Giải pháp sinh học nhằm cải thiện chất lượng nước- 123docz.net

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

3.6. Đề xuất các giải pháp nhằm cải thiện chất lượng nước, bảo vệ phát triển hệ

3.6.4. Các giải pháp về kỹ thuật

3.6.4.2. Giải pháp sinh học nhằm cải thiện chất lượng nước sông Nhuệ

a) Cơ sở khoa học và thực tiễn của việc sử dụng các loài thực vật trong khu vực nghiên cứu cho mục đích xử lý ô nhiễm môi trường nước sông Nhuệ

- Cơ sở khoa học của phương pháp xử lý nước thải bằng hệ thực vật bậc

cao là sự kết hợp của các loài thực vật và các vi sinh vật. Sự phân hủy các chất hữu cơ do vi sinh vật sống trong hệ thống rễ của các loài thực vật đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý. Các vi sinh vật sinh sống trong hệ thống rễ thực vật thủy sinh có mối quan hệ cộng sinh với những loài thực vật bậc cao hơn. Ngoài ra, các vi sinh vật có thể sử dụng một phần hoặc toàn bộ các chất ô nhiễm trong nước thải như một nguồn dinh dưỡng. Vì vậy quá trình phân hủy chất hữu cơ xảy ra nhanh hơn và các chất hữu cơ gây ô nhiễm trong nước thải được loại bỏ [99].

- Mô hình sử dụng TVTS để giảm thiểu ô nhiễm môi trường nước ở khu

vực nghiên cứu sẽ sử dụng toàn bộ là các loài bản địa do việc dùng các loài này để xử lý nước rất có ý nghĩa vì bản thân chúng đã tồn tại và thích nghi tốt với môi trường rồi nên tính thực tiễn cao hơn và thường cho hiệu quả xử lý tốt.

Bảng 3.23. Danh sách các loài thực vật đất ngập nước trong khu vực nghiên cứu có

khả năng xử lý ô nhiễm môi trường nước

STT Họ Tên khoa học

Tên Việt Nam

1. Acoraceae Acorus calamus L.

Thủy xương bồ

2. Amaranthaceae Alternanthera sessilis (L.)A.DC.

Rau rệu thường

3. Araceae Pistia stratiotes L. Bèo cái

4. Asteraceae Enydra fluctuans Lour. Ngổ trâu 5. Azollaceae Azolla pinnata R.Br. Bèo hoa dâu 6. Convolvulaceae Ipomoea aquatica Forsk. Rau muống

7. Cyperaceae Cyperus alterfolious Cói quạt, Thủy trúc 8. Eriocaulaceae Eriocaulon gracile Mart. Cỏ dùi trống

9. Lemnaceae Lemna perpusilla Torr. Bèo tấm 10. Onagraceae Ludwigia adscendens (L.) Hara

Rau dừa nước

11. Onagraceae Ludwigia octovalvis (Jacq.) Raven

Rau mương đứng

12. Poaceae Echinochloa crus-galli (L.) Beauv.

Cỏ lồng vực nước

13. Poaceae Panicum repens L.

Cỏ gừng nước

14. Poaceae Phragmites australis (Cav.) Trin. ex Steud.

Sậy nam 15. Polygonaceae Polygonum hydropiper L.

Nghể răm

16. Pontederiaceae Eichhornia crassipes(Mart.) Solms.

Lục bình, bèo tây 17. Salviniaceae Salvinia cucullata Roxb. ex

Bory

Bèo tai chuột

18. Salviniaceae Salvinia natans (L.) All. Bèo ong

- Từ kết quả điều tra về thành phần các loài thực vật có mạch phân bố trong hệ sinh thái chịu ngập nước ngọt thường xuyên và tạm thời và đất ướt ven sông trên lưu vực sông Nhuệ, cùng với điều tra của Phan Văn Mạch (2008) [28], nhận thấy trong hệ sinh thái chịu ngập nước ngọt thường xuyên, tạm thời và đất ướt ven sông Nhuệ có 33 loài thực vật đất ngập nước. Dựa theo nghiên cứu của Trần Văn Tựa và cộng sự (2004) [51],Bhupinder Dhir (2013) [62], Kadlec R.H. và Kadlec Hey D.L. (1994) [79], Wolverton, B.C (1987) [99] thì trong số 33 loài này, có đến 18 loài thuộc 14 họ có thể có khả năng sử dụng cho mục đích xử lý ô nhiễm môi trường nước được liệt kê trong Bảng 3.23.

- Đối chiếu với các tiêu chí chọn loài TVTS để xử lý nước ô nhiễm của Blaylock M.J và Huang J.W, 2000 [64], trong số 18 loài nói trên có thuỷ trúc, rau muống, ngổ trâu đáp ứng các tiêu chí là những thực vật ưa nước và có khả năng chống chịu cao đối với các chất ô nhiễm, có tỷ lệ thoát hơi nước cao, là cây dài ngày, sức sống tốt, hệ thống rễ dày và dài. Hơn nữa qua các đợt khảo sát, nhận thấy có rất ít loài TVTS có tần suất bắt gặp nhiều trên đoạn sông từ Cầu Tó tới Cống Thần như thuỷ trúc, rau muống, ngổ trâu.

- Kết quả thí nghiệm trồng các loài TVTS thuỷ trúc, rau muống và ngổ trâu bằng nước và trầm tích sông Nhuệ cũng cho thấy:

+Thuỷ trúc sống và phát triển tốt trong môi trường nước sông Nhuệ trên cả đoạn sông từ Cầu Tó tới Cống Thần. Điều này rất có ý nghĩa vì ở đoạn sông từ Cầu Tó tới Cống Thần là đoạn sông ô nhiễm nặng, có rất ít loài TVTS có thể sống được.

Bên cạnh đó thuỷ trúc còn thể hiện khả năng cao, ổn định trong việc hấp thụ các chất ô nhiễm hữu cơ, các chất gây phú dưỡng nguồn nước có trong sông, làm giảm nhanh chóng TSS, KLN Fe, Zn, tăng DO trong nước, đem đến lượng sinh khối lớn mang theo hàm lượng cao các chất ô nhiễm.

+Rau muống sống sót và phát triển kém ở môi trường nước thu tại Cầu Tó, Cầu Chiếc nhưng lại có tỷ lệ sống sót cao và phát triển tốt ở môi trường nước thu tại Đồng Quan và Cống Thần. Tại các môi trường nướcthu tại Đồng Quan và Cống Thần Rau muống hấp thụ tốt các chất ô nhiễm hữu cơ, các chất gây phú dưỡng nguồn nước có trong sông, làm giảm nhanh chóng TSS, KLN Fe, Zn, tăng DO trong nước, đem đến lượng sinh khối lớn mang theo hàm lượng cao các chất ô nhiễm.

+ Ngổ trâu sống sót và phát triển kém ở môi trường nước thu tại Cầu Tó, Cầu Chiếc nhưng có thể sống tại môi trường nước Đồng Quan, sống và phát triển tốt ở môi trường nước thu tại Cống Thần. Tại môi trường nước thu tại Cống Thần ngổ trâu thể hiện khả năng hấp thụ tốt các chất ô nhiễm hữu cơ, các chất gây phú dưỡng nguồn nước có trong sông, làm giảm nhanh chóng TSS, KLN Fe, Zn, tăng DO trong nước, đem đến lượng sinh khối lớn mang theo hàm lượng đáng kể các chất ô nhiễm.

b) Giải pháp sinh học sử dụng các loài thực vật cho mục đích xử lý ô nhiễm môi trường nước sông Nhuệ

- Mô hình chính được sử dụng là mô hình đất ngập nước với dòng chảy bề mặt bao gồm vùng ven bờ thích hợp cho thực vật có rễ phát triển và mực nước chảy qua hệ tương đối nông, vận tốc dòng chảy nhỏ, có thân cây và lá điều tiết lưu lượng nước, đảm bảo điều kiện dòng chảy không bị xáo trộn. Một trong những mục đích thiết kế chính của hệ là cho nước sông tiếp xúc với bề mặt sinh học hoạt động [98], [100].

- Vị trí xây dựng: Từ Cầu Tó đến cầu Cống Thần, có chiều dài khoảng 32 km, chiều rộng của sông trung bình khoảng 18m, độ sâu khoảng 2,1 m. Tại đây, nước sông chảy chậm, rất phù hợp cho sự sinh trưởng và phát triển của ba loại thực vật.

- Loài thực vật sử dụng: Thuỷ trúc (Cyperus flabelliformis Rottb), rau muống (Ipomoea aquatica Forsk.), rau ngổ trâu (Enydra fluctuans Lour.). Ngoài 3 loài TV này, có thể sử dụng kết hợp bèo tây Eichhornia crassipes (Mart.) Solms. là loài TVTS sống nổi, có bộ rễ dài, có sẵn trong vùng lưu vực sông Nhuệ, đã được khẳng định vai trò làm sạch nước trong rất nhiều nghiên cứu [2], [86], [100],…

- Thời gian trồng: Căn cứ vào điều kiện khí hậu thời tiết vùng lưu vực sông Nhuệ, căn cứ vào đặc điểm sinh thái của từng loài thực vật, nhận thấy thời gian trồng thích hợp để cây cho sinh khối cao và phát triển tốt đối với từng loài thực vật như sau:

+ Thuỷ trúc Cyperus flabelliformis Rottb: nhiệt độ tối ưu từ 20 tới 30°C . Cây có thể sống tốt trong bóng râm và cũng có thể sống trong môi trường có ánh sáng mạnh. Cây có thể sống nơi đất hơi ẩm, nơi đầm lầy ẩm ướt hoặc cũng có thể sống tốt trong môi trường nước. Như vậy thời gian tháng 4, tháng 5, tháng 9, tháng 10 hàng năm là thời gian thích hợp để trồng thuỷ trúc. Sau khoảng thời gian này, cây có thể sinh trưởng và phát triển tốt, kể cả trong thời tiết đông lạnh giá.

+ Rau muống Ipomoea aquatica Forsk: Nhiệt độ tối ưu của rau muống từ 24 tới 30°C, rất thích hợp trồng tại những nơi có ánh sáng cao. Như vậy thời gian tháng 4, tháng 5, tháng 6, tháng 7, tháng 8 hàng năm là thời gian thích hợp để trồng rau muống. Sau các khoảng thời gian này, nếu bắt đầu trồng, cây sẽ khó thích nghi được với môi trường, phát triển kém hơn, do rau muống có khả năng chống chịu và phát triển kém trong điều kiện sương muối.

+ Rau ngổ trâu Enydra fluctuans Lour: Rau ngổ trâu được cho là loài cây luôn tốt tươi suốt 4 mùa. Tuy nhiên, thời gian trồng ngổ trâu, có thể bắt đầu từ tháng 4 đến tháng 10 hàng năm. Sau thời gian này, do điều kiện nhiệt độ xuống

thấp, cây có khả năng chống chịu kém hơn đối với thời tiết, do đó cho năng suất kém.

+ Bèo tây Eichhornia crassipes Solms: Tương tự như ngổ trâu, bèo tây là loài TV luôn tốt tươi suốt 4 mùa kể cả mùa đông lạnh giá nhưng để bèo có thể phát triển và cho năng suất tốt, nên tránh thả bèo tây trong những ngày đông quá lạnh giá.

- Cách bố trí: Dùng các bè nổi ven sông: Do việc khơi thông làm thoáng dòng chảy diễn ra thường xuyên nên việc dùng các bè nổi ven sông để làm sạch nước cần phải được tính toán kỹ lưỡng. Các bè nổi có thực vật ven sông sẽ làm cho cảnh quan của sông thêm phần sống động, xoá đi phần nào mùi hôi và màu đen của nước.

*Đoạn sông từ Cầu Tó tới Cầu Chiếc: Là đoạn sông ô nhiễm hơn cả, cây rau muống và ngổ trâu sống và phát triển kém hơn trên khúc sông này trong khi thuỷ trúc sống tốt ở đoạn sông do đó sử dụng thuỷ trúc trên đoạn sông từ Cầu Tó tới Cầu Chiếc. Ngoài thuỷ trúc còn có thể sử dụng bèo tây. Dọc theo chiều dài đoạn sông, các bè nổi có chiều rộng 1,5m được nối với nhau. Việc tạo bè sẽ mang lại hiệu quả tốt do tạo được mặt nước tĩnh và môi trường sống cố định cho các loài TVTS sinh trưởng và phát triển. Trên các bè nổi này, thuỷ trúc sẽ được neo lại bởi hệ thống lưới phía đáy và các dây chằng. Bè sẽ lên xuống theo mực lên xuống của dòng nước. Nước sông chứa các chất ô nhiễm sẽ chảy luồn dưới các đám rễ cây thuỷ trúc. Sự tiếp xúc giữa nguồn nước ô nhiễm với hệ thống rễ TV là cơ sở cho quá trình xử lý các hợp chất ô nhiễm trong nước. Dòng chảy sông sẽ ít nhiều bị rễ TV cản trở khiến vận tốc dòng chảy giảm, tạo điều kiện tốt cho quá trình lắng của các cặn, vụn hữu cơ. Rễ thuỷ trúc cũng là giá thể cho các loài vi sinh vật sống sinh trưởng, phát triển và tạo màng sinh học xử lý các chất ô nhiễm. Oxy tạo ra bởi quá trình quang hợp của TV sẽ nhanh chóng được các VSV hiếu khí tại các màng sinh học hấp thụ để oxy hoá chất ô nhiễm tạo các chất khí. Diện tích bề mặt giá thể càng lớn thì hiệu quả xử lý càng cao. Thuỷ trúc với tốc độ phát triển nhanh chóng là lợi thế trong việc xử lý nước ô nhiễm.

Hình 3.37. Mô hình trồng TVTS cải thiện chất lượng nước sông Nhuệ tại đoạn sông từ Cầu Tó tới Đồng Quan

* Đoạn sông từ Cầu Chiếc tới Đồng Quan: Trên đoạn sông này, thuỷ trúc và rau muống đều có thể sống và phát triển tốt. Việc trồng xen kẽ các bè rau muống với các bè thuỷ trúc ven sông làm tăng tính đa dạng TV cho vùng sông nước ô nhiễm. Tuy nhiên rau muống là loại rau thương phẩm, sẽ có thể được hái đem ra thị trường. Hơn nữa trên phần đầu đoạn sông này, hàm lượng chì cao trong nước dẫn tới hàm lượng cao trong rễ có thể nguy hại cho các động vật nước đến ăn rau muống, nên việc trồng rau muống cũng nên hạn chế.

* Đoạn sông từ Đồng Quan tới Cống Thần: Do cả 3 loại TV nghiên cứu đều có thể sống tốt trên khúc sông này nên có thể áp dụng mô hình đất ngập nước với dòng chảy bề mặt để trồng cả ba loài TV để cải thiện chất lượng nước sông Nhuệ. Việc trồng xen kẽ 3 loài TVTS giúp làm tăng tính đa dạng TV trên khúc sông, lại xử lý kết hợp được nhiều loại chất ô nhiễm, tích cực áp dụng được những mặt ưu khuyết của mỗi loại TV như thuỷ trúc có thể hấp thụ tốt các chất gây phú dưỡng nguồn nước hơn nhưng rau muống, ngổ trâu lại hấp thụ tốt các KLN hơn.

Để tránh việc người dân hái rau muống đem bán, cần trồng 3 loài TV thành bè nối tiếp và hỗn hợp, nơi ngổ trâu và rau muống được trồng vào nhau khiến việc thu

hoạch rau muống đem bán trở nên khó khăn và khó thực hiện. Mô hình trồng TVTS cải thiện chất lượng nước sông Nhuệ tại đoạn sông từ Đồng Quan tới Cống Thần được phản ánh trong Hình 3.38.

Hình 3.38. Mô hình trồng TVTS cải thiện chất lượng nước sông Nhuệ tại đoạn sông từ Đồng Quan tới Cống Thần

- Mật độ thích hợp và thu hoạch sinh khối: Cây sẽ phát triển nhanh chóng khi gặp điều kiện thuận lợi. Theo tính toán của một số nhà khoa học, mật độ tối ưu cho sự phát triển của các loài TV này như sau:

+ Đối với thuỷ trúc: Khuyến nghị mật độ cây trồng theo trọng lượng tươi từ

1,7 ÷3,5 kg/m2 (Cui L và cộng sự) [61].

+ Đối với rau muống: Mật độ tối ưu là 1,5 ÷2,5kg/m2 theo trọng lượng tươi

(Duc và cộng sự) [51]. Do rau muống phát triển nhanh, khối lượng có thể tăng gấp đôi trong thời gian 6 – 8 ngày trong điều kiện tối ưu nên việc thu hoạch rau muống là điều kiện cần thiết để duy trì tốc độ tăng trưởng cao và sự hấp thu chất ô nhiễm.

+ Đối với ngổ trâu: Chưa có nghiên cứu nào công bố về mật độ tối ưu của ngổ trâu. Tuy nhiên ngổ trâu là loài TV có nhiều điểm tương đồng và gần giống rau muống nên có thể lấy mật độ tối ưu của rau muống áp dụng cho ngổ trâu, với mật

độ tối ưu là 1,5 ÷2,5kg/m2 theo trọng lượng tươi. Tương tự với rau muống, ngổ trâu

cũng phát triển nhanh ở môi trường thích hợp nên việc thu hoạch ngổ trâu là điều kiện cần thiết để duy trì tốc độ tăng trưởng cao và sự hấp thu chất ô nhiễm.

- Việc thu hoạch thực vật theo định kỳ:

Bảng 3.24. Thời gian đạt sinh khối tối ưu của các loài TVTS ST

Loài TV Mật độ TV Năng suất tối ưu trên đoạn

sông

Sinh khối cần thu hoạch

Thời gian vượt sinh khối tối

ưu 1 Cây thuỷ

trúc Cyperus alternifolius

1,7 ÷3,5 kg/m2TLT (Cui

L và cộng sự) [59].

111,2 gTLT/m2/ng

10,5 kg/m2TLT

(Cui L và cộng sự) [59].

21 ngày

42 ngày

2 Cây rau muống Ipomoea aquatica F.

1,5÷2,5kg/m2T LT(Duc và cộng sự) [49].

226,7 gTLT/m2/ng

10 kg/m2TLT(Du

c và cộng sự) [49].

10 ngày20

ngày 3 Cây ngổ trâu

Enydra fluctuans

Lour.

1,5÷2,5kg/m2T LT

190,2 gTLT/m2/ng

10kg/m2TLT (Duc và cộng

sự) [49].

11 ngày22

ngày Khi TV phát triển vượt mức sinh khối tối ưu 1 tuần, việc thu hoạch theo định kỳ là cần thiết. Bảng 3.21 tính toán thời gian để các TV phát triển vượt mức sinh khối tối ưu.

- Xử lý sinh khối: Ba loài cây thuỷ trúc Cyperus flabelliformis Rottb, rau muống Ipomoea aquatica Forsk., rau ngổ trâu Enydra fluctuans Lour. đều có giá trị sử dụng trong thực tiễn nên sau khi dùng để xử lý nước sông Nhuệ, có thể dùng cho các mục đích khác nhau. Tuy nhiên, chỉ nên khuyến khích sử dụng làm sinh khối hầm ủ biogas hoặc làm nguyên liệu cho khí hoá tạo năng lượng khí và năng lượng điện năng phục vụ cho các vùng còn thiếu điện hoặc các cơ sở sản xuất.

Bảng 3.25. Giải pháp sinh học tạo bè nổi trên sông- Mô hình đất ngập nước với dòng chảy bề mặt sử dụng các loài TV cho mục đích xử lý ô nhiễm môi trường nước sông Nhuệ Đoạn

sông

Cách bố trí Thời gian trồng

Mật độ trồng

Thu hoạch sinh khối

Xử lý sinh khối Từ Cầu

Tó đến Cầu Chiếc

Cây thuỷ trúc

Từ cầu Chiếc

đến Đồng Quan

Cây thuỷ trúc

Tháng 4, 5,

9, 10 2,5

kg/m2

Cây thuỷ trúc Tháng 4, 5, 9, 10

2,5 kg/m2

Sau 21 42 ngày:

Cắt thân cách gốc 10cm, sau 6 tháng thu hoạch toàn bộ.

Từ Đồng Cây rau muống Tháng 4, 5, 6, 7, 8

1,7 kg/m2

Dùng làm sinh khối hầm ủ biogas hoặc làm nguyên liệu cho khí hoá

Quan đến Cống Thần

Cây ngổ trâu Tháng 4, 5, 6, 7, 8, 9,

1,7 kg/m2

Sau 12  20 ngày:

Cắt thân cách gốc 10cm, sau 3 tháng thu hoạch xử lý toàn bộ sinh khối.

Thu hoạch toàn bộ sinh khối trước tháng 11 để tránh hiện tượng cây chết vào mùa lạnh giá,phân huỷ sinh khối làm ô nhiễm sông.

tạo năng lượng.

+ Ủ hoặc đóng rắn sinh khối: Phương pháp này làm giảm lượng lớn sinh khối của thực vật. Sau khi thực vật được xử lý có thể mang đến bãi chôn lấp tập trung.

+ Khí hóa: Đây là phương pháp rất có ý nghĩa, giúp cho phương pháp xử lý bằng TV có hiệu quả kinh tế và triệt để. Sinh khối thực vật được khí hoá trong môi trường thiếu ôxi để sản sinh ra các chất khí dễ cháy bao gồm carbon monoxide (CO), hydro (H2) và một phần khí metan (CH4). Hỗn hợp khí này có thể được sử dụng để chạy động cơ đốt trong hay được sử dụng để sản xuất methanol (CH3OH) - nhiên liệu cho động cơ nhiệt cũng như là nguyên liệu cho ngành công nghiệp hóa chất và quan trọng là nguyên liệu cho hệ thống máy phát điện thông qua động cơ đốt trong để tạo công cơ học làm quay máy phát tạo ra nguồn điện. Bảng 3.20 tóm tắt giải pháp sinh học sử dụng các loài thực vật cho mục đích xử lý ô nhiễm môi trường nước sông Nhuệ trên đoạn sông từ Cầu Tó tới Cống Thần.