2.3. Xử lý nước thải bằng thuỷ sinh thực vật
2.3.2. Hệ thống đất ngập nước kiến tạo
Đất ngập nước 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 đất ngập nước tự nhiên với cây trồng chọn lọc (Lê Anh Tuấn và ctv., 2009).
Theo tổ chức Melbourne Water (2002), có ba khu vực chính cho một hệ thống xử lý nước bằng đất ngập nước kiến tạo: (i) khu tiền xử lý, (ii) khu vào, và (iii) khu lọc qua đất ngập nước với hệ thống các cây thủy sinh.
Hình 2.1: Sơ đồ một khu hệ thống đất ngập nước kiến tạo (Theo Melbourne Water, 2002 trích bởi Lê Anh Tuấn và ctv., 2009)
20 2.3.2.2. Phân loại
Theo Lê Anh Tuấn và ctv. (2009), đất ngập nước kiến tạo được xây dựng cho mục đích chính là xử lý nước thải. Có hai kiểu hệ thống xử lý nước bằng đất ngập nước kiến tạo cơ bản, đó là hệ thống đất ngập nước kiến tạo chảy mặt tự do (Constructed Free Surface Flow Wetlands - CFFW) và hệ thống đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm (Constructed Subsurface Flow Wetlands - CSFW). Hai kiểu phân biệt cơ bản này lại đƣợc phân chia theo nhiều kiểu khác nhau theo chức năng xử lý của loại thực vật đƣợc trồng và đặc điểm dòng chảy. Trong một số trường hợp, một hệ thống xử lý kiểu lai (Hybrid treatment system), bằng cách kết hợp pha cả hai hệ thống đất ngập nước cơ bản trên.
Bảng 2.3: Ưu nhược điểm của hai kiểu đất ngập nước kiến tạo.
Kiểu đất ngập nước kiến tạo
Ƣu điểm Nhƣ c điểm
Chảy mặt - Chi phí xây dựng, vận hành và quản lý thấp.
- Tối thiểu hoá thiết bị cơ khí, năng lƣợng và kỹ năng quản lý.
- Ổn định nhiệt độ và ẩm độ cho khu vực.
- Cần một diện tích lớn.
- Kém loại bỏ nitrogen, phosphorus và vi khuẩn.
- Gây mùi hôi do sự phân huỷ các chất hữu cơ.
- Khó kiểm soát muỗi, côn trùng và các mầm bệnh khác.
- Rủi ro cho trẻ em và gia súc.
Chảy ngầm - Loại bỏ hiệu quả nhu cầu oxy sinh hoá (BOD), nhu cầu oxy hoá học (COD), tổng các chất rắn lơ lửng (TSS) và kim loại nặng.
- Cần một diện tích nhỏ hơn.
- Giảm thiểu mùi hôi, vi khuẩn.
- Tối thiểu hoá thiết bị cơ khí, năng lƣợng và kỹ năng quản lý.
- Vận hành quanh năm trong điều kiện nhiệt đới.
- Tốn thêm chi phí cho vật liệu cát, sỏi.
- Tốc độ xử lý có thể chậm.
- Nước thải chứa TSS cao có thể gây tình trạng úng ngập.
Nguồn: Theo Davis, 1995 được trích dẫn bởi Lê Anh Tuấn và ctv., 2009.
21
2.3.2.3. Cơ chế chuyển vận chất ô nhiễm trong đất ngập nước
Theo Lê Anh Tuấn và ctv. (2009), các chất ô nhiễm trong nước thải khi đi qua đất ngập nước đều được làm sạch một phần hoặc toàn bộ nhờ các tiến trình vật lý, hóa học và sinh học bên trong đất ngập nước phối hợp. Hiểu được tiến trình các tác nhân lý – hóa – sinh của dòng chảy nước thải khi đi vào khu đất ngập nước là nền tảng quan trọng giúp cho việc thiết kế hệ thống đất ngập nước một cách hiệu quả cả về kỹ thuật lẫn kinh tế. Theo lý thuyết, chất ô nhiễm trong nước thải bị loại bỏ trong đất ngập nước kiến tạo khi nó di chuyển qua môi trường xốp của đất nền và vùng rễ của cây trồng. Các màng mỏng bọc quanh từng cọng rễ là nơi dẫn xuất oxygen từ không khí thâm nhập vào cây trồng. Các chất rắn lơ lửng bị loại bỏ nhờ quá trình lắng tụ khi đi vào vùng nước tương đối tĩnh lặng của khu đất ngập nước kiến tạo chảy mặt hoặc bị cản lọc vật lý do các thành phần hạt của đất cát khi vào khu đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm. Các hợp chất hữu cơ bị phân hủy trong đất ngập nước do sự hiện diện các vi khuẩn hiếu khí và yếm khí. Sự nitrát hóa với sự hiện diện của vi khuẩn và tiếp theo sau đó là quá trình khử nitrát hóa sẽ phóng thích nitrogen dạng hơi ra không khí. Chất phosphorus kết tụ cùng phức hợp sắt, nhôm và canxi lưu lại trong vùng rễ của đất. Các vi trùng, vi khuẩn nguy hại sẽ bị suy giảm do quá trình lọc và hút bám của các màng sinh học trong môi trường đất đá của hệ thống chảy ngầm.
2.3.2.4. Tính toán thiết kế mô h nh đất ngập nước
Mô hình đất ngập nước được tính theo phương pháp trong Constructed Wetlands Manaul (2008) (UN-HABITAT, HS Number: HS/980/08E, ISBN Number: (Volume) 978-92-1-131963-7).
Chiều sâu tối đa của đất ngập nước kiến tạo ở châu Âu là 60cm theo Cooper et al. (1996) và ở Mỹ là 30 – 45cm theo Stiener and Watson (1993);
Một nghiên cứu thực nghiệm tại Tây Ban Nha độ sâu 27cm hiệu quả hơn so với 50cm (Garcia et al., 2004). Theo Robert H.Kadlec, Scott D.Wallace (2009) được trích dẫn bởi Lê Hoàng Nghiêm (2016b thì độ sâu mực nước trong các công trình đất ngập nước nên nằm trong khoảng 30-60cm. Nghiên cứu của Anita M. Rugaika et al. (2019 đã thiết kế chiều sâu mô hình đất ngập nước chảy ngầm ngang là 100cm. Còn theo tác giả Jan Vymazal (1996 , độ sâu lớp vật liệu của đất ngập nước kiến tạo có khoảng dao động từ 40 đến 110 cm và thường được chọn là 0,74m, các hệ thống đất ngập nước chảy ngầm ngang đƣợc thiết kế với tải trọng hữu cơ dao động trong khoảng 29 - 142 kgBOD/ha.ngày và tải trọng trung bình là 76 kgBOD/ha.ngày. Theo Reed et al.
(1995 và U.S.EPA (1998 đƣợc trích dẫn bởi Lê Anh Tuấn và ctv. (2009)