- Nhón sinh thỏ
2 HCO3 → CO3 +H O+ CO (.1)
2.2 Bói lọc ngập nƣớc
Khỏi niệm
Bói lọc ngập nước (Wetlands) là hệ sinh thỏi ngậm nước với mực nước nụng hoặc xấp xỉ bề mặt đất, và được cấy trồng cỏc loại thực vật trong điều kiện đất ẩm. Thực vật sử dụng năng lượng mặt trời để hấp thụ cacbon từ khớ quyển và chuyển húa thành cỏc chất hữu cơ là nguồn năng lượng cung cấp cho cỏc hoạt động sống và phỏt triển của cỏc vi khuẩn dị dưỡng (động vật, vi khuẩn và nấm).
Bói lọc ngập nước cú khả năng phõn hủy, chuyển húa cỏc chất hữu cơ và cỏc chất khỏc. Với khả năng đú, bói lọc ngập nước nhõn tạo được sử dụng để làm sạch nước (xử lý nước thải đụ thị, nụng nghiệp, cụng nghiệp và nước mưa). Bói lọc ngập nước được coi như “quả thận của tạo húa” (kidneys of the landscape) với những đặc tớnh về thủy học và cỏc chu trỡnh húa học, là nơi chứa cỏc chất thải từ cỏc nguồn tự nhiờn và nhõn tạo [Mitsch và Gosselink, 1993].
Ngoài mục đớch dựng để xử lý nước, bói lọc ngập nước cũn cú những lợi ớch khỏc như tạo cảnh quan và mụi trường sống cho con người và cỏc loài thỳ. Cú thể coi bói lọc ngập nước như cỏc “siờu thị sinh học” bởi tớnh đa dạng sinh học của nú. Nhiều loài muụng thỳ (chim, bũ sỏt, cỏc động vật lưỡng cư, cỏ v.v...) sống và phỏt triển trong mụi trường bói lọc ngập nước hoặc sử dụng cỏnh đồng ngập nước làm nơi cư trỳ định kỳ với một khoảng thời gian nhất định trong chu trỡnh sống và phỏt triển [Hammer, 1992]. Bói lọc ngập nước cũn cú cỏc giỏ trị cao về thẩm mỹ.
Cỏc dạng bói lọc ngập nước nhõn tạo
Bói lọc ngập nước nhõn tạo cú thể được phõn loại theo hỡnh thức nuụi trồng điển hỡnh của cỏc loại thực vật như: hệ thống thực vật nổi, hệ thống rễ chựm nổi và hệ thống thực vật chỡm [Brix và Schierup, 1989]. Hầu hết cỏc hệ thống đều sử dụng cỏc loại cõy rễ chựm, tuy nhiờn cú thể phõn loại theo dạng vật liệu sử dụng và chế độ dũng chảy trong hệ thống (Hỡnh 2.5).
Hệ thống dũng chảy bề mặt
Hệ thống dũng chảy bề mặt là hệ thống được thiết kế cú lớp nước bề mặt tiếp xỳc với khụng khớ. Trong hệ thống dũng chảy ngầm, mực nước được cố định thấp hơn so với bề mặt vật liệu. Đối với hệ thống dũng chảy ngầm ngang, lớp vật liệu luụn được giữ trong trạng thỏi bóo hoà nước; đối với hệ thống dũng chảy đứng, lớp vật liệu khụng ở trạng thỏi bóo hoà vỡ nước được cấp khụng liờn tục mà theo cỏc khoảng thời gian nhất định và được thấm qua lớp vật liệu (tương tự như trong hệ thống lọc cỏt giỏn đoạn).
Tất cả cỏc dạng bói lọc ngập nước đều được cấy trồng ớt nhất là một loại thực vật cú rễ trong một loại vật liệu nào đú (thường là đất, sỏi hoặc cỏt). Cỏc chất ụ nhiễm được khử nhờ sự phối hợp của cỏc quỏ trỡnh húa học, lý học, sinh học, lắng, kết tủa và hấp thụ vào đất, quỏ trỡnh đồng húa bởi thực vật và cỏc sự chuyển húa bởi cỏc vi khuẩn [Brix, 1993; Vymazal và cỏc cộng sự, 1998].
Bói lọc ngập nước tự nhiờn cú diện tớch từ nhỏ hơn 1 ha cho tới hơn 1000 ha; khoảng 50% cú diện tớch trong khoảng 10 đến 100 ha. Bói lọc ngập nước nhõn tạo dũng chảy bề mặt thường cú diện tớch nhỏ hơn: khoảng 60 % cú diện tớch nhỏ hơn 10 ha. Thụng thường, tải lượng thủy lực trong cỏc bói lọc tự nhiờn thường nhỏ hơn so với cỏc bói lọc nhõn tạo do khụng được thiết kế cho mục đớch xử lý nước thải [Kadlec and Knight, 1996]. Cỏc hệ thống được thiết kế cho mục đớch xử lý nước thải cú nồng độ nitơ và phụtpho thấp (hoặc lưu giữ hoàn toàn) thường cú tải lượng bề mặt rất thấp, ngược lại đối với cỏc hệ thống được thiết kế để xử lý cỏc chất hữu cơ (BOD) và chất lơ lửng thường cú tải lượng bề mặt cao hơn. Chiều sõu mực nước trong hệ thống khoảng 5 đến 90 cm, thụng thường là 30 đến 40 cm. Hệ thống dũng chảy bề mặt thường được sử dụng để xử lý bổ sung và được bố trớ sau cỏc loại hồ sinh học tuỳ tiện hoặc hồ hiếu khớ trong dõy chuyền xử lý nước thải.
Hỡnh 2.5. Hệ thống XLNT sử dụng thực vật nổi.
a) Hệ thống dũng chảy bề mặt, dạng hồ; b) hệ thống dũng chảy ngầm ngang, dạng bói lọc chống thấm; c) Hệ thống dũng chảy ngầm đứng, dạng bói lọc chống
thấm [Brix, 1993].
Hệ thống dũng chảy ngầm
Ở chõu Âu, cỏc hệ thống bói lọc dũng chảy ngầm qua đất và sỏi đó được ứng dụng và xõy dựng rất phổ biến. Sậy (Phragmites australis) là loại thực vật được cấy trồng phổ biến nhất trong hầu hết cỏc hệ thống, một số hệ thống cú trồng thờm cỏc loại thực vật khỏc. Đất hoặc sỏi thường được dựng làm vật liệu trong cỏc bói lọc vỡ chỳng cú khả năng duy trỡ dũng chảy ngầm. Cỏc hệ thống sử dụng đất thường gập cỏc vấn đề về dũng chảy tràn bề mặt, đối với cỏc hệ thống sử dụng sỏi thường gập cỏc hiện tượng tắc dũng. Hệ thống dũng chảy ngầm thường cú diện tớch bề mặt nhỏ (<0,5 ha) và tải lương thủy lực lớn hơn so với hệ thống dũng chảy bề mặt.
Ở chõu Âu, cỏc hệ thống dũng chảy ngầm thường được sử dụng để xử lý bậc hai đối với nước thải sinh hoạt từ cỏc khu vực nụng thụn cú dõn số khoảng 4400 dõn. Ở Bắc Mỹ, hệ thống này được sử dụng để xử lý bậc ba đối với nước thải sinh hoạt từ cỏc khu vực cú dõn số lớn hơn.
Cơ chế xử lý trong bói lọc ngập nước nhõn tạo
Cơ chế xử lý chớnh đối với cỏc thành phần nitơ trong bói lọc ngập nước nhõn tạo là cỏc quỏ trỡnh nitrat húa và khử nitrat [Gersberg và Goldman, 1983; Reddy và cỏc cộng sự, 1989]. Tại cỏc vựng hiếu khớ, cỏc vi khuẩn nitrat húa ụxy húa amụni thành nitrat, tại cỏc vựng thiếu khớ cỏc vi khuẩn khử nitrat chuyển húa nitrat thành khớ nitơ (N2). ễxy cần thiết cho quỏ trỡnh nitrat húa được cung cấp từ khụng khớ và từ hệ rễ thực vật. Trong hệ thống dũng chảy ngầm đứng với hỡnh thức tưới giỏn đoạn, khả năng ụxy húa cao hơn nờn hiệu quả nitrat húa đạt cao hơn nhiều so với hệ thống đất
a)
b)
bóo hoà nước. Cõy trồng hấp thụ nitơ và tổng hợp thành sinh khối. Tuy nhiờn sự hấp thụ nitơ bởi cõy trồng thường cú tốc độ thấp hơn so với quỏ trỡnh khử nitrat.
Ngoài ra, sự phõn hủy cỏc chất ụ nhiễm cũng được thực hiện bởi cỏc quỏ trỡnh khỏc. Cỏc vựng kỵ khớ cũng thường được hỡnh thành trong bói lọc ngập nước nhõn tạo, và cỏc chất ụ nhiễm cũng được khử trong điều kiện kỵ khớ tại cỏc vựng này. Cỏc vi khuẩn kỵ khớ cú thể phõn hủy cỏc hợp chất hữu cơ và khử nitrat. Quỏ trỡnh khử nitrat chỉ cú thể xảy ra trong điều kiện khụng cú ụxy và giàu cacbon hữu cơ (nguồn dinh dưỡng cho cỏc vi khuẩn khử nitrat).
Quỏ trỡnh khử phụtpho trong bói lọc ngập nước xảy ra chủ yếu bởi cỏc phản ứng hấp thụ và kết tủa cựng cỏc nguyờn tố khúang chất như nhụm (Al), sắt (Fe), canxi (Ca), và mựn sột trong đất trầm tớch [Richardson, 1985]. Cỏc trạng thỏi đất ẩm và khụ trong cỏc giai đoạn luõn phiờn làm tăng khả năng cố định phụtpho trong lớp trầm tớch [Bayley et al., 1985; Sah and Mikkelsen, 1986]. Sự hấp thụ phụtpho bởi thực vật đúng vai trũ quan trọng trong hệ thống cú tải lượng bề mặt thấp [Reddy và De Busk, 1985; Breen, 1990].
Cỏc virus, mầm bệnh được khử trong bói lọc ngập nước bằng cỏc quỏ trỡnh lắng, lọc và tiờu hủy tự nhiờn trong mụi trường khụng thuận lợi [Lance và cộng sự, 1976; Gersberg và cộng sự, 1987; Watson và cộng sự, 1989]. Ngoài ra, cỏc vi khuẩn cũng bị ảnh hưởng bởi cỏc chất khỏng sinh tiết ra từ hệ thống rễ thực vật [Seidel và cộng sự, 1978]. Bức xạ tử ngoại cũng đúng vai trũ lớn trong quỏ trỡnh khử trựng đối với hệ thống cú lớp nước bề mặt.
Một phần nhỏ cỏc nguyờn tố kim loại cũng được hấp thụ và kết hợp cựng cỏc khúang chất hữu cơ và được tớch tụ trong bói lọc ngập nước dưới dạng trầm tớch. Sự hấp thụ bởi thực vật và chuyển húa bởi cỏc vi khuẩn cũng cú thể đúng vai trũ quan trọng trong xử lý kim loại [Watson và cộng sự, 1989].
Khả năng xử lý
Tất cả cỏc dạng bói lọc ngập nước đều cú khả năng khử chất lơ lửng với hiệu quả cao. Nồng độ chất lơ lửng trong nước sau xử lý trung bỡnh nhỏ hơn 20 mg/l và thường dưới 10 mg/l. Đối với hệ thống dũng chảy bề mặt cú diện tớch mặt nước tiếp xỳc với khụng khớ lớn, hiệu quả xử lý chất lơ lửng thường thấp hơn do khả năng phỏt triển của cỏc loại rong, tảo. Cỏc bói lọc loại này cần được thiết kế cú độ sõu mực nước thấp, cấy trồng cỏc loại thực vật nổi với mật độ lớn tại khu vực thu nước để loại bỏ tảo trước khi xả nước ra nguồn tiếp nhận. Thực vật nổi trồng trờn bề mặt nước sẽ hạn chế khả năng phỏt triển tảo do ngăn cản quỏ trỡnh quang hợp của cỏc loài thực vật sống trong nước. Bói lọc ngập nước cú khả năng xử lý BOD cao, nồng độ BOD trong nước sau xử lý thường nhỏ hơn 20 mg/l. Trong tất cả cỏc dạng bói lọc đều cú chu trỡnh tuần hoàn cacbon riờng sản sinh lượng BOD thấp (13 mg/l), vỡ vậy BOD trong nước sau xử lý thường trong mức giới hạn thấp [Kadlec và Knight, 1996]. Thậm chớ đối với những khu vực cú điều kiện khớ hậu thấp hoặc cú khả năng đúng băng vào mựa đụng, BOD trong nước sau xử lý vẫn đạt ở mức thấp [Brix, 1998].
Khả năng khử nitơ và phụtpho của bói lọc ngập nước nhõn tạo cú thể khụng ổn định và phụ thuộc vào cỏc đặc tớnh thiết kế và tải lượng chất bẩn. Sự gia tăng lượng sinh khối dư và cỏc khúang chất là cơ sở bền vững cho quỏ trỡnh khử phụtpho trong bói lọc ngập nước. Để đạt được hiệu quả xử lý phụtpho thường phải mất một thời gian lõu. Bói lọc dựng trong mục đớch xử lý phụtpho thường lớn và tiếp nhận nước thải loóng hoặc nước thải đó được xử lý sơ bộ. Bói lọc ngập nước cú khả năng xử lý nitơ dễ hơn so với phụtpho. Cỏc hợp chất nitơ được cỏc vi khuẩn chuyển húa thành khớ nitơ và thúat vào khớ quyển. Quỏ trỡnh ụxy húa thường giới hạn khả năng khử nitơ, vỡ vậy cấu tạo của bói lọc và thành phần cỏc chất ụ nhiễm trong nước thải cú ảnh hưởng lớn tới khả năng khử nitơ. Cỏc hệ thống dũng chảy ngầm thường đạt hiệu quả khử nitơ ở mức 3040%; đối với hệ dũng chảy bề mặt cú tải trọng bề mặt thấp hơn và thường cú hiệu quả khử nitơ đạt cao hơn 50%.
Bói lọc ngập nước cú khả năng lưu giữ tốt một số kim loại nặng. Tuy nhiờn khả năng lưu giữ kim loại của bói lọc thường cú giới hạn nhất định, trong trường hợp quỏ tải, nồng độ kim loại cú thể đạt ngưỡng gõy độc cho hệ thực vật trong hệ thống. Vỡ vậy khụng nờn sử dụng bói lọc ngập nước để xử lý cỏc loại nước thải cú nồng độ kim loại nặng cao.
Bói lọc ngập nước nhõn tạo cú khả năng khử vi trựng thụng qua cỏc quỏ trỡnh tiờu hủy tự nhiờn, nhiệt độ thấp, bức xạ tử ngoại, thức ăn của cỏc loại động vật trong hệ thống, lắng đọng. Thụng thường thời gian lưu giữ nước trong bói lọc lõu nờn khả năng khử khuẩn cao đặc biệt là đối với hệ thống bói lọc ngập nước trồng cõy.
Cỏc loại thực vật trồng trong bói lọc thường cú năng suất phỏt triển cao vỡ thế nhu cầu hấp thụ cỏc chất dinh dưỡng cũng đỏng kể. Khả năng hấp thụ của thực vật cú thể khử cỏc chất dinh dưỡng trong nước thải, chuyển húa thành sinh khối và được định kỳ thu hoạch ra khỏi hệ thống. Tuy nhiờn, bói lọc ngập nước nhõn tạo được sử dụng với mục đớch xử lý nước thải, lượng chất dinh dưỡng được khử do thu hoạch cõy trồng thường khụng đỏng kể so với tải lượng dinh dưỡng cần loại bỏ từ nước thải (xem cụ thể tại phần chức năng của thực vật).
Lợi ớch của bói lọc ngập nước nhõn tạo
Tất cả cỏc dạng bói lọc tự nhiờn hay nhõn tạo đều gúp phần phỏt triển đa dạng sinh học của cỏc loài động vật và thực vật và cú giỏ trị thẩm mỹ đối với cộng đồng.
Sự phỏt triển của hệ sinh vật và chuỗi dinh dưỡng trong bói lọc ngập nước
Cỏc dạng thực vật phỏt triển và chuỗi dinh dưỡng của chỳng phụ thuộc vào mụi trường vật lý trong bói lọc. Cỏc bói lọc ngập nước tự nhiờn là những hệ sinh thỏi cú năng suất phỏt triển cao do sự phong phỳ về nước và cỏc chất dinh dưỡng cú trong tầng đất bề mặt của trỏi đất [Mitsch và Gosselink, 1993]. Vớ dụ, trong hệ thống bói lọc ngập nước bề mặt cú mực nước nụng, cỏc thực vật nổi sẽ hạn chế sự phỏt triển của tảo trong nước do khả năng tạo búng ngăn cản quỏ trỡnh quang hợp của cỏc loại thực vật trong nước như rong, tảo. Nếu sự phỏt triển của tảo là cần thiết nhằm tăng cường chuỗi thức ăn cho cỏc loài thủy sinh (như cỏ, tụm, cua…), thỡ hệ thống cần được thiết kế với mực nước sõu và cú khụng gian mặt nước. Ngược lại, để phục vụ cho mục đớch xử lý chất lơ lửng và tảo, bói lọc ngập nước cần cú mực nước bề mặt nụng và cấy trồng cỏc loại thực vật nổi đặc biệt là tại khu vực thu nước ra khỏi hệ thống nhằm ngăn cản sự phỏt triển của tảo. Trong một số trường hợp, ngoài mục đớch làm sạch và nõng cao chất lượng nước, bói lọc ngập nước nhõn tạo cũn cú cụng dụng nuụi trồng cỏc sản phẩm địa phương như nuụi trai nước sạch hoặc tạo điều kiện giải trớ như cõu cỏ… Tuy nhiờn cần cú sự quan tõm chặt chẽ tới cỏc cụng tỏc quản lý và vận hành đối với cỏc loại bói lọc ngập nước dựng cho mục đớch nuụi tụm hoặc cỏc dạng thủy sản khỏc đặc biệt là ảnh hưởng của vi khuẩn và mầm bệnh.
Mụi trường sống của cỏc loài chim và động vật hoang dó
Một trong những lợi ớch của bói lọc ngập nước nhõn tạo là khả năng tạo mụi trường sống và làm phong phỳ cỏc loài chim. Tăng cường sự đa dạng của cỏc yếu tố vật lý trong bói lọc ngập nước sẽ làm tăng tớnh đa dạng sinh học trong hệ thống. Vớ dụ, số lượng cỏc loài chim nước sẽ tăng nếu mặt bằng bói lọc được thiết kế xen kẽ cỏc phần khụng gian mặt thúang nước mặt phủ thực vật nổi và tạo cỏc khu vực đất nổi. Cỏc loài chim lội như cũ, sếu ưa sống tại cỏc khu vực cú mực nước nụng, cú cỏc loại thực vật thưa, cỏc vựng đầm ven biển và cỏc khu vực tiếp giỏp giữa cỏc vựng nước sõu và đất khụ cú mụi trường thuận lợi cho việc sinh sản của cỏc loài cỏ là nguồn thức ăn của cỏc loài chim lặn và lội. Cỏc bói lọc ngập nước rộng cú khả năng cung cấp nguồn thức ăn và mụi trường sống tốt cho cỏc loài chim ăn thịt như chim ưng, diều hõu. Nếu cựng tồn tại cỏc loại cõy sống và chết trong bói lọc sẽ tạo điều kiện cho cỏc loài chim xõy tổ và sinh sống lõu dài. Cỏc loại động vật cú vỳ như cỏc loài chuột, cũng cú thể sống và tồn tại trong cỏc bói lọc nhõn tạo. Để cú được cỏc lợi ớch như thu hỳt sự phỏt triển của cỏc loài chim, cỏc bói lọc nhõn tạo cần được đầu tư, cú chi phớ vận hành và sự chấp nhận, ủng hộ của cộng đồng.
Lợi ớch đối với con người
Con người cú thể sử dụng bói lọc nhõn tạo cho cỏc mục đớch tạo cảnh quan và giải trớ. Cỏc bói lọc ngập nước lớn cú thể sử dụng cho mục đớch cõu cỏ hoặc săn bắn và gieo trồng cỏc loại cõy ăn quả như đậu hạt ...
Cỏc bói lọc ngập nước nhõn tạo cần được thiết kế kết hợp sử dụng cho cỏc mục đớch giải trớ như tập thể dục buổi sỏng, đi bộ, chạy, đi xe đạp và ngắm cỏc loài thỳ hoang dó. Một số bói lọc nhõn tạo lớn cú thể được thiết kế kết hợp thành cỏc cụng viờn sinh thỏi phục vụ cho cỏc mục đớch giải trớ của cộng đồng. Việc dạo chơi trờn