2.5.1. Các nghiên cứu và ứng dụng trên thế giới
Khả năng hấp thụ, phân giải và sử dụng các nguồn vật chất hữu cơ như một nguồn dinh dưỡng là một hoạt động sinh lý, sinh hóa bình thường giúp cho các loài thực vật tồn tại và phát triển. Lợi dụng đặc điểm này, nhiều công trình nghiên cứu đã tập trung vào việc ứng dụng thực vật để hấp thụ và phân giải các tác nhân ô nhiễm, phục vụ việc xử lý ô nhiễm hữu cơ từ các nguồn nước thải tập và vùng nước bị ô nhiễm ở cỏc vựng chăn nuôi và nuôi trồng thủy sản tập trung. Tuy nhiên, khả năng hấp thụ và phân giải của các loài thực vật không hoàn toàn giống nhau. Cho đến nay, đã có nhiều nhà khoa học khác nhau nghiên cứu về các loài thực vật thủy sinh có khả năng xử lý nước thải và đã phát hiện tới 45 loài cây sống ở cỏc vựng đất lầy có khả năng xử lý nước thải (Sasser et al, 1995a) [26] như : bốo tõy, bèo cái, bèo tấm, bèo tổ ong, cây thủy trỳc, cõy ngổ đất, cỏ vetiver, rong đuôi chó, rong xương cá, cây sậy, …Tuy nhiên, không phải tất cả chúng có thể ứng dụng vào việc loại bỏ chất ô nhiễm, mà chúng phải thỏa mãn các điều kiện nhất định để đảm bảo mang lại hiệu quả cả về môi trường lẫn kinh tế như :
+ Cú khả năng thích ứng với điều kiện thời tiết ở địa phương. + Có tốc độ quang hợp lớn.
+ Có năng lực vận chuyển oxy cao. + Đồng hóa tốt các chất ô nhiễm.
+ Có khả năng chống chịu được với điều kiện thời tiết thay đổi. + Chống chịu tốt với sâu bệnh.
+ Dễ quản lý.
( K.R.Reddy and T.A.Debusk)
Trên cơ sở những ngiờn cứu này, người ta đã xây dựng thành nhiều hệ thống xử lý nước thải có sử dụng các loài thực vật thủy sinh như: hệ thống đất ngập nước sử dụng thực vật thủy sinh sống nổi (floating macrophyte wetland system), hệ thống đất ngập nước có trồng cây (Constructed wetland system), bãi lọc ngầm có dòng chảy ngang (Subsurface flow, SSF)…Chúng được gọi chung lại là các hệ thống đất ngập nước (Wetland systems), những hệ thống này ngày càng được ứng dụng nhiều trong xử lý nước thải, nhất là nước thải sinh hoạt và nước thải chăn nuôi. Chúng tỏ ra có hiệu quả khi tiến hành xây dựng ở các cộng đồng dân cư nhỏ [22].
Theo các kết quả nghiên cứu trước đây thỡ cỏc loài thực vật thủy sinh thân rỗng, khả năng tăng sinh khối lớn là những loài có khả năng hấp thụ cao. Phương pháp dùng lau sậy xử lý nước thải do giáo sư Kathe Seidel người Đức đưa ra từ những năm 60 của thế kỷ trước. Khi nghiên cứu khả năng phân hủy các chất hữu cơ của cõy, ụng nhận thấy ưu thế của phương pháp này chính là tác dụng đồng thời giữa rễ, cây và các vi sinh vật ở vùng rễ. Trong đó, loại cây có nhiều ưu điểm nhất là lau sậy. Ôxy được vận chuyển từ lá xuống rễ, rồi được rễ thải vào khu vực xung quanh và được vi sinh vật sử dụng cho quá trình phân hủy hiếu khí. Số lượng vi khuẩn trong đất quanh rễ loại cây này có thể nhiều như số vi khuẩn trong các bể hiếu khí kỹ thuật (aeroten), đồng thời phong phú hơn về chủng loại từ 10-100 lần. Chính vì vậy, các cánh đồng lau sậy có thể xử lý được nhiều loại nước thải có chất độc hại khác nhau và nồng độ ô nhiễm lớn. Hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt (với các thông số như amoni, nitrat, phosphat, BOD5, COD, coliform) đạt tỷ lệ phân hủy 92-95%. Còn đối với nước thải công nghiệp có chứa kim loại nặng thì hiệu quả xử lý COD, BOD5, crom, đồng, nhôm, sắt, chì, kẽm, đạt 90-100%. Nước sau xử lý
đạt tiêu chuẩn loại B. Độ pH và các chỉ số sinh hóa ổn định cho phép vi sinh vật hoạt động bình thường, riêng chất rắn lơ lửng đạt loại A(50 mg/l).
Từ những năm 1955, hệ thống đất ngập nước dùng để xử lý nước thải đã được biết đến và từ năm 1985 đến nay hàng trăm hệ thống đất ngập nước (WS) được xây dựng trên toàn thế giới, đặc biệt ở các nước Châu Âu, Bắc Mỹ, Úc và Châu Á. Một số nghiên cứu có thể kể tới là của Kickuth, 1978 thử nghiệm với nước thải khu mỏ; Huntsman, 1979 thử nghiệm với nước thải ao nuôi cá; Pesavento, 1982 thử nghiệm sự giảm phú dưỡng của hồ; Silverman, 1983 thử nghiệm với nước thải sản xuất và nước thải bột giấy; Wolverton, 1985 thử nghiệm với nước thải chế biến thực phẩm; Pauly, 1989 thử nghiệm với nước thải nhà máy chế biến củ cải đường . Những năm gần đây, một vài mô hình ứng dụng đã được xây dựng và cho hiệu quả như: Ứng dụng xử lý nước thải bằng bèo tấm ở Hoa Kỳ, Bangladesh, Trung Quốc. Bèo tấm được ứng dụng để xử lý nước thải trong chăn nuôi bò sữa
(Culley et al, 1981) [18]….Theo kết quả từ những nghiên cứu trờn thỡ sản lượng bình quân hàng năm của bèo tấm có thể đạt 20 tấn/ha, nếu so với đậu tương thì bèo tấm có thể tạo ra lượng protein tích lũy cao hơn gấp 10 lần. Chính vì vậy, đây là một nguồn protein có chất lượng cao về dinh dưỡng (Hillman and Culley, 1987; Culley et al, 1981; Edwards, 1990) [18]. Điều này dã tạo nên sự kết hợp giữa việc nuôi bèo tấm và ao nuôi cá đã và đang được áp dụng ở Bangladesh. Bên cạnh việc sử dụng bèo tấm , hiện nay cũng đã có nhiều nghiên cứu đánh giá hiệu quả xử lý nước thải đối với nhiều đối tượng khác nhau. Theo tác giả Theosphile FONKOU và cs [13] khi tiến hành nghiên cứu khả năng xử lý nước thải sinh hoạt của Bèo cái ở Cameroon đã chỉ ra rằng : Với thời gian lưu nước nhỏ nhất là 15 ngày và lớn nhất là 25 ngày thì bèo cái có tốc độ sinh trưởng ở khoảng 7,5 – 8,5 DM/ngày. Như vậy, theo lý thuyết lượng sinh khối thu được sẽ khoảng 2737,5g – 3102g DM/m2/năm. Hiệu suất xử lý đối với nguồn nước đầu vào cú cỏc chỉ số như: BOD5 = 605mg/l;
TSS = 521 mg/l; NH4+ = 90 mg/l, NO3-= 252 mg/l; PO3-
4= 47,5 mg/l lần lượt là 86%; 95,2%; 39,2%; 90,1% và 73,9%.
Với mục đích so sánh hiệu quả xử lý nước thải giữa các loài thực vật với nhau trên cùng một nguồn thải, F.Kirzhner và cs [25] đã tiến hành sử dụng bốo tõy và bèo cái để loại bỏ chất ô nhiễm trong nước thải vùng đô thị của Ixrael, với hai cách thức khác nhau lần lượt là ở trong phòng và ngoài trời. Các tác giả đã chứng minh rằng, khi tiến hành xử lý đối với nước thải đô thị sử dụng bốo tõy và bèo cái đối với hai mô hình ở trong phòng và ngoài trời đều cho kết quả tốt, các chỉ tiêu đánh giá chất lượng môi trường đều giảm. Khi đánh giá kết quả thí nghiệm ở trong phũng, cỏc thông số đánh giá chất lượng môi trường đều ở mức thấp như: BOD5 = 5-7 mg/l; COD = 40-50 mg/l; TSS = 3-5 mg/l; Độ đục = 1-2 NTU. Đối với thí nghiệm mô hình ở ngoài trời, trong điều kiện thời mùa hè COD sau xử lý đạt 50-85 mg/l, BOD5 = 4- 6mg/l, TSS < 15mg/l. Cũng qua thí nghiệm trên, tác giả đã nhận định rằng : hiệu quả xử lý nước thải của bốo tõy thấp hơn bèo cái.
Năm 1984, K.R.Reddy và T.A.Debusk [23] đã tiến hành xử lý nước thải từ khu giải trí Walt Disney World Chanels bằng bốo tõy đã cho hiệu quả tốt:
Bảng 2.11: Đánh giá hiệu quả loại bỏ chất dinh dưỡng của bốo tõy tại Walt Dishney World Chanels, Florida, USA.
Thông số Thời gian lưu nước (ngày)
3 6 12 24 BOD5 SS TKN NH4+ T-PO3- 4 O-PO3- 4
Hiệu quả loại bỏ chất ô nhiễm (%) 81 80 14 8 16 10 84 83 20 10 16 10 87 72 41 36 31 23 89 71 45 42 29 25
Ngoài ra, bốo tõy cũn được sử dụng để cải thiện chất lượng nước đã bị phú dưỡng hóa của một hồ có diện tích 12.500 ha tại bang Florida, USA. Thí nghiệm được tiến hành từ tháng 6/1984 đến tháng 12/1985 [14], cũng đã cho hiệu quả tốt.
Các loài thực vật thủy sinh không chỉ loại bỏ được các chất ô nhiễm dạng hữu cơ mà còn có khả năng hấp thụ các kim loại nặng như: Cd, Cu, Pb, Zn, Hg, Ni có trong nước thải (Wolverton và McDonald, 1975a,b; Tatsyuama et al, 1977) [26]. Theo kết quả đánh giá của Siti Zulai kha Othman & Abdul Halim Sulaiman tại Malaysia [15] thỡ bốo tõy có hiệu quả làm giảm một số kim loại nặng điển hình như: Cd giảm từ 59,1- 63,9%; Cu giảm từ 41,9% (từ 0,09 xuống 0,054 mg/l); Zn giảm 27,4% (từ 0,27 – 0,2%). Tương tự đối với bèo cái lượng Cd giảm 51,2 – 53,6% , Cu giảm 40% (từ 0,09 xuống 0,056 mg/l), Zn giảm 62,5% (từ 0,27 xuống 0,09 mg/l).
Từ các nghiên cứu trên chúng ta có thể thấy được triển vọng to lớn trong việc sử dụng thực vật thủy sinh để xử lý nước thải. Chất lượng môi trường nước được
cải thiện đáng kể so với trước khi tiến hành xử lý. Tuy nhiên, hiệu quả xử lý nước thải của các loài này không phải ở giai đoạn nào cũng như nhau, mà nó phụ thuộc vào tốc độ tăng trưởng sinh khối và độ tuổi của bèo. Do vậy, hiệu suất loại bỏ chất dinh dưỡng và tích lũy chất dinh dưỡng được giới hạn bởi tốc độ tăng trưởng và lượng sinh khối của cây. Những loài cây mà lượng sinh khối lớn trên cùng một diện tích lớn thì có khả năng tích lũy được nhiều chất dinh dưỡng, ví dụ: Bốo Tõy có thể đạt lượng sinh khối là 20 - 40 tấn DW/ha, tốc độ sinh trưởng đạt 60-110 tấn/ha.năm và lượng chất dinh dưỡng tích lũy vào khoảng từ 300 - 900 kg N/ha, 10 – 14 g N/1 kg DW; 60 – 180 kg P/ha và 1,4 – 12 g P/1 kg DW. Tuy nhiên đối với bèo tấm là một loại thực vật thủy sinh có sinh khối nhỏ hơn, vào khoảng 1,3 t/ha, tốc độ tăng trưởng khoảng 6 – 26 tấn/ha/năm và lượng tích lũy chất dinh dưỡng vào khoảng 4 – 50 kg N/ha, 25 – 50 gN/kg DW; 1 – 16 kg P/ha và 4 – 15 g P/kg DW. Như vậy, bốo tõy với sinh khối lớn thì tích lũy được nhiều hơn bèo tấm, song lượng chất dinh dưỡng trên một dơn vị sinh khối khô lại thấp hơn bèo tấm.
Mặc dù lượng chất dinh dưỡng được tích lũy trong thực vật lớn song vòng đời của chúng lại ngắn nên nếu không được thu hoạch thỡ chỳng sẽ bị thối rữa và gõy tỏi ô nhiễm. Do vậy, hiệu quả loại bỏ chất dinh dưỡng cao của các loài thực thủy sinh chỉ được chấp nhận khi chúng được thu hoạch và quản lý [14].
Như vậy chúng ta có thể thấy sử dụng thực vật thủy sinh để xử lý nước thải là một phương pháp thân thiện với môi trường, cho phép đạt hiệu suất cao, chi phí thấp và ổn định, đồng thời làm tăng giá trị đa dạng sinh học, cải tạo cảnh quan môi trường, hệ sinh thái của địa phương. Mặt khác, Việt Nam là nước nhiệt đới, khí hậu nóng ẩm, rất thích hợp cho sự phát triển của các loại thực vật thủy sinh nổi trên mặt nước do đó triển vọng áp dụng phương pháp này là rất lớn.
2.5.2. Các nghiên cứu và ứng dụng trong nước
Mặc dù công nghệ xử lý nước thải bằng thực vật đã được sử dụng có hiệu quả cao từ lâu ở rất nhiều nước trên thế giới và cho đến nay vẫn đang được thịnh hành, phát triển, nhưng đây vẫn còn là vấn đề mới đối với Việt Nam. Gần đõy đó cú một số công trình nghiên cứu sử dụng ứng dụng một số thực vật thủy sinh trực tiếp hoặc kết hợp với các quá trình xử lý khác để xử lý nước thải hữu cơ.
Nghiên cứu của trường đại học Khoa Học, Đại học Huế cho thấy: Bèo Nhật Bản, bèo tấm và bèo cái nuôi trồng trong các hồ chứa nước thải đã có tác dụng làm sạch môi trường. Kết quả nghiên cứu nuụi bốo trong môi trường nước thải sinh hoạt, nước thải lò mổ gia súc, nước thải làm bỳn… đối với cả 3 loài bốo trờn đều thấy chúng sinh trưởng phát triển nhanh. Nhanh nhất là bèo tấm, thứ hai là bèo cái và thấp nhất là bèo Nhật Bản. Nước thải sẽ trong sạch hơn. Bèo có khả năng hấp thụ NH4+ khá cao từ 90 – 100%, trong đó bèo Nhật Bản hấp thụ 93 – 100%, bèo tấm hấp thụ 90 – 93,33% và bèo cái hấp thụ 90 – 99,99%. Bèo cũng có khả năng hấp thụ PO43- cao từ 35 – 58,6%, trong đó hấp thụ cao nhất là bèo Nhật Bản từ 40 – 58,6%, bèo tấm hấp thụ 42,22 – 50% và bèo cái hấp thụ từ 35 – 53,44%. [6]
Viện Công nghệ sinh học (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) đã phối hợp với Tổng công ty xăng dầu Việt Nam (PETROLIMEX) ứng dụng công nghệ sinh học để xử lý nước thải tại Cảng dầu B12: Công trình xử lý sinh học bao gồm: bể xử lý kỵ khí với giá thể cho vi khuẩn kỵ khí phân hủy dầu, bể xử lý hiếu khí với hệ thống sục khí cung cấp ụxy cho vi khuẩn hiếu khí phân hủy dầu, ao hồ sinh học cấp 3 sử dụng rong, bốo tõy, bốo Nhật Bản hấp thụ các thành phần kim loại nặng như Pb, Zn, các chất lơ lửng trước khi xả nước ra ngoài môi trường. [30]
Tác giả Nguyễn Việt Anh (2005) đã nghiên cứu xử lý nước thải sinh hoạt bằng bãi lọc ngầm trồng cây. Kết quả cho thấy, với sơ đồ xử lý 1 bậc, chất lượng nước đầu ra sau bề lọc trồng cây cho phép đạt được tiêu chuẩn cột B, đối với các
chỉ tiêu COD, SS, TP. Với sơ đồ xử lý 2 bậc nối tiếp, chất lượng nước đầu ra sau bể lọc trồng cây đạt tiêu chuẩn cột A, TCVN 5945 – 1995.
Theo kết quả nghiên cứu của đề tài “Hiệu quả xử lý nước thải chăn nuôi bằng cây rau ngổ và cây lục bỡnh” đăng trên Tạp chí Khoa học đất số 34/2010 của tác giả Trương Thị Nga và Võ Thị Kim Hằng (Đại học Cần Thơ) [5], được thực hiện tại tỉnh Hậu Giang, trong thời gian 9 tháng, nhằm khảo sát diễn biến độ đục, hàm lượng COD, tổng nitơ, phosphate tổng trong nước thải chăn nuôi và đánh giá hiệu quả xử lý nước thải của rau ngổ và lục bình thông qua sự tăng trưởng cũng như khả năng hấp thu đạm, lân, kim loại nặng của hai loại rau này trong môi trường nước thải. Theo nghiên cứu này cho thấy, hiệu suất xử lý nước thải của rau ngổ đối với độ đục là 96,94%; COD là 44,97%; Nitơ tổng là 53,60%; phosphat tổng là 33,56%. Hiệu suất xử lý nước thải của lục bình đối với độ đục là 97,79%; COD là 66,10%; nitơ tổng là 64.36%; phosphat tổng là 42,54%. Kết quả về đặc tính sinh học cho thấy rau ngổ và lục bình có khả năng thích nghi và phát triển tốt trong môi trường nước thải. Phân tích hàm lượng kim loại nặng trong rau ngổ, lục bình, nước ao thí nghiệm và bùn, kết quả cho thấy Cu, Zn, Cd, Cr trong nước thải xả ra môi trường đạt loại A so TCVN 5942 – 1995. Đối với rau ngổ, các kim loại nặng có xu hướng tích lũy trong rễ nhiều hơn trong thõn lỏ. Lục bình thì ngược lại, hấp thu và tích lũy trong thõn lỏ cao hơn trong rễ. [4]
Cũng theo nghiên cứu của Nguyễn Tuấn Phong và Dương Thúy Hoa sử dụng cỏ Vertiver và Lục bình để xử lý nước thải chăn nuôi lợn đã đem lại hiệu quả đáng kể. Các thông số BOD, N, P giảm mạnh sau quá trình xử lí. Mô hình Lục bình có hiệu suất xử lý BOD5 trong nước thải là 85.74%, lân tổng số là 65,52%, đạm tổng số là 65,78%. Mô hình cỏ Vertiver có hiệu suất xử lý BOD5 trong nước thải là 91,04%, lân tổng số là 69,44%, đạm tổng số là 69,34%. Nhìn chung nước thải đầu ra của cả hai mô hình Lục Bình và cỏ Vetiver có BOD5 và lân tổng số đạt