Xử lý ô nhiễm nước kênh rạch đô thị bằng đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngang và cây thiên điểu

Tóm tắt

Nghiên cứu thực hiện nhằm đánh giá khả năng xử lý bổ trợ một số thành phần ô nhiễm hữu cơ, ô nhiễm dinh dưỡng và kim loại nặng có trong nguồn nước kênh- rạch trong đô thị bằng mô hình đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngang, với thực vật trồng trong mô hình là cây Thiên Điểu. Nghiên cứu được tiến hành trên 02 mô hình – một mô hình bao gồm cát, sỏi và kết hợp trồng cây Thiên điểu và mô hình còn lại chỉ có cát và sỏi xây dựng.

Cả hai mô hình được vận hành song song nhau trong suốt 08 tải trọng hữu cơ khác nhau từ  100-300 kgCOD/ha.ngày. Đồng thời các chỉ tiêu ô nhiễm được đánh giá bao gồm: pH, DO, TSS, COD, BOD₅, Amonia, tổng Nitơ, tổng Phospho và kim loại nặng như Sắt, Mangan và Kẽm. Kết quả được so sánh với cột B2 của QCVN 08-MT:2015/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về chất lượng nước mặt. Hiệu suất loại bỏ các chất ô nhiễm của mô hình trồng cây luôn cao hơn hiệu suất của mô hình không trồng cây chứng tỏ cây Thiên Điểu có vai trò lớn trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm. Tải trọng tối ưu của mô hình là 250 kgCOD/ha.ngày.

Tại tải trọng này, các giá trị đầu ra gồm pH: 7,62; DO: 6,93mg/L; TSS: 14,00 mg/L_đạt hiệu suất 81,33%; L; COD: 28,00 mg/L_đạt hiệu suất 74,07%, BOD₅: 4,88 mg/L_đạt hiệu suất 91,13%; N_ NH₄+: 11,27 mg/L_đạt hiệu suất 58,69%; PO₄^3- – P: 0,49 mg/L_đạt hiệu suất 80,78%; TP: 0,53 mg/L_đạt hiệu suất 79,54%, Fe: 1,05 mg/L_đạt hiệu suất 65,12%; Mangan: 0,81 mg/L_đạt hiệu suất 33,06%, Kẽm: 0,33 mg/L_đạt hiệu suất 84,65%.

Từ khóa: Đất ngập nước, cây Thiên Điểu, rạch Ông Búp.

1. Đặt vấn đề

Thành phố Hồ Chí Minh có khoảng 900 km kênh rạch đóng vai trò quan trọng trong việc thoát nước trên địa bàn thành phố. Trong đó, trên địa bàn quận Bình Tân có tổng cộng 48 tuyến kênh rạch hở. Theo chủ trương và quy hoạch thì các tuyến kênh sẽ được cải tạo phục vụ thoát nước, BVMT, ngoài ra còn kết hợp hạ tầng giao thông và hạ tầng cây xanh xanh cảnh quang dạng tuyến hành lang ven hai bên bờ kênh rạch, với chiều dài kênh rạch như trên thì lượng mảng xanh theo tuyến hai bên kênh sẽ hình thành trong tương lai 1000-1500 km, đây là một dạng công trình có giá trị và ý nghĩa đa mục tiêu đối với sự phát triển KT-XH của thành phố, nhưng cũng tạo một áp lực lớn về lượng nước tưới cho cây xanh, mảng xanh đô thị.

Đặc điểm của thoát nước thành phố là mạng lưới thoát nước chung, gần 60% lượng nước thải chưa xử lý được thải trực tiếp vào các kênh rạch nội ô. Ngoài ra, nguồn nước mặt kênh rạch phải tiếp nhận lượng ô nhiễm do nước thải chưa được xử lý từ các hoạt động sản xuất tiểu thủ công nghiệp, rác xả của các hộ ven sông, dịch vụ nhà hàng, khách sạn, giao thông thủy kể cả việc vận chuyển chất thải đổ trái phép xuống kênh là nguyên nhân gây ra các ô nhiễm trong nguồn nước, ảnh hưởng tài nguyên nước và hệ sinh thái khu vực.

Hiện nay có rất nhiều công trình nghiên cứu về xử lý nước thải được tiếp tục nghiên cứu và áp dụng trên thế giới và Việt Nam, đặc biệt là xử lý nước thải bằng thực vật đất ngập nước là một trong những phương pháp được nghiên cứu và áp dụng mạnh mẻ vùng bán đô thị, vùng nông thôn, vùng xử lý nước thải phân tán..Các nghiên cứu trên bước đầu đã cho thấy những loại thực vật có khả năng xử lý chất hữu cơ, chất dinh dưỡng, một số kim loại trong nước khá cao và tăng sinh khối rất nhanh. Trong các loài thực vật kể trên thì phải kể đến loài cây Thiên Điểu với tên khoa học là Strelitzia reginae, còn được gọi là hoa Chim Thiên đường hay Huệ chuối có nguồn gốc xuất xứ ở Nam Châu Phi và vùng Châu Mỹ nhiệt đới. Đây là loại cây dễ trồng, có khả năng thích nghi cao với môi trường sống khô và ngập nước, tăng sinh khối rất nhanh về cây con, thân, lá và hoa đẹp, có giá trị kinh tế. Việc Nghiên cứu khả năng xử lý chất ô nhiễm trong nguồn nước kênh rạch trong nội ô bằng mô hình đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngang kết hợp mô hình trồng cây Thiên Điểu là cần thiết trong phát triển đa dạng mô hình xử lý nước thải thân thiện môi trường, góp phần vào việc hạn chế ô nhiễm, tạo cảnh quan xanh sạch đẹp, giảm lượng nước sạch dùng tưới cây xanh, tạo ra thêm lượng nước sạch tưới cây xanh xung quanh khu vực và bảo vệ môi trường nước hướng đến sự phát triển bền vững là một sự cần thiết cần nghiên cứu để áp dụng.

2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

– Mô hình vận: Dạng pilot phòng thí nghiệm, công nghệ xử lý dạng đất ngập nước dòng chảy ngang.

– Thực vật phát triển trong mô hình: Cây Thiên Điểu được trồng đều trên bề mặt với mật độ giao động từ giai đoạn trồng thích nghi ban đầu 36cây/0,36m² (tổng diện tích bề mặt mô hình), giai đoạn thích nghi là 52 cây/0,36m²,đến giai đoạn vận hành ở tải hữu cơ cao nhất là 105cây/0,36m².

– Về nguồn nước thử nghiệm: Nước mặt rạch Ông Búp, khu vực phường Tân Tạo, Quận Bình Tân, Thành Phố Hồ Chí Minh. Nước sau khi tách rác, không qua công đoạn xử lý nào khác, sẽ được nạp thẳng vào mô hình nghiên cứu theo từng tải lượng khác nhau, giai đoạn nghiên cứu tháng 12/2022 đến tháng 6/2023.

– Giám sát thông số theo nhóm ô nhiễm chất rắn, ô nhiễm dinh dưỡng, ô nhiễm hữu cơ bao gồm: pH, TSS, DO, COD, BOD₅, tổng Nitơ, tổng Phospho, các kim loại nặng như sắt, mangan và kẽm và đối sánh theo QCVN 08-MT:2015/BTNMT. Giai đoạn nghiên cứu thì QCVN 08-MT:2023/BTNMT chưa có hiệu lực áp dụng. Mặt khác, các thông số giám sát trong QCVN 08-MT:2015/BTNMT có giá trị nghiêm ngặt hơn QCVN 08-MT:2023/BTNMT nên kết quả nghiên cứu không bị ảnh hưởng hay tác động nhiều.

3. Mô hình nghiên cứu và quy trình nghiên cứu

+ Giai đoạn vận hành thích nghi: Mô hình sau khi chế tạo hoàn thiện có diện tích 0,36m². Tiến hành trồng 36 cây Thiên Điểu (mật độ dự tính 100 cây/m²), bơm nước sạch sinh hoạt tưới hằng ngày trong 10 ngày giám sát sự sống qua màu sắc của lá, tiếp theo bơm có kiểm soát lượng nước thu từ rạch ông Búp với tải trọng 80 kgCOD/ha.ngày vào và theo dõi nẩy mầm và phân tích đầu ra nước thải đến giá trị ổn định, kiểm đếm số cây phát triển thêm với tổng số 52 cây.

+ Giai đoạn vận hành theo từng tải trọng COD: Lấy nguồn nước từ rạch về, loại rác tinh, phân tích COD và tính toán lưu lượng, chỉnh máy bơm nạp vào mô hình theo  các tải trọng sau: 90, 100, 110, 130, 150, 200, 250, 300 kgCOD/ha.ngày. Chu kỳ 2 lần/tuần giám sát chất lượng nước đầu ra sau mô hình đánh giá hiệu quả xử lý.

Giá trị phân tích trong bảng 1 cho thấy: Ngoài giá trị pH ra thì các thông số còn lại đều vượt giá trị trong quy chuẩn đánh giá chất lượng nguồn nước mặt. Mức độ xử lý cần thiết đối với các thông số đều trong khoảng 50 – 85%. Điều này cho thấy quá trình xử lý bằng công nghệ sinh học là phù hơp với loại hình nguồn nước.

Thực tế, dọc theo rạch ông Búp có đến 05 chợ truyền thống thải nước vào và lòng rạch rất nhiều rác, dòng chảy thường tắt nghẽn nên cặn bả phân hũy, khả năng tạo ra nhiều dạng ô nhiễm Nitơ trong nguồn nước.

Do quá trình thực nghiệm kéo dài từ mùa nắng sang đầu mùa mưa và rạch ông Búp chịu tác động của thủy triều từ kênh Tham Lương – Bến Cát nên các thành phần trong mẫu nước phân tích có những giá trị khác nhau, tiêu biểu chính là BOD và COD.

Một số hình ảnh giai đoạn chuẩn bị và giai đoạn theo dõi sự phát triển của cây Thiên Điểu trồng trong mô hình thực nghiệm

4. Nhận xét và đánh giá kết quả vận hành mô hình

Mô hình được vận hành với dãy tải trọng COD tăng dần lần lượt là 90, 100, 110, 130, 150, 200, 250, 300 kgCOD/ha.ngày. Qua kết quả giám sát vận hành đến tải trọng 300 kgCOD/ha.ngày thì nồng độ đầu ra một số chỉ tiêu kim loại đã vượt ngưỡng so với QCVN 08-MT:2015/BTNMT, trong đó đặc biệt là thông số Amoni (N_ NH₄+) không đạt trong suốt các tải trọng vận hành mô tả như trong hình 7, bảng 3.

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm hiệu quả xử lý của thông số COD, BOD, TSS được trình bày trong hình 8,9, 11. Hình 10 cho thấy, tải trọng 300 kg COD/ha.ngày là giá trị nồng độ Mn vượt quy chuẩn.

Hiệu quả xử lý xét chung cho toàn bộ thông số giám sát được tính và đánh giá theo % cao nhất của mô hình tại tải trọng vận hành (248,07± 7,01) được làm tròn 250 kgCOD/ha.ngày (hình 12). Riêng thông số Amoni (N_ NH₄+) chỉ đạt hiệu suất 58,69%, chưa đáp ứng so với quy chuẩn (hình 13 và hình 12) và tổng N chỉ đạt suất khoảng 54% (hình 8).

Đánh giá

1. Mô hình có trồng cây Thiên Điểu với hiệu suất xử lý các thông số cần giám sát cao hơn mô hình không trồng cây. Điều này chứng tỏ sự thích nghi, phát triển và sinh trưởng của cây Thiên Điểu có tham gia vào xử lý chất ô nhiễm trong nguồn nước rạch Ông Búp. Xử lý thông qua hai quá trình: Xử lý cơ học với lớp vật liệu lọc cát, sỏi trong hai mô hình và quá trình xử lý sinh học trong điều kiện tự nhiên thông qua sự hấp thụ qua rễ cây Thiên Điểu và sự tham gia phân hủy của hệ sinh thái động thực vật có trong đất và trong nước của mô hình.

2. Mô hình không trồng cây, sau một thời gian lọc cơ học qua cát và sỏi, khe rỗng giữa các hạt vật liệu giảm dần do cặn dính bám lên vật liệu. Đối với mô hình trồng cây Thiên Điểu, hệ rễ của cây làm cho vật liệu cát sỏi xốp rỗng hơn, khe lọc có kích thước to hơn nên hiệu quả lọc TSS của mô hình trồng cây hiệu quả khử TSS thấp hơn so với mô hình không trồng cây.

3. Cả 2 mô hình xử lý thông số Amoni N-NH₄+ và TN chưa đạt yêu cầu của QCVN 08-MT:2015/BTNMT.

4. Đối với mô hình trồng cây Thiên Điểu, trong mô hình không có giai đoạn hiếu khí cung cấp oxy chuyển hóa ion Amoni sang dạng ion Nitrate nêu hiệu quả khử Amoni không triệt để.

5. Lượng sinh khối tạo ra nhiều trong 0.36m²: Thông qua số lượng cây ban đầu từ 36 cây tăng lên 52 cây giai đoạn thích nghi và 105 cây giai đoạn tải tối ưu. Hình thái cây to cao, lượng lá và bông nở nhiều hơn.

5. Kết luận và đề xuất

1. Tải trọng xử lý phù hợp với mô hình là 250 kgCOD/ha.ngày. Các thông số ô nhiễm hữu cơ thông qua BOD₅, COD, thông số ô nhiễm chất rắn thông qua TSS và kim loại Sắt, Mangan, Kẽm được xử lý đáp ứng với quy chuẩn giám sát chất lượng nước mặt. Đây được xem giải pháp bổ trợ tại chổ nhằm cải thiện chất lượng nước mặt kênh rạch.

2. Mô hình khi triển khai thực tế: Dễ dàng đầu tư, dễ vận hành, không phát sinh ra ô nhiễm thứ cấp, tạo ra được sản phẩm có ích cho môi trường đô thị: Tạo mảng xanh với cảnh quan xanh sạch đẹp, tạo đa dạng sinh học, tạo sinh khối cây xanh, không phát sinh khí nhà kính.

3. Có thể ứng dụng nguồn năng lượng mặt trời cho việc cung cấp nguồn điện cho bơm nâng chuyển nước từ kênh rạch lên các mô hình xử lý được bố trí dọc ven hai bên kênh rạch hoặc cung cấp năng lượng cho thiết bị cung cấp không khí sục vào nước.

4. Nghiên cứu tuần hoàn nước thải sau mô hình hoặc nghiên cứu cung cấp không khí để tăng cường oxy thực hiện quá trình oxy hóa Nitơ Amonia giúp tăng hiệu quả khử Ni tơ hữu cơ có trong nguồn nước.

Ths Nguyễn Ngọc Thiệp
Trường Đại học Tài Nguyên và Môi Trường TP.Hồ Chí Minh
Ths Trần Thị Thu Hiền
Hội Nước và Môi Trường  TP.Hồ Chí Minh

Tài liệu tham khảo

1. TS Lê Anh Tuấn, ThS Lê Hoàng Việt, GS-TS Guido Wyseure, Đất ngập nước kiến tạo , Nhà xuất bản nông nghiệp, 2009.

2. TS.Lê Hoàng Nghiêm, Thiết kế, vận hành và bảo trì công trình đất ngập nước kiến tạo dòng chảy ngầm theo phương ngang xử lý nước thải.

3. ThS. Nguyễn Ngọc Thiệp, ThS. Đàm Thị Minh Tâm, Ks Bùi Thị Trúc Phương, Xử lý nước thải trạm trung chuyển rác bằng mô hình đất ngập nước kiến tạo dòng chảy đứng kiểu ngập và không ngập – thực nghiệm với cây thuỷ trúc, Tạp chí điện tử Môi Trường và Đô Thị ngày 16/5/2021.

4. Trương Hoàng Đan, Trương Thị Nga, Nguyễn Công Thuận, Nguyễn Xuân Lộc. Xử lý nước thải trong nuôi trồng thủy sản bằng đất ngập nước và thủy sinh thực vật, tạp chí khoa học đất, số 31/2009, 2009, pp.78 – 82.

5. Vũ Mạnh, Trần Văn Trưởng, Nguyễn Bảo Ngọc. Nghiên cứu đề xuất xử lý kim loại nặng (Pb, Cd) trong bùn thải kim loại bằng thực vật. Tạp chí khoa học và công nghệ nhiệt đới, số 5, 12-2013).

6. Gilbert Kabelo Gaboutloeloe & Shulin Chen & Michael E. Barber & Claudio O. Stockle. Combinations of Horizontal and Vertical Flow Constructed Wetlands to Improve Nitrogen Removal, 2009, Water Air Soil Pollut: Focus 9:279–286.

7. Kadlec and Kanight. Constructed wetland for Municipal Wastewater Treatment, 1996

8. Zurita, F., De Anda, J., Belmont, M. Pollutant removal by Canna Generalis in tropical constructed wetlands for domestic wastewater treatment, 2009.

9. Thongtha, P.Teamkao, N.Boonapatcharoen, S.Tripetchkul, S.Techkarnjararuk, P.Thiravetyan, Phosphorus removal from domestic wastewater by Nelumbo nucifera Gaertn and Cyperus alternifolius L, 2014, Journal of Environmental Management.