thủy sinh
Khi nước thải đi vào trong môi trường, nó thường mang theo các tác nhân ô nhiễm như: Tác nhân ô nhiễm hữu cơ (các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học, các chất hữu cơ khó phân hủy hóa học, chất hữu cơ dạng hòa tan, chất hữu cơ dạng không hòa tan …), tác nhân ô nhiễm vô cơ (các chất đinh dưỡng, các loại muối, các kim loại nặng…). Chúng ngay lập tức tác động với môi trường và làm biến đổi môi trường theo hướng không có lợi. Nếu quá trình trên cứ diễn ra một cách liên tục và không có sự ngăn chặn thì dẫn tới chất lượng môi trường nước sẽ bị suy thoái, đe dọa đến đa dạng sinh học của các thủy vực và chất lượng cuộc sống của con người [7]. Tuy nhiên, do quá trình tự làm sạch của tự nhiên và sự tuần hoàn vật chất nên môi trường nước luôn ở trạng thái cân bằng, không ô nhiễm.
Trên cơ sở mối quan hệ tương tác tự nhiên giữa các thành phần môi trường có trong môi trường nước như: thực vật, tảo, vi sinh vật, nước, đất và không khí nhằm để loại bỏ chất ô nhiễm một cách chủ động hoặc bị động, từ đó để chúng ta ứng dụng các loài thực vật thủy sinh nhằm loại bỏ các chất ô nhiễm có trong nước thải [1]. Hiện nay, trên thế giới đã và đang có nhiều nghiên cứu và ứng dụng các loài thực vật thủy sinh khác nhau để xử lý nước thải, loại bỏ chất ô nhiễm. Quá trình hấp thu và loại bỏ chất ô nhiễm của hệ thống khi sử dụng các loại thực vật thủy sinh là hiệu quả của một loạt quá trình như: Vật lý, hóa học, sinh học đối với các chất ô nhiễm như: Các bon ở dạng hữu cơ, Nitơ và Phốt pho … Cỏc quỏ trỡnh vật lý, hóa học, sinh học diễn ra ở trong nước, bựn đỏy và ở vùng rễ của cây, những quá trình này diễn ra như sau:
- Quá trình loại bỏ các bon hữu cơ trong nước thải:
Các bon có trong nước thải được đại diện bằng thông số BOD5 và được sử dụng như nguồn năng lượng cho quá trình đồng hóa của vi sinh vật. Các loài như vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm đóng vai trò quan trọng trong việc phân giải các hợp chất hữu cơ [21]. Trong đó vi khuẩn đóng vai trò là các vi sinh vật môi trường, chúng phân bố ở khắp nơi trong nước thải như: ở các trầm tích đáy, phân bố trong nước, ở vùng rễ của các loài cây thủy sinh [14],[21]. Các vi sinh vật thường phân bố tự do trong nước, trên bề mặt các vật chất rắn lơ lửng, nhưng giữ vai trò quan trọng nhất là lớp màng vi sinh vật trên bề mặt rễ, thân hay lá của các loài thực vật thủy sinh [21]. Các vi sinh vật tham gia phân giải các hợp chất các bon hữu cơ để sản xuất sinh khối, tái sản xuất và duy trì sự sống.
Các phản ứng phân giải hợp chất hữu cơ của các bon gồm có: phản ứng hiếu khí, thiếu khí (hiếu khí tùy tiện) và kỵ khí. Đối với phản ứng hiếu khí, các loài vi khuẩn hiếu khí sử dụng oxi như là chất nhận điện tử trong quá trình bẻ gẫy các cấu trúc hữu cơ của các bon. Nhưng trái lại, các vi khuẩn hiếu khí tùy tiện lại sử dụng oxi ở dạng hợp chất vô cơ như NO3, SO4, CO-2
3
là chất nhận điện tử. Thông thường các phản ứng phân giải chất hữu cơ ở dạng thiếu khớ kộm hiệu quả hơn so với dạng hiếu khí [14], [21]. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng quá trình loại bỏ BOD5 trong nước thải sinh hoạt ban đầu sẽ tăng nhanh hơn khi thêm vào O2 và NO3 [9]. Chỳng đó được xem xét như là các chất nhận điện tử có giá trị và là nhân tố giới hạn khả năng loại bỏ các bon dạng hữu cơ của các loài thực vật thủy sinh. Còn đối với môi trường kỵ khí, vi khuẩn sử dụng các chất hữu cơ như là chất nhận điện tử. Các phản ứng kỵ khí tạo ra sản phẩm là khí CH4. Như vậy, vi sinh vật nói chung và vi khuẩn nói riêng chính là nhân tố đóng vai trò quan trọng trong
việc loại bỏ chất hữu cơ ra khỏi nguồn nước. Chúng sẽ sử dụng chất hữu cơ này, cùng với các chất vô cơ khác như: dinh dưỡng và muối khoáng để xây dựng cơ thể, tăng số lượng vi sinh vật trong nguồn nước. Từ đó, thúc đẩy quá trình loại bỏ chất hữu cơ trong nước.
Xét chung cả ba phản ứng hiếu khí, thiếu khí và kỵ khớ thỡ phản ứng kỵ khí tỏ ra phản ứng có hiệu quả nhấy trong việc loại bỏ chất hữu cơ có trong nước [19].
Hình 2.2. Quá trình loại bỏ các hợp chất hữu cơ trong hệ thống xử lý nước thải bằng thực vật thủy sinh [21]
Vai trò quan trọng của các loài thực vật thủy sinh là vận chuyển oxi và cung cấp nơi cư trú cho vi khuẩn. Các loài thực vật thủy sinh có đặc điểm đặc biệt và duy nhất chỉ có ở chúng là khă năng vận chuyên oxy xuyên qua lá cây, thân cây và rễ cây. Oxy trong sau khi được vận chuyển nếu không được tiêu thụ hết trong quá trình hô hấp của rễ có thể sẽ được đưa vào trong nước. Các vi khuẩn hiếu khí sẽ sử dụng nguồn oxy này để phân giải các hợp chất hữu cơ
của các bon [14]. Đây là một trong những cơ chế quan trọng của thực vật nhằm loại bỏ và chuyển hóa các chất ô nhiễm có trong nước.
Bảng 2.10. Sinh khối của rễ và khả năng vận chuyển oxy của một số loài thực vật thủy sinh.
Loại cây Sinh khối rễ/ cây(g) Lượng O2 vận chuyển (mg O2/g.hr) Hydrocotyle umbellata 0,02 – 0,05 0,06 – 0,12 3,95 +/- 1,86 2,43 +/- 1,05 Pistia stratiotes 0,05 – 0,25 0,3 +/- 0,13 Eichhornia crassipes 0,03 – 0,1 0,11 – 0,25 0,26 – 0,5 0,51 – 0,99 1,29 +/- 1,18 1,27 +/- 0,61 0,31 +/- 0,11 0,12 +/- 0,14 Sagittaria latifplia 0,03 – 0,06 0,07 – 0,14 1,72 +/- 0,87 0,61 +/- 0,22 Typha spp. 0,02 – 0,1 0,11 – 0,53 1,39 +/- 1,49 0,19 +/- 0,15
(Nguồn: Reddy, K. R., and T. A. DeBusk. "State-of-the-art utilization of aquatic plants in water pollution control." )[14]
Theo các nghiên cứu trước đó của Reddy, K. R., and T. A. DeBusk thì quá trình vận chuyển oxy thông qua cả hai loài thực vật là bèo tấm và bèo tây giữ vai trò quan trọng trong việc cung cấp oxy cho toàn bộ hệ thống, nó đóng vai trò loại bỏ tới 90% BOD5 trong nước và 10% BOD5 còn lại được loại bỏ là do oxi khuếch tán từ không khí vào.
- Quá trình loại bỏ nitơ : Một trong những vấn đề quan trọng khi xử lý nước thải là việc loại bỏ nitơ. Đó có nhiều vấn đề môi trường và sức khỏe liên quan tới
hàm lượng cao của nitơ trong nước. Nồng độ cao nitrat trong nước uống có thể gây ra hội chứng "da xanh" ở trẻ sơ sinh. Amoniac không bị ion hóa có thể độc hại đối với các sinh vật biển và đời sống thủy sinh. Lượng nitơ cao cũng góp phần vào hiện tượng phú dưỡng, các chất dinh dưỡng thúc đẩy thực vật tăng trưởng quá nhiều làm cạn kiệt oxy trong nước. Sự cần thiết loại bỏ nitơ thích hợp là rất quan trọng. Các hợp chất nitơ có trong nước thải thường tồn tại ở các dạng nitơ hữu cơ, amoni, nitrat, nitrit.Trong điều kiện quá trình oxy hóa chiếm ưu thế, nitơ thường tồn tại dưới dạng nitrat và nitrit. Ngược lại trong điều kiện quá trình khử chiếm ưu thế, nitơ tồn tại dưới dạng ammonium, đó là trường hợp trong đất vùng đất ngập nước. Một lượng lớn nitơ trong nước thải được loại bỏ thông qua quá trình hấp phụ bởi thực vật và thu hoạch sinh khối của chúng. Cùng với đó là các phản ứng nhằm loại bỏ nitơ trong nước, đối với các hợp chất nitơ dạng hữu cơ sẽ được các loài vi sinh, trong đó đóng vai trò quan trọng là vi khuẩn phõn giải sinh học và chuyển sang dạng amoni trong suốt quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ
(Mitsch & Gosselink). Ngoài ra phản ứng nitrat hóa cũng giữ vai trò quan trọng trong việc loại bỏ nitơ từ nước thải. Nitrat có trong nước thải được oxi hóa từ amoni, phản ứng oxi hóa amoni xảy ra trong vùng rễ bèo dưới tác dụng của các vi khuẩn nitrat hóa như Nitrosomonas, Nitrosobacter … Quá trình này diễn ra thông qua hai phản ứng nitrat hóa từ amoni và nitrat hóa từ nitrit. (Davies & Hart, 1990). Quá trình nitrat hóa sẽ tăng lên khi gia tăng lượng oxy tự do dạng khí dưới tác dụng của các vi khuẩn kỵ khí. Như vậy, vòng tuần hoàn của nitơ đã được khép kín.
Như vậy bộ ba quá trình bao gồm: hấp thụ bởi thực vật thủy sinh nổi, phản ứng nitrat hóa và phản phản ứng nitrat hóa giữ vai trò quyết định trong việc loại bỏ nitơ có trong nước thải [14].
Hình 2.3. Quá trình chuyển hóa nitơ trong hệ thống xử lý nước thải sử dụng các loài thực vật thủy sinh sống nổi [21]
- Quá trình loại bỏ photpho trong nước:
+ Việc loại bỏ photpho trong nước diễn ra phức tạp hơn so với quá trình loại bỏ nitơ trong nươc thải. Bởi vì, ngoài việc bị hấp thụ và sử dụng bởi các loài thực vật thủy sinh sống nổi, vi khuẩn thì photpho cũng hình thành các hợp chất không tan với các ion kim loại như sắt, mangan, canxi, … bị hấp phụ bởi bùn và các hợp chất hữu cơ [14]. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng thực vật thủy sinh nói chung trong quá trình sinh trưởng của mỡnh chỳng đó hấp thụ photphat và được loại bỏ trong quá trình thu hoạch sinh khối [14], [21].
Hình 2.4. Quá trình loại bỏ photpho trong hệ thống xử lý nước thải sử dụng các loài thực vật thủy sinh [21]