CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Phương pháp xử lý nước thải bằng công nghệ sinh thái Xử lý nước thải nhằm làm giảm, loại trừ các tác nhân ô nhiễm để có thể thải vào nguồn nhận hoặc tái sử dụng một cách an toàn, đáp ứng tiêu chuẩn môi trường. Công nghệ sinh thái “ Ecological engineering” là thuật ngữ được Nhà sinh thái học Mỹ, Dr Odum sử dụng đầu tiên năm 1962 và được hiểu là:“Sự thao tác của con người về môi trường bằng cách sử dụng một khối năng lượng bổ sung nhỏ để điều khiển một hệ thống mà trong đó các nguồn năng lượng chính yếu vẫn đang tiếp tục được huy động đến từ nguồn tài nguyên tự nhiên”[11].
Xử lý nước thải bằng công nghệ sinh thái đáp ứng mục đích đưa dòng thải vào vòng tuần hoàn tự nhiên của vật chất, chất thải được xử lý và phân hủy theo chu trình sinh học tự nhiên. Trong công nghệ xử lý nước thải bằng biện pháp sinh thái người ta sử dụng khả năng chủ yếu của thực vật thủy sinh và động vật thủy sinh. Xử lý nước thải bằng Thực vật thủy sinh 1. Khái niệm Thực vật thủy sinh Thực vật thủy sinh là các loài thực vật sống trong môi trường nước, bao gồm những loài cơ thể ngập hoàn toàn trong nước, hoặc những loài chỉ ngập từng phần cơ thể.
Do sống trong môi trường nước, TVTS có những đặc điểm thích nghi cả về hình thái cấu tạo và phương thức sống. Để tăng cường khả năng hấp thụ oxy, tăng bề mặt tiếp xúc, lá của chúng có bản lớn hoặc chẻ nhỏ thành dạng sợi, xoang khí và gian bào phát triển mạnh. Lá có thể khác nhau về hình dạng và cấu tạo tùy theo vị trí tiếp xúc với nước. Mô đỡ (thân, cành) kém phát triển, thường là mềm yếu.
Thực vật thủy sinh có thể là những cây không có hiệu quả kinh tế như: lau, sậy, cỏ lác,… đến những cây ít nhiều mang lại giá trị kinh tế như: rau muống, bèo tây, bèo cái, rau má,… vì chúng làm thức ăn cho con người và động vật. Nhiều loài rong dùng làm thức ăn cho gia súc, gia 3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com cầm, làm nguyên liệu cho công nghiệp (rong câu, rong mơ.), làm cảnh (thủy tiên, thủy trúc.), làm thức ăn cho cá, chim và là nơi cư trú và đẻ trứng cho nhiều loại động vật thủy sinh [8]. TVTS còn có vai trò quan trọng trong xử lý nước thải, tăng khả năng tự làm sạch thủy vực. Thực vật thủy sinh có khả năng vận chuyển oxy từ không khí vào trong nước nhờ bộ rễ, cho phép hình thành nhóm sinh vật hiếu khí quanh bộ rễ thực vật.
Các vi sinh vật hiếu khí thích hợp cho việc phân giải sinh học các hợp chất hữu cơ phức tạp thành các chất đơn giản. Sản phẩm của quá trình phân giải này sẽ được thực vật sử dụng cho quá trình sinh trưởng, phát triển. Khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm vô cơ và hữu cơ trong nước đã được chứng minh là có sự cộng sinh giữa thực vật thủy sinh và các vi sinh vật sống trong và xung quanh rễ của chúng. Thực vật và các vi sinh vật có thể đạt được hiệu quả xử lý cao khi chúng phối hợp với nhau trong một hệ sinh thái cân bằng.
Thân và lá của thực vật nửa ngập nước và rễ của thực vật nổi làm giảm tốc độ dòng chảy, gây ra sự thay đổi của quá trình lọc và lắng của các hạt (cặn và vụn hữu cơ) và là nơi sống bám của nhiều loại tảo và vi sinh vật. Ôxy chuyển từ phần thân và lá khí sinh xuống bộ rễ và giải phóng ra vùng rễ, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nitrat và phản nitrat hóa. Bởi vậy, thực vật thủy sinh đóng vai trò chủ yếu trong việc giảm nồng độ NH4+, NO2-, NO3-, PO43-, cũng như TSS và COD. Vai trò của thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải Các vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ thành các chất vô cơ (khoáng hóa) cung cấp cho các thực vật thủy sinh, trước hết là tảo.
Tảo và các TVTS khác lại cung cấp oxy cho vi khuẩn. Các loài TVTS như tảo, rong đuôi chó, rong xương cá, lau lác, các loại bèo, .có rễ và thân tạo điều kiện cho vi sinh vật bám vào mà không bị chìm xuống đáy. Chúng cung cấp oxy cho vi khuẩn hiếu khí, ngoài ra còn cung cấp cho vi sinh vật những hoạt chất sinh học cần thiết. Ngược lại, vi khuẩn cung cấp ngay tại chỗ cho thực vật những sản phẩm trao đổi chất của mình, đồng thời thực vật giúp cho vi sinh vật khỏi bị chết 4 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com dưới ánh nắng mặt trời.
Tảo là nguồn thức ăn cho cá và các loài TVTS khác, khi chết sẽ là chất dinh dưỡng cho vi sinh vật. Vai trò chính của tảo và TVTS là khử nguồn amôn hoặc nitrat và nguồn photpho có ở trong nước. Vai trò chủ yếu của thực vật nổi có thể kể đến như sau: - Làm giá thể cho vi sinh vật sinh sống: Quần thể vi sinh vật thực hiện các giai đoạn khác nhau của quá trình xử lý. TVTS cung cấp cho vi sinh vật bề mặt hay giá thể để sinh trưởng, phát triển và tạo thành màng sinh học.
Màng sinh học này tạo thành bởi vi sinh vật sống trên rễ và phần thân thực vật kể cả lá rụng. Hệ thống màng sinh học do vi sinh vật tạo thành có vai trò chính trong quá trình xử lý. Rõ ràng là diện tích bề mặt và số lượng giá thể càng lớn thì hiệu quả xử lý của hệ thống càng cao. - Tạo điều kiện cho quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa: Chức năng quan trọng của hệ thống đất ngập nước dùng để xử lý nước thải là sự loại bỏ nitơ liên kết.
Nước thải đi vào hệ thống xử lý thường có lưu lượng oxy hòa tan rất thấp hoặc đôi khi bằng không. Do đó, nitơ trong nước thải chủ yếu tồn tại ở dạng nitơ hữu cơ hoặc NH3. Sự chuyển hóa từ NH3 thành NO3- không thể xảy ra trừ khi nước thải được sục khí, khi đó các vi khuẩn hiếu khí sẽ thực hiện sự chuyển hóa này. Nếu như ở điều kiện kỵ khí thì sẽ tạo ra sự ức chế quá trình oxy hóa NH3 thành dạng NO3-.
Tuy nhiên, một lượng oxy khuếch tán từ rễ thực vật sẽ tạo ra một vùng hiếu khí, tạo điều kiện cho sự sinh trưởng của các vi sinh vật hiếu khí, vi sinh vật nitrat hóa sẽ chuyển hóa NH3 thành NO3-. Trong vùng kỵ khí, một số loài sinh vật phản nitrat hóa sử dụng NO3- như là nguồn oxy cho quá trình hô hấp, nó sẽ chuyển NO3- thành N2, chất này sẽ chuyển từ đất hoặc trầm tích vào trong nước và sau đó vào không khí. - Sự truyền oxy: TVTS giải phóng oxy vào trong vùng rễ ảnh hưởng đến chu trình địa hóa sinh trong trầm tích thông qua ảnh hưởng lên trạng thái oxy hóa khử của trầm tích. Ôxy cũng có ý nghĩa cho hoạt động của nhóm vi sinh hiếu khí trong việc phân hủy chất ô nhiễm hữu cơ cũng như vi khuẩn nitrat hóa.
Tốc độ thải oxy từ rễ cây phụ thuộc vào nồng độ oxy bên trong, nhu cầu 5 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com oxy của môi trường xung quanh và tính thấm của lớp tế bào vách rễ. Tốc độ thoát oxy cao nhất ở vùng dưới đỉnh rễ và giảm tỷ lệ với khoảng cách từ đỉnh rễ. Người ta đo được tốc độ giải phóng oxy từ 10-160 ng oxy/cm2 bề mặt rễ/phút phụ thuộc oxy/m2/ngày. Ngoài oxy, hệ thống rễ cây cũng tiết ra một số chất khác như kháng sinh, chất hữu cơ (khoảng 5-25% lượng cacbon đồng hóa từ quang hợp).
- Chuyên chở nước và chất ô nhiễm: Khi thực vật hút nước theo nhu cầu của cây đồng thời cũng đưa nước vào đất và mang theo các chất ô nhiễm khác nhau đã được ion hóa vào trong đất. Trong quá trình xử lý, các chất có tiềm năng gây ô nhiễm có thể ở trạng thái không hoạt động qua sự trao đổi, kết tủa, bám dính, tích tụ, oxy hóa và sự biến đổi các ion. Nếu không có thực vật hoạt động như các máy bơm hút nước vào trong đất, các phản ứng trên đây không thể xảy ra được. - Sử dụng chất dinh dưỡng: TVTS sử dụng nitơ, photpho, và các nguyên tố vi lượng khác nhau trong quá trình sinh trưởng.
Sự hấp thu chất dinh dưỡng xảy ra ở rễ và cả phần lá chìm trong nước. TVTS trong vùng đất ngập nước có năng suất rất cao. Nếu sinh khối được thu hoạch, lượng chất dinh dưỡng lấy đi có thể đạt từ 30-150 kg P và 200-2500 kg N/ha/năm. Tuy nhiên, phần lớn các chất dinh dưỡng được hấp thu bởi thực vật sẽ quay trở lại hệ thống khi các phần thân và lá bị chết và thối rữa trong quá trình già đi của cây.
Do vậy, việc thu hái thường xuyên sinh khối thực vật là hết sức quan trọng để loại bỏ các chất dinh dưỡng ra khỏi hệ thống. - Lọc: Thân và lá của thực vật nửa ngập nước và rễ của thực vật nổi như là một lớp ngăn chất lơ lửng đi vào hệ thống. Nó cũng làm chậm dòng nước chảy qua hệ thống nên các chất rắn sẽ bị lắng xuống. Bởi vậy, thực vật tạo điều kiện cho sự phân hủy các hợp chất hữu cơ bằng cách kéo dài thời gian cho các quá trình biến đổi sinh hóa.
- Nguồn che sáng: Với sự che mát cho nước, thực vật thủy sinh giúp điều hòa nhiệt độ nước và làm giảm quần thể tảo, qua đó hạn chế được sự dao 6 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com động lớn của pH và lượng oxy hòa tan giữa ban ngày và ban đêm. Điều đó cũng làm giảm lượng chất rắn lơ lửng trong nước. - Cung cấp lớp đất và trầm tích mới: Theo thời gian, một lớp giống như bùn tích tụ dần trên mặt nền đáy. Các chất này đôi khi tạo ra một lớp đất hoặc trầm tích lắng đọng mới, chứa cặn bã thực vật, sản phẩm từ quá trình trao đổi chất của vi sinh vật và chất rắn phân giải chậm hoặc không phân giải được thực vật giữ lại.
Nếu tính toán được sự tích tụ này sẽ cho phép thiết kế độ sâu của bể hay ao xử lý có hiệu quả và ổn định. - Ảnh hưởng về vật lý: Sự có mặt của thực vật làm giảm vận tốc nước, tạo điều kiện tốt hơn cho các chất rắn lơ lửng lắng đọng, giảm xói mòn và tăng thời gian tiếp xúc giữa nước và vùng bề mặt của cây.