Ứng dụng phương pháp đầm lầy nhân tạo cho xử lý nước thải nông nghiệp

I. Giới thiệu chung

Từ lâu, các đầm lầy tự nhiên đã được biết đến là một dạng thuỷ vực có giá trị rất cao do rất đa dạng sinh học, giúp điều hoà chế độ thuỷ văn nước ngầm-nước mặt và thậm chí còn có khả năng cải tạo chất lượng nước, đặc biệt là giúp loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ, chất rắn lơ lửng và vi khuẩn gây bệnh. Tuy nhiên, các đầm lầy tự nhiên đều là những khu vực sinh thái nhậy cảm, cần được bảo vệ nên không thể lạm dụng cho mục đích xử lý nước thải. Vì vậy, trong khoảng một thập kỷ trở lại đây, nhiều công trình nghiên cứu tiến hành ở nhiều quốc gia, đầu tiên là ở Mỹ, Úc, châu Âu và gần đây là ở một vài nơi ở châu Phi (Tazania, Nam Phi) và châu Á (Trung Quốc, Thái Lan, Hàn Quốc, Nhật Bản…) về phương pháp xử lý nước thải bằng đầm lầy nhân tạo được thiết kế và xây dựng mô phỏng theo các điều kiện sinh thái, thuỷ văn của đầm lầy tự nhiên (Hình 1).

Hệ thống xử lý đầm lầy nhân tạo thường bao gồm một hoặc một vài hồ (ô) nước nông (độ sâu thường nhỏ hơn 1m), có trồng thực vật thuỷ sinh trôi nổi (bèo tây, bèo ta, hoa súng), ngập nước (tảo) và phổ biến nhất là bán ngập (cỏ nước, dương xỉ, liễu nước, đước, sậy,…). Với các đặc điểm này, hệ thống xử lý nước thải bằng sự kết hợp các quá trình vi sinh-sinh-lý-hoá học hoàn toàn tự nhiên. Về mặt thuỷ văn, các thông số thiết kế chính của từng ô của hệ thống đầm lầy nhân tạo bao gồm hướng dòng chảy, thời gian lưu giữ, độ sâu,… Ngoài ra, còn có lớp không thấm trải trên nền đất gốc để tránh không cho nước thải thẩm thấu xuống phía dưới và xung quanh, gây ô nhiễm nước ngầm và ô nhiễm đất trong vùng.

Các kết quả nghiên cứu đều cho thấy đầm lầy nhân tạo là phương pháp xử lý nước thải có chi phí xây dựng và bảo dưỡng thấp, không yêu cầu kỹ thuật phức tạp mà hiệu quả xử lý rất cao, đặc biệt là cho những nguồn nước thải "không điểm” (non-point), như nước mưa đô thị, nước thải sinh hoạt từ các cụm dân cư nông thôn, nước thải nông nghiệp, thuỷ sản,…

Ở Việt Nam , nước thải nông nghiệp là một trong những nguồn chủ yếu gây ô nhiễm môi trường và suy giảm chất lượng nước ở các vùng nông thôn. Nước thải nông nghiệp bao gồm: nước xả ra từ các trang trại chăn nuôi tập trung, từ các đầm nuôi tôm và nước hồi quy từ đồng ruộng. Những nguồn xả thải này thường có lượng rất lớn và chứa rất nhiều chất ô nhiễm hữu cơ, vi rus, vi khuẩn gây bệnh và nhiều thành phần độc hại khác. Quản lý và xử lý những nguồn nước thải nông nghiệp này ở Việt Nam vẫn luôn là một thách thức do các địa phương thường rất thiếu kinh phí, công nghệ và cán bộ kỹ thuật. Các vấn đề này hoàn toàn có thể giải quyết được bằng cách áp dụng đầm lầy nhân tạo. Mục đích của bài viết này là chia sẻ các thông tin về khả năng áp dụng phương pháp này ở Việt Nam .

II. Đặc điểm chính của đầm lầy nhân tạo

Tương tự như đầm lầy tự nhiên, đặc điểm chính đầm lầy nhân tạo được quyết định bởi 2 yếu tố cơ bản là: hệ thực vật thuỷ sinh và chế độ thuỷ văn thuỷ lực. Đây cũng là những đặc điểm giúp đầm lầy có khả năng loại bỏ chất ô nhiễm.

1. Hệ thực vật thuỷ sinh: Các thực vật thường được lựa chọn để trồng là:

·          Trôi nổi (bèo ta, bèo tây, hoa súng,…),

·          Bán ngập: cỏ nước, dương xỉ, liễu nước, đước, sậy,… Đây là loại thực vật mọc phổ biến nhất ở các đầm lầy, có khả năng chịu ô nhiễm cũng như khả năng loại bỏ ô nhiễm rất cao.

·          Ngập nước: một số loại tảo. Sử dụng loài thực vật này vẫn trong giai đoạn thử nghiệm vì bản thân tảo chỉ có thể mọc tốt trong môi trường nước sạch, nhiều oxy. Đến nay, các nghiên cứu mới dừng ở chỗ sử dụng tảo kết hợp với các loài thực vật trôi nổi và bán ngập khác

Như vậy, hệ thực vật trồng ở đầm lầy nhân tạo là yếu tố chi phối cơ bản tới hàng loạt các yếu tố khác, quyết định tới khả năng loại bỏ chất ô nhiễm của đầm lầy nhân tạo: rễ và thân tạo ra bề mặt cho hệ vi khuẩn có ích phát triển, đồng thời giúp lọc và hấp thụ các thành phần ô nhiễm, nhất là BOD. Ngoài ra, các thực vật này giúp bổ sung oxy cho nước để chu trình phân huỷ nitơ diễn ra thuận lợi. Mỗi loại thực vật có khă năng xử lý khác nhau, yêu cầu duy tu bảo dưỡng khác nhau và phù hợp với một điều kiện khí hậu, thuỷ văn và thuỷ lực nhất định. Vì vậy, lựa chọn loại thực vật thích hợp là một phần rất quan trong trong giai đoạn thiết kế và thi công đầm lầy.

2. Điều kiện thuỷ văn và thuỷ lực:Các yếu tố thuỷ văn có ảnh hưởng rất lớn tới các quá trình khác diễn ra trong đầm lầy như bồi lắng, khuếch tán oxy, biến đổi sinh học, hấp thụ của rễ thực vật... do đó chi phối rất nhiều hiệu quả xử lý của đầm lầy. Những yếu tố thuỷ văn quan trọng nhất cần xem xét kỹ lưỡng gồm có:vận tốc và lưu lượng dòng thải xả vào đầm lầy, dao động mực nước (nhất là với đầm lầy dòng chảy mặt), thời gian lưu giữ, thay đổi thời tiết khí hậu, mực nước ngầm và độ thấm của đất.

Dựa vào điều kiện thuỷ văn, thuỷ lực thiết kế, đầm lầy xử lý được phân loại như sau:

a. Đầm lầy có dòng chảy mặt

Như minh hoạ ở Hình 2, đầm lầy nhân tạo được thiết kế xử lý theo dòng chảy mặt hoàn toàn giống đầm lầy tự nhiên về hình thức cũng như tính chất: gồm có bề mặt nước thoáng, mực nước nông, trồng thực vật bán ngập và trôi nổi; chỉ khác là ở đáy có lớp đất sét hoặc lớp vải địa kỹ thuật chống thấm. Các đầm lầy dạng này thường được thiết kế với tỉ lệ chiều dài L: chiều rộng W nhất định. Tỷ lệ này lớn (10:1 hoặc lớn hơn nữa) sẽ giúp tăng hiệu quả xử lý do tạo được dòng chảy đều và tăng thời gian lưu giữ. Mặt khác, do được thiết kế có bề mặt thoáng, cho nên các cơ chế làm việc của hệ thống này để loại bỏ chất ô nhiễm chịu ảnh hưởng đáng kể của điều

Hình 2. Mô hình đầm lầy nhân tạo dòng chảy mặt

Bảng1.So sánh tóm tắt ưu điểm các phương án thiết kế đầm lầy nhân tạo

b. Đầm lầy dòng chảy ngầm

Đầm lầy dòng chảy ngầm được xây dựng nhiều ở châu Âu (Đan mạch, Đức, Anh,…). Dạng đầm lầy này bao gồm một nền sỏi hoặc/và đá cuội, phía trên có trồng các loại thực vật đầm lầy. Hình 3 mô tả thiết kế điển hình của một đầm lầy dòng chảy ngầm.

Ngoài các yếu tố thiết kế dòng vào, dòng ra, thực vật như đối với đầm lầy dòng chảy mặt, cần phải nghiên cứu kỹ nền đá sỏi: kích thước nền, kích thước đá-sỏi.

Vì các thiết kế đầm lầy nhân tạo trên đây có ưu nhược điểm riêng như tóm tắt trong bảng 1, nên quyết định lựa chọn phương án thiết kế nào phụ thuộc vào từng điều kiện cụ thể.

III. Cơ chế loại bỏ chất ô nhiễm của đầm lầy nhân tạo

Cũng tương tự như ở sông, hồ và đầm lầy tự nhiên, đầm lầy nhân tạo giúp loại bỏ chất ô nhiễm do kết hợp của 3 cơ chế: vật lý, hoá học và sinh học.

Các cơ chế vật lý chính diễn ra trong đầm lầy giúp loại bỏ chất ô nhiễm là lắng đọng(đối với dòng chảy mặt) và lọc(đối với dòng chảy ngầm). Đối với đầm lầy dòng chảy mặt, quá trình lắng đọng loại bỏ được thành phần chất rắn lơ lửng do khi nước thải xả vào đầm lầy, vận tốc nước giảm đáng kể do đầm lầy được thiết kế có thời gian lưu giữ khá dài (3-4 ngày hoặc hơn nữa), các thành phần chất rắn lơ lửng vì thế sẽ lắng động xuống đáy (xem hình 2), cải thiện đáng kể chất lượng dòng chảy ra. Đối với đầm lầy dòng chảy ngầm, dòng nước thải được lọc trong quá trình chảy qua các khe của lớp đá sỏi và rễ thực vật.

Những thiết kế đó cũng giúp đầm lầy nhân tạo tăng cường khả năng loại bỏ chất ô nhiễm bằng các quá trình hoá học là hấp phụ và kết tủa. Các chất ô nhiễm hoà tan trong nước như các chất dinh dưỡng hoặc kim loại nặng có thể dễ dàng tiếp xúc và bị hấp phụ bởi các vật chất khác ở trong đầm lầy do thể nước tĩnh và thời gian lưu giữ lâu. Sau khi hấp phụ, các chất ở dạng hoà tan trước đó sẽ bị loại bỏ tiếp khỏi dòng nước thải nhờ quá trình lắng đọng hoặc/và lọc. Các phản ứng hoá học thường xảy ra trong đầm lầy là thuỷ phân, oxy hoá khử, quang hoá dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời và nhiệt độ. Các thành phần ô nhiễm bị loại bỏ bởi cơ chế này thường là phốt pho, pH, sắt, nhôm và canxi.

Để xử lý những nguồn nước thải nông nghiệp từ các khu vực canh tác, trang trại chăn nuôi hoặc các hồ nuôi trồng thuỷ sản thì quá trình sinh học là quan trọng nhất. Đầm lầy là một trong vài hệ sinh thái có năng suất sinh học cao nhất. Khả năng trao đổi chất và phân huỷ sinh họccao của các sinh vật sống trong môi trường đầm lầy, tự nhiên cũng như nhân tạo, được sử dụng và phát huy để cải thiện chất lượng nước thải. Thứ nhất, lớp bùn đáy và hệ thực vật thuỷ sinh trong đầm lầy tạo ra bề mặt và môi trường thuận lợi để các vi khuẩn và vi sinh vật có ích phát triển hết sức đa dạng. Hệ vi sinh vật này có khả năng chuyển hoá và phân huỷ các chất hữu cơ trong quá trình sử dụng thức ăn của chúng. Tuy nhiên, các quá trình chuyển hoá và phân huỷ sinh học này chịu ảnh hưởng nhiều bởi sự có mặt của lượng oxy hoà tan. Lượng oxy hoà tan ở đầm lầy được cung cấp bởi: khuếch tán qua bề mặt, quang hợp và vận chuyển oxy qua thân-rễ thực vật. Như vậy, ở các đầm lầy dòng chảy mặt, lớp nước mặt là vùng háo khí rất giàu oxy; ở lớp nước phía dưới, lượng oxy ít hơn, thường gọi là vùng yếm khí, mức độ thiếu hụt phụ thuộc vào độ sâu và sự phát triển của thực vật. Ở đầm lầy dòng chảy ngầm, các vùng háo khí và yếm khí cũng được tạo ra xen kẽ nhau: vùng háo khí ở xung quanh bộ rễ thực vật do được bổ sung oxy từ các rễ này; môi trường đất-sỏi còn lại thường là yếm khí. Vì vậy, lựa chọn loại thực vật cho phù hợp là rất quan trọng; ví dụ như bộ rễ của cỏ nước chỉ thâm nhập tới độ sâu khoảng 30cm, còn của đước, sậy có thể tới hơn 70cm. Ngoài ra, còn một cơ chế nữa giúp loại bỏ chất dinh dưỡng như nitơ và phốt pho là sự hấp thucủa thực vật: rễ thực vật hút các chất dinh dưỡng để thực vật phát triển. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng khi các thực vất chết đi, lá thân rễ thực vật rụng xuống và thối rữa thì coi như trả lại lượng chất dinh dưỡng này. Để tránh tình trạng này, hệ thực vật đầm lầy cần được chăm sóc, bảo dưỡng thường xuyên, cắt bỏ các cây héo úa.

Các chất ô nhiễm chủ yếu có trong nước thải nông nghiệp là BOD, chất rắn lơ lửng (SS), ni tơ, phốt pho và coliform. Các nghiên cứu cho thấy nước thải nông nghiệp thường phải được xử lý sơ bộ (bể lắng hoặc bể lọc) để loại bỏ những thành phần thô trước khi xả vào, nước thải.

IV. Kết luận về khả năng ứng dụng đầm lầy nhân tạo cho xử lý nước thải nông nghiệp ở Việt Nam

Việt Nam là một nước nông nghiệp. Sản xuất nông nghiệp vẫn là hoạt động kinh tế chủ yếu ở hầu hết các tỉnh. Ngoài các hoạt động canh tác trồng trọt truyền thống, rất nhiều trang trại chăn nuôi tập trung và hồ đầm nuôi trồng thuỷ sản mở rộng ở khắp nơi. Bên cạnh lợi ích kinh tế, rất nhiều vấn đề về chất lượng môi trường nảy sinh, đe doạ sức khoẻ của cộng đồng dân địa phương, làm chết cá và ảnh hưởng đến toàn bộ hệ sinh thái tự nhiên. Đặc biệt, nước thải từ các trang trại chăn nuôi và từ các hồ đầm nuôi trồng thuỷ sản này bị coi là nguồn gây ô nhiễm chủ yếu ở các vùng nông thôn Việt Nam do có mang theo nhiều chất rắn lơ lửng, ammoniac, thành phần hữu cơ cũng như vô số vi khuẩn và vi rus gây bệnh. Hiện nay, phần lớn những nước thải này vẫn không được xử lý trước khi xả vào môi trường đất, sông, hồ tự nhiên do các địa phương thiếu kinh phí và thiếu nhận thức về bảo vệ môi trường. Đầm lầy nhân tạo có thể là một giải pháp hữu hiệu vì phương pháp này rất thích hợp với điều kiện tự nhiên và điều kiện kinh tế-xã hội ở các vùng nông thôn ở Việt Nam . Cụ thể như sau:

Khí hậu: Phần lớn các vùng của Việt Nam có khí hậu nóng và ẩm, là những yếu tố chính tạo điều kiện cho thực vật và các vi sinh vật dễ dàng phát triển. Vì vậy, áp dụng đầm lầy nhân tạo ở Việt Nam là hoàn toàn khả thi.

Thực vật: Các loại thực vật đã được nghiên cứu và được trồng ở đầm lầy nhân tạo do tính dễ thích ứng, dễ trồng, có khả năng chịu ô nhiễm và khả năng hấp phụ chất dinh dưỡng cao. Các loài thực vật này phần lớn đều rất phổ biến ở Việt Nam .

Kinh phí: Có thể nói đầm lầy nhân tạo yêu cầu kinh phí thấp nhất so với các phương pháp xử lý khác cả về mặt vốn xây dựng ban đầu cũng như kinh phí duy tu bảo dưỡng. Vì vậy, phương pháp rất phù hợp với Việt Nam , nhất là ở các vùng nông thôn.

Nhân lực và kỹ thuật: Tương tự như trên, đầm lầy nhân tạo yêu cầu kỹ thuật thiết kế, xây dựng, vận hành và duy tu bảo dưỡng hết sức đơn giản, không như các phương pháp xử lý nước thải khác. Do đó, nhân lực thực hiện không yêu cầu có trình độ và kỹ năng thật cao, mà chỉ cần có kiến thức cơ bản và được tập huấn thêm thì hoàn toàn có khả năng thực hiện được nhiệm vụ.

Đất đai: Đây là yếu tố phân vân nhất khi áp dụng phương pháp này vì đầm lầy nhân tạo thường yêu cầu diện tích khá lớn. Tuy nhiên, nếu để xử lý nước thải nông nghiệp, đầm lầy được xây dựng ở các vùng nông thôn, nên đất đai sẽ không phải là vấn đề quá nan giải. Hơn nữa, khi diện tích bị hạn chế thì sẽ có những thiết kế phù hợp để vẫn đạt được thời gian lưu giữ cần thiết, đảm bảo hiệu quả xử lý, tuy có thể sẽ làm tăng giá thi công. Nhật Bản là một quốc gia có diện tích đất rất hạn chế vẫn áp dụng được phương pháp này.

Ngoài ra, nếu thiết kế hợp lý, quản lý và bảo dưỡng tốt, đầm lầy nhân tạo còn giúp cải thiện môi trường sinh thái trong vùng. Kinh nghiệm cho thấy, ở Mỹ, Úc, một thời gian sau khi có đầm lầy, xuất hiện một số loài chim di cư tìm đến.

Tóm lại, đây là phương pháp rất phù hợp và hiệu quả cho điều kiện ở Việt Nam mà các địa phương nên nghiên cứu để ứng dụng.

Nguồn: agroviet.gov.vn