi tảo và VKL tại hồ. Về mức dinh dưỡng, Hồ Núi Cốc được xếp loại ô nhiễm các chất dinh dưỡng
ở mức trung dưỡng (Mesotrophic).VKL là ngành chiếm ưu thế trong thành phần thực vật nổi, đặc biệt chi Microcystis.
Nguồn cung cấp nitơ vào môi trường nước hồ đáng kể nhất là từ quá trình rửa trôi từ các vùng đất canh tác nông nghiệp (36,20 %), nước thải sinh hoạt (24,02%) và rửa trôi từ đất rừng (18,85 %). Nguồn cung cấp phốtpho vào môi trường nước hồđáng kể nhất là từ nước thải sinh hoạt (51,14%), rửa trôi từđất nông nghiệp (25,36%) và rửa trôi từđất rừng (9,99%).
Tuy nhiên, có thể thấy rằng các nghiên cứu ứng dụng CNST sử dụng TVTS
ở nước ta hiện nay đa phần chỉ tập chung vào xử lý nước thải mà ít quan tâm đến vai trò của loại hình công nghệ này trong việc làm giảm thiểu hiện tượng phú dưỡng. Xuất phát từ thực tế trên, đề tài “ Nghiên cứu sử dụng Bèo Cái (Pistia stratiotes L) và Rau Muống (Ipomoea aquatica Forsk) trong xử lý nước phú dưỡng” được thực hiện nhằm mục đích đánh giá hiệu quả loại bỏ các tác nhân gây ra phú dưỡng ở quy mô phòng thí nghiệm và pilot, bước đầu làm cơ sở cho việc ứng dụng, lựa chọn công nghệ trong triển khai vào thực tiễn.
II.ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU II.1. Đối tượng nghiên cứu II.1. Đối tượng nghiên cứu
II.1.1Nước hồ phú dưỡng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nước sử dụng ở qui mô thực nghiệm lấy từ nước ao, hồ thuộc xã Cổ Nhuế, huyện Từ Liêm, Hà Nội
Nước sử dụng trong suốt quá trình thí nghiệm theo mẻ qui mô chậu vại là nước máy được bổ sung các hóa chất theo môi trường Gibeaut (phụ lục).
II.1.2Cây Bèo Cái (Pistia stratiotes L.) và Rau Muống (Ipomoea aquatica Forsk)
Cây Bèo Cái tên khoa học là Pistia stratiotes L, họ Ráy (Araceae), sống trôi nổi trên mặt nước; thân rất ngắn, rễ nhiều. Lá thường có vài lá mọc chụm; phiến hình trứng ngược tới hình nêm hay hình thìa. Bông mo đơn độc, rất nhỏ. Bông nạc ngắn hơn mo. Hoa đơn tính, không có bao hoa. Hoa đực nhóm 2, bao phấn mở bằng khe ở đỉnh. Bầu hình trứng, vòi nhuỵ thuôn, núm nhuỵ nhỏ hình đĩa hay hình đầu. Quả mọng, có vách mỏng, chứa vài hạt. Hạt dạng nhộng, ít nhiều cụt và gồ lên ở đỉnh và gốc, vỏ dầy. Phát triển mạnh vào mùa mưa; sống trôi nổi trên mặt nước hồ, ao, đầm, ruộng, v.v...Phân bố ở khắp Việt Nam và các vùng nhiệt đới thuộc các châu lục
Cây Rau Muống tên khoa học là Ipomoea aquatic Forsk, thuộc họ Bìm bìm (Convolvulaceae) là oài thực vật nhiệt đới bán thủy sinh. Phân bố khắp các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới trên thế giới. Cây mọc bò, ở mặt nước hoặc trên cạn. Thân rỗng, dày, có rễ mắt, không lông. Lá hình ba cạnh, đầu nhọn, đôi khi hẹp và dài. Hoa to, có màu trắng hay hồng tím, ống hoa tím nhạt, mọc từng 1-2 hoa trên một cuống. Quả nang tròn, đường kính 7-9 mm, chứa 4 hạt có lông màu hung, đường kính mỗi hạt khoảng 4 mm.