2.3. Xử lý nước thải bằng thuỷ sinh thực vật
2.3.1. Giới thiệu thuỷ sinh thực vật
Justyna Milke et al. (2020) cho biết thủy sinh thực vật (TSTV) bao gồm các loài thực vật sinh trưởng trong môi trường nước, TSTV có thể gây nên một số bất lợi cho con người do việc phát triển nhanh và phân bố rộng. Tuy nhiên, lợi dụng TSTV để xử lý nước thải, làm phân compost, thức ăn cho gia súc hoặc là chất đốt có thể làm giảm thiểu các bất lợi gây ra bởi chúng mà còn thu thêm đƣợc nhiều lợi đáng kể.
2.3.1.1. Phân loại
Theo Lê Anh Tuấn và ctv. (2009) thủy sinh thực vật chia thành 4 nhóm chính: 1/ Nhóm sống chìm dưới nước (Submerged plants); 2/ Nhóm sống trôi nổi trên mặt nước (Floating plants); 3/ Nhóm sống vươn lên mặt nước (Emergent plants); 4/ Nhóm các loài thực vật có lá nổi trên mặt nước (Floating leaved plant).
2.3.1.2. Vai trò của thủy sinh thực vật trong xử lý nước thải
Vai trò quan trọng thứ nhất của thực vật ở khu đất ngập nước là các tác động lý học, các phần cơ thể của thực vật làm ổn định bề mặt của khu đất ngập nước, giảm vận tốc dòng chảy làm tăng khả năng lắng và giữ lại các chất rắn của nước thải trong khu đất ngập nước nhân tạo, tăng thời gian tiếp xúc giữa thực vật và nước thải, do đó gia tăng khả năng hấp thu đạm. Bộ rễ cây phát triển theo chiều sâu và chiều ngang tạo thành một mạng lưới kết dính các hạt đất với nhau tạo thành một diện tích bề mặt lớn để hấp thu đạm và các ion.
Các khí khổng trong cây giúp vận chuyển oxy từ lá xuống rễ, sau đó đƣa ra
14
khu vực đất xung quanh tạo nguồn oxy để cho các hoạt động phân hủy các chất ô nhiễm của các vi sinh vật hiếu khí (Hans Brix and Schierup, 1990); Ảnh hưởng tính thấm của đất, khi chúng ta nhổ cây sẽ tạo nên những lỗ rỗng lớn làm tăng sự thẩm thấu của nước và gia tăng tác động qua lại giữa nước thải và thực vật; Phóng thích các chất hữu cơ: thực vật có khả năng phóng thích một lƣợng lớn các chất hữu cơ thông qua rễ của chúng. Lƣợng chất hữu cơ mà thực vật phóng thích có thể lên đến 25% lƣợng carbon đƣợc cố định qua quá trình quang hợp, đây có thể là nguồn cung cấp carbon cho quá trình khử nitrate của các vi sinh vật (Hans Brix, 1997). Tác giả Lê Anh Tuấn và ctv. (2009) cho biết khi các phần cơ thể chết của thực vật bị hoại sinh đây cũng sẽ là một nguồn carbon lâu dài cho các vi sinh vật; Tạo một diện tích bề mặt lớn để cho vi khuẩn bám và phát triển thành các màng sinh học (biofilm). Vi sinh vật chịu trách nhiệm chính trong việc phân hủy sinh học các chất ô nhiễm, kể cả quá trình khử đạm. Khi các phần cơ thể của thực vật chết đi nó sẽ tạo thêm giá bám cho vi sinh vật; Tạo nên một môi trường hiếu khí trong đất: các thực vật vận chuyển oxy từ khí khổng trong lá, thân xuống vùng rễ cung cấp oxy cho các quá trình phân hủy hiếu khí của các vi sinh vật ở đây.
2.3.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý ô nhiễm bằng thực vật Tác giả Sridhar Susarla et al. (2002) cho rằng có nhiều nhân tố ảnh hưởng đến việc hấp thu và vận chuyển các chất ô nhiễm trong cây như đặc điểm lý hoá của chất ô nhiễm (tính tan, khả năng bay hơi, trọng lƣợng phân tử, hệ số tan trong nước/rượu Kow); tính chất môi trường (nhiệt độ, pH, độ ẩm chất nền, chất hữu cơ ; đặc điểm cây trồng (đặc điểm hệ rễ, enzyme).
Ngoài ra mối liên hệ giữa cây trồng và hệ sinh vật trong vùng rễ cũng được xem là tác nhân ảnh hưởng đến khả năng làm sạch sinh học của các loại cây (S. Ahn et al., 1993). Một nghiên cứu cho thấy khi nhiệt độ cao hơn và pH trong đất thấp hơn cho thấy có sự giảm hàm lƣợng Zn và Cd trong thân cây Bắp và cây Me Đất (Gabriella Máthé-Gáspár and Attila Anton, 2005). Việc lựa chọn các loại cây thích hợp sẽ góp phần làm tăng hiệu quả loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước thải và được xem là nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến mức độ loại bỏ chất ô nhiễm. Theo Karen E.Gerhardt et al. (2009) sự thành công của việc làm sạch bằng thực vật dựa trên năng suất sinh khối cao ở phần rễ. Để đạt hiệu quả cao trong việc làm sạch môi trường bị ô nhiễm các loại cây trồng phải sinh trưởng nhanh và cho sinh khối cao (Dong Qing Zhang et al., 2014) cho rằng cây trồng phát triển nhanh và có tổng diện tích bề mặt rễ lớn hơn thích hợp hơn cho việc phân huỷ PAHs (các hydrocacbon thơm nhiều mạch vòng) trong bùn. Trong một nghiên cứu sử dụng bèo Cám để xử lý dimethomorph-một loại thuốc trừ sâu cho thấy lƣợng thuốc đƣợc loại bỏ tăng
15
lên khi mật độ bèo Cám cao hơn (Rachel Dosnon-Olette et al., 2010). Do đó, ngoài loài cây thì mật độ cây trồng cũng được xem như nhân tố ảnh hưởng đến khả năng hấp thu và loại bỏ các chất ô nhiễm của cây trồng.
2.3.1.4. Ưu điểm và hạn chế trong xử lý nước thải của thủy sinh thực vật Sử dụng thủy sinh thực vật để xử lý nước ô nhiễm có tính thân thiện cao với môi trường; Sử dụng TSTV để xử lý nước ô nhiễm cũng có tính ưu việt hơn hẳn so với phương pháp hóa lý, không làm ảnh hưởng xấu tới hoạt tính sinh học của nước, tiến hành ngay tại chỗ ô nhiễm và không cần thêm diện tích, giảm thiểu được mức độ xáo trộn nước, giảm mức độ phát tán ô nhiễm thông qua không khí và dòng chảy; Chi phí cho việc sử dụng TSTV để xử lý ô nhiễm nước là thấp hơn nhiều so với các công nghệ khác. Tuy nhiên, xử lý ô nhiễm nước bằng TSTV chậm hơn phương pháp hóa lý; Khả năng sinh trưởng và phát triển của các loài TSTV phụ thuộc nhiều vào các yếu tố vật lý và hóa học của môi trường như pH, độ mặn, nồng độ chất ô nhiễm và sự hiện diện của các chất độc; TSTV dùng để xử lý các chất ô nhiễm thường bị giới hạn về chiều dài rễ. Do đó, khi sử dụng TSTV để xử lý ô nhiễm ở thuỷ vực có độ sâu quá lớn là không phù hợp (Theo Vũ Thị Phương Thảo, 2017).
2.3.1.5. Một số nghiên cứu xử lý nước thải bằng thuỷ sinh thực vật a) Tình hình nghiên cứu về thực vật xử lý ô nhiễm trên thế giới
Ở miền Trung Ấn Độ, S.K.Billore et al. (1999) kết luận giống Sậy (Phragmites karka đã loại bỏ 78% lƣợng nitrogen và 58 – 65% lƣợng phosphorus sau khi qua hệ thống đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm nằm ngang.
Nghiên cứu sử dụng cây Cói giấy (Cyperus papyrus), cỏ Nến (Typha domingensis), cỏ Nhiệt đới (Miscanthidium violaceum), và cây Lau (Phragmites mauritianus để xử lý nước thải giết mổ ở thành phố Kampala, Cộng hòa Uganda. Tác giả Robinson Odong et al. (2013) chỉ ra rằng cây Cói giấy (Cyperus papyrus) hấp thu phosphorus tốt nhất là 3,9 mg/g trọng lƣợng khô; cây Lau (Phragmites mauritianus) hấp thu nitrogen là 39,70 mg/g trọng lƣợng khô. Cây Cói (Cyperus papyrus đạt sinh khối cao nhất là 31,0 kg trọng lƣợng khô/m2, so với cây cỏ Nến (Typha domingensis) là 7,5kg trọng lƣợng khô/m2, cây Lau (Phragmites mauritianus) là 7,2 kg trọng lƣợng khô/m2 và cỏ Nhiệt đới (Miscanthidium violaceum) là 5,0 kg trọng lƣợng khô/m2. Cây Cói (Cyperus papyrus) có tổng diện tích bề mặt rễ lớn nhất (200.634 cm²).
Lƣợc khảo về tích lũy kim loại nặng trong sinh khối trên mặt đất của Sậy (Phragmites australis) trong xử lý nước thải bằng đất ngập nước dòng chảy
16
ngang. Lƣợng kim loại nặng đƣợc tích lũy trong chồi cây là 71% đối với Cadmium, 55% đối với Chromium và 49% đối với Zinc (Jan Vymazal and Tereza Březinová, 2016). Ezio Ranieri et al. (2013) khi nghiên cứu loại bỏ sắt, crôm và chì từ nước thải bằng đất ngập nước dòng chảy ngầm ngang trồng Sậy (Phragmites australis) và cỏ Nến (Typha latifolia). Tác giả kết luận, khi trồng Sậy hiệu quả xử lý lần lƣợt là 87%, 88% và 92% của Cr, Pb và Fe; Khi trồng cỏ Nến hiệu quả xử lý 90%, 87% và 95% của Cr, Pb và Fe.
Nghiên cứu của Roman Marecik et al. (2013) tại Đại học Poznań – Ba Lan về khả năng xử lý ô nhiễm Nitrates, Nitroglycerin, và Nitroglycol của 3 loại thực vật là cỏ Hương bồ, cây Sậy và cỏ Nến/ Bồn Bồn. Độc tính của nước thải giàu nitrat đối với các loài thực vật đã nghiên cứu đƣợc xác định bằng cách đo mức độ tăng sinh khối của thực vật, và mô hình toán học sau này cho phép đánh giá các giá trị IC50. Cỏ Hương bồ và cây Sậy góp phần hiệu quả trong việc khử nitrat (tương ứng 82% và 79%,). Cỏ Hương bồ cũng cho kết quả cao trong việc khử nitroglycerin là 87% và nitroglycol là 42%.
Nghiên cứu của Shervin Jamshidi et al. (2014) nghiên cứu kết hợp thiết bị kỵ khí vách ngăn với đất ngập nước trồng Sậy (Phragmites spp.) và Cỏ nến (Typha sp.) cho thấy hiệu quả xử lý COD, BOD5, TSS, TN, PO4-P lần lƣợt là 87% và 86%, 93% và 92%, 88% và 86%, 79% và 77%, 21% và 14%.
Nghiên cứu của Alireza Valipour et al. (2015) tại Đại học Yeungnam – Hàn Quốc, hiệu quả xử lý nước thải đô thị bằng sử dụng đất ngập nước với việc phát triển hàng rào sinh học/ màng sinh học trên giá thể là rễ của Lục Bình, quá trình này cho thấy hơn sự ổn định và hiệu suất nâng cao trong việc loại bỏ các chất hữu cơ và chất dinh dưỡng, so với lục bình nước truyền thống giảm 33% -67% thời gian lưu nước.
Nghiên cứu xử lý nước thải từ nhà bếp bằng đất ngập nước nhân tạo sử dụng thực vật là cỏ Hương bồ (Typha Orientalis), tác giả Oladipupo. S.
Oladejo et al. (2015) kết luận trong thời gian lưu 10 ngày, nước thải có độ đục giảm 94,9%, BOD5 giảm 79,0%, NO3- giảm 66,7%, SO42- giảm 87,9%, Cl- giảm 70,24%. Giá trị pH và Oxy hòa tan tăng lần lƣợt 28,3% và 64,01%.
Kavya S Kallimani and Arjun S Virupakshi (2015) khi nghiên cứu xử lý nước thải bằng đất ngập nước với thực vật là Chuối hoa và Sậy đã kết luận với COD đầu vào 250mg/L, tác giả cho thấy kết quả pH là 6,4-7,6 và 6,7-8,1;
COD giảm 84% và 76%; BOD3 giảm 71% và 67%; Phosphate giảm 62% và 51%.
Gửkben Basaran Kankılıc et al. (2016) khi nghiờn cứu sử dụng Sậy (Phragmites australis) nhƣ một loại vật liệu hấp phụ sinh học để loại bỏ thuốc
17
nhuộm cơ bản (xanh methylen - MB) khỏi dung dịch nước. Tác động của một số thông số có ảnh hưởng như pH ban đầu, nồng độ thuốc nhuộm ban đầu và thời gian tiếp xúc đến khả năng hấp phụ của Phragmites australis đã đƣợc đánh giá. Khả năng hấp phụ tối đa của Sậy thô và Sậy biến đổi đƣợc tìm thấy là 22,7 mg/g và 46,8 mg/g ở nồng độ MB ban đầu là 250 ppm, liều hấp thụ sinh học 0,25 g và dung dịch nhuộm ban đầu có pH là 6,5. Tốc độ hấp phụ đƣợc xây dựng theo mô hình động học bậc hai. Các thông số nhiệt động cho cả sinh khối thô và biến đổi cho thấy sự hấp phụ của MB là thuận lợi và tự phát. Tác giả kết luận cả Sậy thô và Sậy biến đổi đều có tiềm năng là chất hấp phụ thân thiện với môi trường để loại bỏ metylen xanh khỏi dung dịch nước.
Nghiên cứu loại bỏ thuốc nhuộm Congo đỏ (chất gây ung thƣ khỏi dung dịch nước bằng cách sử dụng chất hấp phụ mới được phát triển từ thực vật thủy sinh (Phragmites australis). Tác giả Alaa R. Omran et al. (2016) kết luận tỷ lệ loại bỏ thuốc nhuộm trong nước thải là 98%.
b) Tình hình nghiên cứu thực vật xử lý ô nhiễm ở Việt Nam
Trương Thị Nga và Hồ Liên Huê (2009) nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi bằng cây Sậy. Hiệu suất xử lý nước thải của Sậy đối với tổng lân là 93,78%; phosphate là 93,57%; ammonium là 64,08%; và COD là 36,39%.
Nghiên cứu hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt của hệ thống đất ngập nước kiến tạo (cây Sậy) nền cát vận hành với mức tải nạp thủy lực cao do Ngô Thụy Diễm Trang và Hans Brix (2012) thực hiện, tác giả kết luận khả năng xử lý TSS, PO4-P và TP là rất hiệu quả và không đổi cho cả hai mức lưu lượng (600 L/ngày và 1.200 L/ngày) với hiệu suất xử lý trung bình tương ứng là khoảng 94%, 99% và 99%. Trong khi đó hiệu suất xử lý BOD5, COD, NH4+-N và TKN giảm ở mức lưu lượng cao (1.200L/ngày), với giá trị trung bình tương ứng là 47%-71%, 68%-84%, 63%-87% và 69%-91%.
Trương Hoàng Đan và Bùi Trường Thọ (2012 đã nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải hầm tự hoại và khả năng tích lũy đạm lân của Môn nước (Colocasia esculenta) và cỏ Mồm (Hymenachne acutigluma). Nhóm tác giả chỉ ra rằng hiệu suất xử lý các chỉ tiêu ô nhiễm (COD, TKN, Pts. DO) trong nước thải hầm cầu của Môn nước, cỏ Mồm cao dao động từ 62,8-89,47%;
Hàm lƣợng đạm tích lũy trong thân, lá và rễ (% trọng lƣợng khô) của Môn nước là 4,10% và 2,89%; của cỏ Mồm là 3,22% và 2,36%; Hàm lượng lân tích lũy trong thân, là và rễ (% trọng lượng khô) của Môn nước là 0,8% và 0,71%, của cỏ Mồm là 0,41% và 0,3%.
18
Trương Hoàng Đan và ctv. (2013) nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng rong Đuôi chồn (Ceratophyllum demersum) và bèo Tai tƣợng (Pistia stratiotes l.), tác giả chỉ ra rằng hiệu quả xử lý TN, TP, COD, BOD của bèo Tai tƣợng lần lƣợt là 71,10%; 96,01%; 82,61%; 83,49% trong khi hiệu quả xử lý TN, TP, COD, BOD của rong đuôi chồn lần lƣợt là 53,63%; 95,10%;
72,55%; 64,57%.
Nghiên cứu tại Trường Đại học Tây Nguyên do Nguyễn Hoàng Phương và ctv. (2015) thực hiện để xử lý nước thải sinh hoạt bằng cây Chuối nước (Canna Roma) và cây Sậy (Phragmites communis (L.) Trin) trong mô hình bãi lọc ngầm. Thực vật thích nghi khá tốt trong điều kiện khí hậu nhiệt đới, sinh trưởng và phát triển tốt tạo sinh khối nhanh: trung bình đạt 5,2 cm/tuần (cây Chuối nước) và 11,4 cm/tuần (cây Sậy). Hiệu suất xử lý 5/6 thông số ô nhiễm NH4+, PO43-, COD, BOD5, TSS đều đạt trên 73%, hiệu quả xử lý NO3-
từ 47,8 – 56,1%.
Nghiên cứu về khả năng loại bỏ chất ô nhiễm trong nước thải chăn nuôi lợn đã qua xử lý bằng hầm biogas của hệ thống phối hợp cây Sậy, Thủy trúc, cỏ Vetiver và Bèo tây ở quy mô pilot do Vu Thi Nguyet et al. (2016) thực hiện, thì hiệu suất xử lý COD, TN và TP lần lƣợt là 71,66 %; 79,26 % và 69,65 %, lƣợng TN và TP loại bỏ là 4.201,35mgN/m2.ngày và 448,76mgP/m2.ngày.
Hà Xuân Linh và Phan Đức Cảnh (2018) đã nghiên cứu khả năng sinh trưởng và hấp thu một số kim loại nặng (KLN) của cây Sậy (Phragmites australis trên đất sau khai thác khoáng sản của nhà máy phosphorus tại tỉnh Lào Cai cho thấy cây Sậy sinh trưởng, phát triển bình thường và sự phát triển của cây phụ thuộc vào đặc điểm môi trường đất và pH của đất. Các tác giả đã kết luận hàm lƣợng KLN tích lũy trong rễ lớn hơn so với hàm lƣợng KLN tích lũy trong thân, lá. Hiệu suất hấp thu cao nhất đạt lần lƣợt đối với Zn, Cd, Pb và cuối cùng là As.
Trong nghiên cứu đánh giá chất lƣợng và ứng dụng công nghệ đất ngập nước với sự tham gia của cỏ Năng (Eleocharis dulcis để xử lý nước thải nuôi tôm, nhóm tác giả Trần Hoàng Thanh và Lê Thị Kim Oanh (2018 đã cho biết hiệu quả xử lý COD đạt 65,8%, amonia đạt 93,7%, TDS (Total Dissolved Solids đạt 57,6% với thời gian lưu là 23 ngày.
Nghiên cứu đánh giá hiệu quả ứng dụng công nghệ đất ngập nước kiến tạo xử lý nguồn nước mặt ô nhiễm bằng loài cỏ Sậy (Phragmites australis).
Nguyễn Công Mạnh và ctv. (2019) cho biết hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm nhƣ TSS, BOD5, COD đạt mức cao lần lƣợt với tỷ lệ 85%, 90% và 87%.
19
Võ Đình Long và ctv. (2019 đã sử dụng cây Chuối nước (Heliconia psittacorum Sessé để xử lý chất ô nhiễm trong nước thải chế biến tinh bột sắn, sau thời gian lưu nước 5 ngày hiệu quả xử lý xyanua giảm từ 0,063 xuống còn 0,015 mg/L và tổng N đã giảm 51,98%.
Tóm lại:
Với những lƣợc khảo tài liệu trên, nghiên cứu ứng dụng thủy sinh thực vật trong xử lý nước thải là xu hướng thân thiện với môi trường được rất nhiều nhà khoa học quan tâm. Tuy nhiên, để lựa chọn loại thủy sinh thực vật thỏa mãn được các tiêu chí: dễ tìm, sinh trưởng nhanh, chi phí thấp, khả năng thích nghi với nhiều kiểu môi trường khác nhau và có khả năng xử lý ô nhiễm .... là vấn đề cần đƣợc cân nhắc kỹ khi tiến hành nghiên cứu. Qua quá trình tìm hiểu, tác giả đã nhận thấy Sậy là loại thủy sinh thực vật đáp ứng đƣợc yêu cầu của đề tài nghiên cứu của tác giả, do vậy đã chọn cây sậy để thực hiện trong nghiên cứu của mình.