Nguồn ô nhiễm này nếu không được thu gom và xử lý phù hợp sẽ tích tụ làm giảm ô-xy trong nguồn tiếp nhận, gây nhiễm bẩn nguồn nước và ảnh hưởng đến sức khỏe của cộng đồng dân cư. Trong thực tế rất ít nhà hàng đầu tư xây dựng hệ thống xử lý nước thải, một phần do ý thức của người kinh doanh, và quan trọng là chưa có quy định bắt buộc các cơ sở kinh doanh ăn uống phải xử lý nước thải trước khi thải ra môi trường. Nhóm học sinh từ Trường THPT chuyên Lý Tự Trọng - TP. Cần Thơ đã tiến hành nghiên cứu xử lý nước thải nhà hàng bằng hệ thống đất ngập nước trồng cây Bách Thủy tiên (Echinodorus Cordifolius) và bước đầu thu được một số kết quả khả quan.

Xử lý nước thải ở Việt Nam hiện nay có thể phân thành hai nhóm (i) xử lý tập trung kết hợp nhiều công đoạn xử lý lý học, hóa học và sinh học tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh, vận hành phức tạp và tốn kém; (ii) xử lý phi tập trung sử dụng những hệ thống tự nhiên như ao, hồ sinh học, cánh đồng lọc, đất ngập nước… vận hành dễ dàng hơn. Đối với nước thải nhà hàng là nguồn phát sinh phân tán, nhóm nghiên cứu đề xuất áp dụng mô hình phi tập trung là công trình đất ngập nước dòng chảy mặt trồng thực vật để trực tiếp xử lý nước thải ở từng nhà hàng. Đối với loại thực vật trồng, chọn cây Bách thủy tiên (Echinodorus cordifolius) là cây kiểng thủy sinh được ưa chuộng, đồng thời tạo cảnh quan cho khách hàng đến ăn uống. Khu đất ngập nước với loài cây này đã được thử nghiệm trên nước thải sinh hoạt và xử lý tốt nồng độ phốt-pho, chất hữu cơ và chất rắn hòa tan (Sriprapat & Thyravetyan, 2011; Torit et al., 2013; Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân, 2022).

Phương pháp nghiên cứu

Chuẩn bị mô hình thí nghiệm

Khu đất ngập nước dòng chảy mặt được đề xuất thử nghiệm vì tính phổ biến và dễ thực hiện. Mô hình khu đất ngập nước thí nghiệm được chế tạo bằng thùng mút xốp kích thước 53,5 39 35 cm (dài rộng cao), trên đáy thùng bố trí lớp đá 2 3 cm dày 10,5 cm, bên trên là lớp than tổ ong đã qua sử dụng đập nhuyễn dày 4,5 cm. Chọn cây Bách thủy tiên khỏe mạnh, đang có chồi trồng trực tiếp trên nền than đá với khoảng cách 15 cm/bụi. 

Nước thải thí nghiệm được thu từ căn tin trường học vào giữa trưa là ở thời gian cao điểm sinh viên đến ăn uống. Theo ghi nhận của Metcalf & Eddy (1991), thời gian tồn lưu nước (HRT) trong khu đất ngập nước để xử lý nước thải chọn từ 4 đến 15 ngày tùy theo nồng độ chất hữu cơ; nghiên cứu này chọn HRT là 5 ngày. Thông qua đo đạc độ rỗng của đá xây và than tổ ong, tính toán được lượng nước đưa vào thùng thí nghiệm ngập 10 cm so với mặt than tổ ong (thấp hơn mức ngập tối đa 0,4 m theo đề xuất của Kadlec et al., 2000), phù hợp với tập tính sống của Bách thủy tiên là cây thủy sinh. 

Bố trí thí nghiệm

Sau khi chuẩn bị mô hình thùng đất ngập nước trồng cây Bách thủy tiên (nghiệm thức NT3), trong 10 ngày đầu chỉ đưa nước ao vào thùng để cây ổn định. Tiếp theo lần lượt thay thế bằng nước thải căn-tin với 10% thể tích trong mỗi 3 ngày giúp cây thích nghi dần với nguồn nước thải. Sau 50 ngày, khu đất ngập nước đã được nạp hoàn toàn bằng nước thải căn tin. Nước thải căn-tin trước khi đưa vào thùng thí nghiệm được lọc qua lớp xơ dừa để loại bỏ bớt lượng dầu mỡ động thực vật, giảm thiểu nguy cơ gây tắc nghẽn lớp chất nền.

Giữ cho cây sinh trưởng với 100% nước căn-tin để quan sát mức độ phát triển của cây trong 15 ngày tiếp theo, cây vẫn phát triển bình thường. Tiến hành thu mẫu nước thải trong 3 ngày liên tiếp để phân tích thông số COD và đánh giá hiệu quả xử lý của khu đất ngập nước. Nếu hiệu suất xử lý COD ổn định sẽ tiến hành thu mẫu nước thải phân tích các thông số còn lại để đánh giá về hiệu quả xử lý. Mẫu nước được thu và phân tích trong 3 ngày liên tiếp xem như 3 lần lặp lại của thí nghiệm để tăng độ tin cậy của kết quả nghiên cứu.

Khi nạp 100% nước thải căn-tin vào nghiệm thức NT3, bố trí thêm 2 nghiệm thức: (i) khu đất ngập nước nhưng không trồng cây để tính toán hiệu suất xử lý của cây Bách thủy tiên - NT2, và (ii) thùng mút chỉ chứa nước thải căn-tin để đánh giá mức độ tự xử lý của nước thải - NT1 (nghiệm thức đối chứng). Quá trình thu mẫu các nước phân tích đều thực hiện trên cả 3 nghiệm thức.

Phân tích số liệu

Mẫu nước thải trước và sau khi xử lý từ các nghiệm thức được thu thập và phân tích các thông số pH, độ đục (NTU), tổng chất rắn hòa tan TDS (mg/L), nhu cầu ô-xy sinh học BOD5 (mg/L), nhu cầu ô-xy hóa học COD (mg/L), đạm ni-trát N-NO3- (mg/L), phốt-phát P-PO43- (mg/L). Trong đó 3 thông số đầu đo đạc tại phòng thí nghiệm Living Lab, 3 thông số sau phân tích tại phòng thí nghiệm Độc chất học thuộc Khoa Môi trường và Tài nguyên thiên nhiên - Trường Đại học Cần Thơ. Quá trình phân tích tuân thủ các quy chuẩn kỹ thuật về phân tích mẫu nước hiện hành.

Các kết quả phân tích được so sánh để tính toán hiệu suất xử lý của khu đất ngập nước có trồng cây (NT3 – NT1), hiệu suất xử lý của khu đất ngập nước không trồng cây (NT2 – NT1), hiệu suất xử lý của cây Bách thủy tiên (NT3 – NT2). Đồng thời được so sánh với QCVN 14:2008/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt để đánh giá khả năng thải bỏ nguồn nước sau khi xử lý ra môi trường.

Kết quả

Các mẫu nước thải căn tin thu được về mặt cảm quan có màu trắng đục, nhiều cặn lơ lửng, có váng dầu mỡ và có mùi hôi. Giá trị pH nằm trong khoảng từ 6,0 - 8,0 thích hợp cho khu đất ngập nước (Kadlec & Knight, 1996). Nồng độ BOD5 cho thấy hàm lượng chất hữu cơ rất cao. Hàm lượng dưỡng chất trong nước thải cũng cao, đặc biệt P-PO43- do sự hiện diện của chất tẩy rửa có nguồn gốc phốt-phát.

Bảng 1. Nồng độ ô nhiễm của mẫu nước thải căn tin 

Khi cây trồng đã phát triển ổn định, kết quả phân tích mẫu nước trong 3 ngày liên tiếp cho thấy hiệu suất xử lý COD của khu đất ngập nước trồng cây Bách thủy tiên đạt xấp xỉ 67,4 - 72.1%. Nồng độ COD của nước thải trước khi xử lý biến thiên lớn, tuy nhiên nước thải sau xử lý có COD biến động thấp chứng tỏ khu đất ngập nước đã hoạt động ổn định. Do đó tiếp tục vận hành hệ thống để thu mẫu phân tích với nhiều thông số ô nhiễm hơn, từ đó đánh giá hiệu quả xử lý của khu đất ngập nước thí nghiệm.

Kết quả phân tích các mẫu nước thí nghiệm ghi nhận cả ba nghiệm thức thí nghiệm đều có khả năng xử lý nước. Trong đó, nghiệm thức chỉ để nước thải (NT1) phân hủy tự nhiên có hiệu suất xử lý thấp nhất, nghiệm thức đất ngập nước có trồng cây (NT3) có hiệu suất xử lý cao nhất. Ngoại trừ thông số BOD5 không đạt yêu cầu để xả thải, các thông số còn lại đều đạt tiêu chuẩn xả thải theo cột A của QCVN 14:2008/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt.

Hình 2. So sánh cảm quan các mẫu nước trước (ĐV) và sau khi xử lý (ĐR)

Kết quả phân tích thống kê ghi nhận hiệu suất xử lý có khác biệt giữa nghiệm thức đất ngập nước có trồng cây (NT3) và nghiệm thức đất ngập nước không trồng cây (NT2). Điều này cho thấy cây Bách thủy tiên có đóng góp quan trọng trong quá trình xử lý nước. Việc trồng cây trong khu đất ngập nước đã làm chuyển đổi các chất dinh dưỡng trong đất, mang ô-xy từ không khí xuống các tầng đất nhằm cung cấp ô-xy cho bộ rễ phát triển trong điều kiện bão hòa nước, đồng thời cung cấp ô-xy cho hệ vi sinh vật hiếu khí. Hệ rễ cây cung cấp một diện tích lớn cho vi khuẩn bám và phát triển phân hủy chất thải.

Hình 3. Giá trị pH và độ đục của các nghiệm thức thí nghiệm

Đối với hiệu quả xử lý nước thải của khu đất ngập nước có trồng cây, giá trị pH của nước sau xử lý là 7,58 ± 0,13 nằm trong khoảng cho phép của QCVN 14:2008/BTNMT cột A (pH = 5 - 9). Khoảng pH này thuận lợi cho sinh trưởng của vi sinh vật và sự phát triển của cây Bách thủy tiên. Độ đục của nước sau xử lý giảm đến 74,5% nhờ vận tốc dòng chảy trong khu đất ngập nước thấp giúp lắng đọng các chất lơ lửng. Ngoài ra, lớp chất nền giữ lại TSS và các hạt phân tán khác làm giảm độ đục trong nước thải.

Hình 4. Giá trị TDS và BOD5 của các nghiệm thức thí nghiệm

Chất hữu cơ trong nước thải sau khi xử lý giảm đáng kể đạt hiệu suất xử lý 75,09%, tuy nhiên nồng độ BOD5 ghi nhận còn vượt yêu cầu xả thải của QCVN 14:2008/BTNMT (cột B). Khi nước thải đi qua hệ thống đất ngập nước, các chất hữu cơ ở dạng rắn lơ lửng bị giữ lại trong chất nền trồng cây và rễ cây, sau đó bị vi sinh vật phân hủy. Hệ vi sinh vật bám trên chất nền và xung quanh rễ cây sẽ ô-xy hóa một phần chất hữu cơ và chuyển thành CO2 bay ra khỏi nước thải, một phần chất hữu cơ được vi sinh vật dùng để tổng hợp nên tế bào của chúng. Tổng chất rắn hòa tan TDS trong nước thải sau xử lý có xu hướng gia tăng, tuy nhiên vẫn đạt yêu cầu xả thải của QCVN 14:2008/BTNMT (cột A).

Hình 5. Giá trị N-NO3- và P-PO43- của các nghiệm thức thí nghiệm

Nồng độ N-NO3- trong nước thải sau xử lý giảm và đạt ngưỡng cho phép xả thải của QCVN 14:2008/BTNMT (cột A). Nhờ vào sự có mặt của hệ vi khuẩn ni-trát hóa và khử ni-trát tồn tại ở điều kiện ô-xy khác nhau trong lớp chất nền, thành phần đạm trong nước thải bị phân hủy thành nhiều dạng đạm khác nhau. Một phần đạm phân hủy này sẽ được cây Bách thủy tiên hấp thụ để phát triển. Nồng độ P-PO43- trong nước thải đầu ra giảm còn rất thấp với hiệu suất xử lý đạt cao nhất (85,72%) và đạt tiêu chuẩn xả thải của cột A QCVN 14:2008/ BTNMT. Trong khu đất ngập nước phốt-phát được loại bỏ nhờ quá trình kết tủa phốt-phát khi nó phản ứng với can-xi trong chất nền trồng cây hay được đồng hóa bởi vi sinh vật và bị hấp thu bởi thực vật (Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân, 2022).

Kết luận - kiến nghị

Nghiên cứu đã thử nghiệm sử dụng khu đất ngập nước trồng cây Bách thủy tiên để xử lý nước thải nhà hàng và đạt một số kết quả khả quan. Với thời gian lưu nước 5 ngày, hiệu suất xử lý các thành phần ô nhiễm như sau: độ đục đạt 74,51%, BOD5 đạt 75,09%, N-NO3- đạt 73,25%, P-PO43- đạt 85,72%. Tất cả các thông số thí nghiệm đều đạt yêu cầu xả thải của QCVN 14:2008/BTNMT (cột A), ngoại trừ BOD5 chưa đạt tiêu chuẩn xả thải.

Là loài cây cho hoa đẹp với khả năng tạo cảnh quan tại các nhà hàng, mô hình đất ngập nước trồng cây Bách thủy tiên nên được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng để xử lý nước thải. Tuy nhiên cần tiếp tục nghiên cứu hiệu quả xử lý của hệ thống này với thời gian lưu dài hơn 5 ngày để nước thải sau xử lý đạt tối thiểu yêu cầu xả thải theo QCVN 14:2008/ BTNMT (cột B).

Lời cảm ơn

Nhóm nghiên cứu chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm Khoa Môi trường và Tài nguyên thiên nhiên - Trường Đại học Cần Thơ đã cho phép sử dụng các trang thiết bị phân tích của phòng thí nghiệm Living Lab để thực hiện nghiên cứu này. 

Tài liệu tham khảo

Kadlec R.H., Knight R.L., Vymazal J., Brix H., Coooper P., Haberd R. (2000). Constructed wetlands for pollution control. IWA Publishing, London;

Kadlec R.H., Knight R.L. (1996). Treatment wetlands. Lewis Publishers, Boca Raton, FL;

Lê Hoàng Việt, Nguyễn Võ Châu Ngân (2022). Hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt của mô hình đất ngập nước nhân tạo trồng cây Bách thủy tiên (Echinodorus cordifolius L.) ở các thời gian lưu nước khác nhau. Tạp chí Khoa học Đại học Cần Thơ 58(6) 59-67;

Metfcalf and Eddy (1991). Wastewater engineering: Treatment, disposal, reuse. McGraw-Hill, Inc;

Sriparat W., Thiravetyan P. (2011). Phytoremediation of Diethylene Glycol contaminated wastewater by Echinodorus cordifolius. International Journal of Phytorenediation 13: 592 -600.

LÊ ĐĂNG, ĐÀO MINH NGỌC, ĐỖ THỊ MAI*
Trường THPT chuyên Lý Tự Trọng, Thành phố Cần Thơ
Nguồn: Tạp chí Tài nguyên và Môi trường số 1+2 năm 2025