Đánh giá khả năng xử lý nước kênh Văn Thánh bằng mô hình trồng cỏ Vetiver tuần hoàn nước kết hợp sỏi - cát

Hầu hết kênh rạch ở TP. HCM tiếp nhận nước thải đô thị được dẫn từ hệ thống cống ngầm trong các thành phố chưa được xử lý và gây ra ONMT nghiêm trọng. Mô hình trồng cỏ Vetiver được xem xét ứng dụng xử lý với những ưu điểm nổi bật đã được các nghiên cứu về hiệu suất tiêu thụ dinh dưỡng và khả năng sinh trưởng cực kỳ tốt trong điều kiện môi trường ô nhiễm cao. Mô hình kết hợp nhiều thực vật và các loại vật liệu như cát, sỏi, đá để loại bỏ các chất ô nhiễm dựa trên các cơ chế lắng, lọc, tích lũy, phân hủy của vi sinh vật. Với thiết kế đặc trưng để nước có thể chảy qua lớp vật liệu nền, hệ thống đem lại khả năng vận chuyển oxy vào lớp giá thể tốt, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nitrate hóa. Với mỗi mô hình được thiết kế với hai bể xử lý, có kích thước 0,66 m x 0,46 m x 0,21 m (dài, rộng, cao), lớp vật liệu có độ dày 80mm. Hệ thống vận hành ở hai chế độ tuần hoàn nước gián đoạn. Kết quả ban đầu cho thấy, hiệu quả xử lý trung bình ở các chế độ là PO43- 91,34%, NH4+ 96,67%, COD trên 80

GIỚI THIỆU

Phần lớn nước thải sinh hoạt ở các khu dân cư đô thị, ven đô thị đều chưa được xử lý đúng cách và dẫn trực tiếp vào lưu vực các sông, kênh, rạch. Với số lượng lên đến 156 kênh, rạch chằng chịt với chiều dài hơn 700 km, chảy qua 24 quận, huyện góp phần vào việc điều tiết nước, tưới tiêu, điều hòa không khí cho thành phố và làm sạch môi trường. Nhận thấy được những vấn đề cấp bách trên, thành phố đã lập nhiều dự án và chi hàng chục nghìn tỷ đồng để giải tỏa dân cư ven kênh, khắc phục ô nhiễm nguồn nước tại các lưu vực trên – cải tạo hệ thông kênh Nhiêu Lộc – Thị Nghè gần 4,000 tỷ đồng, dự án làm trong sạch và chống ngập kênh Bến Nghé – Tàu Hũ có chi phí khoảng 8,000 tỷ đồng. Tuy nhiên số lượng kênh rạch quá lớn, các giải pháp xử lý hầu hết đều chưa hiệu quả và còn nhiều kênh rạch chưa được xử lý. Các chất ô nhiễm thông thường, như NH4+ không gây độc trực tiếp đến con người nhưng các sản phẩm của nó thành nitrite và nitrate (quá trình nitrite hóa và nitrate hóa) là các yếu tốt gây độc. Nitrite và nitrate ngoài ảnh hưởng đến tầng nước ngầm, thì khi đi vào cơ thể người, nitrite gây ảnh hưởng đến hồng cầu gây nên tình trạng thiếu máu, có thể gây ung thư.

Thông qua các nghiên cứu trong nước và quốc tế cho thấy cỏ Vetiver có những khả năng cực kỳ đặc biệt trong việc thích nghi tốt với nhiều điều kiện môi trường bất lợi, khắc nghiệt; khả năng hấp thu, tích lũy các chất ô nhiễm, kim loại nặng với nồng độ cao. Mô hình cũng đem lại hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm đạt hiệu suất cao (từ 50-99,9%). Phương pháp đất ngập nước nhân tạo được áp dụng ở cả những nước phát triển và đang phát triển nhờ những ưu điểm như: là một trong những giải pháp BVMT tự nhiên một cách hiệu quả với chi phí vận hành và đầu tư thấp, không yêu cầu công nghệ phức tạp kèm theo cũng như thân thiện với môi trường, khôi phục hệ sinh thái dòng kênh, rạch, cải thiện thêm mảng xanh của thành phố, điều tiết khí hậu.

Vì vậy, nghiên cứu được thực hiện vì phương pháp này có nhiều ưu điểm nổi bật như cấu tạo và thiết kế đơn giản, hiệu quả xử lý cao, chi phí xây dựng và vận hành thấp, giảm thiểu mùi hôi của nước thải và không sản sinh thêm mùi hôi, khôi phục hệ sinh thái, điều tiết khí hậu. Đây sẽ là tiền đề cho các nghiên cứu ứng dụng tiếp theo để giải quyết những vấn đề thực tiễn của hệ thống các kênh, rạch tại địa bàn TP. Hồ Chí Minh.

VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Thiết kế thí nghiệm

Hai giai đoạn chính của nghiên cứu là giai đoạn thích nghi và giai đoạn vận hành thử nghiệm:

Hình 1. Tiến trình tổng quát thực hiện nghiên cứu

Trồng thử nghiệm thích nghi (giai đoạn 1) được thực hiện trong vòng 2-3 tuần với mục đích ổn định cá thể cỏ Vetiver sau quá trình dài trước đó sống trong môi trường đất chuyển sang môi trường đất ngập nước có thể phát triển bình thường. Sự phát triển này được đánh giá qua bảng tổng hợp các chỉ tiêu phát triển sinh khối.

Giai đoạn chạy thử nghiệm (giai đoạn 2): Mỗi nghiệm thức trong mô hình sẽ được lấy mẫu tại ứng với từng thời gian thích hợp trong ngày của riêng mỗi tải. Kết quả phân tích từ các mẫu được lấy hằng ngày cần được phân tích kịp thời để hỗ trợ cho quá trình giám sát liên tục. Mỗi giai đoạn sẽ ứng với thời gian lưu HRT là 7 ngày. Thời gian thực hiện mỗi giai đoạn trung bình là 14 ngày, trong đó 7 ngày đầu là giai đoạn để cỏ Vetiver trong mô hình ổn định, 7 ngày sau là giai đoạn vận hành mô hình.

Quá trình lấy mẫu được tuân theo các tiêu chuẩn/quy chuẩn hiện hành theo: TCVN 6663-1:2011 (ISO 5667-2:2006), Chất lượng nước – Lấy mẫu – Phần 1: Hướng dẫn kỹ thuật lấy, TCVN 6663-3:2003 (ISO 5667-3:1985) Chất lượng nước – Lấy mẫu – Phần 3: Hướng dẫn bảo quản và xử lý mẫu; và TCVN 6663-6:2008 (ISO 5667-6:2005) Chất lượng nước – Lấy mẫu – Phần 6: hướng dẫn lấy mẫu ở sông và suối. Các phương pháp phân tích các chỉ tiêu như pH đo bằng máy, NH4+ (TCVN 6179-1:1996), Phosphat (PO43-) (TCVN 6202:2008)và COD (TCVN 6491:1999).

Mô hình thí nghiệm

Mô hình ĐNNNT – dòng chảy ngầm theo phương đứng sử dụng vật dụng chứa là các chậu trồng cây, kích thước chậu dài : rộng : cao = 0,66 m : 0,46 m : 0,21 m. Khung đỡ chịu lực được thiết kế từ sắt vuông (3 cm x 3 cm, độ dày vật liệu 1mm) thành 4 tầng, mỗi tầng có độ chênh lệch chiều cao là 20 cm. Mặt bằng mỗi tầng được thiết kế thêm một thanh sắt đỡ để gia tăng tính chịu lực từ chậu cây (ước tính khối lượng trung bình mỗi chậu khi được cung cấp đầy đủ vật liệu, thực vật và nước là 41kg). Mô hình sẽ gồm có ba chậu, được đặt như thiết kế trong hình 2.6, chậu 1 và 2 được thiết kế có vật liệu bên trong, chậu 3 là chậu lưu nước cuối nguồn. Phía dưới các lớp vật liệu được đặt 1 màng lọc mỏng có nhiệm vụ là hạn chế tình trạng rửa trôi của vật liệu bên trong chậu, gây thất thoát cũng như làm tắc nghẽn đường ống dẫn nước.

Hình 2. (A) Cấu tạo mô hình; (B) mô hình 3D 

Mô hình chia ra 3 nghiệm thức như sau: nghiệm thức 1 dùng lớp vật liệu ở mỗi chậu là sỏi có đường kính 20-30 mm, chiều cao lớp vật liệu là 80 mm. Nghiệm thức 2 dùng lớp vật liệu ở mỗi chậu là cát xây dựng có đường kính 0,1 – 0,5 mm, chiều cao lớp vật liệu là 80 mm. Nghiệm thức 3 là kết hợp 2 vật liệu cát và sỏi với tỷ lệ 1:1.

Cỏ sẽ được lựa chọn các tép cỏ cùng hoặc tương đương nhau về kích thước, hình dạng, chiều dài. Mỗi chậu sẽ được trồng với số lượng là 75 tép cỏ, phân bố thành 15 cụm, mỗi cụm có 5 tép cỏ. Mỗi cụm cách nhau 10 cm.

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Chất lượng mẫu nước đầu vào – tính chất nước kênh Văn Thánh

Nước đầu vào của mô được lấy tại điểm quan trắc mực nước rạch Văn Thánh vào thời điểm khi mực triều trong khoảng 1,8 - 2,5 trong ngày. Ứng với các thời điểm này đa phần việc lấy mẫu phân tích sẽ được diễn ra vào mùa khô vì khi đó lượng nước tự nhiên trong lưu vực là phù hợp nhất. Tính chất nước được đo và thể hiện giá trị trung bình như trong bảng sau:

Bảng 1. Chỉ tiêu phân tích chất lượng nước rạch Văn Thánh

ỡng cao nhất trong các thông số. Do vậy, nội dung nghiên cứu sẽ tập trung phân tích đánh giá khả xử lý hai chỉ tiêu trên. Ngoài ra, từ nồng độ BOD5 và COD đo được của nước mẫu suy ra được: BOD5 / COD = 148/161 = 0,92. Nước tại lưu vực là phù hợp để xử lý sinh học.

Đánh giá khả năng thích nghi của cỏ Vetiver đối với nguồn nước kênh Văn Thánh

Trong khoảng 4 - 7 ngày đầu, cỏ có xu hướng chậm phát triển, vàng lá do nước ngập và không sinh trưởng nhiều. Sau tuần đầu tiến quan sát, sinh khối lá bắt đầu phát triển. Giai đoạn này ghi nhận được tỷ lệ sống của cỏ so với số lượng cây trồng ban đầu là từ 95 đến 98%. Từ ngày 7 đến ngày 10, khi được cung cấp nước mới – nước pha loãng 5 lần từ mô hình – cỏ có dấu hiệu chuyển đổi về màu sắc trở nên xanh hơn, các phiến lá từ vàng đã dần chuyển sang xanh tươi hơn. Ngày thứ 10 tiến hành thay nước được lấy trực tiếp từ lưu vực vào mô hình để đánh giá sự thích nghi của cây với môi trường thực tế. Quan sát ngày thứ 15, cỏ có sự thay đổi rõ rệt, phần thân đã cứng cáp hơn, phần lá phát triển thêm cũng dài và nhanh hơn, màu cỏ cũng xanh hơn, có xuất hiện thêm chồi non. Ghi nhận sự phát triển về sinh khối của cỏ đến ngày thứ 35, chiều cao lớn của cỏ đạt được là 0.65m. Quá trình thích nghi cũng ghi nhận được cỏ trong mô hình có vật liệu sỏi phát triển phần lá kém hơn 2 mô hình còn lại, mô hình có vật liệu kết hợp là mô hình có cỏ đạt chiều cao lớn nhất. Tỷ lệ sống của cỏ sau 35 ngày quan sát ở mô hình sỏi, cát, kết hợp cát và sỏi theo thứ tự là 93%, 96%, 93%. Tỷ lệ cây không chết nhưng không phát triển thêm về lá của các mô hình sỏi, cát, kết hợp là 9%, 13% và 6%. Từ sau ngày 15, nghiên cứu thích nghi cho thấy cỏ Vetiver thích nghi tốt với môi trường mới.

Đánh giá hiệu quả xử lý Phốt pho (PO₄^3-)

P-PO₄^3- trung bình đầu vào là 2,67 mg/l, qua quá trình xử lý 1 tuần cho thấy cả ba mô hình ĐNNNT đều có khả năng xử lý nước đầu vào được lấy từ lưu vực rạch Văn Thánh đạt QCVN 08-MT: 2015/BTNMT cột B1. Các nồng độ phân tích sau 7 ngày của các mô hình theo thứ tự như sau: mô hình sỏi 0,1846 ± 0,024 mg/l, mô hình cát 0,1638 ± 0,003 mg/l, mô hình kết hợp 0,1266 ± 0,008 mg/l. Trong đó ghi nhận được vật liệu cát và kết hợp xử lý đạt quy chuẩn (sau 144 giờ) với hiệu suất 89,34 ± 0,15%, nhanh hơn vật liệu sỏi và vật liệu cát (sau 156 giờ) với các hiệu suất lần lượt là 90,03 ± 0,13% và 90,97 ± 0,21%. Đồ thị cũng thể hiện được, trong 12 giờ đầu, cả ba mô hình đều có sự giảm mạnh về nồng độ và độ chênh lệch về hiệu suất không quá lớn. Giai đoạn đầu, lớp vật liệu nền đã thực hiện việc loại bỏ mạnh đối với lượng PO43- có trong nước thải, cỏ Vetiver có tác động tương đối ít do thời gian đầu là khoảng thời gian để các vi sinh vật thích ứng với môi trường. Khi thực vật và các vi sinh vật đã qua giai đoạn (pha) tiềm phát, bắt đầu có khoảng cách hiệu suất khi xét tại cùng một thời điểm. Lúc này, sự giảm về nồng đồ PO43- đến từ tác động của lớp vật liệu nền và cả quá trình chuyển hóa dinh dưỡng trong thực vật. Trong suốt thời gian thí nghiệm, mô hình CW VSFS vật liệu kết hợp luôn thể hiện được khả năng xử lý tốt hơn.

Như vậy, có thể thấy được về hiệu suất xử lý, mô hình có vật liệu kết hợp cát và soi xử lý hiệu quả hơn hai mô hình còn lại.

Đánh giá hiệu quả xử lý Ni tơ ammonia (NH4+)

Nhận xét đầu tiên là ba mô hình ĐNNNT đều thể hiện được khả năng xử lý nước đầu vào được lấy từ lưu vực rạch Văn Thánh đạt QCVN 08-MT:2015/ BTNMT cột B1 (nồng độ NH4+ là 0,9) sau thời gian phân tích là 7 ngày. Các nồng độ phân tích sau 7 ngày của các mô hình theo thứ tự tăng dần như sau: mô hình kết hợp 0,2025 ± 0,0713 mg/l, mô hình cát 0,2569 ± 0,0191 mg/l, mô hình sỏi 0,2910 ± 0,0088 mg/l.

Hình 3. Hiệu quả xử lý PO43- của các nghiệm thức trong mô hình

Trong đó, ghi nhận được hiệu suất cả giai đoạn, mô hình vật liệu kết hợp luôn thể hiện được sự vượt trội hơn, khi so sánh với mô hình vật liệu sỏi – mô hình có hiệu suất kém nhất – có thời điểm ghi nhận khoảng chênh lệnh lên đến 7,89%. Như vậy, mô hình có vật liệu kết hợp cát và soi có hiệu quả xử lý NH4+ tối ưu hơn hai mô hình còn lại.

Hình 4. Khả năng xử lý COD của cỏ Vetiver

Hình 5. Hiệu quả xử lý NH4+ của các mô hình trong chế độ 1

Khả năng xử lý COD của mô hình

Kết quả xử lý COD cho thấy, từ những ngày đầu, cả ba nghiệm thức đều xử lý hiệu quả ổn định, tuy nhiên mô hình sỏi yếu hơn những mô hình khác, chỉ có 5.91% trong khi hiệu suất mô hình Cát là 15.93% và mô hình Kết hợp là 20.08%. Trong ba ngày sau đó, các mô hình tăng thêm lần lượt là 30.84%, 36.26% và 26.66%. Trong những ngày cuối, mô hình vật liệu kết hợp đã đạt 74.02%, hai mô hình sỏi và cát hiệu suất xử lý là 71.90% và 71.99%.

Với nồng độ đầu vào bằng nhau và bằng 177.9 mg/l, vào cuối chu kì xử lý, ta có thể thấy mô hình Kết hợp có hiệu suất xử lý COD cao nhất, bằng 74.02%. Tiếp theo đó là mô hình Cát và Sỏi với hiệu suất lần lượt là 71.99% và 71.90%. Vào cuối giai đoạn, nồng độ COD ở cả ba mô hình đều đạt QCVN 08:2015/BTNMT là 50 mg/l. Như vậy, có thể thấy được mô hình có vật liệu kết hợp cát và sỏi xử lý hiệu quả hơn các mô hình còn lại với chế độ 1.

KẾT LUẬN

Mô hình xử lý bằng cỏ Vetiver kết hợp các vật liệu lọc như sỏi, cát đã thể hiện được khả năng thích nghi cao với điều môi trường thay đổi từ môi trường đất khô sang môi trường đất ngập nước. Với nồng độ chất ô nhiễm trong nước rạch Văn Thánh, cỏ Vetiver vẫn duy trì sự hấp thu dinh dưỡng cho việc sinh trưởng, phát triển mạnh và nước đầu ra đều đáp ứng xử lý đạt QCVN 08-MT: 2015/BTNMT cột B1. Với thiết kế dòng chảy ngầm theo phương đứng, kết hợp với điều kiện tuần hoàn nước để tạo môi trường xử lý tốt lượng nước đầu vào, mô hình có hiệu quả xử lý phốt pho và ni tơ cao, trong đó trung bình NH4+ có hiệu suất đạt trên 96%, PO43- đạt trên 94% và COD trên 80%. Kết quả nghiên cứu là giai đoạn đánh giá ban đầu cho quá trình có thể áp ứng dụng hệ thống CW CSFS sử dụng cỏ Vetiver cho nhu cầu xử lý nước mặt, khôi phục khả năng làm sạch tự nhiên và khôi phục mảng xanh tại các lưu vực kênh, rạch vừa và nhỏ với chi phí đầu tư, vận hành tương đối thấp.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Dũng, L. V., & Vân, T. T. B. (2016). Cỏ vetiver (chrysopogon zizanioides) và các ứng dụng ở Việt Nam. Cần Thơ: Đại học Cần Thơ.

2. Lộc, N. T., Thu, V. T. C., Linh, N. T., Thịnh, Đ. C., Hằng, P. T., & Ngân, N. V. C. (2015). Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải sinh hoạt của một số loại thủy sinh thực vật. Tạp chí khoa học Đại học Cần Thơ, số chuyên đề Môi trường và Biến đổi khí hậu, p119-128.

3. Phong, N. T., Chiếm, N. H., & Dũng, L. V. (2006). Khảo sat sự thay đổi nồng độ NH4+, PO43- và BOD trong nước thải chăn nuôi heo có trồng thủy canh cỏ Vetiver (Vetiver zizaniodes L.) và lục bình (Eichhornia crassipes). Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Trường Đại học Cần Thơ, 6, 126-134.

4. Phương, T. V., & Phong, N. T. (2011). Ứng dụng công nghê xử lý nước thải sinh hoạt bằng phương pháp đất ngập nước nhân tạo - dòng chảy ngầm theo phương đứng. Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM, Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM. (60 85 06)

5. Trí, N. M., & Lan, N. T. N. (2005). Khả năng loại trừ các chất dinh dưỡng (N, P) trong nước Hồ Tịnh Tâm - Huế bằng cỏ Vetiver. Tạp chí Khoa học Đại học Huế: Khoa học Tự nhiên, 29, 73-79.

TRẦN THÀNH, HỒ HỮU LỘC, ĐỖ THỊ THAO, LÊ ĐỨC ANH, LÊ THỊ HỒNG DIỆP,

NGUYỄN THỊ NGỌC HỒNG NHUNG, VÕ NGỌC GIA BẢO, LƯƠNG QUANG TƯỞNG

Trường Đại học Nguyễn Tất Thành

TRẦN HOÀNG ÂN, LÂM VĂN GIANG

Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh