1.4. CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI TRONG CHĂN NUÔI
1.4.1. Công nghệ đất ngập nước kiến tạo xử lý nước thải chăn nuôi
a) Đất ngập nước
Đất ngập nước rất đa dạng, có mặt khắp mọi nơi và là cấu thành quan trọng của các cảnh quan trên mọi miền của thế giới. Hàng thế kỷ nay, con người và các nền văn hoá nhân loại được hình thành và phát triển dọc theo các triền sông hoặc ngay trên các vùng đất ngập nước [36], [37], [38], [39].
Theo Công ước RAMSAR, ĐNN là: "Các vùng đầm lầy, than bùn hoặc vùng nước tự nhiên hay nhân tạo, có nước thường xuyên hay tạm thời, nước đứng hay nước chảy, nước ngọt, nước lợ hay nước mặn, kể cả các vùng nước
ven biển có độ sâu không quá 6m khi thuỷ triều thấp đều là các vùng đất ngập nước" (Điều 1.1 Công ước Ramsar, 1971).
Đất ngập nước có nhiều vai trò, chức năng và giá trị quan trọng trong hệ sinh thái liên quan đến các đặc điểm về chu trình thủy văn, địa chất, sinh học và hóa học. ĐNN là những hệ sinh thái có giá trị năng suất cao, cung cấp nguồn nước, nguồn lương thực, nguồn cá, nguồn gen thực vật, động vật hoang dại.
Vai trò, chức năng và giá trị của ĐNN liên kết và bổ sung cho nhau (Donald, 2000; Mitsch và Gosselink, 2000).
Vùng ĐNN có vai trò rất quan trọng cho sự sống còn của con người.
Vùng đất ngập nước là cái nôi của sự đa dạng sinh học, cung cấp nước và môi trường sống vô số loài động thực vật và cả con người [5], [30], [36], [40], [41], [42].
Vùng ĐNN đảm bảo nguồn cấp nước cho thế giới; đảm bảo nguồn cung cấp thức ăn; tạo nên các nguồn sinh kế. ĐNN là vùng đảm bảo đa dạng sinh học. các vùng ĐNN được xem là có sự đa dạng sinh học cao nhất trong tất cả các hệ sinh thái; là nơi lưu trữ carbon; là vùng dự phòng giảm thiểu thiên tai.
Những vùng ĐNN có thể lọc các chất độc hại [1], [7], [24].
b) Đất ngập nước kiến tạo
ĐNN kiến tạo được định nghĩa là một hệ thống công trình xử lý nước thải được kiến thiết và tạo dựng mô phỏng có điều chỉnh theo tính chất của ĐNN tự nhiên với cây trồng chọn lọc [35], [43].
ĐNN kiến tạo là một hệ thống bao gồm đất, nước, thực vật, vi sinh vật và có nhiều tương tác giữa các thành phần này. ĐNN kiến tạo được xây dựng cho mục đích chính là xử lý nước thải, các mục tiêu khác như điều tiết lũ, bổ cập nước ngầm, điều hòa khí hậu, khai thác nguyên liệu thô, tạo môi trường tự nhiên cho các động vật hoang dã chỉ là các mục tiêu phụ. Quá trình xử lý nước thải trong hệ thống ĐNN kiến tạo là một quá trình phức tạp. Tại đây, một số lượng lớn các quá trình cơ học, hóa lý (lọc, hấp thụ, khử trùng…), sinh học
(thực vật hấp thụ, phân hủy bởi vi sinh…) diễn ra đồng thời và có tác động tương hỗ lẫn nhau [3], [44], [45].
Các thí nghiệm đầu tiên về việc sử dụng các hệ thống ĐNN sử dụng thực vật để xử lý nước thải được tiến hành vào đầu những năm 1950 ở Đức và các hệ thống đầu tiên được đưa vào hoạt động vào cuối những năm 1960. Kể từ đó, các hệ thống dạng chảy ngầm đã được sử dụng phổ biến ở châu Âu trong khi các hệ thống chảy bề mặt phổ biến hơn ở Bắc Mỹ và Úc. Việc phân loại các hệ thống ĐNN có thể căn cứ vào mục tiêu của hệ thống xử lý, vị trí của hệ thống xử lý… Tùy theo chế độ thủy lực, dòng chảy, hệ thống ĐNN được phân chia thành 2 dạng:
- Hệ thống đất ngập nước dòng chảy mặt.
- Hệ thống đất ngập nước dòng chảy ngầm. Theo hướng dòng chảy, hệ thống chảy ngầm được chia thành hai dạng: chảy đứng và chảy ngang.
Hình 1. 2. Sơ đồ hệ thống đất ngập nước
Hệ thống ĐNN kiến tạo dòng chảy mặt rất hiệu quả trong việc loại bỏ các chất hữu cơ thông qua quá trình phân hủy vi sinh vật và loại bỏ các chất rắn lơ lửng thông qua quá trình lọc và lắng đọng [6]. Việc loại bỏ nitơ không ổn định và mức độ giảm phụ thuộc vào nhiều yếu tố bao gồm nồng độ đầu vào, dạng hóa học của nitơ, nhiệt độ nước, yếu tố mùa, lượng cacbon hữu cơ và nồng độ oxy hòa tan [5]. Amoniac được loại bỏ hiệu quả nhất thông qua quá trình nitrat hóa trong các khu hiếu khí của hệ thống, sau đó khử nitơ trong các khu kỵ khí trong lớp vật liệu ở đáy. Tuy nhiên, các hệ thống dòng chảy mặt thường
là nơi khu trú của một số sinh vật gây bệnh như ruồi, muỗi…cũng như tạo ra nguy cơ mất an toàn đối với người, gia súc nếu như không có các biện pháp bảo vệ phù hợp.
Trong hệ thống ĐNN kiến tạo dòng chảy ngầm theo phương ngang, nước thải được đưa vào đầu của hệ thống và trong quá trình di chuyển trong hệ thống, nước thải tiếp xúc với một mạng lưới các khu hiếu khí, anoxic và kỵ khí. Các vùng hiếu khí tập trung ở xung quanh rễ và thân rễ. Hệ thống dòng chảy ngang rất hiệu quả trong việc loại bỏ các chất hữu cơ, chất rắn lơ lửng, ô nhiễm vi sinh vật, và kim loại nặng. Các hợp chất hữu cơ bị phân hủy bởi vi khuẩn trong điều kiện hiếu khí và yếm khí. Do khả năng cung cấp không khí không cao, nên các hệ thống dòng chảy ngang không được thiết kế để loại bỏ nitơ-amoni.
Hình 1. 3. Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm theo phương ngang. (vẽ lại theo Vymazal, 1997)
Trong hệ thống ĐNN kiến tạo dòng chảy ngầm theo phương đứng, nước thải được tưới trên toàn bộ bề mặt của hệ thống và có thể di chuyển trong hệ thống theo chiều từ trên xuống hoặc dưới lên. Hệ thống dòng chảy đứng cũng có hiệu quả trong việc loại bỏ các chất hữu cơ, chất rắn lơ lửng, kim loại nặng…
Với cách vận hành như trên, hệ thống dòng chảy đứng tăng khả năng tiếp xúc của nước thải với không khí, do đó có hiệu quả trong quá trình oxy hóa nitơ - amoni. Tuy nhiên, quá trình khử nitrat lại kém hiệu quả. Nước thải trước khi đưa vào hệ thống dòng chảy ngầm cần được xử lý loại bỏ một phần chất rắn lơ lửng, để tránh dẫn đến tình trạng tắc nghẽn hệ thống.
Để thiết kế hệ thống đất ngập nước kiến tạo, cần quan tâm đến rất nhiều yếu tố: chủng loại nước thải, lưu lượng nước thải, vị trí của hệ thống (sơ cấp và thứ cấp), các thông số ô nhiễm đầu vào, yêu cầu về chất lượng nước thải đầu ra, các thông số về thời tiết, chế độ thủy văn, địa hình, địa chất tại khu vực bố trí hệ thống…Việc thiết kế hệ thống đất ngập nước kiến tạo cần tính toán được kích thước của hệ thống và đặc điểm của các thành phần vật lý (loại cây, độ sâu của hệ thống, các vật liệu đệm trong hệ thống….).
Hình 1. 4. Sơ đồ đất ngập nước kiến tạo chảy ngầng theo phương đứng. (vẽ lại theo Cooper, 1996)
c) Đất ngập nước lai hợp
Do nhu cầu loại bỏ amoniac và nitơ tổng hiệu quả, trong những năm 1990 và 2000, các hệ thống đất ngập nước được xây dựng kết hợp giữa các mô hình khác nhau (được gọi là hệ thống đất ngập nước lai hợp - hybrid constructed wetlands) như: dòng chảy đứng - dòng chảy ngang hoặc kết hợp giữa các hệ thống dòng chảy ngầm và dòng chảy bề mặt để bổ sung các ưu điểm cho nhau nhằm đạt hiệu quả xử lý cao hơn. Mục đích của việc xây dựng kết hợp này làm gia tăng khả năng xử lý, loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ, loại bỏ nitơ trong nước thải đạt hiệu quả cao [4], [5].
ĐNN lai hợp là ĐNN kiến tao, thiết kế và xây dựng kết hợp giữa 2 hay nhiều hệ thống lại với nhau. Trong xử lý ô nhiễm môi trường thì sự kết hợp 2 hay nhiều hệ thống xử lý với nhau, nhằm mục đích đạt hiệu quả cao trong quá
trình xử lý ô nhiễm. Thứ tự bố trí các công trình đơn vị tùy thuộc vào mục tiêu xử lý, tính chất của nước thải [4], [44], [46].
1.4.2. Cơ chế loại bỏ các chất ô nhiễm trong mô hình ĐNN.
Để thiết kế, xây dựng, vận hành mô hình đất ngập nước được chính xác, đạt hiệu quả cao, việc nắm rõ cơ chế xử lý nước thải của đất ngập nước là hết sức cần thiết. Các cơ chế đó bao gồm lắng, kết tủa, hấp phụ hóa học, trao đổi chất của vi sinh vật và sự hấp thụ của thực vật. Các chất ô nhiễm có thể được loại bỏ nhờ nhiều cơ chế đồng thời trong hệ thống [6], [28], [44], [46], [47], [48].
a) Loại bỏ các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học
Trong các bãi lọc đất ngập nước, phân hủy sinh học đóng vai trò lớn nhất trong việc loại bỏ các chất hữu cơ dạng hòa tan hay dạng keo có khả năng phân hủy sinh học (BOD) có trong nước thải, hàm lượng BOD còn lại cùng các chất rắn lắng được sẽ bị loại bỏ nhờ quá trình lắng. Vai trò của thực vật trong đất ngập nước là [40], [49]:
− Cung cấp môi trường thích hợp cho vi sinh vật thực hiện quá trình phân hủy sinh học (hiếu khí) cư trú.
− Vận chuyển oxy vào vùng rễ để cung cấp cho quá trình phân hủy sinh học hiếu khí trong lớp vật liệu lọc và bộ rễ.
b) Loại bỏ chất rắn
Các chất rắn lắng được loại bỏ dễ dàng nhờ cơ chế lắng trọng lực vì hệ thống bãi lọc trồng cây có thời gian lưu nước dài. Các cơ chế xử lý trong hệ thống này phụ thuộc rất nhiều vào kích thước và tính chất của các chất rắn có trong nước thải và các dạng vật liệu lọc được sử dụng. Trong mọi trường hợp, thực vật trong bãi lọc đóng vai trò không đáng kể trong việc loại bỏ các chất rắn.
c) Loại bỏ Nitơ
Nitơ được loại bỏ trong các bãi lọc chủ yếu nhờ 3 cơ chế chủ yếu sau:
− Nitrat hóa/khử nitơ
− Sự bay hơi của ammoniac (NH3)
− Sự hấp thụ của thực vật
Hiện nay, các nhà nghiên cứu vẫn chưa thống nhất về tầm quan trọng của các cơ chế khử nitơ như đặc biệt với hai cơ chế nitrat hóa/khử nitrat và sự hấp thụ của thực vật.
Trong các bãi lọc, sự chuyển hóa của nitơ xảy ra trong các tầng oxy hóa và khử của bề mặt tiếp xúc giữa rễ và đất. phần ngập nước của thực vật có than nhô lên khỏi mặt nước. Nitơ hữu cơ bị oxy hóa thành NH4+ trong cả hai lớp đất oxy hóa và khử. Lớp oxy hóa và phần ngập nước của thực vật là nơi chủ yếu xảy ra quá trình nitrat hóa, tại đây NH4+ chuyển hóa thành NO2- bởi vi khuẩn nitrosomonat và cuối cùng thành NO3- bởi vi khuẩn nitrobacter. Ở môi trường nhiệt độ cao hơn, một số NH4+ chuyển sang dạng NH3 và bay hơi vào không khí. Nitrat trong tầng khử sẽ bị hụt đi nhờ quá trình khử nitrat, lọc hay do thực vật hấp thụ. Tuy nhiên, nitrat được cấp vào từ vùng oxy hóa nhờ hiện tượng khuếch tán.
Tại bề mặt chung giữa đất và rễ, oxy từ khí quyển khuếch tán vào vùng lá, thân, rễ của các cây trồng trong bãi lọc và tạo nên một lớp giàu oxy tương tự như lớp bề mặt chung giữa đất và nước. Nhờ quá trình nitrat hóa diễn ra ở vùng hiếu khí, NH4+ bị oxy hóa thành NO3-. Phần NO3- không bị cây trồng hấp thụ sẽ bị khuếch tán vào vùng thiếu khí, và bị khử thành N2 và N2O do quá trình khử nitrat. Lượng NH4+ trong vùng rễ được bổ sung nhờ nguồn NH4+ từ vùng thiếu khí khuếch tán vào.
d) Loại bỏ kim loại nặng
Kim loại nặng hấp thụ vào rễ, thân và lá của thực vật trong hệ thống đất ngập nước, nhưng nhìn chung lượng kim loại nặng được thực vật hấp thụ chỉ chiếm một phần nhất định.
Các loại thực vật khác nhau có khả năng hấp thụ kim loại nặng rất khác nhau.
e) Loại bỏ các hợp chất hữu cơ
Các hợp chất hữu cơ được loại bỏ trong hệ thống đất ngập nước chủ yếu nhờ cơ chế hấp phụ, phân hủy bởi các vi sinh vật và hấp thụ của thực vật. Thực vật có thể hấp thụ các hợp chất hữu cơ, tuy nhiên, cơ chế này còn chưa được hiểu rõ và phụ thuộc nhiều vào loài thực vật được trồng, cũng như đặc tính của các chất ô nhiễm.
f) Loại bỏ vi khuẩn và virut
Vi khuẩn và virut có trong nước thải được loại bỏ nhờ:
− Các quá trình vật lý như dính kết, lắng, lọc, hấp phụ.
− Bị tiêu diệt do điều kiện môi trường không thuận lợi trong một thời gian dài. Các quá trình vật lý cũng dẫn đến sự tiêu diệt vi khuẩn, virut như:
nhiệt độ, pH, bức xạ mặt trời. Các yếu tố sinh học bao gồm: thiếu dinh dưỡng, do các sinh vật khác ăn.
1.4.3. Vai trò của thực vật thủy sinh trong hệ thống ĐNN
Trong hệ thống đất ngập nước luôn có sự hiện diện của các loài thực vật, nhưng chỉ có một số loài đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý nước thải của hệ thống [27], [40], [42], [50]. Tùy thuộc vào loại hệ thống đất ngập nước (chảy mặt, chảy ngầm) mà có thể sử dụng các loài thực vật khác nhau, nhưng việc lựa chọn các loài thực vật để ứng dụng trong hệ thống đất ngập nước cần tuân theo một số tiêu chí sau:
− Sử dụng các loài bản địa, và hạn chế sử dụng loài ngoại lai.
− Sử dụng các loài thực vật mọc ở vùng đất ngập nước tự nhiên hoặc bờ sông vì rễ của chúng thích nghi với sự phát triển trong điều kiện bão hòa nước.
− Các cây có hệ rễ và thân rễ rộng lớn dưới mặt đất là thích hợp hơn.
− Cây có thể chịu được tải sốc cũng như thời gian ngắn.
− Cây trồng có thể thích ứng được với tình trạng lũ lụt tạm thời và bị đọng nước.
➢ Vai trò của thực vật trong hệ thống đất ngập nước bao gồm:
− Ổn định nhiệt độ cho hệ thống.
− Vùng rễ của thực vật là giá thể cho các vi sinh vật tham gia vào quá trình xử lý nước thải phát triển.
− Tạo độ xốp cho vùng đất ngập nước và cung cấp ôxy cho hệ thống.
− Hấp thụ và lưu trữ chất dinh dưỡng.
− Cung cấp một số hợp chất có lợi quá trình phân hủy của vi sinh.
Không có qui tắc hay tiêu chuẩn nào về mật độ cây trồng hoặc khoảng cách thích hợp giữa chúng trong vùng đất ngập nước, nhưng phần lớn các nghiên cứu đều lựa chọn mật độ trung bình là 4-5 cây/m2 [1], [11], [51]. Một số loài thực vật thường được ứng dụng để xử lý nước thải có hiệu quả trong hệ thống đất ngập nước là: Sậy (Phragmites australis). Loài chi Typha (Bồn bồn) và Scirpus (Cói)….
Sự hấp thụ, chuyển hóa 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, vô cơ, các kim loại nặng As, Pb, Cd,…[13], [24], [52]. 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.),... [40], [50], [53].
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. Thực vật hấp thụ, tích lũy, kết tủa và chuyển chất ô nhiễm từ nước với mục đích chính là làm ổn định chất thải trong nước thải, cùng với đó là khả năng loại bỏ hết tất cả các chất dinh dưỡng trong nước thải ngăn chặn việc sinh trưởng và lây lan của các vi khuẩn có trong nước thải. Từ đó là khả năng thu hồi dinh dưỡng vào sinh khối với các vi khuẩn trong nước thải và thu hồi các sinh khối thực vật sử dụng cho mục đích khác. Vai trò chính của những thực
vật thủy sinh có nhiệm vụ là tạo được môi trường bám dính của vi sinh vật để vi sinh vật làm ổn định được chất thải trong nước thải [40], [41], [50].
Chi phí xử lý của những phương pháp xử lý nước thải bằng thực vật thủy sinh thường không cao. Quá trình xử lý nước thải bằng thực vật thủy sinh không đòi hỏi công nghệ phức tạp so với các công nghệ xử lý nước thải tiên tiến hiện nay. Sinh khối tạo ra sau khi quá trình xử lý nước thải bằng thực vật thủy sinh thường được sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau như là nguyên liệu cho thủ công mỹ nghệ, làm thực phẩm cho người và gia súc hoặc có thể làm phân bón. Bộ rễ thân cây ngập nước là giá thể rất tốt đối với vi sinh vật, sự vận chuyển của cây đưa những vi sinh vật này đi theo. Đối với việc sử dụng thực vật xử lý nước trong nhiều trường hợp không cần cung cấp năng lượng, do vậy có thể ứng dụng trong một số trường hợp với những vùng hạn chế năng lượng.
Bảng 1. 3. Vai trò của thực vật thuỷ sinh trong hệ sinh thái nước
Đặc điểm TVTS Vai trò trong xử lý
Thực vật thủy sinh sống nổi, có thân lá trên mặt nước:
Bèo tây, Rau muống,…
- Giảm ánh sáng từ đó giảm được sự phát triển của sinh vật phù du.
- Tạo lớp cách nhiệt trong mùa đông
- Giảm tốc độ gió từ đó giảm nguy cơ phân tán chất ô nhiễm, dự trữ dinh dưỡng.
- Cung cấp diện tích bề mặt cho màng sinh học.
- Tạo tính thẩm mỹ cho hệ thống, cảnh quan.
- Rễ hấp thu chất ô nhiễm và là giá thể nơi vi khuẩn bám dính, từ đó chúng phân hủy, chuyển hóa các chất ô nhiễm trong nước thải.
Thực vật ngập trong nước: Rong,
- Giảm tốc độ dòng chảy, giúp tăng tốc độ lắng, giảm nguy cơ phân tán.
- Cung cấp diện tích bề mặt cho màng sinh học.