Phương pháp xử lý nước thải bằng thực vật thủy sinh có hiệu quả không?

Ô nhiễm nước đã trở thành một trong những vấn đề nghiêm trọng đối với môi trường và sức khỏe con người. Trong nỗ lực giải quyết vấn đề này, phương pháp xử lý nước thải bằng thực vật thủy sinh đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu và chuyên gia môi trường. Bài viết này sẽ đi sâu vào công nghệ này, từ các loại thực vật thủy sinh được sử dụng cho đến quy trình và ưu nhược điểm của phương pháp này.

Thực vật thủy sinh là gì?

Thực vật thủy sinh, hay còn gọi là thực vật sống dưới nước, là những loại thực vật đã thích nghi để sống trong môi trường nước, bao gồm cả nước mặn và nước ngọt. Chúng có thể sống hoàn toàn dưới nước như các loài tảo biển, một phần trong nước, hoặc trong môi trường ẩm ướt như bùn. Các loài như sen và hoa súng thích nghi với môi trường ngập nước với phần lá nổi trên mặt nước. Một số loài thực vật thủy sinh có hai hình thái lá: “lá cạn” mọc bên trên mặt nước và “lá nước” mọc hoàn toàn dưới nước.

Những thực vật này đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì cân bằng sinh thái của các hệ thống nước tự nhiên và cũng được sử dụng trong việc xử lý nước thải, nhờ khả năng hấp thụ chất ô nhiễm và cung cấp oxy cho môi trường nước thông qua quá trình quang hợp.

Các nhóm thực vật thuỷ sinh tham gia xử lý nước thải

Có 3 loại thực vật thủy sinh chính có tác dụng xử lý nước thải:

Thực vật nổi

Thực vật thủy sinh là một phần không thể thiếu trong việc xử lý nước thải, và trong số đó, cây sậy (Phragmites australis) là một loài phổ biến và hiệu quả tại Việt Nam, đặc biệt là tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL). Cây sậy phát triển mạnh mẽ trong các điều kiện đất bão hoà hoặc bán bão hoà, thậm chí có thể cao đến 4m. Hệ thống rễ chùm của nó, rậm rạp và phát triển ở độ sâu từ 30 đến 60 cm, giúp nó hấp thụ chất ô nhiễm trong đất và nước.

Cỏ Vetiver (Vetiveria Zizanioides L.) là một loại cỏ khác được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước thải. Loại cỏ này có bộ rễ mạnh mẽ, phát triển nhanh chóng và đâm sâu vào đất, giúp cố định đất và ngăn chặn sự trôi lệch của đất. Khả năng chịu hạn và chịu nước của cỏ Vetiver rất tốt, cho phép nó sinh trưởng và phát triển trong môi trường ngập nước hoặc môi trường có mức độ ô nhiễm cao một cách hiệu quả.

Một loại thực vật thủy sinh khác được sử dụng trong quá trình xử lý nước thải là cây thủy trúc (Cyperus alternifolius), thuộc họ Cói. Cây này có thân tròn cứng cáp, mặt lá nhẵn bóng với màu xanh lục đậm, tạo ra hình dáng bụi dày và thẳng đứng. Chiều cao của cây thủy trúc thường dao động từ 40 đến 70 cm. Thân cây mạnh mẽ cùng với hệ thống rễ phát triển dày đặc giúp cây này hấp thụ và loại bỏ các chất ô nhiễm từ nước thải một cách hiệu quả.

Thực vật chìm

Thực vật sống chìm là nhóm cây cối đặc biệt thích nghi với môi trường nước, chúng phát triển dưới mặt nước suốt cả vòng đời của mình. Đặc điểm nổi bật của chúng là khả năng hấp thụ oxy và cacbon từ nước, cung cấp nguồn năng lượng quan trọng cho sự phát triển và sinh tồn. Trong quá trình hô hấp vào ban đêm, chúng hấp thụ oxy hòa tan trong nước, trong khi vào ban ngày, chúng sử dụng carbon dioxide cho quá trình quang hợp, cung cấp oxy cho môi trường xung quanh. Một số loài còn có khả năng sử dụng bicarbonate hoà tan cho quá trình quang hợp.

Mặc dù hầu hết các loài thực vật sống chìm có rễ bám vào lớp bùn đáy, nhưng cũng có một số loài không có rễ và tự do trôi nổi trong nước, như rong đuôi chồn (Ceratophyllum demersum), tạo ra một cảnh quan tự nhiên và đa dạng trong hệ sinh thái nước ngọt và nước lợ.

Thực vật trôi nổi

Những loài thực vật này thường có lá và thân trôi nổi trên mặt nước. Đặc biệt, đối với những loài có rễ, chúng thường có rễ lơ lửng trong nước mà không cần phải bám sâu vào nền đáy. Một trong những họ thực vật phổ biến nhất trong nhóm này là Họ Bèo tấm (Lemnaceae), có các loài thực vật nhỏ gọn trôi nổi trên bề mặt nước. Ngoài ra, cũng có những loài có kích thước lớn hơn như Lục bình (Eichhornia crassipes) và bèo Cái (còn gọi là bèo Tai tượng, Pistia stratiotes thuộc họ Ráy – Araceae). Các loài này thường có bộ rễ dài ra ngoài không chỉ để hấp thu chất dinh dưỡng mà còn giúp duy trì sự cân bằng của cây trên mặt nước.

Hầu hết các loài thực vật thủy sinh có vai trò đặc biệt quan trọng trong việc hấp thụ các nguồn muối vô cơ dư thừa, chất hữu cơ, chất dinh dưỡng dư thừa trong nước. Dựa vào đặc tính này của chúng, người ta đã đưa ra phương pháp xử lý nước thải bằng thực vật thủy sinh. Bên cạnh đó, thực vật thủy sinh còn có thể cung cấp lượng oxy đáng kể do các hoạt động quang hợp của chúng.

Các quá trình xử lý chất ô nhiễm bằng thực vật thuỷ sinh

Các phương pháp xử lý nước thải bằng thực vật thuỷ sinh bao gồm một loạt các quá trình để loại bỏ các chất ô nhiễm khác nhau:

Quá trình tách các chất rắn

Các chất rắn trong nước thải thường được loại bỏ thông qua cơ chế lắng trọng lực, nhờ vào thời gian lưu nước lâu của các hệ thống xử lý. Tuy nhiên, các chất không lắng được và các chất keo có thể được loại bỏ qua các cơ chế lọc. Phương pháp xử lý này phụ thuộc vào kích thước và tính chất của chất rắn trong nước thải cũng như loại vật liệu lọc được sử dụng trong hệ thống. Mặc dù thực vật có thể được sử dụng trong các bãi lọc, chúng thường không đóng vai trò quan trọng trong việc loại bỏ các chất rắn khỏi nước thải.

Quá trình xử lý các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học

Sự phân hủy sinh học đóng vai trò quan trọng trong việc loại bỏ các chất hữu cơ có trong nước thải, bao gồm cả các chất dạng hòa tan và dạng keo. Quá trình lắng cũng góp phần vào việc loại bỏ các chất hữu cơ còn lại cùng các chất rắn lắng. Một phần của khả năng phân hủy sinh học này xuất phát từ việc các chất hữu cơ hòa tan được mang vào lớp màng vi sinh bám trên phần thân ngập nước của thực vật và sau đó được phân hủy bởi các vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn và nấm, sống trong rễ. Rễ của các loại thực vật ngập nước cung cấp môi trường lý tưởng cho sự sống và hoạt động của vi sinh vật.

Ngoài việc cung cấp điều kiện cho sự phân hủy sinh học, vai trò của thực vật trong bãi lọc còn là vận chuyển oxy vào vùng rễ thông qua quá trình khuếch tán, giúp cung cấp oxy cho vi sinh vật trong quá trình phân hủy sinh học ở rễ.

Thực vật cũng có khả năng hấp thụ các chất hữu cơ, nhưng cơ chế này vẫn còn nhiều điều chưa được hiểu rõ và phụ thuộc nhiều vào loại thực vật và các đặc tính của chất bẩn. (Polprasert và Dan, 1994).

Quá trình khử Nitơ

Nitơ trải qua quá trình chuyển hóa trong các tầng oxy hóa và khử tại giao diện giữa rễ cây và đất, đặc biệt là trong phần ngập nước của các thực vật có thân nhô lên khỏi mặt nước. Quá trình này giúp loại bỏ nitơ khỏi môi trường nước thông qua ba cơ chế chính:

• Sự bay hơi của NH3: Một phần của NH3 bay hơi ra khỏi mặt nước vào không khí, đặc biệt là ở điều kiện nhiệt độ cao.
• Sự hấp thụ của thực vật: Các thực vật thủy sinh hấp thụ nitơ từ môi trường nước thông qua rễ và các cơ chế hấp thụ khác, giúp làm giảm nồng độ nitơ trong nước.
• Nitrat hóa và khử nitrat: Vi khuẩn nitrosomonas và Nitrobacter tham gia vào quá trình nitrat hóa và khử nitrat, biến đổi các hợp chất nitơ thành dạng không độc hại hơn, hoặc chuyển đổi chúng thành dạng khí và giải phóng vào môi trường.

Đặc biệt, ở nhiệt độ cao, một số lượng nhất định của ion amoniac (NH4+) có thể chuyển đổi thành NH3 và bay vào không khí, tiếp tục quá trình loại bỏ nitơ khỏi môi trường nước.

Quá trình khử Photpho

Các quá trình hấp phụ, kết tủa và lắng chỉ đưa phosphorus (P) vào đất hoặc bùn đáy, và sau đó cần được loại bỏ một cách hiệu quả. Các cơ chế loại bỏ P trong các bãi lọc bao gồm:

• Sự hấp thụ của thực vật
• Các quá trình đồng hóa của vi khuẩn
• Sự hấp phụ lên đất, vật liệu lọc
• Kết tủa lắng cùng các ion Ca2+, Mg2+, Fe3+, Mn2+.

Quá trình xử lý kim loại nặng

Các loại thực vật khác nhau có khả năng hấp thụ các kim loại nặng tùy thuộc vào tính chất sinh học và môi trường sống của chúng. Đặc biệt, thực vật sống trong môi trường đầm lầy có vai trò quan trọng trong việc loại bỏ và lưu trữ các kim loại nặng, thông qua ảnh hưởng đến cơ chế thủy lực, hóa học và sinh học trong môi trường đó.

Các loại vật liệu lọc cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra một môi trường thuận lợi để tích tụ các kim loại nặng. Các cơ chế loại bỏ chính bao gồm:

• Kết tủa và lắng ở dạng hidroxit không tan trong vùng hiếu khí, ở dạng sunfit kim loại trong vùng kị khí của lớp vật liệu.
• Hấp phụ lên các kết tủa oxit hidroxit sắt, mangan trong vùng hiếu khí
• Kết hợp lẫn thực vật và đất. Hấp phụ vào rễ, thân và lá của thực vật.

Quá trình xử lý vi khuẩn và virus

Đúng, việc loại bỏ vi sinh vật trong hồ sinh học và xử lý nước thải bằng thực vật thủy sinh thực sự có nhiều điểm tương đồng. Dưới đây là cách mà các vi sinh vật có thể bị loại bỏ trong cả hai quá trình:

• Các quá trình vật lý như lắng, dính kết, lọc, hấp phụ vào sinh khối thực vật
• Do điều kiện môi trường không thuận lợi trong một thời gian dài
• Tác động của các yếu tố lý hóa của môi trường tới mức độ diệt khuẩn.
• Và các yếu tố sinh học bao gồm: thiếu chất dinh dưỡng (Wu và Klein, 1976), do các sinh vật khác ăn (Ellis, 1983).

Ưu điểm và nhược điểm của thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải

Ưu điểm

• Tốc độ xử lý chậm nhưng ổn định đối với các loại nước thải có nồng độ COD, BOD thấp. Thường được áp dụng trong khâu xử lý cuối cùng trong hệ thống xử lý nước thải. Bố trí tại hồ điều hòa để nâng chất lượng nước lên loại A.
• Hoặc sử dụng trong các hồ chứa nước trong nội đô.
• Chi phí đầu tư xử lý không cao.
• Quá trình xử lý cực kỳ đơn giản, chi phí vận hành cực thấp.
• Quá trình xử lý tạo ra sinh khối được sử dụng vào nhiều mục đích như: làm nguyên liệu cho công việc thủ công mỹ nghệ, làm thực phẩm cho gia súc gia cầm, làm phân Comport.
• Bộ rễ thân cây ngập nước là giá thể rất tốt đối với vi sinh vật, sự vận chuyển của cây đưa vi sinh vật đi theo.
• Sử dụng thực vật xử lý nước trong nhiều trường hợp không cần cung cấp năng lượng, do vậy có thể ứng dụng ở những vùng hạn chế năng lượng.

Nhược điểm

• Tốc độ xử lý chậm dẫn đến diện tích cần dùng để xử lý nước thải phải lớn.
• Không gian mặt thoáng sinh trưởng phải thoáng để có đủ ánh sáng.
• Rễ thực vật có thể là nơi cho vi sinh vật có hại sinh sống. Chúng là tác nhân sinh học gây ô nhiễm môi trường mạnh.

Xem thêm: Khi nào cần nâng cấp, cải tạo hệ thống xử lý nước thải?

Kết Luận:

Xử lý nước thải bằng thực vật thủy sinh không chỉ là một giải pháp hiệu quả cho vấn đề ô nhiễm môi trường mà còn là một bước tiến quan trọng trong việc xây dựng một tương lai bền vững cho hành tinh chúng ta. Sự kết hợp giữa công nghệ và tự nhiên đem lại hy vọng cho một môi trường nước trong lành và phong phú.