Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước mặt do các hoạt động sinh hoạt, nông nghiệp, công nghiệp và xả thải bất hợp pháp đang là vấn đề nghiêm trọng ảnh hưởng đến hệ sinh thái và sức khỏe con người. Tại Việt Nam, đặc biệt là các hồ nhân tạo như hồ tại Văn phòng Chương trình Đào tạo Sau đại học, Đại học Nông Lâm Thái Nguyên, nước mặt cũng chịu tác động từ các chất ô nhiễm như tổng chất rắn lơ lửng (TSS), nhu cầu oxy hóa học (COD), ammonium và các chất dinh dưỡng như nitrit và photpho. Mục tiêu nghiên cứu nhằm đánh giá tiềm năng của hệ thống bè thực vật nổi sử dụng cây lan ý (Spathiphyllum) trong xử lý nước mặt hồ nhân tạo, qua đó góp phần cải thiện chất lượng nước và bảo vệ môi trường. Thời gian nghiên cứu kéo dài 5 ngày với mẫu nước lấy từ hồ nhân tạo tại khuôn viên Đại học Nông Lâm Thái Nguyên. Nghiên cứu không chỉ tập trung vào hiệu quả xử lý các chỉ tiêu ô nhiễm mà còn xem xét ảnh hưởng của mật độ cây trồng trên bè nổi đến khả năng xử lý nước. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các giải pháp xử lý nước mặt thân thiện môi trường, chi phí thấp và phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết về hệ thống xử lý nước thải sinh học tự nhiên, trong đó nổi bật là mô hình hệ thống bè thực vật nổi (Floating Treatment Wetlands - FTWs). FTWs tận dụng sự kết hợp giữa thực vật thủy sinh, vi sinh vật trong vùng rễ (rhizosphere) và vật liệu nổi để hấp thụ và phân hủy các chất ô nhiễm trong nước. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Phytoremediation (Sinh học xử lý ô nhiễm bằng thực vật): Cây lan ý hấp thụ và chuyển hóa các chất ô nhiễm như nitrit, ammonium, photpho thông qua quá trình sinh học trong mô cây và vi sinh vật cộng sinh.

  2. Mô hình tương tác rễ - vi sinh vật: Vi sinh vật bám trên rễ cây đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa các chất ô nhiễm, đặc biệt là quá trình nitrat hóa và khử nitrat.

Các khái niệm chính bao gồm: tổng chất rắn lơ lửng (TSS), nhu cầu oxy hóa học (COD), ammonium, nitrit, tổng photpho, mật độ cây trồng, và hiệu quả xử lý nước.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là mẫu nước mặt lấy từ hồ nhân tạo tại Văn phòng Chương trình Đào tạo Sau đại học, Đại học Nông Lâm Thái Nguyên. Nước được thu thập và xử lý trong phòng thí nghiệm với hệ thống bè nổi gồm các hộp xốp Styrofoam kích thước 35×30×40 cm, trên đó đặt các tấm xốp polyethylene làm giá thể nổi. Hai mật độ cây lan ý được thử nghiệm: 5 thân/cái (T1) và 3 thân/cái (T2), cùng với nhóm đối chứng không có cây.

Phân tích các chỉ tiêu ô nhiễm (COD, TSS, ammonium, nitrit, tổng photpho) được thực hiện theo các tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế như SMEWW 5200D-2017, QCVN 08-MT:2015/BTNMT, TCVN 6179-1:1996, TCVN 6178:1996. Mẫu nước được lấy hàng ngày trong 5 ngày liên tục, bảo quản ở 4ºC nếu không phân tích ngay.

Cỡ mẫu gồm 9 hộp thí nghiệm (4 hộp T1, 4 hộp T2, 1 hộp đối chứng). Phân tích số liệu sử dụng phần mềm Microsoft Excel và kiểm định ANOVA một chiều để đánh giá sự khác biệt hiệu quả xử lý giữa các mật độ cây. Timeline nghiên cứu kéo dài 5 ngày quan sát liên tục hiệu quả xử lý.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả loại bỏ nitrit: Mật độ 5 thân cây (T1) đạt hiệu quả loại bỏ nitrit lên đến 61,25%, cao hơn so với mật độ 3 thân (T2) và nhóm đối chứng. Điều này cho thấy cây lan ý có khả năng hấp thụ và chuyển hóa nitrit hiệu quả trong hệ thống bè nổi.

  2. Hiệu quả loại bỏ tổng chất rắn lơ lửng (TSS): T1 và T2 lần lượt đạt 52% và 33,07% loại bỏ TSS, trong khi nhóm đối chứng không có sự cải thiện đáng kể. Sự khác biệt này cho thấy vai trò của rễ cây trong việc lọc và giữ lại các hạt rắn lơ lửng.

  3. Hiệu quả loại bỏ ammonium và tổng photpho: Cả hai chỉ tiêu này có hiệu quả loại bỏ thấp hơn mức tiêu chuẩn tối thiểu, với ammonium và photpho không đạt yêu cầu theo QCVN 08-MT:2015/BTNMT. Nguyên nhân có thể do quá trình xử lý chủ yếu dựa vào hoạt động vi sinh trong vùng rễ, chưa có sự hỗ trợ từ các yếu tố bổ sung như vi khuẩn hoặc vật liệu nền.

  4. Ảnh hưởng mật độ cây: Kiểm định ANOVA cho thấy không có sự khác biệt có ý nghĩa thống kê giữa mật độ 5 thân và 3 thân cây về hiệu quả xử lý các chỉ tiêu, với giá trị p > 0,05. Điều này cho thấy mật độ cây trong phạm vi nghiên cứu không ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả xử lý.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý nitrit và TSS cao phản ánh vai trò quan trọng của cây lan ý trong việc hấp thụ và lọc các chất ô nhiễm vật lý và hóa học. Rễ cây tạo môi trường thuận lợi cho vi sinh vật phát triển, hỗ trợ quá trình nitrat hóa và khử nitrat, đồng thời giữ lại các hạt rắn lơ lửng. Tuy nhiên, hiệu quả xử lý ammonium và photpho thấp có thể do thiếu các vi sinh vật chuyên biệt hoặc vật liệu nền hỗ trợ hấp thụ, phù hợp với nhận định trong các nghiên cứu trước đây về hạn chế của hệ thống bè nổi không có bổ sung vi sinh hoặc vật liệu.

So sánh với các nghiên cứu tương tự trong khu vực Đông Nam Á và trên thế giới, kết quả cho thấy tiềm năng ứng dụng của cây lan ý trong xử lý nước mặt, đồng thời nhấn mạnh cần có các nghiên cứu bổ sung để tối ưu hóa hệ thống, ví dụ như kết hợp vi khuẩn hoặc vật liệu nền nhằm nâng cao hiệu quả xử lý ammonium và photpho. Biểu đồ thể hiện sự giảm dần nồng độ nitrit và TSS qua các ngày cho thấy xu hướng cải thiện chất lượng nước rõ rệt, trong khi ammonium và photpho có xu hướng ổn định hoặc giảm nhẹ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường bổ sung vi sinh vật chuyên biệt: Áp dụng vi khuẩn nitrifying và denitrifying để nâng cao hiệu quả xử lý ammonium và nitrit, dự kiến thực hiện trong vòng 6 tháng, do các đơn vị nghiên cứu môi trường và trung tâm xử lý nước thải.

  2. Sử dụng vật liệu nền bổ sung: Thêm cát, sỏi hoặc vật liệu hấp thụ photpho vào hệ thống bè nổi để tăng khả năng hấp thụ và giữ lại các chất dinh dưỡng, thời gian thử nghiệm 3-6 tháng, do các phòng thí nghiệm và đơn vị thi công thực hiện.

  3. Quản lý mật độ và thu hoạch sinh khối: Thực hiện thu hoạch cây lan ý định kỳ để tránh hiện tượng phân hủy cây già làm giải phóng chất dinh dưỡng trở lại môi trường, đồng thời kích thích sự phát triển của cây mới, khuyến nghị thu hoạch 1-2 lần/năm, do đơn vị quản lý hồ và nhân viên bảo trì thực hiện.

  4. Mở rộng nghiên cứu thực địa: Thực hiện các thử nghiệm trên quy mô lớn tại hồ nhân tạo và các vùng nước mặt khác để đánh giá hiệu quả lâu dài và điều kiện thực tế, thời gian 1-2 năm, do các viện nghiên cứu và trường đại học phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà quản lý môi trường và chính quyền địa phương: Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để phát triển các giải pháp xử lý nước mặt thân thiện môi trường, giảm ô nhiễm và cải thiện cảnh quan công cộng.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành khoa học môi trường: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, kết quả và đề xuất để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về xử lý nước thải sinh học và công nghệ bè thực vật nổi.

  3. Doanh nghiệp và đơn vị thi công công trình xử lý nước: Áp dụng công nghệ bè thực vật nổi với cây lan ý trong các dự án xử lý nước mặt, đặc biệt tại các khu vực đô thị và hồ nhân tạo.

  4. Cộng đồng dân cư và tổ chức phi chính phủ: Nâng cao nhận thức về bảo vệ nguồn nước, đồng thời tham gia vào các hoạt động bảo vệ môi trường và duy trì hệ thống xử lý nước tự nhiên.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bè thực vật nổi là gì và hoạt động như thế nào?
    Bè thực vật nổi là hệ thống xử lý nước sử dụng các tấm nổi gắn cây thủy sinh, tận dụng rễ cây và vi sinh vật để hấp thụ và phân hủy các chất ô nhiễm trong nước. Ví dụ, rễ cây lan ý tạo môi trường cho vi sinh vật phát triển, giúp xử lý nitrit và TSS hiệu quả.

  2. Tại sao chọn cây lan ý cho hệ thống bè nổi?
    Cây lan ý có khả năng sống trên mặt nước, dễ thích nghi, có rễ phát triển mạnh và khả năng hấp thụ các chất ô nhiễm tốt. Ngoài ra, cây còn có giá trị thẩm mỹ, phù hợp cho các hồ công cộng.

  3. Hiệu quả xử lý ammonium và photpho thấp do đâu?
    Nguyên nhân chính là hệ thống chỉ dựa vào hoạt động vi sinh trong vùng rễ mà chưa có sự bổ sung vi khuẩn chuyên biệt hoặc vật liệu nền hỗ trợ hấp thụ photpho, dẫn đến hiệu quả xử lý chưa đạt yêu cầu.

  4. Mật độ cây ảnh hưởng thế nào đến hiệu quả xử lý?
    Nghiên cứu cho thấy không có sự khác biệt đáng kể giữa mật độ 5 thân và 3 thân cây lan ý trong việc xử lý các chỉ tiêu ô nhiễm, do đó mật độ trong phạm vi này không phải là yếu tố quyết định.

  5. Có thể áp dụng hệ thống này ở quy mô lớn không?
    Có thể, tuy nhiên cần nghiên cứu thêm về điều kiện thực địa, thời gian vận hành dài hơn và bổ sung các yếu tố hỗ trợ như vi sinh vật và vật liệu nền để đảm bảo hiệu quả xử lý ổn định.

Kết luận

  • Hệ thống bè thực vật nổi sử dụng cây lan ý có khả năng xử lý hiệu quả nitrit (đạt 61,25%) và tổng chất rắn lơ lửng (đạt 52%) trong nước hồ nhân tạo.
  • Hiệu quả xử lý ammonium và tổng photpho còn hạn chế, cần bổ sung vi sinh vật hoặc vật liệu nền để cải thiện.
  • Mật độ cây lan ý (3 hoặc 5 thân) không ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả xử lý trong điều kiện nghiên cứu.
  • Việc thu hoạch sinh khối cây định kỳ là cần thiết để duy trì hiệu quả xử lý và tránh phát thải chất dinh dưỡng trở lại môi trường.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển các giải pháp xử lý nước mặt thân thiện môi trường, chi phí thấp, phù hợp với điều kiện Việt Nam; cần tiếp tục nghiên cứu mở rộng quy mô và bổ sung các yếu tố hỗ trợ.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các đơn vị quản lý môi trường và nghiên cứu tiếp tục triển khai thử nghiệm thực địa, đồng thời áp dụng các giải pháp bổ sung nhằm nâng cao hiệu quả xử lý nước mặt bằng hệ thống bè thực vật nổi.