CHƢƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CƢ́U
3.3. Ứng dụng cơng nghệ sinh thái trong xử lý ơ nhiễm nƣớc mặt Đầm Và
Trong cơng nghệ sinh thái, vai trị của TSTV đƣợc thể hiện nhƣ sau:
1. Làm giá thể cho vi sinh vật sinh sống: Quần thể vi sinh vật là động lực cho quá trình xử lý. Vi sinh vật cĩ khả năng đồng hố các chất phú dƣỡng trong nƣớc thải để từ đĩ làm giảm nguy cơ ơ nhiễm.
2. Tạo điều kiện cho quá trình nitrat và phản nitrat hố: Đây là quá trình đồng hố chất hữu cơ, làm giảm chất phú dƣỡng tại thuỷ vực.
3. Chuyển hố nƣớc và chất ơ nhiễm: Các chất ơ nhiễm cĩ trong thành phần nƣớc ơ nhiễm bị thay đổi do quá trình sử dụng các chất dinh dƣỡng của các lồi vi sinh vật và TSTV.
4. Sử dụng chất dinh dƣỡng thành sinh khối: Quá trình sử dụng chất dinh dƣỡng thành sinh khối là quá trình tăng trƣởng và phát triển của các lồi vi sinh vật, TSTV.
5. Nguồn che sáng: Sự cĩ mặt của TSTV giúp điều hồ nhiệt độ của nƣớc và ngăn chặn sự phát triển của các nhĩm tảo, qua đĩ hạn chế sự dao động lớn của pH và lƣợng ơxy hồ tan (DO) giữa ban ngày và ban đêm.
Diễn tiến quá trình làm sạch nƣớc nhƣ sau:
1. Vi sinh vật tạo thành lớp màng sinh học (biofilms) trên bề mặt TSTV (1). 2. Sau đĩ, vi sinh vật phân giải các chất hữu cơ trong nƣớc và làm trong nƣớc (2).
3. TSTV hút các chất dinh dƣỡng nhƣ N, P (3).
Trong tự nhiên, việc sử dụng TSTV cho xử lý nƣớc thải cĩ thể tiến hành trong các kênh rạch cĩ độ sâu từ 20-50 cm hoặc trong các ao, đầm cĩ độ sâu từ 50-200 cm. Để xác định lồi thực vật cho xử lý nƣớc thải cần phải xem xét đến đặc điểm sinh trƣởng, khả năng chống chịu của thực vật, các nhân tố mơi trƣờng. Ngồi ra cũng cần xem xét đặc điểm của nƣớc thải, yêu cầu chất lƣợng dịng thải, loại hệ thuỷ sinh, cơ chế loại bỏ ơ nhiễm, lựa chọn quy trình, thiết kế quy trình, độ tin cậy của quá trình (Greenway, 2003; Silvana, 1994).
TSTV hút các chất dinh dƣỡng trong nƣớc trong quá trình sinh trƣởng để tạo sinh khối, đồng thời rễ, thân của TSTV là giá thể để vi sinh vật bám vào để hoạt động.
53
Vai trị của vi sinh vật rất cĩ giá trị trong việc đồng hố các chất hữu cơ trong nƣớc mặt.
Ngồi ra, cả 3 nhân tố vi tảo, TSTV, vi sinh vật đều tham gia vào các quá trình trao đổi chất. Quá trình này diễn ra liên tục dƣới tác động của các yếu tố ngoại cảnh nhƣ nhiệt độ, ánh sáng, khơng khí, dịng chảy, các nguồn thải vào trong nƣớc, mơi trƣờng nƣớc...
Ánh sáng giúp cho quá trình quang hợp, trao đổi chất của vi tảo và TSTV. Khơng khí, giĩ, dịng chảy... tác động đến mơi trƣờng nƣớc thơng qua việc khuyếch tán ơ xy vào trong nƣớc. Các nguồn thải làm tăng nồng độ các chất trong nƣớc, thay đổi mơi trƣờng nƣớc (pH, tăng độ đục, giảm độ truyền quang...), tác động đến hoạt động của các nhân tố trong nƣớc.
Hình 3.5. Diễn tiến quá trình làm sạch nƣớc ơ nhiễm Quy trình chuyển hĩa các chất hữu cơ của vi khuẩn hiếu khí:
(C,O,H,N,S) + O2 + VK hiếu khí → CO2 + NH3 + H2S + sản phẩm khác + năng lƣợng Trong đĩ C, O, H, N, S là các nguyên tố Carbon, Oxy, Hidro, Nitơ và Lƣu huỳnh tồn tại trong các hợp chất hữu cơ cĩ trong nƣớc.
Vi sinh vật 1 Vi tảo 2 TSTV 3 Nước ơ nhiễm
54
Các sản phẩm trong quá trình hiếu khí trên chính là nguồn dinh dƣỡng cho vi tảo phát triển.
Hình 3.6. Chu trình tổng hợp dinh dƣỡng trong Đầm Và
Tảo sử dụng ánh sáng mặt trời, lấy khí CO2 trong nƣớc để tổng hợp và thải ra ngồi mơi trƣờng khí ơxy trong ao nuơi, dẫn đến màu nƣớc tốt (Thƣờng là màu xanh lục), giàu ơxy... Tảo lúc này giữ vai trị nhƣ “nhà máy lọc sinh học tự nhiên”, trực tiếp hấp thu tất cả những sản phẩm thừa, sản phẩm sau cùng của phân huỷ hữu cơ, khí độc hại,… chuyển hố chúng sang dạng ít độc hại hoặc phân giải, phân huỷ chúng thành những vật chất khác đơn giản và vơ hại.
Hình 3.7. Chu trình cộng sinh vi khuẩn - tảo trong hệ thống xử lý nƣớc thải (Chongrak, 1989) Các cá thể tảo mới Ơxy hóa bởi vi khuẩn Quang hợp của tảo Năng lượng mặt trời CO2 +H2O +NH4 Chlorophyll TVTS Chất thải hữu cơ Các cá thể vi khuẩn mới
Oxy hịa tan (DO)
55
3.4. Các lồi TVTS đƣợc sử dụng cho việc xử lý ơ nhiễm nƣớc mặt tại Đầm Và
3.4.1. Các lồi TSTV được lựa chọn
3.4.1.1. Các lồi đƣợc lựa chọn:
Bảng 3.4. Các lồi TSTV đƣợc lựa chọn
Stt Lồi thực vật
Tên Việt Nam Tên khoa học Mơ tả
1. Rau Muống Ipomoea Aquatica Sinh học, sinh thái: Cây
ra hoa và cĩ quả tháng 4- 9. Mọc ở nơi ngập nƣớc và nổi trên mặt nƣớc
Phân bớ: Phổ biến cả
nƣớc. Xuất hiện ở khu vực nhiệt đới trên thế giới Dài từ 20cm trở lên, thân hình trụ rỗng, cĩ rễ mọc ra từ đốt. Hoa màu tím nở cuối hè. Thân cĩ cuống ở nách, cĩ thể trồng bằng ngọn.
2. Ngổ Trâu Enydra fluctuans
Lour.
Sinh học, sinh thái: Cây
ra hoa và cĩ quả tháng 4- 11. Mọc ở nơi ngập nƣớc và nổi trên mặt nƣớc
Phân bớ: Phổ biến ở đồng
bằng và trung du cả nƣớc. Xuất hiện ở Ấn Độ, Trung Quốc, Việt Nam, Campuchia, Lào,
56
Indonesia, Malaysia Dài 20-80cm, rễ mọc ra từ đốt. Lá mọc đối, mép cĩ răng nhỏ, cụm hoa hình bán cầu, khơng cĩ cuống ở nách lá, đỉnh ngọn
3. Bèo tây, họ Lục Bình
Eichhornia Crassipes
(Mart) Solms.
Sinh học, sinh thái: Mọc
ở nơi ngập nƣớc và nổi trên mặt nƣớc
Phân bớ: Trên khắp cả
nƣớc
Cỏ nổi trên mặt nƣớc, cao 30-50cm, thân bị ngang cĩ đốt. Lá mọc ở gốc, xếp kiểu tồ sen hoặc mọc nách, cuống lá phình to, xốp, phiến lá nguyên, gần trịn, nhẵn bĩng. Cụm hoa bĩng, mọc ở đỉnh, nhiều bơng. Hoa lƣỡng tính, quả nang, hình trứng, hạt nhiều.
4. Cải Soong Rorippa Nastuticum Sinh học, sinh thái: Mọc
ở ao hồ, đất ngập nƣớc
Phân bớ: Khắp cả nƣớc thuộc vùng đồng bằng và trung du
Cây nổi mặt nƣớc, phiến lá to, xanh thẫm, thân xốp
57 3.4.1.2. Lý do lựa chọn:
- Lồi sinh vật bản địa, dễ thích nghi, chống chịu tốt sự thay đổi điều kiện sống. Các loài này bao gồm cải Soong, ngổ Trâu, bèo Tây, rau Muống là các lồi thực vật hiện hữu trong khu vực cĩ khả năng thích ứng nhanh trong q trình sử dụng.
- Hiệu quả xử lý tốt, các lồi này cĩ thể đƣợc áp dụng trong thực tiện với mơ hình đơn giản, hoạt động liên tục, lâu dài.
- Hiệu suất xử lý tốt, khơng gây tác động khác tới mơi trƣờng. - Sử dụng nhiều lần, lâu dài.
3.4.2. Đánh giá khả năng xử lý của TSTV
3.4.2.1. Vai trị, hiệu suất xử lý loại bỏ yếu tố phú dƣỡng:
Căn cứ theo Báo cáo tổng kết đề tài độc lập cấp nhà nƣớc “Nghiên cứu đánh giá
hiện trạng ơ nhiễm mơi trường nước và tảo độc tại Hồ Núi Cớc (Thái Nguyên); đề xuất các giải pháp quản lý tổng hợp nước hồ”, mã số ĐTĐL.2009T/08; chủ nhiệm
đề tài TS. Trần Văn Tựa (Phịng thuỷ sinh học - Viện Cơng nghệ mơi trƣờng) thì khả năng loại bỏ các yếu tố phú dƣỡng phụ thuộc vào khả năng sinh trƣởng của TSTV. Khả năng sinh trƣởng tỷ lệ thuận với khả năng loại bỏ N, P. Nhƣ vậy, quá trình loại bỏ các chất phú dƣỡng phụ thuộc rất nhiều vào khả năng sinh trƣởng. Khả năng sinh trƣởng tốt thì nồng độ các chất phú dƣỡng càng giảm.
Sinh trƣởng của các lồi TSTV chịu ảnh hƣởng của rất nhiều yếu tố ngoại cảnh trong đĩ yếu tố dinh dƣỡng nhƣ Nitơ và phốtpho. Thực vật đồng hố N ở dạng NH4+ và NO3-; cịn với P ở dạng PO43-
.
Hiệu quả xử lý các chất phú dƣỡng trong điều kiện nồng độ cao với các thơng số cơ bản:
- T-N: 2,4-3,8mg/l - T-P: 0,3-0,4mg/l
- Chla (Sinh khối vi khuẩn lam): 169-262μg/l - Nhiệt độ nƣớc ở vào khoảng 20-250
C - Ánh sáng tự nhiên ngồi trời
58 Thử nghiệm với rau Muống (Ảnh chụp tại
khu thử nghiệm 18 Hồng Quớc Việt) Thử nghiệm với ngổ Trâu (Ảnh chụp tại khu thử nghiệm 18 Hồng Quớc Việt)
Thử nghiệm với bèo Tây (Họ Lục bình)
(Ảnh chụp tại khu thử nghiệm 18 Hồng Quớc Việt)
Thử nghiệm vi tảo trong mơi trƣờng nƣớc (Ảnh chụp tại khu thử nghiệm 18
Hồng Quớc Việt)
Hình 3.8. Thử nghiệm TSTV trong phịng thí nghiệm Kết quả nghiên cứu nhƣ sau:
Bảng 3.5. Hiệu suất xử lý của hệ thống TSTV với tải lƣợng 100l/m2
/ngày Khả năng xử lý TSTV Khả năng loại bỏ (%) TSS T-P COD T-N Chla Bèo Tây (Họ Lục Bình) 81,48 57,32 67,04 30,43 81,47 Rau muống 65,89 36,28 50,67 25,41 64,87
59
Ngổ Trâu 74,29 42,07 49,97 20,89 72,03
Cải Soong 58,41 43,76 57,16 21,75 66,32
(Nguån: Đề tài độc lập cấp nhà nước mã sớ ĐTĐL.2009T/08).
Bảng 3.6. Hiệu suất xử lý của hệ thống TSTV với tải lƣợng 200l/m2
/ngày Khả năng xử lý TSTV Khả năng loại bỏ (%) TSS T-P COD T-N Chla Bèo Tây (Họ Lục Bình) 83,09 67,36 64,48 32,64 91,79 Rau muống 53,26 43,52 54,14 24,32 70,12 Ngổ Trâu 79,48 51,62 54,39 23,48 79,75 Cải Soong 77,09 51,15 56,40 25,08 78,59
60
Đới với bèo Tây:
Trong mơi trƣờng thích hợp cĩ độ pH từ 7-8 (Phù hợp pH của Đầm Và), căn cứ vào khả năng sinh trƣởng thơng qua các chỉ tiêu sinh khối và tăng trƣởng cho thấy các kết quả sau:
Khả năng xử lý T-N: 30-35% Khả năng xử lý T-P: 65-70% Khả năng xử lý Chla: 81-91%
Đới với rau Muớng:
Trong mơi trƣờng thích hợp cĩ độ pH từ 7-8 (Phù hợp pH của Đầm Và), căn cứ vào khả năng sinh trƣởng thơng qua các chỉ tiêu sinh khối và tăng trƣởng cho thấy các kết quả sau:
Khả năng xử lý T-N: 22-26% Khả năng xử lý T-P: 40-45% Khả năng xử lý Chla: 67-73%
Đới với rau ngổ Trâu:
Khả năng xử lý T-N: 20-25% Khả năng xử lý T-P: 50-55% Khả năng xử lý Chla: 75-80%
Đới với rau cải Soong:
Khả năng xử lý T-N: 22-28% Khả năng xử lý T-P: 48-53% Khả năng xử lý Chla: 68-72%
(Nguån: Đề tài độc lập cấp nhà nước mã sớ ĐTĐL.2009T/08).
Đánh giá chung về hiệu quả xử lý của các lồi TSTV đối với các chất phú dƣởng điển hình:
- Bèo Tây (Họ Lục Bình) là lồi cĩ hiệu suất xử lý cao nhất. - Các lồi khác cĩ hiệu suất xử lý khơng chênh lệch nhau.
61
Bảng 3.7. Hiệu suất xử lý của hệ thống TSTV với vi khuẩn lam, vi tảo
TSTV
Chỉ tiêu
Khả năng loại bỏ (%) Bèo Tây (Họ
Lục Bình)
Ngổ Trâu Rau Muống Cải Soong
Vi tảo 79,33 49,83 57,66 65,25
Vi khuẩn lam 82,80 57,60 62,80 52,37
3.4.2.2. Mức độ áp dụng (Chủng loại, diện tích, mật độ, phân bố theo mùa): Các yếu tố ảnh hƣởng đến việc áp dụng TSTV trong xử lý nƣớc mặt tại Đầm Và:
+ Tiến trình đồng hố chất ơ nhiễm: Tuỳ từng loại TSTV, hiệu quả xử lý của chúng khác nhau. Nhƣ kết quả phần trên đề cập thì bèo Tây cĩ hiệu quả xử lý tốt nhất.
+ Ảnh hƣởng của nhiệt độ: Nhiệt độ tác động đến khả năng sinh trƣởng của cây (Theo mùa) và tốc độ các phản ứng liên quan đến hoạt động của tảo và vi sinh vật. Vì vậy cần chọn chủng loại TSTV thích hợp theo từng điều kiện nhiệt độ.
+ Ảnh hƣởng của nguồn thải vào nguồn tiếp nhận là Đầm Và. Các nguồn thải làm thay đổi đặc tính mơi trƣờng nƣớc làm ảnh hƣởng đến quá trình sinh trƣởng và phát triển của TSTV.
+ Ảnh hƣởng của các điều kiện khí tƣợng khác nhƣ giĩ, mƣa, ánh sáng... + Ảnh hƣởng dịng chảy tự nhiên.
Các yếu tố nhƣ mƣa, giĩ, dịng chảy tự nhiên, ánh sáng ... tác động đến mơi trƣờng nƣớc thơng qua việc đƣa oxy hồ tan vào nƣớc, giảm nồng độ ơ nhiễm, tăng khả năng quang hợp...
+ Đặc tính sinh học của TSTV: Nhƣ trên đề cập, các lồi TSTV chủ yếu sống ở dƣới nƣớc, cĩ thể thích nghi với điều kiện ơ nhiễm, sử dụng các thành phần phú dƣỡng để sinh trƣởng và phát triển. Cĩ lồi TSTV sống nổi (bèo Tây), nhƣng cĩ lồi sống ven bờ ngập nƣớc (rau Muống, cải Soong, ngổ Trâu).
+ Ảnh hƣởng đến các yếu tố khác liên quan nhƣ vi tảo, khả năng khuyếch tán oxy vào trong nƣớc, sự truyền quang vào trong nƣớc, quá trình hoạt động
62
của các lồi sinh vật sống ở các tầng nƣớc mặt, tầng giữa và tầng đáy… Vì vậy, cần xác định mật độ, diện tích trồng để khơng làm ảnh hƣởng đến các thành phần khác trong nƣớc.
Các yếu tố ảnh hƣởng này cĩ khả năng tác động đến hiệu quả của xử lý nƣớc mặt bị ơ nhiễm tại Đầm Và.
3.5. Đề xuất mơ hình phù hợp để xử lý ơ nhiễm Đầm Và bằng TSTV
3.5.1. Yếu tố đầu vào phải giải quyết
- Căn cứ theo kết quả quan trắc thì các yếu tố ơ nhiễm của Đầm Và cần giải quyết chủ yếu là các thành phần gây hiện tƣợng phú dƣỡng (N, P) và VSV, vi tảo. Các thành phần này bao gồm:
Bảng 3.8. Các yếu tố đầu vào cần giải quyết
Th«ng sè BOD5 COD T-P TSS NH4+
Coliform
Ctc (mg/l) 30-50 40-60 0,08-0,1 50-100 0,3-0,8 7.500-15.000
- Diện tích khu vực Đầm Và cần xử lý:
Về mùa lũ (Từ tháng 4-10): 2ha
Về mùa kiệt (Từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau): 1,5ha
- Các yếu tố khác liên quan: Hạn chế tình trạng bất hoạt của P là nguyên nhân của hiện tƣợng bùng phát của vi tảo trong bùn, xác thực vật trong Đầm Và; khai thơng dịng chảy để thay đổi mơi trƣờng nƣớc và tăng khả năng khuyếch tán oxy và ánh sáng vào trong nƣớc.
3.5.2. Yêu cầu cần giải quyết
Do nguồn nƣớc đánh giá đƣợc sử dụng cho mục đích bảo vệ sinh vật thủy sinh nên giá trị giới hạn các thơng số ơ nhiễm đƣợc xác định theo mức A2 của tiêu chuẩn kỹ thuật chất lƣợng nƣớc mặt QCVN 08/2008/BTNMT:
Bảng 3.9. Yêu cầu chất lƣợng nƣớc của Đầm Và
Thơng số BOD5 COD T-P TSS NH4+ Coliform
Ctc (mg/l) 6 15 0,025* 30 0,2 5000
63
3.5.3. Mơ hình xử lý ơ nhiễm chất hữu cơ và phương án chống hiện tượng bùng phát của vi tảo
Phương pháp xử lý:
+ Lý do lựa chọn các phƣơng pháp xử lý: Cĩ đầy đủ bản đồ, thơng tin về chất lƣợng nƣớc, nguồn thải. Căn cứ vào hiện trạng mơi trƣờng Đầm Và chúng ta cĩ thể đƣa ra phƣơng án xử lý thích hợp.
+ Lựa chọn chủng loại, số lƣợng, mật độ, phân bố theo mùa: Các lồi TSTV cĩ khả năng sinh trƣởng tuỳ theo mùa và cĩ ảnh hƣởng đến các hoạt động khác trong mơi trƣờng nƣớc. Vì vậy, cần lựa chọn lồi cho hợp lý.
+ Xử lý ơ nhiễm chất hữu cơ và phƣơng án chống hiện tƣợng bùng phát của vi tảo. Theo nhƣ số liệu về chất lƣợng nƣớc mặt Đầm Và thì quá trình xử lý chủ yếu là xử lý hiện tƣợng phú dƣỡng và bùng phát của vi tảo.
+ Mơ hình, bản vẽ thiết kế: Cần thiết kế các mơ hình đơn giản, dễ thực hiện, chi phí thấp.
Phương pháp xử lý cụ thể:
Bước 1: Nạo vét Đầm Và, khơi thơng dịng chảy hiện tại để nƣớc đƣợc lƣu thơng, cần vớt bỏ các loại bùn, đất, sinh vật chết trong Đầm Và.
Bước 2: Trồng các lồi TSTV đã lựa chọn. Diện tích TSTV trồng chiếm 10% diện tích của Đầm Và đoạn khảo sát (khoảng 2.000m2
).
Mơ hình bè nổi ven bờ:
Xây bè nổi trồng bèo Tây cĩ đặc điểm sau:
- Kích thƣớc: 30x8 = 240(m2). Mỗi bè gồm 6 ơ, mỗi bè cách nhau 5 m đựoc neo chặt.
- Vật liệu: Tre, nứa, dây nilon
- Vị trí bố trí: Khu vực nƣớc sâu từ 0,5-1,5m - Mật độ trồng: ¾ diện tích mỗi ơ
64
Mơ hình trồng cây ven bờ ngập nước
Áp dụng cho rau Muống, cải Soong, ngổ Trâu - Kích thƣớc ơ trồng: 30x8(m)/ Ngập hoặc bán ngập - Vật liệu: Tre, nứa, dây nilon
- Vị trí bố trí: Ven bờ khu vực mép nƣớc sâu từ 0-35cm