IV. TỔNG QUAN VỀ LÀNG NGHỀ VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI
4.3.7.2. Hệ sinh thái bãi lọc cây trồng nhân tạo
Để hạn chế những yếu tố không mong muốn của hệ cây thực vật thủy sinh tự nhiên, người ta đã mô phỏng và xây dựng những hệ sinh thái này trong điều kiện có kiểm soát theo các mô hình: bãi lọc ngầm, bãi lọc ngập nước trồng cây với dòng chảy tự do trên mặt, bãi lọc trồng cây dòng chảy ngang hay bãi lọc cây trồng dòng chảy thẳng đứng, hay sử dụng thảm thực vật nổi... Theo Reed, S.C và cộng sự thì diện tích bề mặt cho xây dựng bãi lọc cây trồng có diện tích từ 24,6 đến 39,6 m2 sẽ xử lý tốt 1m3 nước thải đô thị. Tuy nhiên việc xây dựng các bãi lọc này cần chú ý đến việc bể chứa, hay ruộng trồng phải bảo đảm không thấm xuống mạch nước ngầm và tránh bị ảnh hưởng bởi lũ lụt.
Một số hạn chế có thể gặp phải khi xây dựng những hệ thống bãi lọc cây trồng: - Giới hạn địa lý và chủng loại cây trồng
- Diện tích để xây dựng những khu vực này thường lớn hơn 4-10 lần những cơ sở xử lý nước thải thông thường và thậm chí trong nhiều trường hợp có khi diện tích này gấp tới 100 lần
- Một số bãi lọc ngầm có thể là nơi phát sinh muỗi và mùi hôi nếu không được quản lý tốt.
Chúng ta thử điểm qua một số mô hình vùng đất ngập nước nhân tạo:
Bãi lọc ngập nước trồng cây, dòng chảy tự do trên bề mặt:
Bãi lọc kiểu này giống như các đầm lầy trong tự nhiên có dòng chảy tự do trên bề mặt, được trồng các cây thủy sinh sống nổi, thường là các hệ thống chứa nước có độ sâu của đất khoảng 20-30 cm cho rễ cây bám vào, và độ sâu của nước khoảng 20-40 cm. Ngoài các cây được trồng có thể còn có các cây thủy sinh khác mọc tự nhiên. Cây thường không được thu hoạch sinh khối và các mảnh vụn hữu cơ của cây cung cấp nguồn chất hữu cơ cho quá trình khử nitơ.
Theo Hyde, H.C., bãi lọc ngập nước trồng cây rất hiệu quả cho việc phân hủy các chất hữu cơ thông qua các vi sinh vật. Các chất rắn lơ lửng cũng được lắng và lọc nhờ các
cây thủy sinh mọc dày đặc. Nitơ được loại bỏ nhờ các quá trình nitrat hóa, phản nitrat hóa, và amonia có thể bay hơi khi pH cao do sự quang hợp của tảo. Phospho được loại bỏ ít hơn vì điều kiện tiếp xúc với đất bị hạn chế. Các chất khoáng cũng được cây hấp thụ đáng kể. Bãi lọc ngập nước trồng cây được áp dụng phổ biến ở phía bắc nước Mỹ, ở Úc. Tại châu Âu, công nghệ này hiện nay đang được chú ý, đặc biệt là ở Thụy Điển và Đan Mạch, sử dụng để xử lý nitơ từ nguồn ô nhiễm phân tán. Công nghệ này cũng được sử dụng để xử lý các nguồn nước thải đô thị.
Bãi lọc ngầm trồng cây, dòng chảy ngang:
Cây được trồng trên chất nền là sỏi đá, nước chảy ngầm theo chiều ngang từ đầu vào đến đầu ra. Nước ô nhiễm được đưa qua đầu vào, chảy qua lớp vật liệu lọc ngầm phía dưới, có rễ cây, theo chiều ngang, cho đến đầu ra và được thải ra ngoài. Tại hệ thống lọc, các chất bẩn được loại bỏ nhờ sự phân hủy của các vi sinh vật và các quá trình lý-hóa xảy ra tại các vùng hiếu khí có sự tham gia cung cấp oxy của hệ rễ, và tại các vùng kỵ khí.
Kiểu bãi lọc này được phát triển từ những năm 50 của thế kỷ trước tại nước Đức, do Käthe Seidel thiết kế. Lúc đầu, vật liệu lọc là các vật liệu thô làm giá thể cho hệ rễ. Năm 1960, Reinhold Kickuth đề nghị môi trường đất có thành phần sét cao, và gọi hệ thống đó là “phương pháp vùng rễ”. Đến những năm đầu của thập kỷ 80, công nghệ này được áp dụng nhiều ở Đan Mạch và vào năm 1987, gần 100 hệ thống lọc kiểu này được đưa vào sử dụng. Vào cuối những năm 80, hệ thống lọc này được phát triển ở nhiều nước khác như Úc, Anh,... và đến năn 1990 được mở rộng ra hầu khắp các nước châu Âu, cũng như Nam Mỹ, châu Á và châu Phi. [80]
Vào cuối nhưng năm 80, vật liệu lọc bằng đất được thay thế bằng các vật liệu thô và đến nay phổ biến là đá được rửa sạch, với cỡ 10-20cm.
Vai trò quan trọng nhất của bãi lọc ngầm dòng chảy ngang là tạo ra được chất nền là rễ và vùng rễ, là chỗ bám cho các vi sinh vật, giải phóng oxy từ rễ vào vùng rễ, hút các chất khoáng và giảm bớt được ảnh hưởng của điều kiện nhiệt độ thấp vào mùa lạnh.
Trên khắp thế giới, bãi lọc ngầm dòng chảy ngang thường được sử dụng phổ biến để xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải đô thị. Tuy nhiên, công nghệ này hiện cũng được sử dụng để xử lý nước thải công nghiệp, trong nông nghiệp và các lĩnh vực khác.
Bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy thẳng đứng:
Bãi lọc ngầm dòng chảy thẳng đứng lần đầu tiên được Seidel đề nghị nhằm xử lý nước đầu ra của các hầm tự hoại kỵ khí. Nhưng công nghệ này lúc đầu chậm được áp dụng vì đầu tư cho vận hành cao, do phải dùng máy bơm nước lên bề mặt của bãi lọc.
Đối với hệ thống lọc này, oxy của không khí có thể thâm nhập vào sâu bên trong, nên hiếu khí hơn nhiều so vơi bãi lọc ngầm dòng chảy ngang. Vì vậy, điều kiện môi trường trong bãi lọc rất thuận lợi cho quá trình nitrat hóa, không thuận lợi cho quá trình phản nitrat hóa; đồng thời, cũng rất hiệu quả cho quá trình phân hủy chất hữu cơ và loại bỏ các chất rắn lơ lửng.
So với bãi lọc ngầm dòng chảy ngang thì bãi lọc ngầm dòng chảy thẳng đứng tốn ít diện tích xây dựng hơn.
Công nghệ này thường được sử dụng để xử lý nước thải sinh hoạt, nước thải đô thị, đặc biệt là để xử lý amonia-nitrogen trong nước.Tuy nhiên, hiện nay công nghệ bày cũng được sử dụng để xử lý nhiều loại nước thải, nguồn nước ô nghiễm khác nhau.
Công nghệ này còn có loại dòng chảy ngược từ dưới lên trên. Nước được cung cấp vào bãi lọc từ đáy, cho dâng lên đến mặt bãi lọc, sau một thời gian nhất định, rồi lại tháo cho cạn. Sau khi được tháo cạn, không khí có thể lọt vào các khoang trống trong bãi lọc. Hiện nay, phương pháp làm đầy rồi lại tháo nước đi, hay phương pháp ”thủy triều” này đang được phát triển.
Phối hợp các loại bãi lọc:
Việc phối hợp các kiểu bãi lọc với nhau nhằm nâng cao hiệu quả xử lý nhờ bổ sung được các ưu điểm của từng hệ thống lọc. Hầu hết các hệ thống phối hợp là nước chảy từ bãi lọc dòng chảy thẳng đứng sang bãi lọc dòng chảy ngang. Xử lý phối hợp lần đầu tiên đã được seidel thiest kế từ những năm 50 của thế kỷ trước, nhưng lúc đó ít được ứng dụng. Đến những năm 80, các hệ thống xử lý phối hợp được xây dựng nhiều ở Pháp và Anh.
Hiện nay, công nghệ này chủ yếu nhằm loại bỏ amonia cũng như nitrogen tổng số. Hệ thống xử lý phối hợp này cũng được sử dụng có hiệu quả cao đối với nhiều nước thải và các nguồn nước ô nhiễm khác nhau.
Thảm thực vật trôi nổi
Hơn 2 thập kỷ qua, ở một số nước như Ấn Độ, New Zealand, một số nước châu Âu, Bắc Mỹ,…người ta đã nghiên cứu và ứng dụng một dạng mới xử lý nước trong điều kiện tự nhiên là sử dụng thảm thực vật ở trạng thái trôi nổi trên mặt nước. Thảm thực vật này gồm những cây sống nổi, có rễ, giống như những cây được sử dụng cho bãi lọc trồng cây. Thảm thực vật trôi nổi có triển vọng rất lớn cho việc xử lý nước vì nó ít chịu ảnh hưởng của sự thay đổi mức nước. Một số kỹ thuật chung nhất để tạo các thảm thực vật trôi nổi là tạo các bè hoặc khung nổi nâng đỡ lưới để trồng cây. Xơ dừa và than bùn được sử dụng làm giá thể. Vật liệu nổi cho bè thường là các ống plastic (PVC, PE, PP); còn ở Ấn Độ, người ta sử dụng các vật liệu rẻ tiền là tre nổi tự nhiên. Đây cũng chính là mô hình mà đề tài xử lý ô nhiễm thải làng nghề Phúc Lâm hướng tới.
Tuy nhiên theo cách phân loại bãi lọc cây trồng nhân tạo của Ủy Ban bảo vệ môi trường của Mỹ thì chỉ chia hệ thống này thành hai kiểu đó là hệ thống bãi lọc cây trồng xử lý nước mặt chảy tự do (Free water surface systems-FWS) và hệ thống xử lý dưới bề mặt dòng chảy (Subsurface flow systems-SFS). Mỗi loại bãi lọc cây trồng đều có ưu điểm và nhược điểm nhất định và tùy theo điều kiện tại mỗi vùng mà có thể áp dụng cho phù hợp.
Bảng 11. Một số kết quả xử lý của hệ thống bãi lọc cây trồng xử lý nước mặt chảy tự do (Free water surface systems-FWS) và hệ thống xử lý dưới bề mặt dòng chảy
(Subsurface flow systems-SFS)
Tên dự án Lưu lượng ngày đêm, m3/d Kiểu bãi lọc BOD5, mg/l Tổng chất rắn lơ lửng (SS), mg/l Tỷ lệ % xử lý Đầu vào Đầu ra Đầu
vào Đầu ra BOD5 SS Listowel, Ontario 17 FWS 56 10 111 _ 82 93 Santee, CA SFS 118 30 57 5,5 75 90 Sidney,Australia 240 SFS 33 4,6 57 4,5 86 92 Arcata, CA 11.350 FWS 36 13 43 31 64 28 Emmitsburg, MD 132 SFS 62 18 30 8,3 71 73 Gustine, CA 3.785 FWS 150 24 140 19 64 86
(Theo U.S. Environmental Protection Agency, 1988)
Bảng 12. Cơ chế loại bỏ BOD, Ni tơ, Phốt pho, kim loại nặng, vi khuẩn và vi rút của bãi lọc cây trồng nhân tạo
Cơ chế tác động Chất rắn có thể lắng Chất rắn lơ lửng dạng keo
BOD Nitơ Phospho
Kim loại nặng Mô tả Quá trình vật lý Sa lắng Lọc Hấp phụ P S S S S I I I I Lực hấp dẫn của các chất rắn thành phần chất gây ô nhiễm) diễn ra trong bãi lọc kết hợp với các hạt lọc cơ học (đá, cát, sỏi...) hay rễ cây, cá trong bãi lọc là yếu tố quyết định quá trình này. Quá trình hóa học Kết tủa Hấp phụ Phân hủy P P P P S P Quá trình hấp phụ trên bề mặt của chất nền và quần thể thực vật,
hay được thực hiện bởi quá trình phân hủy hoặc thay đổi nhỏ các hợp chất ổn định bởi hiện tượng như chiếu xạ UV, quá trình oxy hóa, và quá trình phân hủy. Quá trình sinh học Trao đổi chất, chuyển hóa của vi khuẩn Trao đổi P P P Loại bỏ các chất rắn dạng keo và phân giải chất hữu cơ bằng vi sinh vật vùng đáy và cũng nhờ hệ vi sinh vật này mà quá trình khử ni tơ được diễn ra. Sự hấp thu và chuyển hóa các chất hữu cơ được thực
Cơ chế tác động Chất rắn có thể lắng Chất rắn lơ lửng dạng keo
BOD Nitơ Phospho
Kim loại nặng Mô tả chất, chuyển hóa của cây trồng Cây hấp phụ S S S
hiện bởi cây trồng.
Dưới điều kiện thích hợp, đáng kể một số lượng đáng kể các chất gây ô nhiễm
được xử lý bởi cây trồng trên bãi lọc.
Ghi chú: P – Tác động chính; S – Tác động phụ; I – Hiệu ứng xảy ra ngẫu nhiên khi loại bỏ các thành phần gây hại khác
* Lựa chọn loài thực vật: Có lẽ cây thực vật đóng vai trò cung cấp oxy xuống vùng rễ nơi diễn ra các phản ứng sinh hóa trong các bãi lọc cây trồng nhân tạo. Theo tài liệu của Ủy Ban bảo vệ môi trường của Mỹ thì tại Mỹ thường sử dụng một số loài cây sau đây trong việc xây dựng bãi lọc cây trồng nhân tạo:
- Cỏ Cattils còn gọi là cỏ đuôi chuồn, nhóm cây này có tên khoa học là Typha spp (họ Taphaceae, bộ Poales). Là loài cây trồng phổ biến trong các công trình bãi lọc cây trồng nhân tạo bởi khả năng phát triển sinh khối mạnh trong nhiều điều kiện khắc nghiệt của tự nhiên. Bộ rễ phát triển mạnh có khi tới 1m. Thời gian từ khi trồng đến khi phát triển dày đặc trong vòng khoảng 3 tháng. Đặc biệt loài này có khả năng loại bỏ nitơ và phốt pho.
- Loài Bulrushes: Bulrushes là thực vật như cỏ lâu năm và có thể phát triển chiều cao 10 feet trong vùng nước nông hoặc trong đất ẩm. Gốc cây mềm có thể phát triển đến 10 feet và phát triển dày đặc từ thân rễ. Hoa thường xảy ra ngay dưới mũi của thân cây. Cây họ này thuộc chi Scirpus. Cây có thể phát triển trên một phạm vi rộng lớn như: vùng đất nội địa, ven biển, đầm lầy và vùng đất ngập nước lợ và muối. Bulrushes có khả năng phát triển tốt trong nước. Nhiệt độ thích hợp 16-27°C (61-8°F) và rải pH của môi trường sống là 4-9.
Hình 23. Loài Bulrushes
- Loài thuộc họ sậy (Phagmites communis): là các loại cỏ cao sống quanh năm, thân rễ lâu năm mở rộng. Cây họ lau sậy được dùng phổ biến trong các công trình bãi lọc cây trồng tại Châu Âu. Hệ thống bãi lọc sử dụng cây họ sậy được đánh giá là hiệu quả hơn là sử dụng loài cỏ đuôi chồn như trình bày ở trên nhờ khả năng vận chuyển oxy theo chiều dọc tốt hơn loài cỏ đuôi chồn.
Viện Môi trường nông nghiệp (Viện khoa học Nông nghiệp Việt Nam), công bố trên cơ sở đánh giá khả năng sử dụng thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải phát sinh từ hoạt động làng nghề tại Hà Nội, Bắc Ninh, Bình Dương cho biết như sau về đặc điểm một số loài thực vật có thể sử dụng để xây dựng các bãi lọc cây trồng nhân tạo:
Các loài này thuộc các nhóm sau đây: thủy thực vật sống chìm, thủy thực vật sống trôi nổi và thủy thực vật sống trôi nổi.
- Thủy thực vật sống chìm: loại thực vật này phát triển dưới mặt nước và chỉ phát triển được ở các nguồn nước có đủ ánh sáng. Khi quang hợp, chúng giải phóng oxy vào nước cung cấp cho các vi sinh vật hiếu khí.và chúng hấp thụ các chất khoáng tan trong nước, làm sạch nguồn nước mặt.
- Thủy thực vật sống trôi nổi: rễ của loại thực vật này không bám vào đất mà lơ lửng trên mặt nước, thân và lá phát triển trên mặt nước. Rễ của chúng tạo điều kiện cho vi khuẩn bám vào để phân hủy các chất thải, đồng thời chúng hấp thu và làm sạch các chất vô cơ hòa tan trong nước.
- Thủy thực vật sống nổi: loại thủy thực vật này có rễ bám vào đất nhưng thân và lá phát triển trên mặt nước. Loại này thường sống ở những nơi có mức nước tương đối ổn định. Nhiều loài có khả năng sinh oxy rất mạnh và giải phóng vào nước, làm sạch nước
Sau đây là một số loài thực vật thủy sinh thường được sử dụng để xử lý nước ô nhiễm:
•Các loài sống chìm :
- Rong đuôi chó Ceratophyllum demersum L.
Loài này thuộc cỏ thủy sinh, thân rất mảnh và mềm, sống một hoặc vài năm, chìm dưới mặt nước, dài khoảng trên dưới 1m; thân mảnh, phân nhánh, có lóng dài khoảng 2 cm. Lá mọc vòng. Mọc lơ lửng trong nước, phát triển rất nhanh thành từng đám; Phổ biến ở các nước cận nhiệt đới; Ở Việt Nam phân bố khắp nơi.
- Rong đuôi chồn Hydrilla verticillata (L. f.) Royle
Cỏ thủy sinh chìm dưới mặt nước, dài cỡ 60-70cm ; thân mảnh, thường phân nhánh từ gốc, lóng dài khoảng 1,5 -2 cm. Lá mọc vòng, phiến lá hẹp, cỡ 1,5 – 2 x 0,2 cm, mép lá có răng nhỏ. Hoa nhỏ, có cuống dài, nổi trên mặt nước, quả nhỏ. Chúng sống chìm trong
các ao, hồ, đầm, ruộng … vùng nước ẩm; có thể sống được cả trong điều kiện thiếu ánh sáng. Sinh sản mạnh bằng hình thức vô tính và ra rễ ở các đốt.
- Rong đuôi chó Myriophyllum tetradrum Roxb.
Cây thủy sinh dài đến 2m, chìm trong nước trừ phần trổ bông hoa, có lóng ngắn. Lá mọc vòng 5, dài 2 – 5 cm, lá xẻ thùy lông chim, các thùy hình kim. Cụm hoa trên nước.