2.2.2. Thực vật thủy sinh
Rất nhiều bài báo đã đề cập đến công suất của các nhà máy nước để chiết xuất chất dinh dưỡng thực vật từ nơi nó phát triển trong nước. Động lực thúc đẩy nhiều bài báo viết về khả năng chiết xuất chất dinh dưỡng của thực vật thủy sinh trong suốt nhiều năm qua là nhằm nâng cao sự hiểu biết về vấn đề ô nhiễm nước, cả nước ngọt lẫn nước mặn. Đó là hậu quả tất yếu của sự gia tăng dân số, sự phát triển của công nghiệp và việc xử lý nước thải sinh hoạt, động vật, công nghiệp vào biển và các vùng nước trong đất liền như sông, suối, ao, hồ. Rất nhiều minh chứng cho hậu quả nghiêm trọng của nước thải đến những sông hồ sạch đẹp trước đây đã khơi dậy nhận thức của cộng đồng và khoa học về sự cần thiết không chỉ ngăn chặn, bắt giữ, xử lý tình trạng xả thải đổ trực tiếp ra môi trường mà còn là sự cố gắng, chung tay của mọi cá nhân hay tổ chức để làm giảm chất ô nhiễm. Với khả năng vượt trội của thực vật thủy sinh, đặc biệt là cây lục bình, trong việc làm giảm các hợp chất và nguyên tố độc hại trong nước một cách hiệu quả đã được công nhận rộng rãi.
Một điều được chỉ ra là tất cả các cây thủy sinh đều có thể làm tốt việc rút chất dinh dưỡng từ trong nước, nhưng các cây nhỏ, như thực vật phù du hay các cây chìm ngập nước sẽ khó khăn và tốn kém trong trong việc thu hoạch hơn là các loài thực vật nổi. Có 4 loài được cho là phù hợp: Cây lục bình (Eichhornia crassipes), Alternanthera philoxeroides, Justicia americana và Typha latifolia.
Thử nghiệm trên thực vật thủy sinh về việc loại bỏ thuốc trừ sâu từ môi trường thủy sinh đã cho kết luận rằng thực vật thủy sinh nổi cho kết quả tốt hơn, hiệu quả hơn với loài thực vật chìm trong việc loại bỏ đó bởi lượng nước thoát ra. Cuộc thí nghiệm cũng thành công trên cây lục bình trong việc loại trừ chì và thủy ngân từ nước ô nhiễm. Theo sau sự sự hấp thu niken và cadimi, những kim loại nặng <10g/cm3 bởi cây lục bình trong cùng chuỗi, sự hấp thu chì và thủy ngân đã được thực hiện. Công việc được mở rộng bao gồm Alternanthera philoxeroides, thực vật có khả năng chịu đựng mặn tốt hơn so với lục bình.
Hệ thống xử lý dựa vào thực vật thủy sinh sử dụng trong ao hay vùng ngập nước nhân tạo đem lại hiệu quả trong kiểm soát nước ô nhiễm. Thực vật thủy sinh cho thấy sự tiềm năng đối với xử lý nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, và nước thải nông nghiệp. Thực vật thủy sinh đang được xem xét để cải thiện chất lượng nước trong hồ và các dòng chảy. Hấp thụ sinh học đang được chứng minh là một giải pháp thay thế hiệu quả cho hệ thống loại bỏ kim loại độc hại từ nước thải công nghiệp thông thường. Sự phát triển quá trình hấp thụ sinh học yêu cầu nghiên cứu sâu hơn theo hướng mô hình hóa sự tái sinh của những thực vật hấp thụ sinh học và áp dụng kiểm tra với nguồn nước thải công nghiệp. Nồng độ chất dinh dưỡng cao trong nước có thể dần dần giảm xuống trong nước qua thảm thực vật sinh học. Thực vật thủy sinh đóng vai trò quan trọng trong việc làm sạch nước thải: loại bỏ chất dinh dưỡng dưới ảnh hưởng của nhiệt độ, hoạt động sinh học và tốc độ dòng chảy. Dòng chảy càng chậm và thời gian lưu đọng càng lâu thì càng nhiều chất được loại bỏ. Từ đó kết luận được rằng trong rất nhiều loài thực vật thủy sinh, cây lục bình là loài làm giảm dinh dưỡng từ nước thải hiệu quả. Cây lục bình cũng cho thấy hữu ích trong xử lý nước thải ô nhiễm kim loại nặng độc hại. Bèo tấm được thử nghiệm như một cách để lọc nước thải trong những tháng mùa đông khí cây lục bình không hoạt động. Cây cỏ nến (Bulrush) là một loài thực vật thân thảo lâu năm, được trồng ở khí hậu ôn hòa, khu vực cận nhiệt đới và
nhiệt đới và cho thấy khả năng hấp thụ lớn nhất với kim loại như Na. Vì vậy, một mặt cây thủy sinh thể hiện sự hấp thụ với chất dinh dưỡng như nitơ, photpho, lưu huỳnh, canxi, magie và các kim loại như natri, sắt, mangan, kẽm, đồng…và một mặt nó cũng nhấn mạnh phải đồng thời thu hoạch và loại bỏ thảm thực vật thủy sinh liên tục, đặc biệt là loài thực vật chìm từ đầm nếu không nó sẽ chết, mục nát thối rữa và trả lại những chất dinh dưỡng nó đã hấp thụ vào nước. Như thế nồng đô chất dinh dưỡng trong hồ sẽ không thể giảm xuống mức chấp nhận được, về lâu dài có thể làm suy thoái chất lượng nước [7]
2.3. Các công nghệ xử lý nguồn nước bị phú dưỡng (hàm lượng TN, TP cao) cao)
Phú dưỡng hay phì dưỡng là một phản ứng của hệ sinh thái khi quá nhiều chất dinh dưỡng như nitrat và phốt phát từ các loại phân bón hoặc nước cống rãnh bị thải vào môi trường nước. Thông thường, khi hàm lượng nitơ (N) lớn hơn 500 µg/l và photpho (P) lớn hơn 20 µg/l trong nước được xem là phú dưỡng. Một ví vụ là nước "nở hoa" hoặc gia tăng đột biến các thực vật phù du trong vực nước khi gia tăng lượng chất dinh dưỡng trong nước. Hiện tượng này làm ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường như thiếu dưỡng khí, làm cạn kiệt ôxy hòa tan trong nước, làm giảm số lượng các thể cá và các quần thể động vật khác. Các loài khác (như sứa Nomura trong các vực nước của Nhật Bản) có thể gia tăng số cá thể làm ảnh hưởng tiêu cực đến các loài khác.
2.3.1. Công nghệ vi khuẩn (BT)
Trong quá trình xử lý sinh học, các vi khuẩn bản địa hoặc nuôi cấy và các sinh vật khác được sử dụng để biến đổi các chất ô nhiễm độc hại và có hại thành các chất không độc hại trong môi trường có thể kiểm soát được. Công nghệ xử lý sinh học lần đầu tiên được sử dụng để loại bỏ rò rỉ đường ống xăng ở Pennsylvania vào năm 1972. Công nghệ xử lý sinh học, đóng vai trò quan trọng là phương tiện chính, là một cột mốc quan trọng trong sự phát triển của phản ứng sinh học, và thu hút ngày càng nhiều sự chú ý.
Theo mức độ can thiệp của con người, phản ứng sinh học có thể được chia thành phản ứng sinh học tự nhiên và nhân tạo, phản ứng nhân tạo có thể được chia thành phản ứng sinh học tại nguồn và xử lý sinh học sau khi đã khai thác. Một mặt, xử lý sinh học tại nguồn có nghĩa là sử dụng công nghệ xử lý sinh học trực tiếp trong các dòng sông bị ô nhiễm mà không có bất kỳ
chất ô nhiễm nào được khai thác và vận chuyển. Trong quá trình này, các vi khuẩn bản địa đôi khi kết hợp với các vi khuẩn thuần hóa được sử dụng. Ngoài ra, nó thường cần các biện pháp khác nhau để tăng cường hiệu quả công nghệ. Mặt khác, xử lý sinh học sau khai thác là nước bị ô nhiễm được lấy ra từ các khu vực bị ô nhiễm để xử lý sau khi vận chuyển đi nơi khác. Do đó, khi công nghệ kỹ thuật kiểm soát ô nhiễm sông, xử lý sinh học đã phát triển nhanh chóng từ năm 1990. Công nghệ xử lý sinh học có nhiều lợi thế như giảm chi phí, ảnh hưởng môi trường thấp, không gây ô nhiễm thứ cấp hoặc di chuyển ô nhiễm, giảm mức độ ô nhiễm ở mức tối đa, có sẵn cho các khu vực mà công nghệ xử lý ô nhiễm thường trực khó được áp dụng, v.v. Công nghệ xử lý sinh học là biện pháp khắc phục hứa hẹn nhất.
Công nghệ vi khuẩn được xác định là một cách để khôi phục các hệ thống sông và nước thải bị ô nhiễm thành mẫu nước chất lượng tự nhiên của nó. Công nghệ này bắt đầu từ một ứng dụng về ao sinh học nhân tạo thông thường mà sau này mở rộng ra khái niệm vùng đất ngập nước. Trong thời đại hiện nay, các vùng đất ngập nước được xây dựng như là một lựa chọn khả thi để xử lý các dòng sông, dòng suối bị ô nhiễm vì nó chịu ít chi phí hơn về mặt xây dựng và bảo trì chung so với các nhà máy xử lý nước thải truyền thống. Tuy nhiên, các vùng đất ngập nước được xây dựng lại không thể loại bỏ những chất dinh dưỡng quan trọng như phốt pho. Các nghiên cứu cho thấy rằng các vùng đất ngập nước không những loại bỏ phốt pho kém mà thậm chí nồng độ phốt pho còn cao hơn khi xử lý xong. Vì vậy, công nghệ dùng vùng đất ngập nước không hiệu quả trong việc loại bỏ chất dinh dưỡng như phốt pho.
Tuy nhiên, công nghệ vi khuẩn là hệ thống mà về cơ bản vi khuẩn được sử dụng để phân hủy chất ô nhiễm thành các chất đơn giản vô hại và tạo ra nước thải tiêu chuẩn. Công nghệ này có những lợi thế tiềm năng hơn so với việc dùng các vùng đất ngập nước. Công nghệ vi khuẩn đã thực hiện thành công trong việc phục hồi các hồ bị ô nhiễm, tiêu chuẩn hóa nước thải của nhà máy xử lý và phục hồi ô nhiễm sông đô thị của Shenzhen và Wuxi ở Trung Quốc. BT là một giải pháp làm sạch dòng sông bị ô nhiễm, và nó đáp ứng tiêu chuẩn nước thải mà không cần xây dựng những công trình đồ sộ như với các phương pháp truyền thống. Do đó, công nghệ vi khuẩn cung cấp một lựa chọn hợp lý cho các nhà máy xử lý nước thải. Bằng sử dụng công nghệ vi khuẩn,
chúng ta có thể đề xuất xem xét đóng cửa hay loại bỏ chi phí bảo trì thường xuyên của các nhà máy xử lý nước thải.
Những trường hợp nghiên cứu
- Dự án phục hồi sông Xuxi: Trước khi có chiến dịch xử lý sông Xuxi, môi trường xung quanh rất kinh hoàng. Đồng thời, chạy dọc bờ sông là tòa nhà dân cư với các nhà hàng và khu chợ. Có tới 50 điểm xả thải đã được xác định, vì thế nên con sông phải chịu một lượng lớn nước thải đổ thẳng trực tiếp ra hàng ngày. Tuy nhiên, cộng đồng ở xung quanh lưu vực sông Xuxihe không có bất kỳ cơ sở xử lý nước thải nào. Trước tình hình kinh hoàng đó, màu tự nhiên của dòng sông đã chuyển thành màu xanh đậm tượng trưng cho chất phân lắng đọng và tình trạng phú dưỡng tự nhiên của sông. Điều đó chỉ ra sự ô nhiễm môi trường nghiêm trọng phía hạ lưu sông. Đánh giá tổng quan về chất lượng nước mặt cho thấy rằng, tổng nồng độ phốt pho, ni tơ và NH3 ở hạng V. Do vậy, không một loài thủy sinh nào cả thực vật lẫn động vật có thể sống trong sông. Tình trạng ô nhiễm sông đã được cải thiện sau khi áp dụng xử lý công nghệ vi khuẩn. Kết quả trước và sau khi xử lý được thể hiện ở bảng.
Bảng 4: Các thông số chất lượng nước trước và sau khi xử lý bằng công nghệ vi khuẩn trên sông Xuxi
Nguồn: [8] Từ bảng kết quả, ta thấy có một sự cải thiện đáng kể trong việc phục hồi dòng sông trở lại môi trường sống tự nhiên cho các loài sinh vật. Các thông số chất lượng nước được trình bày trong bảng đã chỉ ra sự phục hồi lớn trước và sau khi xử lý với công nghệ vi khuẩn: Nhiệt độ được giữ ở mức ổn định và ở khoảng nhiệt độ thuận lợi cho các loài thủy sinh sinh trưởng và phát
triển; Nồng độ DO tăng gấp nhiều lần nên sinh vật có nhiều oxy cho các hoạt động của nó hơn và đặc biệt làm giảm đáng kể tổng nồng độ phốt pho có trong nước.
- Xử lý bể phốt, quận Menshanyuan: Quận Menshanyuan là một trong những quận chính được xem xét cho chiến dịch xây dựng lại của chính phủ Trung Quốc, như là một phần của chương trình phát triển kinh tế và tái cơ cấu. Quận Menshanyuan có tổng cộng 2630 hộ gia đình với 3 khu bể tự hoại riêng biệt. Các bể tự hoại này được sử dụng để xử lý nước thải sinh hoạt. Nước thải sau khi xử lý sẽ được xả trực tiếp vào sông. Để ngăn chặn tình trạng ô nhiễm ở các hệ thống sông ngòi, công nghệ vi khuẩn đã được thông qua và thực hiện. Tốc độ phục hồi chung được đo với COD, TP và TN lần lượt cho thấy giảm tới 89%, 75% và 67%. Những kết quả này chỉ ra một sự cải thiện rất tốt cho hiệu suất của mỗi bể tự hoại.
Bảng 5: Kết quả xử lý áp dụng công nghệ vi khuẩn cho bể tự hoại
Nguồn: [8] Công nghệ vi khuẩn đã được áp dụng thành công với các sông đô thị ô nhiễm ở rất nhiều khu vực Trung Quốc và trong hệ thống xử lý nước thải đáp ứng tiêu chuẩn chất lượng nước mặt. Theo một số nghiên cứu cho thấy tổn thất do ô nhiễm môi trường xấp xỉ 98,61 tỷ nhân dân tệ vào năm 1992, trong đó ô nhiễm nước chiếm tới hơn 36%. Chính phủ bị thiệt hại kinh tế lớn khi cố gắng sử dụng các phương pháp truyền thống như vùng đất ngập nước và các nhà máy xử lý nước thải lớn trên cả nước. Nhiều nghiên cứu chỉ ra ô nhiễm sông và nước thải ở Trung Quốc là một mối quan tâm lớn. Do đó, cần phải tái
chế nước thải và khuyến khích tăng trưởng môi trường bền vững trong nền kinh tế Trung Quốc. Một lựa chọn khả thi là sử dụng công nghệ vi khuẩn. Công nghệ vi khuẩn không sử dụng chất hóa học nên sẽ không ảnh hưởng đến môi trường tự nhiên. Đây là một ưu điểm nữa của công nghệ này khi nó là một công nghệ thân thiện với môi trường. Thêm nữa, trong khi các phương pháp xử lý truyền thống yêu cầu chi phí xây dựng và sữa chửa lớn là một gánh nặng khủng lồ với ngân sách nhà nước, việc áp dụng công nghệ vi khuẩn sẽ là một giải pháp thay thế hữu hiệu để cải thiện chất lượng nước sông hồ chi phí thấp. Các cuộc thảo luận gần đây về biến đổi khí hậu và sự thôi thúc về công nghê xanh bắt buộc tất cả các quốc gia phải sử dụng công nghệ bền vững. Tính bền vững có nghĩa là, các hoạt động hoặc phát triển đáp ứng các nhu cầu ở hiện tại mà không ảnh hưởng đến nhu cầu của thế hệ tương lai [8]
2.3.2. Công nghệ xử lý với động vật thủy sinh
Các động vật thủy sinh đã từng được sử dụng để xử lý ô nhiễm, và điều chỉnh thành phần hóa học của nước thông qua thay đổi thành phần loài và mật độ của các loài cá. Việc sử dụng cá chép bạc, cá chép thông thường và các loại cá khác có thể kiểm soát hiện tượng phú dưỡng do thực vật phù du (tảo) gây ra một cách hiệu quả [6].