Nghiên cứu Đánh Giá Khả Năng Xử Lý Chất Hữu Cơ và Dinh Dưỡng của 4 Loại Thực Vật (Cỏ Lác, Cỏ Chỉ Tía, Cỏ Lá Soài, Cỏ Đầu Tròn) Trong Hệ Thống Đất Ngập Nước Kiến Tạo Trên Mái (Wetland Roof) Xử Lý Nước Thải Sau Bể Tự Hoại

• Tác giả: Souksakhone Sayalath
• Người hướng dẫn: PGS.TS Bùi Xuân Thành
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG – Tp.HCM
• Chuyên ngành: Công Nghệ Môi Trường
• Đề tài: Nghiên Cứu Đánh Giá Khả Năng Xử Lý Chất Hữu Cơ, Dinh Dưỡng Của 4 Loại Thực Vật (Cỏ Lác, Cỏ Chỉ Tía, Cỏ Lá Soài, Cỏ Đầu Tròn ) Trong Hệ Thống Đất Ngập Nước Kiến Tạo Trên Mái (Wetland Roof) Xử Lý Nước Thải Sau Bể Tự Hoại
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. TÍNH CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
• 1.2. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.2.1. Mục tiêu của đề tài
• 1.2.2. Nội dung của đề tài
• 1.3. Ý NGHĨA VÀ TÍNH MỚI CỦA ĐỀ TÀI
• 1.4. MÔ HÌNH THỰC HIỆN
• 1.5. PHẠM VI – GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
• 1.6. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.6.1. TỔNG QUAN ĐẤT NGẬP NƯỚC KIẾN TẠO (CW)
• 1.6.1.1. Thành phần, cấu tạo và cơ chế xử lý
• 1.6.1.2. Ưu và nhược điểm của CW
• 1.6.1.3. Các điều kiện vận hành khu đất ngập nước kiến tạo chảy ngầm
• 1.6.1.4. Một số nghiên cứu ứng dụng đất ngập nước kiến tạo trong xử lý nước thải sinh hoạt
• 1.6.2. TỔNG QUAN VỀ MÁI NHÀ XANH (GR)
• 1.6.2.1. Cấu trúc và phân loại mái nhà xanh
• 1.6.2.2. Nguyên tắc thiết kế GR
• 1.6.2.3. Tải trọng của GR
• 1.6.2.4. Thực vật của GR
• 1.6.2.5. Ưu điểm của mái nhà xanh
• 1.6.2.6. Khả năng hấp thu và phát thải CO2 của hệ thống mái nhà xanh
• 1.6.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.6.3.1. VẬT LIỆU VÀ MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM
• 1.6.3.2. NƯỚC THẢI THÍ NGHIỆM
• 1.6.3.3. SƠ ĐỒ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU TỔNG QUÁT
• 1.6.3.4. ĐIỀU KIỆN VẬN HÀNH CỦA MÔ HÌNH
• 1.6.3.5. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH
• 1.6.3.5.1. Cân bằng khối lượng chất dinh dưỡng
• 1.6.3.5.2. Xác định thông số động học
• 1.6.3.5.3. Xác định sinh khối thực vật
• 1.6.3.5.4. Xác định mảng xanh thực vật
• 1.6.3.5.5. Đo đạc hấp thụ và phát thải CO2
• 1.6.3.5.6. Tính toán tiết kiệm năng lượng
• 1.6.3.5.7. Phương pháp khác
• 1.7. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 1.7.1. KHẢO SÁT KHẢ NĂNG THÍCH NGHI VÀ HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT CỦA BỐN LOẠI THỰC VẬT CHỌN RA LOẠI THỰC VẬT THÍCH HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN VẬN HÀNH WRs VÀ TẢI TRỌNG THỦY LỰC THÍCH HỢP NHẤT
• 1.7.1.1. Khảo sát khả năng thích nghi của 4 loại thực vật
• 1.7.1.2. Hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt của thực vật
• 1.7.2. ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ GIA TĂNG SINH KHỐI
• 1.7.3. CÂN BẰNG KHỐI LƯỢNG CHẤT DINH DƯỠNG
• 1.7.4. XÁC ĐỊNH DIỆN TÍCH MẢNG XANH VÀ KHẢO SÁT NHIỆT ĐỘ TÍNH TOÁN TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG
• 1.7.4.1. Tính toán diện tích mảng xanh
• 1.7.4.2. Đo đạc nhiệt độ để đánh giá khả năng tiết kiệm năng lượng khi áp dụng mô hình WR
• 1.7.5. KHẢO SÁT THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC CỦA WRs
• 1.7.5.1. Chỉ tiêu COD
• 1.7.5.2. Chỉ tiêu TKN
• 1.7.5.3. Chỉ tiêu TP
• 1.7.6. TÍNH TOÁN PHÁT THẢI VÀ HẤP THỤ CO2 CỦA WRs
• 1.8. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

I. Tìm Hiểu Về Đất Ngập Nước Kiến Tạo Tổng Quan 55 ký tự

Tình trạng ô nhiễm nguồn nước đang trở thành vấn đề cấp bách tại Việt Nam. Mỗi năm, ước tính có khoảng 2 tỷ m3 nước thải đổ ra môi trường, trong đó nước thải sinh hoạt chiếm hơn 60%. Đáng lo ngại, phần lớn lượng nước thải này chưa được xử lý đúng cách. Các bể tự hoại truyền thống chỉ xử lý sơ bộ, không đảm bảo chất lượng nước thải đầu ra, gây ô nhiễm và lây lan bệnh tật. Trong bối cảnh đó, việc nghiên cứu các giải pháp xử lý nước thải tại chỗ, hiệu quả, chi phí thấp và thân thiện với môi trường là vô cùng cần thiết. Giải pháp đất ngập nước kiến tạo (constructed wetland) nổi lên như một hướng đi đầy tiềm năng. Đất ngập nước kiến tạo là hệ thống xử lý nước thải mô phỏng các quá trình tự nhiên, sử dụng thực vật và vi sinh vật để loại bỏ chất ô nhiễm. Hệ thống này có ưu điểm là chi phí vận hành thấp, thân thiện với môi trường và tạo cảnh quan xanh mát. Tuy nhiên, một trong những hạn chế của đất ngập nước kiến tạo là yêu cầu diện tích đất lớn.

1.1. Vai trò của Xử Lý Nước Thải Bằng Thực Vật

Thực vật đóng vai trò quan trọng trong quá trình xử lý nước thải tại các đất ngập nước kiến tạo. Chúng hấp thụ các chất dinh dưỡng như nitơ và phốt pho, đồng thời cung cấp bề mặt cho vi sinh vật phát triển và phân hủy chất hữu cơ. Lựa chọn đúng loại thực vật là yếu tố then chốt để đảm bảo hiệu quả xử lý. Nghiên cứu này tập trung vào bốn loại cỏ phổ biến: cỏ lác, cỏ chỉ tía, cỏ lá soài và cỏ đầu tròn, đánh giá khả năng xử lý nước thải sinh hoạt của chúng.

1.2. Lợi Ích của Đất Ngập Nước Kiến Tạo Constructed Wetland

Đất ngập nước kiến tạo mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với các phương pháp xử lý nước thải truyền thống. Chúng có chi phí đầu tư và vận hành thấp hơn, ít tốn kém năng lượng và không sử dụng hóa chất. Hệ thống này cũng tạo ra môi trường sống cho nhiều loài động thực vật, góp phần bảo tồn đa dạng sinh học. Ngoài ra, đất ngập nước kiến tạo có thể được thiết kế để tạo cảnh quan đẹp, cải thiện chất lượng cuộc sống cho cộng đồng.

II. Thách Thức Xử Lý Nước Thải Cần Giải Pháp Hiệu Quả 57 ký tự

Tình trạng ô nhiễm nguồn nước do nước thải sinh hoạt ngày càng trở nên nghiêm trọng. Lượng nước thải từ các hộ gia đình, khu dân cư và đô thị tăng lên nhanh chóng, gây áp lực lớn lên hệ thống xử lý hiện tại. Hầu hết các hệ thống xử lý nước thải tập trung đều gặp khó khăn trong việc đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng. Bên cạnh đó, chi phí xây dựng và vận hành các hệ thống này cũng rất lớn, gây khó khăn cho các địa phương. Do đó, việc tìm kiếm các giải pháp xử lý nước thải tại chỗ, phân tán, chi phí thấp và dễ vận hành là vô cùng cần thiết.

2.1. Hạn Chế của Bể Tự Hoại Trong Xử Lý Nước Thải

Bể tự hoại là một giải pháp xử lý nước thải tại chỗ phổ biến, đặc biệt ở các vùng nông thôn và ngoại ô. Tuy nhiên, bể tự hoại chỉ có khả năng xử lý một phần nhỏ các chất ô nhiễm trong nước thải. Nước thải sau bể tự hoại vẫn chứa nhiều chất hữu cơ, vi khuẩn gây bệnh và các chất dinh dưỡng, gây ô nhiễm nguồn nước ngầm và bề mặt. Do đó, cần có các giải pháp xử lý bổ sung để nâng cao hiệu quả xử lý nước thải từ bể tự hoại. Các công trình đất ngập nước kiến tạo sẽ là một lựa chọn tối ưu.

2.2. Tại Sao Cần Nghiên Cứu Giải Pháp Xử Lý Nước Thải Bền Vững

Việc nghiên cứu và ứng dụng các giải pháp xử lý nước thải bền vững là vô cùng quan trọng để bảo vệ nguồn nước và sức khỏe cộng đồng. Các giải pháp bền vững không chỉ có hiệu quả xử lý cao mà còn thân thiện với môi trường, tiết kiệm chi phí và dễ vận hành. Đất ngập nước kiến tạo là một trong những giải pháp tiềm năng nhất để đáp ứng các yêu cầu này. Do đó, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các ứng dụng của công nghệ đất ngập nước kiến tạo để giải quyết vấn đề ô nhiễm nguồn nước.

III. Cỏ Lác Cỏ Chỉ Tía

Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá hiệu quả xử lý nước thải của bốn loại cỏ phổ biến trong hệ thống đất ngập nước kiến tạo: cỏ lác, cỏ chỉ tía, cỏ lá soài và cỏ đầu tròn. Các loại cỏ này được lựa chọn vì khả năng sinh trưởng tốt, dễ tìm kiếm và có tiềm năng xử lý nước thải cao. Nghiên cứu được thực hiện trên mô hình đất ngập nước kiến tạo dạng mái bằng (Wetland Roof - WR), một giải pháp sáng tạo giúp tiết kiệm diện tích và tạo cảnh quan xanh cho các công trình.

3.1. Mô Hình Đất Ngập Nước Kiến Tạo Trên Mái Wetland Roof

Mô hình đất ngập nước kiến tạo trên mái (Wetland Roof - WR) là một giải pháp sáng tạo kết hợp giữa công nghệ đất ngập nước kiến tạo và mái nhà xanh. WR cho phép xử lý nước thải ngay tại chỗ, giảm tải cho hệ thống xử lý tập trung và tận dụng không gian mái nhà. Mô hình này đặc biệt phù hợp với các khu đô thị có diện tích đất hạn chế. Nước thải được dẫn vào hệ thống WR, đi qua lớp vật liệu lọc và vùng rễ của thực vật, nơi các chất ô nhiễm được loại bỏ thông qua các quá trình sinh học và hóa học.

3.2. Đánh Giá Khả Năng Thích Nghi Của Các Loại Cỏ

Một trong những mục tiêu quan trọng của nghiên cứu là đánh giá khả năng thích nghi của cỏ lác, cỏ chỉ tía, cỏ lá soài và cỏ đầu tròn với điều kiện môi trường trong hệ thống WR. Các yếu tố được quan tâm bao gồm khả năng sinh trưởng, khả năng chịu ngập úng, khả năng hấp thụ chất dinh dưỡng và khả năng chống chịu các điều kiện khắc nghiệt của thời tiết. Việc lựa chọn loại cỏ phù hợp sẽ giúp đảm bảo hiệu quả xử lý nước thải và tuổi thọ của hệ thống WR.

IV. Ứng Dụng Cỏ Đầu Tròn Kết Quả Xử Lý Nước Thải Tối Ưu 59 ký tự

Kết quả nghiên cứu cho thấy, trong điều kiện khí hậu Việt Nam, mô hình WR với các loại thực vật nghiên cứu (cỏ lác, cỏ chỉ tía, cỏ lá soài và cỏ đầu tròn) đều có khả năng hỗ trợ xử lý nước thải sinh hoạt. Hệ thống WR dạng mái bằng dòng chảy ngầm hướng ngang với thực vật cỏ Đầu Tròn có thể xử lý nước thải sinh hoạt tốt nhất ở HLR 393 ± 13 m3/ha.ngày (57 ± 28 kgCOD/ha.ngày) với thời gian lưu nước 23 ± 1 giờ.

4.1. Hiệu Quả Xử Lý COD TN và TP Của Cỏ Đầu Tròn

Hiệu quả xử lý các chỉ tiêu như COD là 72 ± 16 % hay 43 ± 27 kgCOD/ha.ngày; TN là 67 ± 13 % hay 12 ± 3 kg/ha.ngày và TP là 79 ± 12% hay 0. Chất lượng nước sau xử lý đáp ứng QCVN 14 : 2008/BTNMT và các tiêu chuẩn tái sử dụng nước của một số quốc gia trên thế giới. Đây là một kết quả đáng khích lệ, cho thấy tiềm năng lớn của cỏ đầu tròn trong việc xử lý nước thải sinh hoạt.

4.2. Khả Năng Hấp Thụ Dinh Dưỡng Của Cỏ Đầu Tròn

Với điều kiện môi trường WR, ở HLR2 (393 ± 13 m3/ha.ngày), cỏ Đầu Tròn có tỷ lệ nitơ hấp thụ nitơ và photpho cao nhất trong hệ thống mô hình, so với tổng nitơ đi vào mô hình là 11.2 % và đối với photpho là 20.60% so với tổng photpho đi vào mô hình. Điều này chứng tỏ khả năng hấp thụ và tích lũy chất dinh dưỡng của cỏ đầu tròn rất tốt, góp phần quan trọng vào quá trình xử lý nước thải.

V. Tiềm Năng Tiết Kiệm Năng Lượng Từ Đất Ngập Nước Kiến Tạo 60 ký tự

Nghiên cứu cũng đánh giá khả năng hấp thụ và phát thải khí CO2 của 4 thực vật trên mô hình dựa trên khả năng phủ xanh. Thực hiện tính toán khả năng tiết kiệm năng lượng của mô hình. Các kết quả cho thấy tiềm năng lớn trong việc giảm phát thải khí nhà kính và tiết kiệm năng lượng khi ứng dụng hệ thống WR.

5.1. Tốc Độ Hấp Thụ CO2 của Thực Vật Trên WRs

Tốc độ hấp thu CO2 của thực vật trên WRs gấp khoảng từ 10 – 25 lần so với tốc độ phát thải CO2. Tốc độ hấp thụ CO2 của WRs dao động từ 0. Trong đó WR4 (với cỏ đầu tròn) có tốc độ hấp thụ cao nhất với 0. Điều này cho thấy hệ thống WR có khả năng góp phần giảm thiểu hiệu ứng nhà kính.

5.2. Tiết Kiệm Năng Lượng Khi Sử Dụng WR

Khả năng tiết kiệm năng lượng của một căn phòng cơ bản có sử dụng máy điều hòa nhiệt độ ở điều kiện Việt Nam khi áp dụng WR là có thể giảm 4:32 kW/day (6 hours) và reduct about 2021760 VND cost of electricity (electricity prices 1300VND/kW). Điều này cho thấy tiềm năng tiết kiệm chi phí và giảm áp lực lên hệ thống điện khi ứng dụng rộng rãi hệ thống WR.

VI. Kết Luận Đất Ngập Nước Kiến Tạo Giải Pháp Xanh 53 ký tự

Nghiên cứu đã chứng minh tiềm năng to lớn của đất ngập nước kiến tạo trong việc xử lý nước thải sinh hoạt và mang lại nhiều lợi ích khác về môi trường và kinh tế. Việc ứng dụng hệ thống WR, đặc biệt là với cỏ đầu tròn, là một giải pháp hiệu quả và bền vững để giải quyết vấn đề ô nhiễm nguồn nước. Cần có thêm nhiều nghiên cứu và triển khai thực tế để phát huy tối đa tiềm năng của công nghệ đất ngập nước kiến tạo.

6.1. Đề Xuất Các Nghiên Cứu Tiếp Theo

Để phát triển hơn nữa công nghệ đất ngập nước kiến tạo, cần có thêm nhiều nghiên cứu về các khía cạnh khác nhau, bao gồm: Nghiên cứu về các loại thực vật khác có tiềm năng xử lý nước thải cao hơn; Nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tố môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng) đến hiệu quả xử lý của hệ thống WR; Nghiên cứu về khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm khác (kim loại nặng, hóa chất) của hệ thống WR; Nghiên cứu về quy trình thiết kế, xây dựng và vận hành hệ thống WR hiệu quả và tiết kiệm chi phí nhất.

6.2. Khuyến Nghị Triển Khai Ứng Dụng Thực Tế

Để đưa công nghệ đất ngập nước kiến tạo vào ứng dụng thực tế, cần có sự phối hợp giữa các nhà khoa học, các nhà quản lý và cộng đồng. Cần xây dựng các chính sách khuyến khích việc ứng dụng công nghệ đất ngập nước kiến tạo, đồng thời tổ chức các chương trình đào tạo, tập huấn để nâng cao nhận thức và năng lực cho cộng đồng. Việc triển khai các dự án thí điểm sẽ giúp chứng minh hiệu quả của công nghệ đất ngập nước kiến tạo và tạo tiền đề cho việc nhân rộng mô hình.

Tổng quan nghiên cứu

Ô nhiễm nguồn nước đang là vấn đề cấp bách tại Việt Nam, với ước tính khoảng 2 tỷ m³ nước thải mỗi năm, trong đó nước thải sinh hoạt chiếm hơn 60%. Phần lớn nước thải sinh hoạt tại các khu dân cư đô thị, ven đô thị và nông thôn chưa được xử lý đúng cách, gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng sức khỏe cộng đồng. Nước thải từ bể tự hoại chỉ được xử lý sơ bộ, chưa đạt chuẩn thải ra môi trường, trong khi nước xám từ các hoạt động sinh hoạt khác thường không qua xử lý. Trong bối cảnh các dự án xử lý nước thải còn hạn chế về phạm vi và kinh phí, việc nghiên cứu các công nghệ xử lý nước thải tại chỗ, tiết kiệm diện tích, chi phí thấp và thân thiện môi trường là rất cần thiết.

Đất ngập nước kiến tạo (Constructed Wetland - CW) được biết đến như một giải pháp công nghệ xử lý nước thải tự nhiên, hiệu quả cao, chi phí thấp và ổn định. Tuy nhiên, hạn chế lớn của phương pháp này là diện tích đất sử dụng lớn. Luận văn nghiên cứu khả năng xử lý chất hữu cơ và dinh dưỡng của 4 loại thực vật (Cỏ Lác, Cỏ Chỉ Tía, Cỏ Lá Soài, Cỏ Đầu Tròn) trong hệ thống đất ngập nước kiến tạo trên mái (Wetland Roof - WR) nhằm tận dụng ưu điểm của CW đồng thời khắc phục hạn chế về diện tích, tạo cảnh quan xanh cho mái nhà và góp phần giảm phát thải khí nhà kính.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là khảo sát khả năng thích nghi và hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt của 4 loại thực vật trên mô hình WR với 3 tải trọng thủy lực khác nhau, đồng thời đánh giá khả năng tái sử dụng nước sau xử lý theo các tiêu chuẩn quốc tế như Jordan (2003), Twea, Gaza (2002). Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM trong giai đoạn 2014-2015, với các chỉ tiêu quan trọng như COD, tổng Nitơ (TN), tổng Photpho (TP) và SS được theo dõi nhằm đánh giá hiệu quả xử lý.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: đất ngập nước kiến tạo (Constructed Wetland - CW) và mái nhà xanh (Green Roof - GR). CW là hệ thống xử lý nước thải tận dụng các quá trình vật lý, hóa học và sinh học tự nhiên trong môi trường đất ngập nước để loại bỏ chất ô nhiễm. CW được phân loại thành hệ thống dòng chảy mặt (Free Water Surface - FWS) và dòng chảy ngầm (Subsurface Flow - SF), trong đó SF có ưu điểm về hiệu quả xử lý và giảm mùi hôi do nước thải chảy ngầm qua lớp vật liệu lọc.

Mái nhà xanh (GR) là hệ thống phủ thực vật trên mái nhà, có cấu trúc gồm các lớp vật liệu thoát nước, lưới lọc, đất trồng và thực vật. GR không chỉ cải thiện mỹ quan mà còn giảm nhiệt độ, tiết kiệm năng lượng và có thể tích hợp chức năng xử lý nước thải khi kết hợp với CW tạo thành mô hình Wetland Roof (WR).

Các khái niệm chính trong nghiên cứu bao gồm:

• Tải trọng thủy lực (HLR): thể hiện lưu lượng nước thải trên diện tích bề mặt WR, ảnh hưởng đến thời gian lưu nước và hiệu quả xử lý.
• Tải trọng hữu cơ (OLR): lượng chất hữu cơ (COD) đưa vào hệ thống, ảnh hưởng đến khả năng xử lý và sức khỏe thực vật.
• Thời gian lưu nước (HRT): thời gian nước thải lưu lại trong hệ thống, quyết định mức độ xử lý.
• Hằng số tốc độ loại bỏ chất ô nhiễm (k): thông số động học mô tả tốc độ xử lý COD, TN, TP trong hệ thống.
• Khả năng hấp thụ và phát thải CO2 của thực vật: đánh giá vai trò của WR trong giảm phát thải khí nhà kính.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng 4 mô hình WR dạng mái bằng, kích thước 1.8 m x 0.6 m x 0.15 m, chia thành 3 ngăn nối tiếp, vận hành dòng chảy ngầm theo phương ngang (HSF). Mỗi mô hình trồng một loại thực vật: Cỏ Lác (WR1), Cỏ Chỉ Tía (WR2), Cỏ Lá Soài (WR3), Cỏ Đầu Tròn (WR4). Lớp vật liệu gồm cát mịn, đất, cát thô và đá mi, chiều sâu lớp nước 100 mm.

Nước thải sinh hoạt được lấy từ bể tập trung tại khuôn viên Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM, với các chỉ tiêu đầu vào: COD 123 ± 44 mg/L, SS 80 ± 26 mg/L, TN 36 ± 13 mg/L, TKN 35 ± 13 mg/L, NH4+ 29 ± 11 mg/L, TP 1.3 mg/L.

Mô hình vận hành với 3 tải trọng thủy lực khác nhau: HLR1 khoảng 290 m³/ha.ngày, HLR2 khoảng 393 m³/ha.ngày, HLR3 khoảng 500 m³/ha.ngày, tương ứng với tải trọng hữu cơ từ 30 đến 59 kgCOD/ha.ngày. Thời gian lưu nước dao động từ 16 đến 35 giờ.

Phân tích số liệu sử dụng cân bằng khối lượng chất dinh dưỡng, xác định sinh khối thực vật, diện tích mảng xanh bằng phần mềm ImageJ, đo đạc hấp thụ và phát thải CO2, tính toán tiết kiệm năng lượng dựa trên khả năng giảm nhiệt độ của WR. Thông số động học được xác định theo mô hình loại bỏ bậc một dựa trên công thức Kadlec và Knight (1996).

Cỡ mẫu gồm 4 mô hình WR, mỗi mô hình vận hành trong khoảng 33-41 ngày cho từng tải trọng thủy lực. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên tại các vị trí đầu vào, giữa và đầu ra mô hình để đảm bảo tính đại diện. Phân tích số liệu sử dụng phần mềm Excel và SPSS để đánh giá hiệu quả xử lý và so sánh giữa các loại thực vật.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Khả năng thích nghi và hiệu quả xử lý của thực vật
   Cả 4 loại thực vật đều thích nghi tốt với điều kiện WR tại khí hậu Việt Nam. Mô hình WR4 (Cỏ Đầu Tròn) cho hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt tốt nhất ở tải trọng thủy lực HLR2 (393 ± 13 m³/ha.ngày) với thời gian lưu nước 23 ± 1 giờ. Hiệu quả xử lý COD đạt 72 ± 16% (tương đương 43 ± 27 kgCOD/ha.ngày), TN đạt 67 ± 13% (12 ± 3 kg/ha.ngày), TP đạt 79 ± 12%. Chất lượng nước sau xử lý đáp ứng tiêu chuẩn QCVN 14:2008/BTNMT và các tiêu chuẩn tái sử dụng nước quốc tế.

2. Cân bằng khối lượng chất dinh dưỡng
   Ở HLR2, cỏ Đầu Tròn hấp thụ nitơ chiếm 11.2% tổng nitơ đầu vào và photpho chiếm 20.6% tổng photpho đầu vào mô hình, cao hơn đáng kể so với các loại thực vật khác. Điều này cho thấy vai trò quan trọng của thực vật trong hấp thụ dinh dưỡng, góp phần giảm tải ô nhiễm.

3. Thông số động học xử lý chất ô nhiễm
   Hằng số tốc độ loại bỏ bậc một (k) theo diện tích của WR đối với COD dao động khoảng 0.025 m/ngày, TKN khoảng 0.016 m/ngày, TP gần bằng 0. Nồng độ nền (C*) lần lượt là 10 mg/L (COD), 1.5 mg/L (TKN) và 0 mg/L (TP). Các thông số này phù hợp với các nghiên cứu quốc tế, cho thấy mô hình WR vận hành ổn định và hiệu quả.

4. Khả năng hấp thụ và phát thải CO2
   Tốc độ hấp thụ CO2 của thực vật trên WRs gấp khoảng 10-25 lần so với tốc độ phát thải CO2. WR4 có tốc độ hấp thụ CO2 cao nhất, thể hiện tiềm năng giảm phát thải khí nhà kính và góp phần cải thiện chất lượng không khí đô thị.

5. Tiết kiệm năng lượng
   Ứng dụng WR có thể giảm nhiệt độ môi trường xung quanh, giúp tiết kiệm năng lượng cho điều hòa không khí. Mô hình tính toán cho thấy một căn phòng sử dụng máy điều hòa có thể giảm tiêu thụ điện khoảng 4.32 kW/ngày (6 giờ hoạt động), tương đương tiết kiệm chi phí điện khoảng 2.021.760 VND/tháng.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả xử lý COD, TN và TP của WR4 vượt trội nhờ khả năng sinh trưởng mạnh mẽ, diện tích mảng xanh lớn (99 m² sau HLR2) và hệ rễ phát triển tốt, tạo môi trường thuận lợi cho vi sinh vật phân hủy chất ô nhiễm. So với các nghiên cứu trước đây về CW và GR, kết quả này khẳng định tính khả thi và ưu việt của mô hình WR trong điều kiện khí hậu nhiệt đới Việt Nam.

Thông số động học phù hợp với các nghiên cứu quốc tế cho thấy mô hình WR có thể được áp dụng rộng rãi với các điều kiện vận hành tương tự. Khả năng hấp thụ CO2 cao của thực vật WR góp phần giảm phát thải khí nhà kính, đồng thời tăng giá trị cảnh quan và đa dạng sinh học đô thị.

Việc tiết kiệm năng lượng nhờ giảm nhiệt độ môi trường xung quanh WR là một lợi ích thiết thực, giúp giảm chi phí vận hành tòa nhà và giảm áp lực lên hệ thống điện quốc gia. Các biểu đồ so sánh hiệu quả xử lý COD, TN, TP và SS giữa các loại thực vật và tải trọng thủy lực minh họa rõ ràng sự vượt trội của WR4, đồng thời biểu đồ sinh khối và diện tích mảng xanh thể hiện sự phát triển vượt trội của cỏ Đầu Tròn.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ưu tiên sử dụng Cỏ Đầu Tròn trong hệ thống WR
   Do khả năng xử lý nước thải và hấp thụ dinh dưỡng vượt trội, nên lựa chọn Cỏ Đầu Tròn làm thực vật chủ đạo trong các mô hình WR tại Việt Nam. Thời gian áp dụng từ 6-12 tháng để đảm bảo ổn định hệ thống.

2. Điều chỉnh tải trọng thủy lực tối ưu khoảng 390 m³/ha.ngày
   Tải trọng này cân bằng giữa hiệu quả xử lý và thời gian lưu nước, tránh quá tải gây giảm hiệu quả. Chủ thể thực hiện là các đơn vị thiết kế và vận hành hệ thống xử lý nước thải.

3. Mở rộng ứng dụng WR cho các khu dân cư đô thị và ven đô thị
   WR phù hợp với các khu vực có diện tích mái bằng lớn, giúp xử lý nước thải tại chỗ, giảm tải cho hệ thống thoát nước chung. Thời gian triển khai dự kiến 1-3 năm, phối hợp giữa chính quyền địa phương và các nhà đầu tư.

4. Tích hợp đo đạc và giám sát thông số động học thường xuyên
   Để đảm bảo hiệu quả vận hành, cần xây dựng hệ thống giám sát tải trọng, chất lượng nước đầu ra và sinh trưởng thực vật. Chủ thể thực hiện là các đơn vị quản lý môi trường và kỹ thuật vận hành.

5. Khuyến khích nghiên cứu bổ sung về khả năng hấp thụ CO2 và tiết kiệm năng lượng
   Nghiên cứu sâu hơn về tác động môi trường và kinh tế của WR nhằm thúc đẩy chính sách hỗ trợ và nhân rộng mô hình. Thời gian nghiên cứu 1-2 năm, do các viện nghiên cứu và trường đại học thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà quản lý và hoạch định chính sách môi trường đô thị
   Giúp xây dựng các chính sách xử lý nước thải sinh hoạt hiệu quả, thân thiện môi trường và tiết kiệm chi phí, đặc biệt trong bối cảnh đô thị hóa nhanh.

2. Các kỹ sư, chuyên gia thiết kế hệ thống xử lý nước thải
   Cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm để thiết kế các hệ thống WR phù hợp với điều kiện khí hậu và đặc điểm địa phương.

3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Môi trường
   Là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng đất ngập nước kiến tạo kết hợp mái nhà xanh, phương pháp phân tích và đánh giá hiệu quả xử lý nước thải.

4. Chủ đầu tư và doanh nghiệp xây dựng công trình xanh
   Hỗ trợ lựa chọn công nghệ xử lý nước thải tích hợp cảnh quan xanh, giảm chi phí vận hành và tăng giá trị bền vững cho công trình.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình WR có thể áp dụng cho loại nước thải nào?
   Mô hình WR phù hợp xử lý nước thải sinh hoạt có thành phần COD khoảng 120 mg/L, TN 36 mg/L, TP 1.3 mg/L, đặc biệt nước thải sau bể tự hoại chưa đạt chuẩn thải.

2. Tại sao chọn Cỏ Đầu Tròn làm thực vật ưu tiên?
   Cỏ Đầu Tròn có khả năng xử lý COD đạt 72%, hấp thụ nitơ và photpho cao nhất (11.2% và 20.6%), sinh trưởng nhanh, diện tích mảng xanh lớn, phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam.

3. Tải trọng thủy lực tối ưu cho mô hình WR là bao nhiêu?
   Tải trọng thủy lực khoảng 390 m³/ha.ngày được xác định là tối ưu, cân bằng giữa hiệu quả xử lý và thời gian lưu nước (23 giờ), tránh quá tải làm giảm hiệu quả.

4. Mô hình WR có thể giúp tiết kiệm năng lượng như thế nào?
   WR giảm nhiệt độ môi trường xung quanh, giúp giảm tiêu thụ điện cho điều hòa không khí khoảng 4.32 kW/ngày, tương đương tiết kiệm chi phí điện hơn 2 triệu đồng/tháng cho một căn phòng điển hình.

5. Khả năng hấp thụ CO2 của WR có ý nghĩa gì?
   Thực vật trên WR hấp thụ CO2 gấp 10-25 lần so với phát thải, góp phần giảm phát thải khí nhà kính, cải thiện chất lượng không khí đô thị và hỗ trợ mục tiêu phát triển bền vững.

Kết luận

• Mô hình đất ngập nước kiến tạo trên mái (WR) với 4 loại thực vật đã được nghiên cứu thành công, trong đó Cỏ Đầu Tròn cho hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt tốt nhất với hiệu suất COD đạt 72%, TN 67%, TP 79%.
• Tải trọng thủy lực tối ưu khoảng 393 m³/ha.ngày, thời gian lưu nước 23 giờ, đảm bảo chất lượng nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn quốc gia và quốc tế.
• Thực vật WR hấp thụ CO2 mạnh mẽ, góp phần giảm phát thải khí nhà kính và cải thiện môi trường đô thị.
• WR giúp tiết kiệm năng lượng cho điều hòa không khí, giảm chi phí vận hành và tăng giá trị bền vững cho công trình.
• Đề xuất áp dụng WR rộng rãi tại các khu dân cư đô thị, ven đô thị và các công trình mái bằng, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng và giám sát hiệu quả vận hành.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các đơn vị quản lý, thiết kế và đầu tư nghiên cứu, triển khai mô hình WR trong thực tế nhằm góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững đô thị Việt Nam.