Thử nghiệm xử lý nước kênh Văn Thánh bằng mô hình kết hợp cỏ Vetiver cùng giá thể sỏi - cát trong điều kiện tĩnh

Bên cạnh các công nghệ xử lý nước thải truyền thống phương pháp xử lý sinh học bằng thực vật là một trong những hướng xử lý bền vững, ít tốn năng lượng. Với mục tiêu xử lý nước kênh rạch Văn Thánh vốn có thành phần chính là nước sinh hoạt của đô thị, đề tài sẽ khảo sát, đánh giá thích nghi, sinh trưởng của cỏ Vetiver. Đồng thời đánh giá hiệu quả xử lý và loại bỏ thành phần ô nhiễm COD, P-PO43- , N-NH4+ bằng mô hình đất ngập nước loại vật liệu là sỏi chạy song song cùng với mô hình thủy canh nhằm đánh giá khả năng xử lý của cỏ khi có giá thể bám vào và không có giá thể trong điều kiện tĩnh với thời gian lưu 7 ngày. Kết quả nghiên cứu ban đầu cho thấy, cỏ vetiver có khả năng sinh trưởng tốt trong môi trường nước kênh rạch, đồng thời kiểm soát tốt chất lượng nước thông qua một số chỉ tiêu như COD, P-PO43- , N-NH4+đạt quy chuẩn QCVN 08:2015/BTNMT.

GIỚI THIỆU

Thành phố Hồ Chí Minh vốn có nhiều kênh rạch, sông ngòi nhưng không nhận được sự quan tâm bảo vệ đúng mức nên các kênh rạch, sông ngòi này ngày càng ô nhiễm nghiêm trọng gây mất vẻ mỹ quan và làm tổn thất rất lớn về TNN và ảnh hưởng đến sức khỏe của người dân. Tuyến đường cầu Văn Thánh - Điện Biên Phủ đi qua rạch Văn Thánh là tuyến đường chủ chốt và trên đà phát triển mạnh của khu vực quận Bình Thạnh. Rạch Văn Thánh nằm trong hệ thống kênh Nhiêu Lộc - Thị Nghè, là một trong những con rạch hiện đang ô nhiễm nặng nề và đang dần mất đi khả năng tự làm sạch. Đã có một số dự án nhằm cải tạo rạch Văn Thánh nhưng vẫn chưa giải quyết được vấn đề. Do đó, cần có một giải pháp dài lâu nhằm hỗ trợ giúp loại bỏ bớt thành phần ô nhiễm trong nước con rạch, đưa con rạch về trạng thái bình thường. 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.

Một trong những công nghệ được phát triển và ứng dụng rộng rãi suốt thời gian qua là Vetiver grass technology (VGT), dựa trên ứng dụng của cỏ vetiver (Vetiveria zizanioides), được phát triển đầu tiên bởi Ngân hàng Thế giới về bảo tồn đất và nước ở Ấn Độ vào những năm 1980. Trong nhiều năm qua, nghiên cứu đáng kể và nhiều dự án đã chứng minh sự thành công của việc sử dụng cỏ Vetiver để xử lý các dạng nước thải khác nhau bao gồm nước rỉ rác bãi rác, nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp. Vì vậy, nghiên cứu được thực hiện nhằm đánh giá khả năng thích ứng và xử lý ô nhiễm của cỏ Vetiver trong những vật liệu khác nhau với nước thải kênh rạch, làm cơ sở để tiếp tục nghiên cứu và phát triển thêm một hệ xử lý sinh học bằng loài cỏ này nhằm hỗ trợ cho khu vực cầu Văn Thánh – Điện Biên Phủ, đồng thời góp phần vào tham gia nghiên cứu và tiến hành ứng dụng thực tiễn các biện pháp xử lý nước thải bằng biện pháp sinh học.

VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Thiết kế thí nghiệm

Hình 1. Tiến trình tổng quát thực hiện nghiên cứu

Hình 2. Phân bố lớp vật liệu trong mô hình thủy canh và sỏi

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

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 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.

Mô hình thí nghiệm

Thực vật xử lý ở đây là cỏ Vetiver (Vetiver zizanioides) đã trưởng thành được trồng trực tiếp lên lớp vật liệu. 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 10cm. Trong giai đoạn thích nghi, cỏ sẽ được quan sát trong thời gian 7 ngày để đánh giá sinh khối, tình trạng sinh trưởng. Khi thay đổi sang các giai đoạn khác, duy trì vận hành 7 ngày để thích nghi mới bắt đầu chạy mô hình phân tích.

Hệ thống gồm 1 mô hình cỏ được trồng trên nền sỏi và 1 mô hình thủy canh, được đặt ngoài trời bên cạnh nguồn lấy nước, có bạt che phía trên. Mỗi mô hình sỏi, thủy canh được lặp 3 lần.

- Mô hình sỏi: Thùng xử lý theo phương pháp đất ngập nước có kích thước 650 x 420 x 160 bằng nhựa (cm). Xử lý nước thải bằng cỏ Vetiver trên nền sỏi. Sỏi có đường kính 20-30 mm, chiều cao lớp vật liệu là 80 mm.

- Mô hình thủy canh: Thùng xử lý theo phương pháp bể xử lý có kích thước 650 x 420 x 160 bằng nhựa (cm). Nước đầu vào được đổ trực tiếp vào chậu sau khi được bơm lên từ rạch. Cỏ Vetiver được cố định trên bè đỡ bằng mút. Có van cố định dưới đáy chậu.

Thí nghiệm được bố trí thành 4 thùng (1 thùng đối chứng và 3 thùng nước thải):

- Mẫu nước thải: Lần lượt châm 12 L nước thải đã được pha loãng vào mỗi thùng. Tỷ lệ pha loãng là 1 nước thải: 3 nước sạch, nồng độ được chọn nhằm tạo điều kiện có đủ dinh dinh dưỡng để cây phát triển, không quá cao dẫn đến cây bị sốc môi trường mới khi chuyển từ môi trường đất sang môi trường thủy canh.

- Mẫu đối chứng: Châm 12l nước sạch pha thêm 300 ml dung dịch thủy canh.

Dòng nước thải không được tuần hoàn mà sẽ được lưu theo nguyên lý mẻ nhằm đánh giá thời gian lưu thích hợp để mô hình xử lý tốt nước thải. Mỗi chậu gồm 15 cụm cỏ Vetiver, mỗi cụm có 5 cây trong giai đoạn 1 và giai đoạn 2. Cỏ được trồng ngập nước trên lớp vật liệu. Hệ thống được đặt tại khu vực bên hông rạch Văn Thánh, trên nền xi măng phía dưới cầu Văn Thánh đường Điện Biên Phủ quận Bình Thạnh. Khu vực này vắng người qua lại và mô hình có thể tiếp xúc trực tiếp, đầy đủ với ánh nắng mặt trời, gió, mưa và nhiệt độ của môi trường tự nhiên. Vì vậy đặc điểm khí hậu ở đây cũng được xem là đặc điểm chung của con rạch.

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).

Bảng 2. Điều kiện chạy thí nghiệm xử lý của mô hình cỏ Vetiver

Bảng 3. Sinh trưởng của cỏ Vetier giai đoạn thích nghi

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

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

Trước tiên, ta tiến hành trồng thủy canh cỏ Vetiver để đánh giá liệu cỏ Vetiver có khả năng thích ứng với môi trường nước rạch Văn Thánh hay không và chúng có thể chịu được sự thay đổi khi chuyển từ môi trường đất trồng sang môi trường ngập nước hay không. Sau 7 ngày thích nghi khi được trồng trong môi trường thủy canh tĩnh sử dụng nước rạch Văn Thánh (với nước thải đã được pha loãng 3 lần), tỉ lệ sống của các cây cỏ Vetiver ở ba mẫu thí nghiệm đều đạt tỉ lệ cao (trên 90%), tỉ lệ này ở mẫu đối chứng là 80 %. Chiều dài thân lá của cỏ Vetiver có sự phát triển tốt, luôn cao hơn so với nghiệm thức đối chứng từ 2 – 3 cm. Chiều cao trung bình của cỏ tăng thêm ở mẫu ở nghiệm thức nước thải là 30,59 ± 0,82 cm và đối chứng là 28,75 cm. Sự khác biệt này tuy không quá lớn nhưng cũng chứng minh được sự thích nghi và phát triển của cỏ Vetiver trong điều kiện mới.    

Hình 3. Cỏ Vetiver quan sát ở ngày thứ 7

Sau 7 ngày, phần rễ trắng mới phát triển thêm này đã đạt kích thước lần lượt 5,24 cm, 5,07 cm và 5,33 cm ở ba mẫu thí nghiệm, cao hơn so với mẫu đối chứng chỉ đạt 4,67 cm. Khối lượng cỏ Vetiver ở mẫu đối chứng và nghiệm thức nước thải thức đều có sự tăng trưởng tốt. Ở nghiệm thức nước thải, khối lượng cỏ (5 cây/cụm) tăng trung bình từ 50, 41 g lên 61, 82 g (tăng 1, 23 lần). Ở mẫu đối chứng, khối lượng cỏ tăng từ 50, 14 g lên 54, 19 g (tăng 1,08 lần). Như vậy, có thể nhận thấy, sau các khoảng thời gian 7 ngày thì cỏ Vetiver ở mô hình tĩnh có sự phát triển tốt về chiều dài thân lá, độ dài rễ mới, đặc biệt là sự gia tăng các chồi non và khối lượng cây.

Đánh giá hiệu quả xử lý các chất dinh dưỡng Phốt pho (PO43-) và ammonia (NH4+)

Đối với chỉ tiêu N-NH4+, đối với nồng độ N-NH4+ có trong nước thải đầu vào là 6,63 mg/l, sau 15 ngày, hiệu suất xử lý của cả hai mô hình đều đạt chuẩn QCVN 08-MT/2015/BTNMT (cột B1, 0,9 mg/l). Mô hình sỏi có hiệu suất xử lý tương đối ổn định, hiệu suất đạt 41, 6 % (3.9 ± 0,98 mg/l) sau 7 ngày và 96,8 % (0,28 ± 0,07 mg/l) sau 15 ngày. Mô hình thủy canh có hiệu suất xử lý tốt hơn, đạt 43, 7% ( 3,73 ± 0,44 mg/l) sau 07 ngày và 96,8% (0,21 ± 0,005 mg/l) sau 15 ngày. Nồng độ có sự ổn định trong suốt giai đoạn đầu do không bị ảnh hưởng bởi lớp vật liệu nhưng lại có sự biến động nhẹ vào các ngày cuối, nguyên nhân có thể do số cây chết trong mô hình làm ảnh hưởng đến nồng độ.

Hình 4. Khả năng xử lý (A) N-NH4+ và (B) P-PO43- của cỏ Vetiver ở hai mô hình sỏi và thủy canh

Đối với chỉ tiêu P-PO43-, nồng độ P-PO43- có trong nước thải đầu vào là 2,67 mg/l, sau 15 ngày, hiệu suất xử lý của cả hai nghiệm thức đều đạt chuẩn QCVN 08-MT/2015/BTNMT (cột B1, 0,3 mg/l). Giai đoạn đầu (ngày 1 đến ngày 4), nồng độ cả hai mô hình đều có xu hướng suy giảm nhanh chóng, có thể do được đưa vào môi trường nhiều dinh dưỡng, cỏ Vetiver hấp thụ mạnh mẽ. Giai đoạn sau (ngày 5 – ngày 15), hiệu suất xử lý giảm chậm.

Mô hình sỏi có hiệu suất xử lý khá tốt, hiệu suất đạt 30,4 %(1,86 ± 0,039 mg/l) chỉ sau một ngày, bắt đầu ngày thứ hai đến ngày thứ tư, khả năng xử lý có xu hướng giảm nhưng vẫn đạt mức cao (trung bình 15 % mỗi ngày). Mô hình thủy canh cũng có hiệu suất tốt nhưng không ổn định, đạt 47, 1 % ( 1, 4 ± 0,008 mg/l) chỉ sau một ngày và đạt 94,8% (0,14 ± 0,064 mg/l) sau 15 ngày. Nồng độ có sự ổn định trong suốt giai đoạn đầu do nhưng lại có sự biến động nhẹ vào giai đoạn gần cuối (ngày 8 – ngày 12).

Khả năng xử lý COD của mô hình

Kết quả cho thấy sự thay đổi rõ rệt nồng độ COD trong tuần đầu tiên. Cụ thể, với nồng độ COD có trong nước thải đầu vào là 177,9 mg/l sau 7 ngày nồng độ giảm lần lượt ở hai mô hình là 61,5 ± 6,98 mg/l (sỏi, đạt 65,4%), 63,8 ± 3,36 mg/l (thủy canh, đạt 66%), hiệu suất xử lý gần tương đồng với giai đoạn thích nghi. Sau 15 ngày, hiệu suất xử lý của cả hai mô hình khá tốt, đạt chỉ tiêu COD của QCVN 08-MT/2015/BTNMT (30mg/l), lần lượt là 12,3 ± 2,72 mg/l (sỏi, 93,1 %), và 13,6 ± 3,18 mg/l (thủy canh, đạt 92,4 %).

Nhìn chung, khi so sánh hiệu suất xử lý của mô hình với một số nghiên cứu tương đồng cho thấy, ở thời điểm thời gian lưu 3 ngày, so sánh với mô hình sỏi và thủy canh của nghiên cứu hiệu suất tương ứng của COD, N-NH4+ và P-PO43- chỉ đạt 40%, 14,6% và 75,5% so với nghiên cứu của Nguyễn Văn Trường và cộng sự (2012) đạt 50-62%, 53,54% và 83,95%. Tuy nhiên ở thời điểm sau 14 ngày, cứu hiệu suất tương ứng của COD, N-NH4+ và P-PO43- đạt 93%, 91,2% và 93,5% vượt hơn so với nghiên cứu cùng thời điểm của Nguyễn Văn Trường và cộng sự (2012).

KẾT LUẬN

Theo kết quả thí nghiệm ở giai đoạn 1, cỏ Vetiver sau khi trồng thủy canh tĩnh trong môi trường nước rạch Văn Thánh cho thấy khả năng thích nghi tốt với tỉ lệ sống luôn duy trì trên mức 80% sau bảy ngày thí nghiệm. Sau 15 ngày thí nghiệm ở giai đoạn 2, hiệu suất xử lý của hai mô hình ở tất cả chỉ tiêu đều đạt hơn 90%, với hiệu suất xử lý COD mô hình sỏi sau 15 ngày đạt 93,1 %, đối với mô hình thủy canh sau 15 ngày đạt 92, 4%. Hiệu suất xử lý N-NH4+ ở mô hình sỏi sau 15 ngày đạt 96,8 %, mô hình thủy canh sau 15 ngày đạt 96, 8%. Hiệu suất xử lý P-PO43- ở mô hình sỏi sau 15 ngày đạt 95, 5 %, mô hình thủy canh sau 15 ngày đạt 94, 8%. Như vậy tất cả các mẫu nước đạt chuẩn QCVN 08:2015 cột B1 sau thời gian lưu nước là 15 ngày thử nghiệm. Nghiên cứu cho thấy áp dụng cỏ Vetiver là phù hợp với xử lý nước kênh rạch, khi áp dụng mô hình vào thực tế cần xem xét thêm các yếu tố ngoại cảnh, và phân bố lựa chọn mật độ cỏ hợp lý.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Nguyễn Văn Trường, Lê Văn Bình, Cao Xuân Phong, Nguyễn Thị Thanh Hằng, Phan Thị Hà Nhi (2012). Nghiên cứu khả năng sử dụng cỏ Vetiver để kiểm soát chất lượng môi trường nước nuôi tôm tại xã Tam Giang, huyện Núi Thành, tỉnh Quảng Nam. Khoa Sinh-Môi trường, Trường ĐHSP, Đại học Đà Nẵng.

Paul N.V. Truong. The global impact of vetiver grass technology on the environment. Australia

Truong, P.N. and Baker, D. (1998). Vetiver Grass System for Environmental Protection. Technical Bulletin No. 1998/1, Pacific Rim Vetiver Network, Office of the Royal Development Projects Board, Bangkok, Thailand.

Trần Thị Lam Khoa et al. (2013). Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải từ ao nuôi cá tra thâm canh bằng các loại thực vật thượng đẳng thủy sinh sống trôi nổi. Khoa Thủy sản, Đại học Cần Thơ.

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

PHAN THỊ DIỄM THÚY, LÂM VĂN GIANG

Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh