Đất ngập nước (wetland) được hiểu là phần đất có chứa nước trong đất thường xuyên ở dạng bão hoà hoặc cận bão hòa. Trong thiên nhiên, đất ngập nước hiện diện ở các vùng trũng thấp như các cánh đồng lũ, đầm lầy, ao hồ, kênh rạch, ruộng nước, vườn cây, rừng ngập nước mặn hoặc nước ngọt, các cửa sông tiếp giáp với biển. Đất ngập nước tham gia tích cực vào chu trình thủy văn và có khả năng xử lý chất thải qua quá trình tự làm sạch bằng các tác động lý hóa và sinh học phức tạp.
Tuy nhiên, việc xử lý nước thải qua đất ngập nước tự nhiên thường chậm, phải có nhiều diện tích và khó kiểm soát quá trình xử lý nên các nhà khoa học đã đề xuất ra biện pháp xây dựng các khu xử lý nước thải qua đất (land treatment). Khu này được gọi là khu đất ngập nước kiến tạo (constructed wetland) hay hệ thống mô phỏng đất ngập nước, chữ “kiến tạo” được hiểu là hệ thống được thiết kế và xây dựng như một vùng đất ngập nước nhưng việc xử lý nước thải hiệu quả hơn, giảm diện tích và đặc biệt có thể quản lý được quá trình vận hành ở mức đơn giản.
Vì thế đất ngập nước kiến tạo là một hệ thống kỹ thuật được thiết kế nhằm tận dụng sử dụng các quá trình tự nhiên của thực vật đất ngập nước, các loại đất và tập các loại vi sinh vật nhằm xử lý nước thải. Nó được thiết kế nhằm cải tiến và nâng cao hiệu quả xử lý của các quy trình tương tự xảy ra trong đất ngập nước tự nhiên. (Theo J.Vymazal / Ecological Engineering 25(2005))
4.1.2 Phân loại
Có 2 kiểu phân loại đất ngập nước kiến tạo cơ bản theo hình thức chảy: loại chảy mặt (Surface flow wetland) và loại chảy ngầm (Sub-surface flow wetland – SSFW). Loại chảy mặt thì ít tốn kém và tạo sự điều hòa nhiệt độ khu vực cao hơn
loại chảy ngầm nhưng hiệu quả xử lý thì kém hơn, tốn diện tích đất nhiều hơn và có thể phải giải quyết thêm vấn đề muỗi và côn trùng phát triển. Đất ngập nước kiến tạo kiểu chảy ngầm lại phân ra hai kiểu chảy: chảy ngang (horizontal flow) và chảy thẳng đứng (vertical flow). Việc chọn lựa kiểu hình tùy thuộc vào địa hình và năng lượng máy bơm. Đôi khi người ta phối hợp cả hai hình thức xử lý này.
Hình 4.1: Phân loại công nghệ đất ngập nước
Hình 4.2: Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy theo chiều ngang (vẻ lại theo Vymazal, 1997)
Hình 4.3: Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm theo chiều đứng
4.2Một số thực vật dùng trong hệ thống đất ngập nước
4 Vai trò của thực vật trong hệ thống đất ngập nước
Có hàng trăm loài thực vật ngập nước khác nhau (Mũhlberg, 1980). Việc ứng dụng những loài thực vật đó trong các hệ thống mô phỏng đất ngập nước để xử lý nước thải thì phụ thuộc vào các đặc điểm thích nghi của chúng khi được trồng ở vùng đất ngập nước và chịu đựng được các thông số cực hạn khác nhau về hóa học đất cũng như nước (hoặc nước thải), ví dụ như:
Hàm lượng Oxygen (với môi trường chủ yếu là kỵ khí, có mặt H2S) Giá trị pH
Thành phần độc tính của nước thải (phenol, chất hoạt động bề mặt, thuốc bảo vệ thực vật, kim loại nặng, v.v… )
Độ mặn.
Đa số các loài thực vật đầm lầy có thể được trồng ở các điều kiện trên, chúng có thể thích ứng trong điều kiện yếm khí ít hoặc nhiều trong đất bằng cách tác động đến con đường thu nhận không khí vào rễ ở trong nước. Các thí nghiệm thực tế đã tìm ra được hàng chục loài khác nhau có thể thích nghi với những điều kiện đó.
Bảng 4.1: Các loài thực vật được sử dụng phổ biến để xử lý nước thải trong các hệ thống mô phỏng ngập nước.
Loài Đặc điểm
Pharagmite australis (cây sậy)
Phân bố toàn cầu. Giá trị pH tối ưu: 2 – 8.
Ngưỡng chịu đựng độ mặn: < 45g/l.
Typha latifolia Phân bố toàn cầu.
Giá trị pH tối ưu: 4 – 10.
Ngưỡng chịu đựng độ mặn: < 1g/l.
Typha angustifolia Phân bố toàn cầu.
Giá trị pH tối ưu: 4 – 10.
Ngưỡng chịu đựng độ mặn: 15 – 30 g/l.
Scripus sp. (cây cỏ nến) Phân bố toàn cầu. Giá trị pH tối ưu: 4 – 9.
Juncus sp. (cây bấc, cây cói)
Phân bố toàn cầu.
Giá trị pH tối ưu: 5 – 7.5.
Ngưỡng chịu đựng độ mặn: 0 – 25 g/l, tùy vào loài.
Iris pseudacorus Carex sp. (cây cói túi, cây
lách)
Phân bố toàn cầu.
Giá trị pH tối ưu: 5 – 7.5.
Ngưỡng chịu đựng độ mặn: < 0.5g/l.
4.3 . Các yêu cầu đối với phương pháp xử lý nước thải trong đất ngập nước
Nước thải khi đưa vào cánh đồng ngập nước thường phải đáp ứng: pH 6,5- 8,5; cặn lơ lửng <150 mg/l; BOD5< 150 mg/l, tổng muối không hòa tan <5g/l; không chứa các chất độc hại, dầu mỡ,…
Nếu chứa nhiều trứng giun, sán, vi khuẩn gây bệnh, cần được khử trùng trước. Nước thải có nồng độ chất ô nhiễm vượt yêu cầu trên phải xử lý sơ bộ.
Các thông số cần kiểm tra trong quá trình vận hành là: BOD, tổng N, tổng P, E.coli, lưu lượng nước thải, các loại thực vật bậc cao, hệ động vật đất, năng suất cây
Việc lựa chọn loại cây rất quan trọng dựa vào các yếu tố: khả năng xử lý nước thải sinh hoạt, mỹ quan, kinh tế, sẵn có và khả năng tái sử dụng.
Trường Đại học Cần Thơ đã tiến hành các khảo sát khả năng xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải từ các ao nuôi cá nước ngọt bằng biện pháp đất ngập nước kiến tạo kiểu chạy ngầm nằm ngang từ năm 2003 đến nay. Mô hình xử lý đất ngập nước dòng chảy ngầm theo phương ngang
Hình 4.4: Đất ngập nước dòng chảy ngầm theo phương ngang
4.4 Các yếu tố ảnh hưởng 4.4.1Thủy lực 4.4.1Thủy lực
Chế độ dòng chảy là một nhân tố rất quan trọng trong hệ thống ĐNN nhân tạo, nó ảnh hưởng đến thời gian lưu nước, mực nước…
Sự thay đổi thời gian lưu nước hoặc chiều sâu mực nước có thể ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả xử lý.
4.4.2 Chất lượng nước đầu vào
Chất lượng nước không tốt có thể làm tắt nghẽn hệ thống đất ngập nước nhân tạo, có thể gây mùi hôi. Ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý của hệ thống.
Nước thải khi đưa vào đất ngập nước thường phải đáp ứng: pH 6,5- 8,5, cặn lơ lửng < 150 mg/l, BOD5 < 150 mg/l, tổng muối không hòa tan < 5g/l; không chứa các chất độc hại, dầu mỡ,…
4.4.3 Tái sử dụng nước nhằm hạn chế xả thải vào nguồn
Nước thải sau khi ra khỏi trại nuôi có thể tập trung lại, sau đó thải vào các đồng cỏ đang trong thời kỳ phát triển và theo hệ thống dẫn tưới tiêu cho hoa màu. Với hình thức này năng suất thu được từ hoa màu rất cao đồng thời cũng không gây nên hiện tượng ô nhiễm môi trường cho các vùng nuôi tôm, cá tập trung.
4.5 Thu sinh khối từ thực vật trong hệ thống nhằm khép kín vòng tuần hoàn vật chất, giảm phát sinh chất thải rắn chất, giảm phát sinh chất thải rắn
Bên cạnh việc xử lý được nước thải chúng ta còn thu được sinh khối của các thực vật này. Ví dụ:
Cỏ Vetiver sau khi phát triển cao, ta có thể cắt bớt phần lá, có thể làm mỹ nghệ hoặc làm lá lợp mái, làm chất đốt.
Thân và lá cỏ vetiver có thể dùng làm lớp thảm thực vật rải lên lớp đất mặt quanh tán cây để giữ ẩm cho cây và diệt cỏ dại cũng như lót rải để bảo vệ đất dưới chuồng nuôi gia súc. Tuy nhiên chúng ta cần phải lưu ý một số điểm khi việc sử dụng thảm thực vật để xử lý nước thải : sau khi tham gia vào quá trình hút các chất ô nhiễm trong nước thải các chất ô nhiễm đó được tích tụ trong các bộ phận của cây (từ rễ cho tới lá) sau một thời gian thì khả năng hút của cây sẽ giảm đi. Và khi cây chết đi thì chất ô nhiễm sẽ quay trở lại môi trường. Vì vậy chúng ta cần xem xét đến một số giải pháp nhằm thu được sinh khối của thực vật vừa tạo thêm thu nhập vừa có điều kiện để thay lứa cây mới vì cây mới sẽ có khả năng hút chất ô nhiễm cao hơn so với cây đã bão hòa.
4.6 Dự trữ dinh dưỡng
Các cơ chế chuyển hóa chính của các chất dinh dưỡng chính là các quá trình vi sinh như là sự nitrat hóa, sự phản nitrat hóa và các quá trình hóa lý như sự cố định của phosphate bằng các ion sắt và nhôm trong đất. Tuy nhiên, thực vật có khả năng chịu đựng được nồng độ cao các chất dinh dưỡng và kim loại nặng, một số khác có khả năng tích lũy chúng trong mô bào.
4.6.1 Sự tích lũy carbon trong đất từ rễ
Thực vật tạo ra một lối thông để vận chuyển carbon từ rễ của chúng vào môi trường đất, quá trình này còn được gọi là sự tích lũy carbon trong đất từ rễ. Sản phẩm của quá trình này bao gồm chất dịch, chất nhầy từ cây hay các tế bào chết, v.v… ảnh hưởng đến các quá trình sinh học trong đới rễ cây. Hàm lượng carbon hữu cơ được tiết ra từ rễ cây thường vào khoảng 10 – 40% trong sản phẩm của quá trình quang hợp ở các loài cây nông nghiệp (Helal và Sauerbeck, 1989). Bản chất tự nhiên của các chất dịch nói trên thường thì khá là khác biệt nhau.
Nói chung, các hợp chất được tìm thấy trong mô bào thực vật cũng thường bị rỉ ra ngoài. Lấy ví dụ, các hợp chất thường bị rỉ ra ngoài môi trường từ rễ cây bao gồm các loại đường và vitamin như thiamime, riboflavin (B1), pyridoxin, v.v…; các acid hữu cơ như acid malic và citric; các amino acid, các benzoic acid, những dẫn xuất của phenol và các hợp chất khác (Miersch et al.., 1989). Các hợp chất nói trên được phân chia thành các nhóm chính và nhóm phụ, chúng có các vai trò sau:
4.6.2 Cố định các chất dinh dưỡng
Sự thiếu hụt dinh dưỡng có thể kích thích sự bài tiết các acid hữu cơ và các hợp chất khác làm gia tăng độ hòa tan của các dạng phosphate và sắt, từ đó gia tăng lượng dinh dưỡng mà thực vật hấp thụ (Hoffland et al.., 1982). Giúp cho thực vật trong hệ đất ngập nước có khả năng cố định các chất dinh dưỡng giải quyết hiện tượng phú dưỡng hóa do nước thải chưa qua xử lý khi thải vào môi trường.
4.6.3 Ảnh hưởng của đới rễ cây
Những hợp chất như là các loại đường và amino acid có thể đóng vai trò như là những cơ chất của các loài vi sinh vật. Khi có sự hiện diện của vitamin, sự tăng trưởng của vi sinh vật có thể được tăng thêm. Trong báo cáo của Helal và Sauerbeck năm 1989 đã cho thấy phần khối lượng khô (khoảng 80%) của các hợp chất hữu cơ được tiết ra từ chi Zea có thể được chuyển hóa thành CO¬2 nhờ một số loài vi sinh sống trong đất, dẫn đến sự gia tăng sinh khối của vật chất trong đới rễ cây. Hơn thế nữa, đã có một chứng cứ cho thấy phần xác thực vật cũng ảnh hưởng đến quá trình tự phân hủy vi sinh của một số sinh vật lạ chưa được biết tới (Horswell et al.., 1997).
4.6.4 Phóng thích oxygen từ rễ
Các loài thực vật bậc cao thích ứng bản thân rất nhanh khi có sự thiếu hụt oxygen trong đới rễ cây. Một số thì rất nhạy cảm và dẫn đến chết, số khác thì thích nghi với điều kiện thiếu oxygen với nhiều cơ chế khác nhau (Vartapetian và Jackson, 1997). Các cơ chế đó được biết đến ở các loài thực vật đầm lầy, vốn có khả năng cung cấp thêm oxygen cho rễ từ lá của chúng. Sự bổ sung không khí từ lá cho rễ chịu ảnh hưởng bởi một loại mô bào đặc biệt gọi là mô thông khí. Loại mô này chiếm đến 60% tổng thể tích mô bào của thực vật.
Sự chênh lệch nhiệt độ ở bên trong T1 và nhiệt độ môi trường xung quanh T2 đối với các lá non sẽ hình thành nên một dòng di chuyển không khí từ môi trường ngoài vào trong lá (hiệu ứng Knudsen). Nhiệt độ bên trong T1 càng cao, số dòng di chuyển không khí sẽ tăng lên nhằm hạn chế dòng di chuyển ngược trở lại môi trường và cuối cùng làm cho áp suất bên trong lá P1 tăng lên. Phần áp suất dư dương P1 cộng với áp suất dư âm P¬2 trong các mô tiêu thụ oxygen của rễ có được là do độ hòa tan CO2 cao hơn so với lượng O2 tiêu thụ thông qua dòng đối lưu không khí bên trong thực vật nhờ hệ thống mô thông khí. Nhờ có dòng đối lưu khí này mà hiệu suất cung cấp O2 cao hơn so với khi chỉ có một dòng khuếch tán O2. Điều đó đảm bảo cung cấp đủ O2 trong suốt quá trình vận chuyển đến các đầu rễ và sâu trong rễ như ở loài Phragmites. Cuối cùng, dòng khí thoát ra từ các lá già bởi vì có sự cân bằng áp suất giữa áp suất dư dương P1 của lá non so với áp suất P0 của môi trường bao quanh lá già.
Dòng oxygen đi xuyên vào trong rễ có vai trò không chỉ là sự hô hấp của rễ. Đó cũng có thể là các rễ trẻ phóng thích oxygen qua vách ngăn bộ rễ vào môi trường đất của rễ cây (Armstrong và cộng sự, 1991).
Sự tạo ra oxygen trong môi trường đất của rễ cây làm thay đổi các điều kiện oxy hóa – khử của các vùng thiếu oxygen và dẫn đến các quá trình oxy hóa hữu cơ và vô cơ. Quá trình giúp gia tăng hiệu quả xử lý nước thải và cải tạo đất.
4.7 Chi phí hợp lý
Một công nghệ ngoài đánh giá lựa chọn dựa trên vấn đề kỹ thuật thì tính kinh tế vô cùng quan trọng giúp cho khả năng ứng dụng trên quy mô lớn. Ưu điểm của hệ
thống xử lý đất ngập nước là chi phí đầu tư cho hệ thống thấp hơn nhiều so với các hệ thống khác.
Chi phí để mua cỏ về trồng cũng ít hơn rất nhiều so với việc mua hóa chất xứ lý nước thải.
Cách thức trồng cỏ cũng như đưa vào xử lý của hệ thống tương đối dễ dàng, không đòi hỏi người nhân viên trình độ quá cao. Người kỹ thuật viên chỉ cần được đào tạo qua khóa học về cách trồng cũng như cách chăm sóc thì sẽ có thể ứng dụng nó vào công việc ngay.
Việc chăm sóc hệ thực vật quan trọng trong thời gian đầu vì khi đó cây mới phát triển cần được chăm sóc tốt để tránh hiện tượng cây bị chết do thiếu chất dinh dưỡng. Sau khi đã phát triển đạt yêu cầu có thể phục vụ cho việc xử lý nước thải thì ta sẽ không phải chăm sóc nhiều nữa.
Ưu điểm:
- Chi phí vận hành thấp, tăng thêm lợi nhuận kinh tế ở các khu nuôi thâm canh do có thêm nguồn thu cho người nuôi trồng.
- Thân thiện với sinh thái
Chương 5.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
5.1. Kết luận
Đồng bằng sông Cửu Long là vùng đất ngập nước điển hình của quốc gia với chế độ ngập lũ, ngập mặn và hệ thống kênh rạch chằng chịt, hệ sinh thái rừng ngập mặn, rừng tràm… Nuôi trồng thủy sản là thế mạnh của vùng nhưng môi trường nước lại đang bị ô nhiễm nghiêm trọng. Chính vì vậy, việc sử dụng công nghệ sinh thái để tạo nên một ngành nuôi trồng thủy sản bền vững là rất cần thiết.
Các ứng dụng trên cho thấy, cho đến nay việc ứng dụng chế phẩm sinh học, mô hình nuôi trồng sinh thái và sử dụng đất ngập nước trong nuôi trồng sinh thái mang lại nhiều triển vọng cho ngành nuôi trồng thủy sản. Để hướng tới một ngành thủy sản chất lượng và bền vững thì chúng ta cần đưa công nghệ sinh học thông qua việc sử dụng các chế phẩm sinh học nguồn gốc từ vi sinh vật. Chế phẩm này có khả năng chống nhiễm trùng do vi khuẩn và vi rút, xử lý môi trường.
Bên cạnh đó, công nghệ đất ngập nước như một phương án cho xử lý nước thải mà yêu cầu không dùng hóa chất, thân thiện với môi trường và phù hợp với xu thế