Tài liệu Nghiên cứu thực nghiệm, đánh giá vai trò của một số loài thực vật thuỷ sinh và đề xuất giải pháp sinh học nhằm cải thiện chất lượng môi trường nước sông nhuệ

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận án là trung thực, chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình, luận án nào và chưa sử dụng để bảo vệ học vị nào. Mọi sự giúp đỡ đã được cảm ơn và các thông tin tham khảo, trích dẫn đã được nêu rõ nguồn gốc. Tác giả luận án Vũ Thị Phương Thảo ii LỜI CÁM ƠN Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án, tôi đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ, ủng hộ nhiệt tình của nhiều cơ quan, tổ chức, cá nhân, bạn bè và đồng nghiệp. Nhân dịp này tôi xin gửi lời cám ơn chân thành về sự quan tâm quý báu đó. Trước hết tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Lê Xuân Tuấn Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường, TS Đinh Thái Hưng- Trung tâm Dự báo Khí tượng Thuỷ văn trung ương, đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo, cung cấp cho tôi nhiều tư liệu quý, góp ý hoàn thiện Luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo và các thầy cô giáo Viện Khí tượng Thuỷ văn và Biến đổi khí hậu, Phòng Khoa học, Đào tạo và Hợp tác quốc tế, Trung tâm Nghiên cứu Môi trường, Bộ môn Quản lý Tài nguyên và Môi trường đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ, góp ý cho tôi trong quá trình nghiên cứu và thực hiện Luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Phòng Phân tích Tổng hợp, Viện Địa lý, Phòng Thực vật, Viện Sinh thái và Tài nguyên sinh vật – Viện Hàn lâm Khoa học Việt Nam, Phòng Thí nghiệm Phân tích Môi trường, Bộ môn Thực vật học, Khoa Sinh học, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội, đã giúp đỡ, phối hợp giám định loài thực vật, phân tích chất lượng nước, chất lượng trầm tích, cấu trúc tế bào thực vật, thực nghiệm nuôi trồng các thuỷ sinh thực vật làm cơ sở khoa học trong việc hoàn thành Luận án. Tôi xin cảm ơn Tổng cục Môi trường, Trung tâm quan trắc môi trường đã cung cấp cho tôi các tài liệu, số liệu quý báu trong việc hoàn thiện Luận án. Cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn tới các bạn bè, đồng nghiệp, gia đình… đã tạo điều kiện, giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận án. Tôi xin trân trọng cám ơn về tất cả sự giúp đỡ quý báu đó! Tác giả Luận án Vũ Thị Phương Thảo iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN...................................................................................................i LỜI CÁM ƠN........................................................................................................... ii MỤC LỤC............................................................................................................ iii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT........................................................................................................................ vii DANH MỤC BẢNG............................................................................................. ix DANH MỤC HÌNH ................................................................................................. xii MỞ ĐẦU...............................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài ....................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu..........................................................................................2 3. Nội dung nghiên cứu .........................................................................................3 4. Quan điểm nghiên cứu, cách tiếp cận của Luận án...........................................3 5. Giả thuyết khoa học của Luận án......................................................................4 6. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................4 7. Những đóng góp mới .........................................................................................4 8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn...........................................................................5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU..................................................................7 1.1. Hiện trạng ô nhiễm sông trên thế giới và ở Việt Nam.....................................7 1.1.1. Trên thế giới..............................................................................................7 1.1.2. Ở Việt Nam................................................................................................9 1.2. Nghiên cứu sử dụng TVTS xử lý ô nhiễm nước............................................ 12 1.2.1. Cơ sở khoa học của biện pháp sử dụng TVTS xử lý ô nhiễm nước........... 13 1.2.1.1. Các chất ô nhiễm là các chất vô cơ .................................................................................................. 13 1.2.1.2. Các chất ô nhiễm là các chất hữu cơ ................................................................................................ 16 1.2.2. Tiêu chuẩn loài thực vật sử dụng để xử lý ô nhiễm nước ......................... 16 1.2.3. Ưu điểm và hạn chế của biện pháp sử dụng TVTS để xử lý ô nhiễm nước17 1.2.4. Các nghiên cứu về xử lý ô nhiễm nước bằng TVTS và tình hình nghiên cứu sử dụng các loài TVTS thuỷ trúc, rau muống, rau ngổ trâu cải tạo nước ô nhiễm ............................................................................................................... 19 iv 1.2.5. Nghiên cứu xử lý TV sau khi sử dụng để xử lý nước ô nhiễm .................. 25 1.3. Đặc điểm tự nhiên kinh tế xã hội vùng lưu vực sông Nhuệ........................... 26 1.3.1. Đặc điểm tự nhiên vùng lưu vực sông Nhuệ ............................................ 26 1.3.1.1. Vị trí địa lý và diện tích...................................................................................................................... 26 1.3.1.2. Đặc điểm địa hình ............................................................................................................................... 28 1.3.1.3. Đặc điểm khí hậu, thủy văn............................................................................................................... 29 1.3.2. Đặc điểm kinh tế xã hội vùng lưu vực sông Nhuệ và ảnh hưởng của phát triển kinh tế- xã hội đến nguồn tài nguyên nước sông Nhuệ.............................. 31 1.3.2.1. Dân số và ảnh hưởng của quy mô dân số lớn đến nguồn tài nguyên nước sông Nhuệ ............ 31 1.3.2.2. Sự phát triển kinh tế khu vực sông Nhuệ và những ảnh hưởng đến chất lượng nước sông Nhuệ ...................................................................................................................................................................... 32 CHƯƠNG 2: PHẠM VI, ĐỐI TƯỢNG,THỜI GIAN, NỘI DUNG, CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............................................................................... 36 2.1. Phạm vi, đối tượng và thời gian nghiên cứu ................................................. 36 2.1.1. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................ 36 2.1.2. Đối tượng nghiên cứu............................................................................. 36 2.1.3. Thời gian nghiên cứu ............................................................................. 36 2.2. Nội dung và quy trình nghiên cứu ............................................................... 36 2.2.1. Nội dung nghiên cứu.............................................................................................................................. 36 2.2.1. Các bước nghiên cứu của Luận án....................................................................................................... 37 2.3. Quan điểm, cách tiếp cận của luận án .......................................................... 38 2.3.1. Quan điểm nghiên cứu ........................................................................... 38 2.3.1.1. Quan điểm hệ thống và tổng hợp...................................................................................................... 38 2.3.1.2. Quan điểm phát triển bền vững........................................................................................................ 38 2.3.2. Các cách tiếp cận khoa học..................................................................... 39 2.3.2.1. Tiếp cận hệ sinh thái........................................................................................................................... 39 2.3.2.2. Tiếp cận sử dụng khôn khéo đất ngập nước................................................................................... 40 2.4. Phương pháp nghiên cứu.............................................................................. 40 2.4.1. Nhóm phương pháp nghiên cứu ngoài thực địa....................................... 40 2.4.1.1. Lập kế hoạch trước khi khảo sát ngoài hiện trường....................................................................... 40 2.4.1.2. Khảo sát ngoài thực địa..................................................................................................................... 43 2.4.1.3. Phân tích đánh giá tính đa dạng hệ thực vật.................................................................................... 43 2.4.1.4. Lấy mẫu nước sông............................................................................................................................. 43 2.4.1.5. Lấy mẫu trầm tích sông ...................................................................................................................... 44 2.4.1.6. Lấy mẫu thực vật................................................................................................................................. 44 2.4.2. Nhóm phương pháp trong phòng thí nghiệm ........................................... 46 2.4.2.1. Phân tích thành phần chất lượng mẫu nước .................................................................................... 46 v 2.4.2.2. Phân tích thành phần chất lượng mẫu trầm tích ............................................................................. 46 2.4.2.3. Phân tích thành phần một số chất trong mẫu thực vật và hình thái giải phẫu của thân, lá, rễ ............................................................................................................................................................................ 47 2.4.2.4. Cải thiện chất lượng nước bằng các thực vật thuỷ sinh................................................................. 50 2.4.3.Phương pháp điều tra, thu thập thông tin, kế thừa tài liệu ........................ 52 2.4.4. Phương pháp xây dựng các mô hình sử dụng thực vật cho giảm thiểu ô nhiễm môi trường nước..................................................................................... 54 2.4.5. Phương pháp chuyên gia......................................................................... 54 2.4.6. Phương pháp tính toán và xử lý số liệu.................................................... 54 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN .............................. 57 3.1. Chất lượng nước sông Nhuệ trong thời gian nghiên cứu.............................. 57 3.1.1.Chất lượng nước sông Nhuệ qua các thông số vật lý................................. 57 3.1.2. Chất lượng nước sông Nhuệ qua các thông số gây phú dưỡng nguồn nước ................................................................................................................. 59 3.1.3. Chất lượng nước sông Nhuệ qua các thông số ô nhiễm chất hữu cơ, vi sinh: ................................................................................................................. 61 3.1.4.Chất lượng nước sông Nhuệ qua các thông số KLN: ................................ 62 3.2. Chất lượng trầm tích sông Nhuệ trong thời gian nghiên cứu ....................... 63 3.2.1. Tính chất hoá lý của các mẫu trầm tích sông Nhuệ.................................. 63 3.2.2. Hàm lượng các kim loại nặng trong các mẫu trầm tích sông Nhuệ .......... 63 3.3. Sự đa dạng thực vật thuỷ sinh bậc cao có mạch lưu vực sông Nhuệ và khả năng sử dụng thực vật thuỷ sinh LVS Nhuệ để xử lý ô nhiễm nước ................... 69 3.4. Thực nghiệm đánh giá vai trò của các sinh vật thuỷ sinh trong quá trình cải thiện chất lượng nước và trầm tích sông Nhuệ.............................................. 73 3.4.1. Chất lượng nước và trầm tích sông Nhuệ sử dụng cho thực nghiệm ........ 74 3.4.2. Sự tăng trưởng, phát triển, thay đổi về thành phần vật chất trong mô của các loài TVTS ................................................................................................... 76 vi 3.4.2.1. Cấu tạo giải phẫu và sự thay đổi tế bào, khả năng tăng trưởng, thành phần vật chất của cây thuỷ trúc sau thí nghiệm.............................................................................................................................. 76 3.4.2.2. Cấu tạo giải phẫu và sự thay đổi tế bào, khả năng tăng trưởng, thành phần vật chất của cây rau muống sau thí nghiệm........................................................................................................................... 90 3.4.2.3. Cấu tạo giải phẫu và sự biến đổi tế bào, khả năng tăng trưởng, thành phần vật chất của của cây ngổ trâu sau thí nghiệm......................................................................................................................103 3.4.3. Diễn biến các yếu tố chất lượng nước và trầm tích sông Nhuệ trong và sau quá trình trồng các thuỷ sinh thực vật ...................................................... 115 3.4.4.1. Diễn biến của các yếu tố chất lượng nước.....................................................................................116 3.4.3.2. Diễn biến của các yếu tố chất lượng trầm tích..............................................................................126 3.4.3.2. Sự cân bằng vật chất các chất ô nhiễm ở các bể thí nghiệm.......................................................128 3.5. Các nguồn thải gây ô nhiễm đoạn sông Nhuệ từ Cầu Tó tới Cống Thần và công tác quản lý nhà nước về môi trường lưu vực sông.................................... 132 3.5.1. Hiện trạng các nguồn thải vào đoạn sông Nhuệ từ Cầu Tó tới Cống Thần132 3.5.1.1. Nguồn thải sinh hoạt.........................................................................................................................132 3.5.1.2. Nguồn thải công nghiệp và làng nghề............................................................................................132 3.5.1.3. Nguồn thải nông nghiệp ...................................................................................................................133 3.5.1.4. Nguồn thải y tế ..................................................................................................................................133 3.5.1.5. Nguồn chất thải rắn...........................................................................................................................134 3.5.2. Công tác quản lý nhà nước về môi trường lưu vực sông........................ 134 3.5.2.1. Hệ thống văn bản pháp luật bảo vệ môi trường............................................................................134 3.5.2.2. Cơ cấu tổ chức và quản lý nhân sự.................................................................................................136 3.5.2.3. Năng lực và trình độ chuyên môn của đội ngũ cán bộ quản lý môi trường .............................137 3.5.2.4. Các hoạt động quản lý môi trường ở đoạn sông từ Cầu Tó tới Cống Thần .............................138 3.5.2.5. Hệ thống quan trắc và giám sát môi trường ..................................................................................138 3.6. Đề xuất các giải pháp nhằm cải thiện chất lượng nước, bảo vệ phát triển hệ sinh thái sông Nhuệ........................................................................................... 139 3.6.1. Cơ sở khoa học đề xuất các giải pháp .................................................... 139 3.6.2. Các giải pháp về luật pháp và chính sách............................................... 140 3.6.3. Các giải pháp về tuyên truyền và huấn luyện ......................................... 141 3.6.4. Các giải pháp về kỹ thuật....................................................................... 141 3.6.4.1. Các giải pháp vật lý nhằm cải thiện chất lượng nước sông Nhuệ..............................................141 3.6.4.2. Giải pháp sinh học nhằm cải thiện chất lượng nước sông Nhuệ................................................142 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ............................................................................... 153 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................. 156 vii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt APHA Tiếng Anh American Public Health Tiếng Việt Hiệp Hội sức khoẻ Hoa kỳ Asociation AWWA American Water Works Hiệp hội nước Hoa kỳ Asociation BTNMT Ministry of Natural Resources Bộ Tài nguyên và Môi trường and Environment BOD5 The 5 day biochemical oxygen Nhu cầu ôxy sinh hóa trong 5 demand ngày COD Chemical oxygen demand Nhu cầu ôxy hóa học CON Pollutant Chất ô nhiễm EC Electricity Conductivity Độ dẫn điện FAO Food and Algriculture Tổ chức Nông Lương thế giới Organization GTGH Limited value Giá trị giới hạn KLN Heavy metal Kim loại nặng KCN Industrial Zone Khu công nghiệp KCX Manufacturing area Khu chế xuất LVS River Basin Lưu vực sông m Biomass Sinh khối QCVN Vietnamese standard Quy chuẩn Việt Nam P Biomass productivity Năng suất sinh học ppm parts per million Một phần triệu TF Translocation factor Hệ số vận chuyển TLK Fry weight Trọng lượng khô TLT Fresh weight Trọng lượng tươi TDS Total dissolved solids Tổng chất rắn hòa tan viii Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt t1 Time to start the experiment Thời điểm bắt đầu thí nghiệm t2 Time to end the experiment Thời điểm kết thúc thí nghiệm TN Total nitrogen Tổng nitơ TP Total phosphorus Tổng phốtpho TNG Experiment Thí nghiệm TSS Total Suspended Solids Tổng chất rắn lơ lửng TV Plant Thực vật TVTS Aquatic plants Thực vật thủy sinh WHO World Health Organization Tổ chức Y tế thế giới ix DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Các nguồn ô nhiễm sông và các chất ô nhiễm chính ở các hệ thống sông Cầu, Nhuệ -Đáy, Đồng Nai……………………………………………………...………..………10 Bảng 1.2. Vai trò của thực vật thuỷ sinh trong hệ sinh thái nước …………………... .19 Bảng 1.3. Phân bố diện tích trong lưu vực sông Nhuệ ................................................27 Bảng 1.4. Hiện trạng sử dụng nước sông Nhuệ..........................................................33 Bảng 2.1. Các đợt thí nghiệm và thời gian thí nghiệm ................................................36 Bảng 2.2. Các vị trí lấy mẫu nước, mẫu trầm tích và mục đích lẫy mẫu ......................41 Bảng 2.3. Các chỉ tiêu phân tích mẫu nước và phương pháp phân tích ........................46 Bảng 2.4. Các chỉ tiêu phân tích mẫu trầm tích và phương pháp phân tích ..................46 Bảng 2.5. Các chỉ tiêu phân tích mẫu sinh vật và phương pháp phân tích thành phần các chất trong các mô rễ, thân, lá thực vật .......................................................................47 Bảng 3.1. Các loài TVTS có mạch khu vực sông Nhuệ và số đợt bắt gặp trong các chuyến khảo sát thực địa……………...…………………...……………………………………66 Bảng 3.2. Các thông số chất lượng nước của các mẫu nước sông nhuệ dùng cho thí nghiệm nuôi trồng các thuỷ sinh thực vật (thời gian ngày 30/3 /2015 đến 18/4/ 2015) .70 Bảng 3.3. Các thông số chất lượng trầm tích của các mẫu nước sông Nhuệ dùng cho thí nghiệm nuôi trồng các thuỷ sinh thực vật (thời gian ngày 30/3 /2015 đến 18/4/ 2015) .71 Bảng 3.4. Kích thước các tế bào ở thân cây Thuỷ trúc trước và sau thí nghiệm……….75 Bảng 3.5. Sự tăng trưởng của cây Thuỷ trúc trước và sau thời gian thí nghiệm............76 Bảng 3.6. Sinh khối và năng suất của cây Thuỷ trúc trước, giữa và sau thí nghiệm ..... 82 Bảng 3.7. Hàm lượng các KLN trong các mô thực vật và TF đối với các KLN của Thuỷ trúc .........................................................................................................................79 Bảng 3.8. Hiệu quả hấp thụ các chất ô nhiễm sông Nhuệ của cây Thuỷ trúc................87 Bảng 3.9. Kích thước các tế bào ở thân cây Rau muống trước và sau thí nghiệm .........86 Bảng 3.10. Chiều dài của cây Rau muống trước và sau thời gian thí nghiệm ...............95 Bảng 3.11. Sinh khối và năng suất của cây Rau muống trước và sau thí nghiệm..........88 x Bảng 3.12. Hàm lượng các KLN trong các mô TV và TF đối với các KLN của Rau muống.....................................................................................................................90 Bảng 3.13. Hiệu quả hấp thụ các chất ô nhiễm sông Nhuệ của cây Rau muống ...........91 Bảng 3.14. Kích thước các tế bào ở thân cây Ngổ trước và sau thí nghiệm ..................97 Bảng 3.15. Chiều dài của cây Ngổ trâu trước và sau thời gian thí nghiệm .................108 Bảng 3.16. Sinh khối và năng suất của cây Ngổ trâu trước và sau thí nghiệm ..............98 Bảng 3.17. Hàm lượng các KLN trong các mô TV và TF đối với các KLN của cây Ngổ trâu .......................................................................................................................111 Bảng 3.18. Hiệu quả hấp thụ các chất ô nhiễm sông Nhuệ của cây Ngổ trâu .............101 Bảng 3.19. Sự tăng giảm hàm lượng các chất ô nhiễm trong trầm tíchở các bể thí nghiệm….……………………………………………………………………………..114 Bảng 3.20.Bảng cân bằng vật chất đối với các chất ô nhiễm là hợp chất của nitơ …...115 Bảng 3.21.Bảng cân bằng vật chất đối với các chất ô nhiễm là hợp chất của photpho.116 Bảng 3.21. Bảng cân bằng vật chất đối với chất ô nhiễm là KLN Fe……..………….117 Bảng 3.22. Bảng cân bằng vật chất đối với các chất ô nhiễm là KLN Zn………….....118 Bảng 3.23. Danh sách các loài thực vật đất ngập nước trong khu vực nghiên cứu có khả năng xử lý ô nhiễ̃m môi trường nước ......................................................................121 Bảng 3.24. Thời gian đạt sinh khối tối ưu của các thực vật thuỷ sinh ........................150 xi Bảng 3.25. Giải pháp sinh học tạo bè nổi trên sông- mô hình đất ngập nước với dòng chả̉y bề mặt sử dụng các loài thực vật cho mục đích xử lý ô nhiễm môi trường nước sông Nhuệ .............................................................................................................151 xii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Bản đồ khu vực sông Nhuệ.……………………………………………28 Hình 2.1. Đoạn sông nghiên cứu..................................................................... ……..35 Hình 2.2. Các bước nghiên cứu của Luận án……………………………………..39 Hình 2.3. Các vị trí lấy mẫu nước, mẫu trầm tích trên sông Nhuệ ........................... …42 Hình 2.4. Mẫu thực vật được dùng cho thí nghiệm...................................................45 Hình 2.5. Các bể đựng mẫu nước và trầm tích dùng cho thí nghiệm…………………………………………..……………………………………………..49 Hình 2.6. Mô hình bể kính dùng cho thí nghiệm ........................................................51 Hình 2.7. Cấu trúc thí nghiệm sử dụng mẫu nước và trầm tích sông nhuệ thu từ 1 vị trí nghiên cứu.................................................................................................52 Hình 3.1. Hàm lượng DO ở các vị trí nghiên cứu trên sông Nhuệ trong giai đoạn 2013- 2015 .......................................................................................................55 Hình 3.2. Hàm lượng N- NH4+ở các vị trí nghiên cứu trên sông Nhuệ trong giai đoạn 2013- 2015………………………………………………………………………..56 Hình 3.3. Hàm lượng P- PO43-ở các vị trí nghiên cứu trên sông Nhuệ trong giai đoạn 2013- 2015………………………………………………………………………..57 Hình 3.4. Hàm lượng Cd trong trầm tích sông Nhuệ trong giai đoạn 2013 – 2015………………………………………………………………………………61 Hình 3.5. Hàm lượng Pb trong trầm tích sông Nhuệ trong giai đoạn 2013 – 2015.……………………………………………………………………………...62 Hình 3.6. Hàm lượng Zn trong trầm tích sông Nhuệ trong giai đoạn 2013 – 2015...………………………………………………………………………….....63 Hình 3.7. Cấu tạo giải phẫu lá cây Thuỷ trúc.……………………………………73 Hình 3.8. Cấu tạo giải phẫu thân cây Thuỷ trúc …………………………………74 Hình 3.9. Cấu tạo giải phẫu của trụ rễ cây Thuỷ trúc............................................75 xiii Hình 3.10. Hàm lượng TN và TP trung bình trong mô của Thuỷ trúc trước và sau thí nghiệm .........................................................................................................78 Hình 3.11. Hiệu quả hấp thụ các chất gây phú dưỡng nguồn nước sông Nhuệ bởi cây Thuỷ trúc trong 2 giai đoạn thí nghiệm .........................................................82 Hình 3.12. Hiệu quả hấp thụ các KLN Fe, Zn trong nước sông Nhuệ bởi cây Thuỷ trúc trong 2 giai đoạn thí nghiệm ........................................................................90 Hình 3.13. Cấu tạo giải phẫu thân cây Rau muống...............................................92 Hình 3.14. Cấu tạo giải phẫu tế bào của thân cây Rau muống...............................84 Hình 3.15. Cấu tạo giải phẫu tế bào của rễ cây Rau muống ..................................85 Hình 3.16. Cấu tạo giải phẫu trụ rễ cây Rau muống .............................................86 Hình 3.17. Hàm lượng TN và TP trung bình trong mô của Rau muống trước và sau thí nghiệm .........................................................................................................90 Hình 3.18. Hiệu quả hấp thụ các chất gây phú dưỡng nguồn nước sông Nhuệ bởi cây Rau muống trong 2 giai đoạn thí nghiệm.......................................................92 Hình 3.19. Hiệu quả hấp thụ các KLN có hàm lượng cao trong nước Fe, Zn bởi cây rau muống trong 2 giai đoạn thí nghiệm .......................................................93 Hình 3.20. Cấu tạo giải phẫu phiến lá cây Ngổ dại...............................................94 Hình 3.21. Cấu tạo giải phẫu thân cây Ngổ dại ..................................................106 Hình 3.22. Cấu tạo sơ cấp rễ cây Ngổ dại............................................................96 Hình 3.23. Hàm lượng TN, TP trung bình trong mô của cây Ngổ dại trước, giữa và cuối thí nghiệm ..................................................................................................99 Hình 3.24. Hiệu quả hấp thụ các chất gây phú dưỡng nguồn nước sông Nhuệ bởi cây Ngổ dại trong 2 giai đoạn thí nghiệm ..........................................................102 Hình 3.25. Hiệu quả hấp thụ các KLN có hàm lượng cao trong nước Fe, Zn bởi cây Ngổ dại trong 2 giai đoạn thí nghiệm ..........................................................103 Hình 3.26. pH trong môi trường nước sông Nhuệ theo thời gian thí nghiệm ........105 Hình 3.27. EC trong môi trường nước sông Nhuệ theo thời gian thí nghiệm........105 Hình 3.28. TSS môi trường nước sông Nhuệ theo thời gian thí nghiệm...............106 Hình 3.29. Do môi trường nước sông Nhuệ theo thời gian thí nghiệm.................107 xiv Hình 3.30. Nhu cầu oxy hoá học COD trong nước sông Nhuệ theo thời gian thí nghiệm ............................................................................................................108 Hình 3.31. Nhu cầu oxy sinh học BOD5 trong nước sông nhuệ theo thời gian thí nghiệm ............................................................................................................109 Hình 3.32. Mật độ Tổng Coliform trong nước sông Nhuệ theo thời gian thí nghiệm…………………………………………………………………………..110 Hình 3.33. N- NH4+ trong nước sông Nhuệ theo thời gian thí nghiệm .................110 Hình 3.34. P- PO43- trong nước sông Nhuệ theo thời gian thí nghiệm ..................111 Hình 3.35. Hàm lượng Fe ở các giai đoạn thí nghiệm.........................................112 Hình 3.36. Hàm lượng Zn ở các giai đoạn thí nghiệm ........................................113 Hình 3.37. Mô hình đất ngập nước với dòng chảy bề mặt sử dụng thực vật thuỷ sinh cải thiện chất lượng nước sông Nhuệở đoạn sông từ Cầu Tó đến Đồng Quan126 Hình 3.38. Mô hình đất ngập nước với dòng chảy bề mặt sử dụng thực vật thuỷ sinh cải thiện chất lượng nước sông Nhuệở đoạn sông từ Đồng Quan đến Cống Thần................................................................................................................128 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Với chiều dài 72km và khoảng gần 10 triệu người sinh sống trong vùng lưu vực có diện tích 1.075km², là khu vực có mật độ dân số cao nhất cả nước, hơn một nghìn người/km2, cũng là vùng có sự phát triển kinh tế xã hội nhanh chóng kèm theo tình trạng đô thị hóa mạnh mẽ, sông Nhuệ có vai trò rất quan trọng đối với các hoạt động kinh tế trong vùng lưu vực, cũng là con sông đang phải chịu nhiều tác động tiêu cực của con người ở Việt Nam [1], [7], [20], [21]. Sông Nhuệ lấy nước từ sông Hồng qua cống Liên Mạc cung cấp nước tưới cho cả vùng lưu vực và là nơi đón nhận mỗi ngày đủ loại nước thải từ nước thải sinh hoạt đến nước thải làng nghề, nước thải công nghiệp, bệnh viện, dịch vụ… từ Hà Nội và các vùng ven sông. Mặc dù nước sông Nhuệ có chứa lượng lớn nước thải nguy hại nhưng lại là nguồn nước tưới cấp cho hầu hết các vùng đất nông nghiệp trong vùng lưu vực và những đầm thuỷ sản ven sông. Khi sử dụng nguồn nước này làm nước tưới, bên cạnh tác dụng có lợi (tận dụng được nguồn dinh dưỡng trong nước thải), thì những nguy cơ có hại cũng là vấn đề cần phải quan tâm vì trong nguồn nước sông có lẫn nước thải này có thể có chứa các chất hữu cơ độc hại hay các vi sinh vật gây bệnh, đặc biệt cũng có thể có sự tồn tại của các kim loại nặng có hại cho cơ thể con người [70], [76]. Các kim loại nặng (KLN) có thể bắt đầu với nồng độ rất thấp tồn tại trong nước hoặc cặn lắng, sau đó được tích tụ vào các mô sống qua chuỗi thức ăn và tiềm ẩn rủi ro tích luỹ trong cơ thể con người, khi nồng độ KLN đủ lớn để gây độc. Bên cạnh đó, hàm lượng quá cao các chất hữu cơ trong nước sông gây nên tình trạng nước sông bốc mùi hôi, có màu đen, làm mất mỹ quan, cảnh quan đẹp đáng có mà một dòng sông có thể đem lại cho con người. Tình trạng suy thoái chất lượng nước bởi các chất ô nhiễm cũng làm mất dần đi các loài sinh vật có ích trong sông do không thể thích nghi được với môi trường ô nhiễm… Sử dụng nước sông Nhuệ đáp ứng tiêu chuẩn nước tưới tiêu của Chính phủ là một nhu cầu cấp thiết và chính đáng của nhân dân, nhằm đảm bảo sức khoẻ cộng đồng cũng như đảm bảo mỹ quan đô thị.Hiện tại, việc khôi phục chất lượng nước 2 sông không thể dựa hoàn toàn vào các biện pháp hóa lý đắt tiền do điều kiện kinh tế đất nước chưa đáp ứng được. Bên cạnh đó, theo kinh nghiệm nghiên cứu ở nhiều nước trên thế giới,việc xử lý nguồn nước sông có lượng lớn nước thải sinh hoạt bằng các phương pháp hoá lý thường xử lý không triệt để và hiệu quả đem lại không cao so với các phương pháp sinh học [57], [62], [63], [73]. Do đó, việc nghiên cứu hiện trạng ô nhiễm nước sông và các quá trình làm sạch nước tự nhiên, đặc biệt là các quá trình làm sạch sinh học để rồi áp dụng các phương pháp tự nhiên này để làm sạch nước là việc làm rất có ý nghĩa trong kinh tế cũng như rất thân thiện với môi trường. Hệ sinh thái sông và lưu vực sông đóng vai trò vô cùng quan trọng, là phần không thể tách rời của môi trường sông, nó tham gia vào các quá trình vận chuyển, tích lũy và đồng hóa chất ô nhiễm, là một trong những tác nhân chính tham gia vào quá trình làm sạch nước. Việc nghiên cứu, đánh giá vai trò cụ thể của hệ sinh thái mà vai trò đặc biệt quan trọng của một số loài có ưu thế vượt trội trong việc hấp thụ các chất ô nhiễm có trong sông làm sạch nước sẽ giúp chúng ta hiểu được một cách rõ ràng hơn về quá trình làm sạch nước của tự nhiên,từ đó xây dựng các giải pháp sinh học nhằm giảm thiểu, khống chế mức độ gia tăng ô nhiễm để bảo vệ hiệu quả nguồn nước, bảo vệ môi trường và cảnh quan thiên nhiên lưu vực sông Nhuệ, tiến tới phát triển bền vững. Từ thực tế nói trên, đề tài “Nghiên cứu thực nghiệm, đánh giá vai trò của một số loài thực vật thuỷ sinh và đề xuất giải pháp sinh học nhằm cải thiện chất lượng môi trường nước sông Nhuệ” sẽ là một nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn và là cơ sở khoa học cho việc xây dựng giải pháp sinh học nhằm giảm thiểu, khống chế mức độ gia tăng ô nhiễm để bảo vệ hiệu quả nguồn nước, bảo vệ môi trường và cảnh quan thiên nhiên lưu vực sông Nhuệ. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Đánh giá được hiện trạng ô nhiễm môi trường nước và trầm tích sông Nhuệ đoạn từ Cầu Tó tới Cống Thần. 3 - Xác định được vai trò của một số loài thực vật thủy sinh có hiệu quả cao trong quá trình làm sạch nước sông Nhuệ. - Đề xuất các giải pháp sinh học nhằm cải thiện chất lượng môi trường nước, phát triển đa dạng sinh học hệ sinh thái sông. 3. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu chất lượng nước và trầm tích sông Nhuệ ở đoạn sông từ Cầu Tó tới Cống Thần và các loại hình xả thải nước vào sông. - Nghiên cứu sự đa dạng thành phần loài thực vật thuỷ sinh (TVTS) có mạch lưu vực sông Nhuệ và tuyển chọn một số loài TVTS có khả năng làm sạch nước hiệu quả cao và phù hợp với môi trường nước sông Nhuệ ở đoạn sông nghiên cứu. - Nghiên cứu bằng thực nghiệm khả năng làm sạch nước của các loài TVTS đã được tuyển chọn. - Đề xuất các giải pháp sinh học hữu ích bảo vệ môi trường nước, phát triển đa dạng sinh học hệ sinh thái sông. 4. Quan điểm nghiên cứu, cách tiếp cận của Luận án Đối tượng nghiên cứu của luận án là môi trường nước, trầm tích sông Nhuệ và các loài TVTS có khả năng làm sạch nước trong một hệ thống thống nhất và hoàn chỉnh. Do vậy, khi nghiên cứu, đánh giá chất lượng nước, trầm tích sông Nhuệ cùng khả năng cải thiện chất lượng nước, trầm tích sông Nhuệ bởi các loài TVTS cần phải xem xét đầy đủ và toàn diện các hợp phần, các đơn vị bộ phận của hệ sinh thái môi trường sông trong mối quan hệ tác động qua lại giữa chúng với nhau. Việc đề xuất các giải pháp nhằm cải thiện chất lượng nước sông Nhuệ cũng tuân thủ theo nguyên tắc phát triển bền vững. Luận án cũng áp dụng cách tiếp cận hệ sinh thái - tập trung cho đối tượng các loài TVTS có mạch và cách tiếp cận sử dụng khôn khéo đất ngập nước để duy 4 trì và phát triển hệ sinh thái của đất ngập nước trong khuôn khổ của phát triển bền vững. 5. Giả thiết khoa học của Luận án Vì những lý do khách quan, nghiên cứu thực nghiệm nuôi trồng các loài TVTS chỉ được tiến hành trong khuôn khổ phòng thí nghiệm bằng những vật liệu là nước, trầm tích sông Nhuệ và các loài TVTS. Trong quá trình nuôi trồng các loài TVTS, các chất ô nhiễm được lấy đi, chất lượng nước được cải thiện hàng ngày, khác với chất lượng nước thực tế ngoài thực địa. Hơn nữa, ngoài thực địa, các yếu tố khí hậu, thời tiết, chế độ dòng chảy,... luôn thay đổi theo các chiều hướng bất lợi hoặc có lợi. Nghiên cứu được tiến hành với giả thuyết không có sự biến đổi của các yếu tố này, nhằm mục tiêu tập trung vào khả năng làm sạch nước của các loài TVTS trong điều kiện thí nghiệm. 6. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu được áp dụng kết hợp nhiều phương pháp khác nhau, trong đó chủ yếu là 3 nhóm phương pháp là nhóm các phương pháp nghiên cứu ngoài thực địa, nhóm các phương pháp trong phòng thí nghiệm và nhóm các phương pháp tổng hợp. 7. Những đóng góp mới Lần đầu tiên đã nghiên cứu đánh giá tổng hợp vai trò của 3 loài TVTS là thuỷ trúc (Cyperus alterfolious hay Cyperus flabelliformis Rottb.), rau muống (Ipomoea aquatica Forsk.), rau ngổ trâu (Enydra fluctuans Lour.) để cải thiện chất lượng nước sông Nhuệ bằng phương pháp thực nghiệm. Kết quả thực nghiệm đã chứng minh 3 loài thuỷ trúc, rau muống, ngổ trâu có khả năng hấp thụ các chất ô nhiễm có hàm lượng cao TN, TP, Fe, Zn trong nước sông Nhuệ thể hiện bởi sau thời gian thực nghiệm, sinh khối thực vật tăng, hàm lượng các chất ô nhiễm trong mô thực vật tăng, giải phẫu mô có những sự biến đổi lớn về kích thước tế bào cho thấy sự thích nghi với môi trường ô nhiễm. Kết quả phân tích chất lượng nước cho thấy ở các bể có trồng thực vật, chất lượng nước sông Nhuệ sau thí nghiệm hầu hết đạt được tiêu chuẩn nước tưới tiêu thuỷ lợi của BTNMT (QCVN 5 08:MT/BTNMT/2015). Kết quả thực nghiệm là cơ sở khoa học cho việc xây dựng giải pháp sinh học thân thiện với môi trường để cải thiện chất lượng nước sông Nhuệ. 8. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn a) Ý nghĩa khoa học - Luận án đã nghiên cứu, kết hợp được các nguồn tài liệu, số liệu (tài liệu về khí hậu, thời tiết, số liệu về chất lượng nước,...) để đánh giá được chất lượng nước, chất lượng trầm tích sông Nhuệ trên đoạn sông từ Cầu Tó tới Cống Thần và vai trò của các loài TVTS thuỷ trúc, rau muống, ngổ trâu trong việc làm sạch nước sông Nhuệ. - Luận án đã đưa ra được giải pháp sinh học sử dụng TVTS để lấy đi một phần các chất ô nhiễm trong sông Nhuệ, là phương pháp làm sạch nước hữu ích có nhiều điểm ưu việt với những tiêu chí như hiệu quả, giá thành thấp, công nghệ đơn giản, thân thiện với môi trường. b) Ý nghĩa thực tiễn Kết quả của luận án góp phần bổ sung cơ sở lý luận và thực tiễn cho việc sử dụng các loài TVTS làm sạch nước sông bị ô nhiễm. Sự thành công của nghiên cứu dẫn đến việc áp dụng nghiên cứu vào việc làm sạch nước sông Nhuệ cũng như rất nhiều dòng sông khác đang bị ô nhiễm trên lãnh thổ sẽ mang lại những giá trị kinh tế và tinh thần to lớn, giúp chúng ta tiến tới sự phát triển bền vững, khẳng định tính đúng đắn của việc phát triển kinh tế đi đôi với việc bảo vệ môi trường sống, cải thiện, giữ gìn nguồn tài nguyên thiên nhiên đáp ứng nhu cầu của thế hệ hiện tại và các thế hệ tương lai. 9. Cấu trúc của Luận án Luận án được bố cục thành 3 Chương, cùng với Phần mở đầu, Phần kết luận và Tài liệu tham khảo. Chương 1. Tổng quan nghiên cứu Chương 2. Đối tượng, phương pháp nghiên cứu Chương 3. Kết quả nghiên cứu 6 Luận án được trình bày 155 trang A4, 34 bảng biểu, 46 hình vẽ, 102 tài liệu tham khảo tiếng Việt và tiếng Anh, Phụ lục. Bố cục luận án gồm: Phần mở đầu (5 trang), Chương Tổng quan tài liệu (27 trang), Chương Đối tượng và phương pháp nghiên cứu (20 trang), Chương Kết quả nghiên cứu và thảo luận 88 trang), Phần kết luận và khuyến nghị (2 trang), Phần tài liệu tham khảo (10 trang) và Phần phụ lục.