Một số kết quả ban đầu ứng dụng công nghệ xử lý nước thải bằng cánh đồng cây họ lau sậy và thực vật khác

1. Tổng quan về công nghệ xử lý nước thải bằng đất ngập nước nhân tạo

1.1. Đất ngập nước (ĐNN) và đất ngập nước nhân tạo trong xử lý ô nhiễm

Theo công ước Ramsar (năm 1971), ĐNN được coi là các vùng đầm lầy, than bùn hoặc vùng nước dù là tự nhiên hay nhân tạo, ngập nước thường xuyên hoặc từng thời kỳ, là nước tĩnh, nước chảy, nước ngọt, nước lợ hay nước mặn, bao gồm cả những vùng biển mà mực nước khi thủy triều ở mức thấp nhất không vượt quá 6m.

Từ những năm 1950 - 1970, tại Châu Âu và Mỹ, các nghiên cứu cho thấy đã có sự tương tác của đất ngập nước tự nhiên nước thải mỏ đất ngập nước đã được cải thiện một cách đáng kể về hàm lượng Fe, Mn, Ca, Mg, SO ₄^2-và tăng độ pH từ 2,5-3,5 lên tới 4-6. Tại Mỹ, theo Wieder và Kleinmann thì vào năm 1989 có hơn 140 hệ thống, đến năm 1991 có 400 hệ thống đã được xây dựng để xử lý nước thải mỏ than ở miền Đông nước Mỹ, nhất là ở vùng Pennsylvania. Công nghệ xử lý này được đánh giá là rẻ tiền và có nhiều ưu thế hơn so các công nghệ xử lý nước thải mỏ truyền thống bằng phương pháp vật lý và hóa học. Cánh đồng trồng giống cây họ lau sậy và thực vật khác trong nghiên cứu này thực chất là việc xây dựng một hệ thống đất ngập nước nhân tạo (contructed wetlands).

1.2. Các cơ chế xử lý chất ô nhiễm trong đất ngập nước

Các cơ chế chủ yếu để giảm hoặc giữ ổn định các chất ô nhiễm trong đất ngập nước đã được nghiên cứu là: chuyển hóa theo địa hóa học (kết tủa) và lọc, biến đổi sinh học (điển hình bằng vi khuẩn), hấp phụ (trao đổi ion), tiêu hủy (thực vật hấp thụ).

Chuyển hóa theo địa hóa học

Với 2 yếu tố tăng oxy và CO ₂, hoặc chất kiềm để tạo ra các hợp chất kết tủa dưới dạng hydroxyt.

Chuyển hóa do vi sinh vật

Vi khuẩn, nấm, sinh vật nguyên sinh, đặc biệt là tảo, được xem là thành phần quan trọng trong hệ thống đất ngập nước. Chúng có thể tích lũy và lọc sạch kim loại trong nước làm giảm bớt chất ô nhiễm để thu được nito hoặc năng lượng như một phần trong vòng đời của chúng, đồng thời là xúc tác cho các phản ứng kết tủa do sự thay đổi tính chất hóa học của nước.

Trao đổi và hấp phụ ion

Các axit humic và fulvic do chất hữu cơ tạo thành có thể chuyển hóa các kim loại bằng phản ứng axit - bazo. Sự hấp phụ kim loại bằng trao đổi cation kim loại trong chất hữu cơ theo thời gian dần trở nên bão hòa, tuy nhiên chất hữu cơ lại được bổ sung thường xuyên từ nguồn lá khô và các xác thực vật khác chìm xuống và tích tụ trong chất nền.

Hấp thụ của thực vật

Một số loài thực vật có thể đóng một vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa kim loại, với kim loại được tập trung trên các rễ cây và các phần khác của thực vật. Các kim loại có thể được giữ lại trong sinh khối, khi thực vật chết đi, lắng dần và tích tụ trong trầm tích. Tuy nhiên, các loài khác nhau có khả năng hấp thụ các kim loại rất khác nhau. Klusman và Machemer (1991) cho rằng , 2% các kim loại được chuyển hóa trong đất ngập nước là nằm trong tế bào đang sống.

1.3. Các yếu tố cơ bản trong thiết kế hệ thống đất ngập nước

Kích thước của hệ thống xử lý

Kích thước và thiết kế hệ thống xử lý phụ thuộc vào lưu lượng nước thải cần xử lý và hàm lượng chất ô nhiễm trong nước cần xử lý. Lựa chọn kích thước thường căn cứ vào kinh nghiệm của các hệ thống xử lý đã hoạt động.

Thực vật trong wetlands

Có nhiều loài thực vật đã thử nghiệm, loài được sử dụng nhiều là Typha latifolia (cỏ nến), kết quả cho thấy nó có sức chịu đựng tốt với nước mỏ có độ pH thấp, hàm lượng sắt cao. Các loài thực vật khác cũng được sử dụng như: lau sậy, cây irit, cây bấc (cói), lách và một số họ cỏ.

Chất nền

Chất nền cung cấp vật chất nuôi dưỡng cho thực vật bên trong hệ thống, bao gồm đất cát hoặc hợp chất mùn hữu cơ. Sự lựa chọn chất nền thường dựa vào giá thành và khả năng sử dụng. Các chất nền khác nhau sẽ có khả năng chuyển hóa các kim loại khác nhau. Chất nền bằng đất hữu cơ và sét thường có hoạt động trao đổi ion cao hơn so với các loại vật liệu khác. Một số kiểu bố trí chất nền được giới thiệu trên hình 2.

1.4. Tổng hợp một số mô hình cụ thể đã được ứng dụng ở Mỹ và Việt Nam

Hiện nay, có nhiều hệ thống đất ngập nước nhân tạo được xây dựng để xử lý nước thải trên thế giới. Trong ngành công nghiệp than, nước Mỹ là nước đã xây dựng nhiều hệ thống xử lý nước thải nhất và có nhiều thành công trong ứng dụng. Tại Việt Nam chưa có công trình nào ứng dụng công nghệ cánh đồng trồng giống cây họ lau sậy và thực vật khác để xử lý nước thải mỏ. Tuy nhiên, đã có những nghiên cứu công nghệ trên cho một số loại hình nước thải như: nước thải sinh hoạt, nước thải làng nghề, nước thải từ nuôi trồng thủy sản… Nhóm nghiên cứu đã tập trung xem xét cụ thể 3 mô hình (3 hệ thống) của nước Mỹ và 3 mô hình của Việt Nam để có những so sánh, đánh giá. Tổng kết các mô hình được thể hiện trong bảng 1 và bảng 2.

Bảng 1

Bảng 2.

Các mô hình nghiên cứu xử lý nước thải bằng đất ngập nước của nước ngoài và của Việt Nam cho thấy, loại đất ngập nước dạng hiếu khí, với chất nền hữu cơ để xử lý nước thải mỏ than tại Mỹ. Tại Việt Nam các mô hình được xây dựng hiện tại chủ yếu là dạng đất ngập nước kỵ khí với dòng chảy thẳng đứng từ trên xuống hoặc dòng chảy ngầm theo phương ngang và áp dụng đối với loại nước nhẹ, nuôi trồng thủy sản. Mặc dù loại mô hình đất ngập nước kỵ khí được xem là sẽ có hiệu quả hơn so với dạng mô hình đất ngập nước hiếu khí. Tuy nhiên kinh phí xây dựng mô hình đất ngập nước kị khí cao hơn, vận hành hệ thống cũng phức tạp hơn so với loại mô hình đất ngập nước hiếu khí.

Đối với ngành khai thác mỏ nói chung và khai thác than ở Việt Nam nói riêng, lưu lượng nước thải thường phát sinh lớn, do đó nếu ứng dụng hệ thống đất ngập để xử lý nước thải thì hệ thống đó thường phải có quy mô lớn. Do vậy, loại mô hình có chi phí thấp, dễ vận hành và dễ triển khai với quy mô lớn sẽ phù hợp với đặc điểm và điều kiện của nước thải ngành than. Đây là lý do để đề tài chọn hướng xây dựng mô hình dạng hiếu khí để thử nghiệm.

2. Lựa chọn khu vực áp dụng thử nghiệm

Mỗi điểm mỏ có thể có nhiều cửa lò với những vị trí địa lý và địa hình rất khác nhau. Vì vậy, để lựa chọn khu vực áp dụng thử nghiệm trước tiên cần phải xem xét các khu vực có một số tiêu chí sau:

- Có tính chất nước thải ô nhiễm về pH, Fe, Mn,…

- Có địa hình, mặt phẳng thuận lợi, có thể dẫn nước thải vào, ra hệ thống; không bị tác động mạnh bởi các yếu tố thời tiết nắng, mưa, lũ…

- Gần khu vực có giống cây lựa chọn, đồng thời là khu vực dễ bảo vệ.

Nhóm nghiên cứu đã lựa chọn 4 điểm có điều kiện thuận lợi để khảo sát cụ thể và lấy mẫu phân tích chất lượng nước trong năm 2008, đó là các mỏ Hồng Thái, Nam Mẫu, Dương Huy, Đèo Nai. Sau khi phân tích và đánh giá theo các tiêu chí, khu vực hạ lưu suối Tràng Khê được lựa chọn là khu vực thuận lợi để tiến hành xây dựng mô hình thử nghiệm. Vị trí này có những ưu điểm là:

+ Là khu vực có vị trí địa lý thuận lợi.

+ Có địa hình tương đối rộng, đã ổn định, có thể xây dựng mô hình thí nghiệm với chi phí thấp và trong tương lai có triển vọng nhân rộng với quy mô lớn hơn.

+ Có đặc tính nước thải đặc trưng cho tính axit, hàm lượng Fe và Mn cao vượt tiêu chuẩn cho phép (TCCP): độ pH từ 3,46 đến 4,77; chất thải rắn lo lửng có thời điểm vượt TCCP 2,2 lần; hàm lượng Fe vượt TCCP từ 1,1 đến 3 lần; hàm lượng Mn có thời điểm vượt TCCP 2,2 lần.

3. Lựa chọn giống lau sậy và thực vật khác phù hợp để thử nghiệm

Từ nghiên cứu của nước ngoài và Việt Nam , các loài thực vật được lựa chọn sử dụng trong hệ thống đất ngập nước nhân tạo là các loài như: sậy ( Phragmites australis), cỏ nến ( Typha orientalis), cỏ lác ( Cyperaceae), cỏ năn ( Eleocharis dulcis), cỏ Vetiver. Do đó, quá trình khảo sát, tìm kiếm chủ yếu tập trung vào các loài thực vật trên. Khu vực khảo sát được xác định trên địa bàn tỉnh Quảng Ninh là chính (vùng Mạo Khê - Đông Triều - Uông Bí; Hạ Long; Cẩm Phả). Riêng đối với cỏ Vetiver là loài phải nhân giống nhân tạo nên nhóm nghiên cứu đã tiến hành khảo sát tại các trạm giống cây trồng. Đặc biệt ưu tiên tìm kiếm các loài thực vật bản địa. Qua kết quả khảo sát, đã tìm thấy 3 khu vực tập trung nhiều loài thực vật cần sử dụng, đó là:

- Khu vực dọc đường ra cảng Điền Công - Uông Bí có các loài thực vật như sậy, cỏ nến, cỏ lác và cỏ năn với số lượng và quy mô lớn.

- Khu vực cánh đồng phường Yên Thành - Uông Bí có các loài thực vật như cỏ lác, cỏ năn phát triển nhiều và mạnh.

- Khu vực dọc đường 18A, gần cảng Cái Lân - Hạ Long có các loài sậy, cỏ nến với số lượng và quy mô lớn.

Do nguồn giống cây để trồng trong mô hình thử nghiệm có sẵn trong tự nhiên, với số lượng dồi dào, chất lượng cao, nên công tác chuẩn bị giống cây trồng trong mô hình đã được thực hiện, chọn giống tại chỗ cho 4 loài thực vật được chọn đó là: sậy, cỏ nến, cỏ lác, cỏ năn.

4. Xây dựng mô hình thử nghiệm

Hạ lưu suối Tràng Khê khu mỏ Hồng Thái được lựa chọn là nơi xây dựng mô hình. Mô hình thử nghiệm được lựa chọn theo loại wetland hiếu khí. Các thông số cơ bản của mô hình như sau:

Kích thước: 20 m x 10 m = 200m ²
Độ sâu mực nước: 200 mm

Độ dày lớp đất nền: 200 mm; với loại đất mùn than trong khu vực bổ sung 0,1 kg phân NPK/m ²; 0,2 kg phân vi sinh /1m ².

Thực vật trồng trong mô hình: lựa chọn 04 loại để trồng

- Cây sậy: lấy tại cảng Điền Công - Uông Bí; mật độ trồng 16 cây/m ².

- Cây cỏ nến: lấy tại cảng Điền Công - Uông Bí; mật độ trồng 16 cây/m ².

- Cây cỏ năn: lấy tại cảng Điền Công - Uông Bí; mật độ trồng 32 khóm/m ²

- Cỏ lác: lấy tại cảng Điền Công - Uông Bí; mật độ trồng 16 cây/m ².

Mô hình được chia thành 12 ô, mỗi loại trồng trên 3 ô, sắp xếp các ô theo nguyên tắc phân bố ngẫu nhiên.

Công tác triển khai xây dựng mô hình trên được phối hợp với Công ty than Hồng Thái, và hoàn thành trong tháng 10/2008.

5. Một số kết quả bước đầu của mô hình

5.1. Khả năng phát triển của thực vật trong mô hình

Mô hình sau khi được xây dựng, đã được Công ty than Hồng Thái và Viện Khoa học công nghệ Mỏ - TKV phối hợp theo dõi, chăm sóc, bảo vệ. Nhóm nghiên cứu đã tiến hành nhiều đợt, kiểm tra sự phát triển của hệ thực vật và mực nước trong mô hình.

Sau thời gian trồng từ 10/2008 đến tháng 5/2009 (7 tháng) có thể thấy các loài được lựa chọn đều có khả năng sống, tốc độ phát triển mạnh theo thứ tự từ cao đến thấp như sau: cây lác, cỏ năn, sậy, cỏ nến..

5.2. kết quả ban đầu thử nghiệm trong xử lý nước ô nhiễm

Công tác khảo sát thử nghiệm khả năng xử lý nước thải mỏ tại khu vực hạ lưu suối Tràng Khê đã được tiến hành như sau:

Nước suối Tràng Khê bị ô nhiễm được bơm vào với lưu lượng 3 m ³/giờ vào mô hình trong 2 ngày. Thời gian bơm vào mô hình:

+ Ngày 29/5/2009: từ 9 giờ sáng đến 5 giờ chiều (8 giờ bơm).

+ Ngày 30/5/2009: từ 9 giờ sáng đến 5 giờ chiều (8 giờ bơm).

Cuối ngày 29/5/2009 mực nước trong mô hình là 7-10 cm và được lưu trong mô hình xử lý.

Ngày 30/5/2009 tiếp tục bơm nước ô nhiễm vào mô hình và khi mực nước ổn định ở mức 10 cm thì tiến hành tháo nước chảy ra ở cuối mô hình.

Mẫu nước được lấy tại vị trí đầu vào và đầu ra sau mô hình xử lý (hình 8, hình 9).

Kết quả phân tích các chỉ tiêu của mẫu nước được thể hiện trong bảng 3.

Từ kết quả khảo sát ban đầu có một số nhận xét sau:

* Về khả năng xử lý axit:

Kết quả cho thấy độ axit giảm từ 206 mg/l xuống còn 55,33 mg/l, tuy nhiên giá trị pH tăng lên không đáng kể, từ 4,04 lên 4,59. Về chỉ tiêu này hiện tại mô hình chưa đạt tiêu chuẩn cho phép.

* Về khả năng xử lý các chỉ tiêu khác

Mô hình có khả năng xử lý 94,8% đối với chỉ tiêu COD, 96,3% đối với chỉ tiêu BOD và nước đầu ra đạt tiêu chuẩn cho phép. Các chỉ tiêu khác cũng giảm đáng kể đối với nước đầu ra của mô hình, tuy nhiên do các chỉ tiêu này của nước đầu vào đều đạt tiêu chuẩn nên ý nghĩa xử lý hệ thống đối với chúng không phải là trọng tâm.

Kết luận

Mô hình ứng dụng công nghệ xử lý nước thải ngành than bằng cánh đồng trồng giống cây họ lau sậy và thực vật khác được áp dụng thí điểm tại khu vực hạ lưu suối Hồng Thái, đã đạt được một số kết quả bước đầu. Trong thời gian tới cần tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện mô hình này. Các vấn đề cần được xác định tiếp theo là theo dõi khả năng xử lý chất ô nhiễm trong mô hình hiện tại ở các điều kiện khác nhau về thời gian, lưu lượng, mực nước và tốc độ dòng chảy vào mô hình.

Bảng 3. Kết quả thử nghiệm xử lý nước thải mỏ đợt đầu của mô hình