Những hệ thống này thƣờng là lƣu vực chứa nƣớc hoặc các kênh dẫn nƣớc, với lớp lót bên dƣới để ngăn sự rò rỉ nƣớc, đất hoặc các lớp lọc thích hợp khác hỗ trợ cho thực vật nổi. Lớp nƣớc nông, tốc độ dòng chảy chậm, sự có mặt của thân cây quyết định dòng chảy và đặc biệt trong các mƣơng dài và hẹp, bảo đảm điều kiện dòng chảy nhỏ (Redd và cộng sự, 1998).
1.6.2.2. Các hệ thống với dòng chảy ngang dưới mặt đất (Horizontal subsurface flow - HSF)
Hệ thống này đƣợc gọi là dòng chảy ngang vì nƣớc thải đƣợc đƣa vào và chảy chậm qua tầng lọc xốp dƣới bề mặt của nền trên một đƣờng ngang cho tới khi nó tới đƣợc nơi dòng chảy ra. Trong suốt thời gian này, nƣớc thải sẽ tiếp xúc với một mạng lƣới hoạt động của các đới hiếu khí, hiếm khí và kị khí. Các đới hiếu khí ở xung quanh rễ và Bàu rễ, nơi lọc O2 vào trong bề mặt. Khi nƣớc thải chảy qua đới rễ, nó đƣợc làm
sạch bởi sự phân hủy sinh học của vi sinh vật bởi các quá trình hóa sinh. Loại thực vật sử dụng phổ biến trong các hệ thống HSF là cây sậy.
1.6.2.3. Các hệ thống với dòng chảy thẳng đứng (Vertical subsurface flow - VSF)
Nƣớc thải đƣợc đƣa vào hệ thống qua ống dẫn trên bề mặt. Nƣớc sẽ chảy xuống dƣới theo chiều thẳng đứng. Ở gần dƣới đáy có ống thu nƣớc đă xử lý để đƣa ra ngoài. Các hệ thống VSF thƣờng xuyên đƣợc sử dụng để xử lý lần 2 cho nƣớc thải đã qua xử lý lần 1. Thực nghiệm đă chỉ ra là nó phụ thuộc vào xử lý sơ bộ nhƣ bể lắng, bể tự hoại. Hệ thống đất ngập nƣớc cũng có thể đƣợc áp dụng nhƣ một giai đoạn của xử lý sinh học.
Tuy nhiên, trên thực tế mô hình đất ngập nƣớc nhân tạo đƣợc xây dựng theo hai hệ thống: Bãi lọc trồng cây ngập nƣớc (FWS); Bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm hay Bãi lọc ngầm trồng cây, với dòng chảy ngang hay dòng chảy thẳng đứng (SSF). Cách thức phân chia các hệ thống khác nhau nhƣng chúng hoạt động theo cùng một cơ chế. [4]
1.6.3. Các nghiên cứu và ứng dụng
- Trên thế giới: Đất ngập nƣớc đƣợc sử dụng để cải thiện chất lƣợng nƣớc đã đƣợc biết đến vào những thập kỷ 20 của thế kỷ trƣớc, nhƣng hầu hết là các đất ngập nƣớc tự nhiên (U.S. EPA, 1999). Những nghiên cứu xây dựng đất ngập nƣớc nhân tạo để xử lý nƣớc thải bắt đầu vào những năm 1950 ở Đức (Seidel, 1976), ở Hoa kỳ vào những năm 1970 đến 1980 và phát triển mạnh trong những năm 1990, ngƣời ta xây dựng nhiều hệ thống xử lý nƣớc thải bằng đất ngập nƣớc và áp dụng rộng rải không chỉ để xử lý nƣớc thải đô thị mà còn để xử lý nƣớc thải cho các khu công nghiệp vùng khai khoáng và nƣớc thải nông nghiệp. Đặc biệt là các công trình của Kadlec và Knight (1996), Moshiri (1993), US-EPA (1988),… cho thấy hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm nhƣ BOD5, COD, DO, TSS, Photpho, Coliform,… có giảm đáng kể trong nƣớc thải. Vào năm 1997, một nhà khoa học trẻ ở Monrovia Growers, Cairo đã ứng dụng mô hình đất ngập nƣớc nhân tạo để xử lý lƣợng chất dinh dƣỡng và thuốc trừ sâu dƣ thừa ra khỏi nƣớc chảy tràn bề mặt của họ. Hệ thống đầm lầy này đƣợc thiết kế để xử lý nƣớc
cho 120 khu vực sản xuất mẫu Anh. Tiếp theo là quá trình xây dựng một mô hình đất ngập nƣớc nhân tạo để xử lí nƣớc mƣa chảy tràn ở tại Hillandale Golf Course, mô hình đất ngập nƣớc nhân tạo này đƣợc bắt đầu xây dựng từ tháng 5/2000.
- Ở nƣớc ta: Việc sử dụng các hệ thống tự nhiên nói chung và hệ thống đất ngập nƣớc nhân tạo nói riêng đã bắt đầu đƣợc sử dụng, nhƣ hệ thống đất ngập nƣớc để xử lý nƣớc thải cho nhà máy chế biến cà phê ở Khe Sanh, hệ thống đất ngập nƣớc ở Thành phố Việt Trì. Các đề tài nghiên cứu mới đây nhất về áp dụng phƣơng pháp này tại Việt Nam nhƣ "Xử lý nước thải sinh hoạt bằng bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy thẳng đứng trong điều kiện Việt Nam" của Trung tâm Kỹ thuật Môi trƣờng đô thị và khu công nghiệp (Trƣờng Đại học Xây dựng Hà Nội); "Xây dựng mô hình hệ thống đất ngập nước nhân tạo để xử lý nước thải sinh hoạt tại các xã Minh Nông, Bến Gót, Việt Trì" của Trƣờng Đại học Quốc gia Hà Nội... đã cho thấy hoàn toàn có thể áp dụng phƣơng pháp này trong điều kiện của Việt Nam. Theo Gs.TSKH. Nguyễn Nghĩa Thìn (Bộ môn Thực vật, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội) thì Việt Nam có đến 34 loại cây có thể sử dụng để làm sạch môi trƣờng nƣớc. Các loài cây này hoàn toàn dễ kiếm tìm ngoài tự nhiên và chúng cũng có sức sống khá mạnh mẽ.
Trƣờng Đại học Cần Thơ đã tiến hành các khảo sát khả năng xử lý nƣớc thải sinh hoạt và nƣớc thải từ các ao nuôi cá nƣớc ngọt bằng biện pháp đất ngập nƣớc kiến tạo kiểu chạy ngầm nằm ngang từ năm 2003 đến nay. Các nghiên cứu thực nghiệm đã đƣợc tiến hành trong khuôn viên trƣờng và thực địa với sự hợp tác của nông dân ở Cần Thơ. Kết quả cho thấy, đây là một triển vọng khả thi cho việc xử lý nƣớc thải ở vùng đồng bằng sông Cửu Long.
Các nhà khoa học thuộc Khoa Môi trƣờng, Trƣờng Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh đã nghiên cứu ứng dụng đất ngập nƣớc kiến tạo dòng chảy ngầm để xử lý các chất ô nhiễm và dƣ lƣợng kháng sinh chloramphenicol tồn tại trong nƣớc thải các ao nuôi thủy sản khu vực Đồng bằng sông Cửu Long. Kết quả nghiên cứu cho thấy, giải pháp ứng dụng đất ngập nƣớc kiến tạo xử lý tái sử dụng cho nuôi trồng thủy sản là khả thi. Ở các tải trọng thích hợp, chloramphenicol và các chất ô nhiễm giảm 50%
COD, 85% độ đục, 68% độ màu, 38% T-P, 43% T-N, gần 90% cặn lơ lửng và 40% CAP. Nƣớc thải sau khi qua mô hình đạt yêu cầu về chất lƣợng nƣớc nuôi trồng thủy sản (TCVN 5943-1995 và TCVN 5942-1995 loại A), có thể sử dụng tái sinh cho các ao nuôi. [8]
Tại thành phố Đà Nẵng, những mô hình áp dụng đất ngập nƣớc nhân tạo cũng đã mang lại những thành công đáng kể. Điển hình nhƣ việc làm sạch nƣớc hồ Đàm Rong, hồ Thạc Gián bằng bèo Lục Bình. Đây là nơi tập trung nƣớc thải của cả khu vực dân cƣ rộng khoảng 50 ha, mật độ từ 200 – 300 ngƣời/ha. Công ty Môi trƣờng đô thị Đà Nẵng cũng đã thiết kế các ô chứa lục bình giữa hồ, bố trí thành các hoa văn để vừa có tính thẩm mỹ, vừa xử lý đƣợc mùi hôi do tác dụng của lục bình, tạo sự thông thoáng cho mặt hồ. Theo công trình đạt giải nhất tại cuộc thi Sony Xanh tổ chức (2007), sinh viên Trƣờng ĐH Bách Khoa đã thành công trong việc góp phần xử lí, làm sạch hồ 29/3 bằng hệ thống thực vật nổi trên mặt nƣớc vừa đảm bảo chức năng môi trƣờng và tạo thêm giá trị thẩm mỹ cho “Lá phổi Xanh” của Thành phố.
1.6.4. Cơ chế của quá trình xử lý nƣớc thải bằng đất ngập nƣớc nhân tạo
Quá trình xử lí kim loại nặng: Các loài thực vật khác nhau có khả năng hấp thu kim loại mạnh rất khác nhau. Bên cạnh đó, thực vật đầm lầy cũng ảnh hƣởng gián tiếp đến sự loại bỏ và tích trữ kim loại nặng khi chúng ảnh hƣởng đến chế độ thủy lực, cơ chế hóa học lớp trầm tích và hoạt động của vi sinh vật. Các vật liệu lọc là nơi tích tụ chủ yếu các kim loại nặng. Các cơ chế loại bỏ chúng gồm có:
Kết tủa và lắng ở dạng hydroxit không tan trong vùng hiếu khí, ở dạng sunfit kim loại trong vùng kị khí của lớp vật liệu.
Hấp phụ lên các kết tủa oxyhidroxit sắt, mangan trong vùng hiếu khí
Kết hợp lẫn thực vật và đất - Hấp phụ vào rễ, thân và lá của thực vật trong bãi lọc trồng cây.
CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. ĐỐI TƢỢNG
2.1.1. Hồ Bàu Tràm
Hồ Bàu Tràm nằm ở phƣờng Hòa Hiệp Nam, quận Liên Chiểu, thành phố Đà Nẵng. Hồ có diện tích khoảng 32 ha.
Đối tƣợng nghiên cứu : Chất lƣợng nƣớc và trầm tích hồ Bàu Tràm.
Hình 2.1. Bản đồ quy hoach khu vực hồ Bàu Tràm
2.1.2. Mô hình đất ngập nƣớc
Mô hình đất ngập nƣớc có 2 loại là mô hình tự nhiên và nhân tạo. Ở đây, chọn mô hình nhân tạo kết hợp với trồng cây Chuối hoa.
Tên gọi :
Theo Tiếng Anh: Canna indica Bail Theo tiếng Việt : Chuối hoa Ấn Độ Họ : Cannaceae
Bộ gừng : Zingiberales
Phân lớp hành : Liliidae
Lớp một lá mầm: Monocotyledonese
Hình 2.2. Cây chuối hoa
Cây chuối hoa là hoa trồng phổ biến trong khu vực nhiệt đới và ôn đới. Lá màu xanh lá cây lớn giảm dần vào cuốn là mảnh mai, hoa nhỏ và có màu đỏ, Ngoài ra, còn một số loại lai với nhau để tạo ra những cây có màu vàng, hồng, cam hoặc một vài loài có những điểm lốm đốm hoặc cánh hồng trên hoa.
Việc sử dụng mô hình đất ngập nƣớc nhân tạo và mô hình lọc nổi kết hợp với việc trồng cây chuối hoa tạo cảnh quan môi trƣờng đô thị tại các nơi công cộng thì nội dung nghiên cứu sẽ đƣợc giới hạn trong phạm vi nhƣ sau:
Xem xét các quá trình loại bỏ các chất ô nhiễm có trong nguồn nƣớc hồ qua việc sử dụng mô hình đất ngập nƣớc và mô hình lọc nổi kết hợp với trồng cây chuối hoa. Chỉ tiêu cần đƣợc đánh giá ở đây hàm lƣợng kim loại nặng trong trầm tích.
Các thông số cơ bản bao gồm: hiệu suất quá trình xử lý các chất ô nhiễm, thời gian nƣớc lƣu của mô hình, thể tích nƣớc cấp vào mô hình đƣợc xem xét đánh giá và hiệu chỉnh sao cho mô hình phát triển ổn định.
2.2. NỘI DUNG
2.2.1. Thu thập các số liệu có liên quan
Thu thập các số liệu về chất lƣợng trầm tích của hồ Bàu Tràm. Đồng thời, lấy mẫu kiểm chứng để đánh giá chất lƣợng trầm tích tại hồ.
2.2.2. Đánh giá hiện trạng môi trƣờng tại hồ Bàu Tràm
Xác định vị trí lấy mẫu nƣớc và tiến hành lấy mẫu nƣớc để đánh giá hiện trạng chất lƣợng trầm tích. Các mẫu nƣớc đƣợc lấy nhƣ sau:
Khảo sát gồm 3 đợt:
+ Đợt 1: Khảo sát lần 1 tại các vị trí trong hồ đối với nƣớc và trầm tích (ngày
11/03/2013).
+Đợt 2: Khảo sát lần 2 tại các vị trí trong hồ đối với nƣớc và trầm tích. (ngày 17/06/2013).
+Đợt 3: Khảo sát lần 3 tại các vị trí trong hô đối với nƣớc và trầm tích. (ngày
05/11/2013).
Hình 2.3. Vị trí lấy mẫu bùn
Phân tích các chỉ tiêu có liên quan tại phòng thí nghiệm, bao gồm hàm lƣợng các kim loại nặng.
2.2.3. Nghiên cứu đề xuất giải pháp bảo vệ, quản lý chất lƣợng trầm tích hồ Bàu Tràm Tràm
Sau khi khảo sát chất lƣợng trầm tích của hồ chúng tôi xin đề xuất mô hình đất ngập nƣớc để kiểm soát chất lƣợng trầm tích nhƣ sau:
a, Thiết lập mô hình
Mô hình đƣợc lắp đặt và đặt tại Trung tâm nghiên cứu môi trƣờng của trƣờng Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng.
Mô hình gồm 08 thùng thể tích 20 lít, mỗi thùng đều có để lấy nƣớc ra. Bên trong mỗi thùng có cấu trúc gồm 2 lớp: lớp phía dƣới là sỏi 1x2cm lót đáy dày 80mm, trên lớp sỏi là lớp cát (đã rửa qua bằng nƣớc sạch) dày 220mm.
Hình 2.5. Mô hình thùng có cây
b, Vận hành
Trồng cây, theo dõi sự phát triển và khả năng thích nghi của cây thông qua chiều cao của cây, số lƣợng trên cây trên mô hình. Thời gian thực hiện là 24/02/2014 đến 24/03/2014.
Sau một thời gian cây đã thích nghi với môi trƣờng thì tiến hành cấp nƣớc vào mô hình.
- Chuẩn bị dung dịch tƣới: Chuẩn bị 03 thùng chứa 20 lít, ngâm bùn cho xấm xấp nƣớc, hằng ngày quấy đều và điều chỉnh bằng dung dịch axit HNO3 sao cho pH khoảng 5,5; sau 2 ngày ngâm dung dịch phân tích kim loại nặng.
Hình 2.6. Chuẩn bị dung dịch tưới
Cấp nƣớc vào mô hình: Hằng ngày cấp dung dịch (đã ngâm chiết) vào các mô hình với các tải lƣợng khác nhau; hỗn hợp nƣớc tƣới đƣợc pha loãng theo tỉ lệ (về thể tích): Mô hình Tỉ lệ (bùn:nƣớc) MH-1 75%:25% MH-2 75%:25% MH-3 50%:50% MH-4 50%:50% MH-5 25%:75% MH-6 25%:75% MH-7 0%:100% MH-8 0%:100%
Dung dịch ngâm bùn và nƣớc hồ. Tƣới vào mô hình sau khi khuấy trộn với thời gian lƣu là 3 ngày, liên tục trong 21 ngày.
Phân tích các thông số chất trầm tích bao gồm: As2+, Cd2+, Hg2+, Cr6+, Cu2+, Pb2+, Zn2+.
Thời gian thực hiện cấp nƣớc: từ ngày 03/02/2014 đến ngày 23/03/2014 đƣợc chia thành 7 đợt: - Đợt 1: ngày 03 đến 05/03/2013. - Đợt 2: ngày 06 đến 08/03/2013. - Đợt 3: ngày 09 đến 11/03/2013. - Đợt 4: ngày 12 đến 14/03/2013. - Đợt 5: ngày 15 đến 17/03/2013. - Đợt 6: ngày 18 đến 20/03/2013. - Đợt 7: ngày 21 đến 23/03/2013.
2.3. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.3.1. Phƣơng pháp thu thập số liệu 2.3.1. Phƣơng pháp thu thập số liệu
2.3.1.1. Thu thập số liệu qua tài liệu
Phƣơng pháp này dựa trên nguồn thông tin thu thập đƣợc từ những tài liệu tham khảo có sẵn (sách, luận văn,…) để xây dựng cơ sở nội dung.
2.3.1.2. Thu thập số liệu qua thực nghiệm
Trong phƣơng pháp này, số liệu đƣợc thực hiện bằng cách quan sát, theo dõi, đo đạc qua các thí nghiệm. Các thí nghiệm trong lĩnh hóa học đƣợc thực hiện trong
phòng thí nghiệm. Để thu thập số liệu, chúng tôi đặt ra các biến để quan sát và đo đạc (thu thập số liệu). Các nghiệm thức trong thí nghiệm (có những mức độ khác nhau) thƣờng đƣợc lặp lại để làm giảm sai số trong thu thập số liệu.
2.3.2. Phƣơng pháp xây dựng mô hình
Trong phƣơng pháp này, chúng tôi tiến hành xây dựng mô hình đất ngập nƣớc tại tại Trung tâm nghiên cứu môi trƣờng của trƣờng Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng.
2.3.4. Phƣơng pháp nghiên cứu thực địa
Phƣơng pháp này là phƣơng pháp truyền thống của địa lý học. Nó đƣợc áp dụng để tích lũy tài liệu thực tế về sự hình thành và đặc điểm hồ Bàu Tràm và khu vực xung quanh nó.
2.3.5. Phƣơng pháp khảo sát, lấy mẫu và phân tích mẫu
Sử dụng phƣơng pháp thủ công trong quá trình lấy mẫu, đối với bùn thì lấy bùn bằng dụng cụ hút bùn.
Chọn địa điểm lấy mẫu và bảo quản mẫu, mẫu lấy tại nơi lấy mẫu phải đảm bảo tính chất mang tính đại diện cho toàn bộ chất lƣợng nƣớc ở hồ. Thể tích mẫu cần phải đủ để phân tích các thành phần cần thiết bằng các phƣơng pháp đã chọn. Tiêu chuẩn áp dụng
- TCVN 6663-1 (ISO 5667-1:2006) - Chất lƣợng nƣớc - Lấy mẫu. Phần 1: Hƣớng dẫn lập chƣơng trình lấy mẫu và kỹ thuật lấy mẫu.
- TCVN 6663-3:2008 (ISO 5667-3:2003) - Chất lƣợng nƣớc - Lấy mẫu. Hƣớng dẫn bảo quản và xử lý mẫu.
- TCVN 5994:1995 (ISO 5667-4:1987) - Chất lƣợng nƣớc - Lấy mẫu. Hƣớng dẫn lấy mẫu ở hồ ao tự nhiên và nhân tạo.
Các phƣơng pháp phân tích xác định số liệu thực nghiệm.
- TCVN 7877:2008 (ISO 5666-1999) Chất lƣợng nƣớc - Xác định thủy ngân. - TCVN 6193-1996 (ISO 8288-1986) - Chất lƣợng nƣớc - Xác định coban, niken, đồng, kẽm, cadimi và chì. Phƣơng pháp trắc phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa.
- TCVN 6197-1996 (ISO 5961-1994) - Chất lƣợng nƣớc - Xác định cadimi bằng phƣơng pháp trắc phổ hấp thụ nguyên tử.
- TCVN 6626-2000 (ISO 11969-1996) - Chất lƣợng nƣớc - Xác định asen. Phƣơng pháp đo hấp thụ nguyên tử (kỹ thuật hydrua).
- TCVN 6658:2000 (ISO 11083:1994), Chất lƣợng nƣớc - Xác định crom (VI)