8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
1.2.1. Cơ sở khoa học của biện pháp sử dụng TVTS xử lý ô nhiễm nước
1.2.1.1. Các chất ô nhiễm là các chất vô cơ
Sự hấp thụ các chất ô nhiễm vô cơ, chủ yếu là các chất dinh dưỡng, các kim loại nặng và các chất phóng xạ của TVTS, diễn ra bởi rễ và sự hấp thụ qua lá. Vai trò chính của rễ là đồng hóa các chất dinh dưỡng, và vai trò chính của lá là vô cơ cố định carbon [62].
a) Các chất ô nhiễm là các kim loại nặng:
Sự hấp thụ của thực vật được diễn ra sau quá trình KLN được vận chuyển và đi vào khối trung trụ của thân. Các chất ô nhiễm KLN di chuyển qua các thành mạch rồi bị cố định hoặc chuyển hóa (Shimp J.F. và cộng sự, (1993)) [92]. Các kim loại hữu cơ được vận chuyển đến các khoang tế bào, rồi được lưu trữ trong vách tế bào và không bào như một hợp chất hữu cơ hoặc vô cơ ổn định. Mức cao bất thường của chất gây ô nhiễm (ngàn ppm) được đưa lên từ môi trường thường tập trung ở rễ, chồi và / hoặc lá. Sự hấp thụ, vận chuyển và cơ chế cố định đối với từng loại chất gây ô nhiễm là khác nhau đối với các loại TVTS khác nhau. Khả năng lấy đi các chất ô nhiễm độc hại khỏi môi trường nước phụ thuộc vào các yếu tố như tính chất địa hoá của trầm tích, tính chất vật lý hoá học của nước, sinh lý và kiểu gen của thực vật [62].
Tỷ lệ hấp thụ và tích tụ của các kim loại bởi các loài TVTS phụ thuộc vào bản thân các loài thực vật và hơn nữa, quy định bởi các yếu tố môi trường như nhiệt độ, pH, oxy hóa khử, thời gian, liều lượng, nhiệt độ và độ mặn [89]. Tỷ lệ loại bỏ KLN phụ thuộc vào nồng độ và thời gian. pH quy định tính linh động của các kim loại. Thế oxi hóa khử cũng quy định sự hấp thụ KLN trong thực vật. Oxi hóa khử thấp hỗ trợ sự tạo thành các sulfua kim loại trong trầm tích. Độ mặn giảm sự hấp thụ các kim loại bởi các TV do sự hình thành các phức clorua.
Sự hấp thụ kim loại của các thực vật có thể tích tụ trong rễ hay vận chuyển qua màng của rễ, được giải độc và hấp thụ ở cấp tế bào. Các KLN được tích hợp trong các mô thực vật hay được lưu trữ. Cơ chế hấp thụ - chuyển đổi được quy định chặt chẽ. Nhìn chung, các cơ chế loại bỏ KLN trong các thực vật bao gồm ba bước: sự hấp thụ, vận chuyển và lưu trữ. Theo Raskin P (1997), TVTS tích lũy hay loại bỏ các kim loại và các yếu tố độc hại khác khỏi nước bằng các quá trình: quá trình cố
định chất ô nhiễm bằng rễ, quá trình chiết tách chất ô nhiễm và quá trình thoát hơi nước qua thân và lá [89].
* Cơ chế cố định chất ô nhiễm bằng thực vật thuỷ sinh
Đây là quá trình rễ thực vật lọc, hấp thụ, chuyển hóa và tích lũy bên trong rễ hoặc hấp thụ trên bề mặt rễ, kết tủa trong vùng quyển rễ các chất ô nhiễm KLN trong nước. Quá trình này diễn ra nhờ các chất bài tiết ở rễ thực vật cố định chất ô nhiễm và làm giảm khả năng linh động của các KLN trong nước.
Quá trình cố định chất ô nhiễm phụ thuộc nhiều vào khả năng của rễ cây (chất tiết ở thực vật cố định chất ô nhiễm) và làm giảm tính linh động của các chất ô nhiễm trong nước. Mục đích chính là làm giảm lượng chất ô nhiễm di chuyển theo dòng nước để ngăn chặn sự lan truyền chất ô nhiễm ra các vùng khác [26]. Như vậy các thực vật có bộ rễ dày đặc sẽ đặc biệt có tác dụng, đồng thời nó cũng rất hiệu quả khi cần cố định nhanh một chất ô nhiễm nào đó mà không cần loại bỏ sinh khối.
Để xử lý ô nhiễm đòi hỏi thực vật phải là những thực vật ưa nước và có khả năng chống chịu cao đối với các chất ô nhiễm. Bên cạnh đó, các loài thực vật có tỷ lệ thoát hơi nước cao được ưu tiên sử dụng để làm giảm lượng nước chảy kéo theo các chất ô nhiễm. Ngoài ra các loài thực vật được sử dụng cần có đặc điểm như là cây dài ngày, cây lâu năm, sức sống tốt, hệ thống rễ dày và dài để trồng phối hợp.
Nhiều loài thực vật thường được sử dụng như cây thuỷ trúc (Cyperus
flabellidormis Rottb.), cây cỏ hương bài (Vetiveria zizanioides), cây lau (Zizania latifolia), cây bèo tây (Eichhornia crassipes),… đáp ứng tốt các yêu cầu này.
* Cơ chế hấp thụ các chất ô nhiễm trong nước bằng các loàiTVTS
Hấp thụ các chất ô nhiễm trong nước bằng các loài TVTS là việc sử dụng thực vật để hút, tập trung và tích lũy các chất ô nhiễm từ môi trường nước vào trong rễ, vào lá, thân, chồi,…; Các chất ô nhiễm sau đó được lấy đi khỏi môi trường qua thu hoạch các loài TVTS. Phương pháp này được sử dụng rất hiệu quả tại nhiều vùng đất ngập nước với mức ô nhiễm các chất hữu cơ, các KLN As, Pb, Cd,…Một
số loài TVTS thường được sử dụng theo phương pháp này là bèo tây (Eichhornia
crassipes), bèo tấm (Lemna minor), lau (Zizania latifolia), thuỷ trúc (Cyperus flabellidormis Rottb.),...
Hấp thụ chất ô nhiễm bằng TVTS là phương pháp tốt nhất để có thể loại bỏ chất ô nhiễm từ nước sau đó cô lập nó mà không cần phải thêm các hoá chất vào nước [57]. Thực vật hấp thụ, tích lũy, kết tủa và chuyển chất ô nhiễm từ nước thành sinh khối nên phương pháp này rất thích hợp cho xử lý các vùng nước ô nhiễm có hàm lượng ô nhiễm KLN thấp. Biện pháp chính đang được phát triển là trồng liên tục lặp đi lặp lại qua các vụ khác nhau, tuy nhiên biện pháp này phần lớn chỉ phụ
thuộc vào khả năng tự nhiên của thực vật. Việc phát hiện ra các loài thực vật siêu tích lũy KLN đã đẩy nhanh sự phát triển của công nghệ này.
TVTS có thể sử dụng để nâng cao tính khả thi của phương pháp là thực vật có khả năng hấp thụ lượng lớn KLN vào trong rễ sau đó chuyển hóa lên sinh khối và đồng thời có khả năng phát triển sinh khối nhanh. Khi tồn tại trong môi trường có hàm lượng KLN cao, các loài thực vật siêu tích tụ sẽ sản sinh ra các hợp chất liên kết kim loại nội bào hoặc tích lũy các KLN đó trong tế bào. Sau khi tích lũy trong cây, KLN có thể được thu hồi thông qua sinh khối thực vật. Các nhân tố như tốc độ sinh trưởng, khả năng chọn lọc của thực vật với nguyên tố hóa học, chống chịu bệnh, phương pháp thu hoạch cũng là các nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả của việc loại bỏ KLN trong nước khi trồng lặp đi lặp lại một loài thực vật hay kết hợp một số loài thực vật.
Tuy nhiên, những thực vật siêu tích lũy KLN thường là những thực vật sinh trưởng chậm, sinh khối nhỏ và hệ rễ ngắn dẫn đến hiệu quả xử lý thấp. Mặt khác, sinh khối thực vật được thu hoạch và loại bỏ có thể kéo theo sự ô nhiễm KLN ở nơi đổ bỏ mới. Một nguy cơ khác là KLN có thể gây hiệu ứng độc hại cho chính thực vật [26].
* Cơ chế xử lý chất ô nhiễm nhờ quá trình thoát hơi nước ở thực vật
Quá trình thoát hơi nước ở thực vật là sự hấp thụ và vận chuyển các chất ô nhiễm nhờ TV cùng với sự giải phóng các chất ô nhiễm hoặc dạng biến thể của chúng vào khí quyển qua thoát hơi nước. Khi các chất hóa học được thực vật hấp thụ, một số không biến đổi mà di chuyển qua gỗ và mô thực vật, nếu các chất ô nhiễm bay hơi được thì chúng bay hơi ở dạng khí qua các mô lá, kể cả các chất hữu cơ bay hơi cũng khuếch tán nhanh qua mô thân cây và bay hơi vào khí quyển, nhưng nhìn chung, số lượng các chất bay hơi qua mô thực vật ở điều kiện thực tế là nhỏ so với lượng hấp thụ [26]. Tuy nhiên, ở những điều kiện nhất định, khi các chất bay hơi có tính độc cao và bền vững sẽ gây rủi ro cho khí quyển.
Tất cả các quá trình xử lý nước ô nhiễm KLN bằng thực vật nêu trên không phải luôn luôn áp dụng riêng rẽ nhau. Để đạt được hiệu quả cao trong xử lý cần áp dụng một cách đồng thời và thích hợp. Tuy nhiên, hiệu quả xử lý KLN còn phụ thuộc vào dạng tồn tại của KLN trong nước cũng như hàm lượng KLN cần xử lý trong nước nhiều hay ít.
b) Các chất ô nhiễm là các hợp chất của nitơ và photpho:
Sự hấp thụ nitơ ở dạng NH4+ và NO3- bởi các loài TVTS đã được nhiều
nghiên cứu công bố [68], [86]. Bèo tấm (Lemna minor) đã thể hiện được khả năng
cũng đã được báo cáo cho một số thực vật ngập nước như các loài rong biển (Ruppia maritima và Zostera marina). Ngoài ra, bèo tây (Eichhornia crassipes), bèo ong (Salvinia auriculata), cây sậy (Phragmites australis) cũng thể hiện khả năng loại bỏ nitơ và phốt pho dạng N-NO3-, N- NH4+ và P- PO43- [90]. Việc loại bỏ N-NO3- trong các hệ thống đất ngập nước tự nhiên và xây dựng xảy ra thông qua ba quá trình: sự hấp thụ bởi thực vật, vi sinh vật đồng hoá và khử nitơrat. Hầu hết các
vi khuẩn khử nitơrat đòi hỏi môi trường kỵ khí và nguồn cacbon hữu cơ, chúng
chuyển đổi N-NO3- thành khí nitơ phân tử - N2[102]. Khả năng loại bỏ nitơ và
photpho phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, cụ thể tỷ lệ loại bỏ các hợp chất vô cơ này được ghi nhận cao hơn trong mùa hè và thấp hơn trong mùa đông. Photpho được hấp thụ trực tiếp bởi TVTS từ dạng phosphate bởi các kênh ion hoặc lực bơm proton trong tế bào [62].
1.2.1.2. Các chất ô nhiễm là các chất hữu cơ
Tuỳ thuộc vào các tính chất hoá học của các chất ô nhiễm hữu cơ, các loài TVTS có khả năng hấp thụ các chất ô nhiễm bới các quá trình khuyếch tán đơn giản. Ví dụ, để thâm nhập vào một chiếc lá, chất gây ô nhiễm hữu cơ thường đi qua các lỗ khí hoặc đi qua các lớp biểu bì, được bao phủ bởi lớp biểu bì. Thực vật hấp thụ các chất ô nhiễm độc hại chủ yếu thông qua rễ và lá [89]. Quá trình hấp thụ các chất ô nhiễm hữu cơ của TVTS bao gồm hai cơ chế:
- Hấp thụ trực tiếp các chất ô nhiễm rồi chuyển hoá các chất này thành mô thực vật.
- Giải phóng các dịch tiết và các enzym kích thích hoạt động của vi sinh vật và nâng cao kết quả của sự biến đổi của vi sinh vật trong vùng rễ (vùng gốc)
Số lượng hợp chất hữu cơ bị hấp thụ bởi các loài TVTS phụ thuộc vào bản thân loài thực vật, thành phần sinh hóa của tế bào thực vật, các tính chất hóa lý của chất gây ô nhiễm như tính phân cực, tính không ưa nước, sự biến động, khối lượng phân tử [89].
1.2.2. Tiêu chuẩn loài thực vật sử dụng để xử lý ô nhiễm nước
Theo nghiên cứu của Blaylock M.J. và Huang J.W. (2000) [64], để đạt hiệu quả cao trong xử lý ô nhiễm, các loài thực vật được chọn để xử lý các chất ô nhiễm trong nước phải có những tính năng sau:
- Có khả năng chống chịu với nồng độ chất ô nhiễm cao;
- Có khả năng hấp thụ nhanh các chất ô nhiễm từ môi trường nước; - Có khả năng tích lũy các chất ô nhiễm trong cơ thể cao kể cả ở nồng độ thấp;
- Có thể chịu đựng được điều kiện môi trường nghèo dinh dưỡng hoặc phú dưỡng;
- Có khả năng sinh trưởng nhanh và cho sinh khối lớn. Đây chính là điều kiện tiên quyết bởi các hoạt động làm sạch nhanh các chất ô nhiễm của thực vật là do khả năng sinh trưởng nhanh trong môi trường ô nhiễm.
Bên cạnh 6 tiêu chuẩn nói trên, để thực vật được sử dụng không trở thành loài xâm lấn hay cỏ dại gây hại cho môi trường và các sinh vật khác, loài thực vật được lựa chọn phải dễ kiểm soát về giống, về khả năng lây lan, phát triển trong hệ sinh thái.
1.2.3. Ưu điểm và hạn chế của biện pháp sử dụng TVTS để xử lý ô nhiễm nước a) Ưu điểm nhiễm nước a) Ưu điểm
Sử dụng TVTS để xử lý nước ô nhiễm có tính khả thi cao so với phương pháp hóa – lý truyền thống do nồng độ các chất ô nhiễm tồn tại trong môi trường nước thường không quá cao, ô nhiễm các thuỷ vực thường diễn ra trên quy mô rộng, lượng vật chất lớn nên sử dụng thực vật có khả năng bao quát còn các công nghệ khác khó thực hiện được hoặc nếu thực hiện được thì chi phí rất lớn và không thể tái sử dụng được thể tích nước sau khi xử lý.
Sử dụng TVTS để xử lý nước ô nhiễm có tính thân thiện cao với môi trường. TVTS không chỉ lấy đi từ môi trường một lượng lớn các chất ô nhiễm mà chúng còn làm sạch bầu không khí nhờ quá trình quang hợp và hấp thụ các chất khí là các chất độc có trong môi trường không khí. Bộ rễ của cây ngập sâu trong nước giúp hạn chế sự lan truyền các chất ô nhiễm ra các vùng khác đồng thời cũng tạo môi trường cho sự sinh trưởng và phát triển của nhiều loài sinh vật đặc biệt là các vi sinh vật, động vật nước.
Bên cạnh tính thân thiện với môi trường, sinh khối thực vật sau khi xử lý còn có thể được tái sử dụng. Từ sinh khối của thực vật có thể tạo ra nguồn phân bón vi lượng, nguồn nhiên liệu sinh học (củi đun, khí metan…), tro của chúng sau có thể là nguồn nguyên liệu cung cấp các khoáng chất và có thể bổ sung vào phân bón.
Sử dụng thực vật để xử lý nước ô nhiễm cũng có tính ưu việt hơn hẳn so với phương pháp hóa - lý. Công nghệ hóa lý xử lý nước ô nhiễm làm giảm khả năng tái sử dụng, tái sản xuất của nước vào các mục đích khác do trong quá trình xử lý bên cạnh những chất ô nhiễm chúng còn ảnh hưởng xấu tới hoạt tính sinh học của nước. Ví dụ, chúng phá vỡ hệ sinh thái và làm mất đi hệ vi sinh vật cộng sinh của rễ cây như vi sinh vật cố định nitơ, nấm cộng sinh, các loại nấm và cả hệ động vật nước. Công nghệ xử lý ô nhiễm nước bằng TVTS tiến hành ngay tại chỗ ô nhiễm và không cần thêm diện tích. Như vậy, công nghệ này giảm thiểu được mức độ xáo
trộn nước, giảm mức độ phát tán ô nhiễm thông qua không khí và dòng chảy. Đồng thời, nước sau khi được xử lý không bị phá hủy cấu trúc và có thể tái sử dụng với các mục đích khác nhau.
Giá thành công nghệ chi cho việc sử dụng TVTS để xử lý ô nhiễm KLN trong nước thấp. Có thể nói đây là ưu điểm lớn nhất của công nghệ dùng thực vật để xử lý, loại bỏ các chất ô nhiễm KLN khỏi nước nên nó phù hợp khi áp dụng tại các
nước đang phát triển. Ví dụ, khi làm sạch 1m3 nước ô nhiễm Cd bằng thực vật, ước
tính khoảng 1 USD, trong khi xử lý theo phương pháp kết tủa hoá học mất khoảng 3-5 USD. Năm 1998, Cục Môi trường Châu Âu (EEA) đánh giá hiệu quả của phương pháp xử lý kim loại nặng trong nước bằng phương pháp truyền thống và phương pháp sử dụng thực vật tại nhiều vị trí ở Tây Âu, kết quả cho thấy, chi phí
trung bình của phương pháp truyền thống đối với 1m3 nước nhiễm kim loại nặng từ
0,27 – 1,6 USD, trong khi phương pháp sử dụng thực vật chi phí thấp hơn từ 10 – 1000 lần [53].
b) Hạn chế
Xử lý chậm hơn phương pháp hóa lý: thực vật xử lý một lượng nhỏ chất ô