Tài liệu Tiểu luận đất ngập nước

MỤC LỤC CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐẤT NGẬP NƯỚC ............................................. 4 1.1. CÁC ĐỊNH NGHĨA VỀ ĐẤT NGẬP NƯỚC.................................................... 4 1.2. CHỨC NĂNG CỦA ĐẤT NGẬP NƯỚC ......................................................... 5 1.2.1. Chức năng sinh thái ...................................................................................... 5 1.2.2. Chức năng kinh tế của đất ngập nước ........................................................ 5 1.2.3. Chức năng xã hội .......................................................................................... 6 1.3. VAI TRÒ CỦA ĐẤT NGẬP NƯỚC .................................................................. 6 1.4. ĐẤT NGẬP NƯỚC TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI VÀ PHÂN LOẠI .......... 7 1.4.1. Lịch sử sử dụng đất ngập nước để làm sạch nước ..................................... 7 1.4.2. Đất ngập nước tự nhiên ................................................................................ 7 1.4.3. Đất ngập nước nhân tạo .............................................................................. 7 1.4.3.1. Theo hệ thống phân loại Ramsar ......................................................... 8 1.4.3.2. Theo hệ thống phân loại ĐNN của tổ chức bảo tồn thiên nhiên quốc tế (IUCN WETLAND CLASSIFICATION, DUGAN, 1999)......................... 9 1.4.3.3. Theo Bộ Khoa học, Công nghệ và Môi trường năm 2001 về việc phân loại đất ngập nước nhân tạo ............................................................................ 9 1.5. SỰ KHÁC BIỆT GIỮA ĐẤT NGẬP NƯỚC TỰ NHIÊN VÀ NHÂN TẠO ................................................................................................................. 11 CHƯƠNG 2. SƠ LƯỢC VỀ ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO ............................. 13 2.1. THÀNH PHẦN CỦA VÙNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO ..................... 13 2.1.1. Nước .............................................................................................................. 13 2.1.2. Chất nền, trầm tích, và rác .......................................................................... 13 2.1.3. Thực vật thủy sinh ........................................................................................ 14 2.1.4. Vi sinh vật ...................................................................................................... 15 2.1.5. Động vật ......................................................................................................... 15 1 2.2. ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO .... 16 2.2.1. Ưu điểm thi công vùng ngập nước .............................................................. 16 2.2.2. Nhược điểm của vùng đất ngập nước nhân tạo ......................................... 16 2.3. DUY TRÌ VÀ BẢO DƯỠNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC ......................................................................................................................... ..17 CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG CỦA MÔ HÌNH ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO ... 19 3.1. MỘT SỐ THỰC VẬT TIÊU BIỂU VÙNG ĐẤT NGẬP NƯỚC .................... 19 3.1.1. Cây bèo tây ................................................................................................... 21 3.1.2. Cây sậy (tên khoa học là Phragmites communis) ..................................... 22 3.1.3. Cỏ Vetiver – Cỏ Hương Bài (Tên khoa học Vetiveria Zizanioides L. thuộc họ Graminae, họ phụ Panicoideae, tộc Andropogoneae, tộc phụ Sorghinae.) .................................................................................................... 23 3.1.4. Cây cỏ nến (Typha) ....................................................................................... 24 3.2. CƠ CHẾ XỬ LÝ NƯỚC THẢI .......................................................................... 24 3.2.1. Các quá trình diễn ra trong hệ thống đất ngập nước................................ 24 3.2.1.1. Quá trình vật lí, hóa học ........................................................................ 24 3.2.1.2. Quá trình sinh học.................................................................................. 25 3.2.2. Cơ chế các quá trình xử lý nước thải .......................................................... 25 3.2.2.1. Loại bỏ các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học .......... 26 3.2.2.2. Loại bỏ chất rắn ............................................................................ 27 3.2.2.3. Cơ chế loại bỏ Nitơ........................................................................ 28 3.2.2.4. Cơ chế loại bỏ photpho ................................................................. 30 3.2.2.5. Cơ chế loại bỏ kim loại nặng ........................................................ 30 3.2.2.6. Loại bỏ các hợp chất hữu cơ ........................................................ 31 CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI ...........................................33 4.1. TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ .................................................................................. 33 2 4.1.1. Vị trí xây dựng .............................................................................................. 34 4.1.2. Thổ nhưỡng ................................................................................................... 34 4.1.3. Yếu tố thủy văn ............................................................................................. 34 4.1.4. Kỳ vọng hiệu suất.......................................................................................... 35 4.2. CÁC MÔ HÌNH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO ................................................................................................................ 35 4.2.1. Hệ thống dòng chảy trên bề mặt (Free water surface - FWS) .................. 35 4.2.2. Hệ thống dòng chảy ngang dưới mặt đất (Horizontal subsurface flow - HSF) .......................................................................................................................... 35 4.2.3. Hệ thống với dòng chảy thẳng đứng (Vertical subsurface flow - VSF) ........................................................................................................................... 36 4.3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ...................................................................................... 38 4.3.1. Thiết kế hệ thống đất ngập nước nhân tạo dòng chảy mặt (FWS) .......... 39 4.3.1.1. Mô hình liên tục – sequential model ..................................................... 39 4.3.1.2. Cơ sở tính toán, thiết kế hệ thống FWS ................................................ 41 4.3.2. Thiết kế hệ thống đất ngập nước nhân tạo dòng chảy ngầm (SFS) ......... 45 CHƯƠNG 5. TỒ CHỨC QUAN TRẮC VÀ QUẢN LÝ HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO .................................................................................................... 48 5.1. QUAN TRẮC CHẤT LƯỢNG NƯỚC .............................................................. 48 5.2. QUẢN LÝ THẢM THỰC VẬT TRONG HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC ............................................................................................................. 48 5.3. QUAN TRẮC ĐẤT NGẬP NƯỚC TRONG HỆ THỐNG .............................. 49 KẾT LUẬN .................................................................................................................. 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 51 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐẤT NGẬP NƯỚC 1.1. CÁC ĐỊNH NGHĨA VỀ ĐẤT NGẬP NƯỚC Định nghĩa về đất ngập nước có thể chia làm 2 nhóm chính: một nhóm theo nghĩa rộng và một nhóm theo nghĩa hẹp: - Nhóm định nghĩa theo nghĩa rộng được nhiều người công nhận nhất là công ước Ramsar (năm 1971): "Đất ngập nước bao gồm: những vùng đầm lầy, đầm lầy than bùn, những vực nước bất kể là tự nhiên hay nhân tạo, những vùng ngập nước tạm thời hay thường xuyên, những vực nước đứng hay chảy, là nước ngọt, nước lợ hay nước mặn, kể cả những mực nước biển có độ sâu không quá 6m khi triều thấp". - Theo nghĩa hẹp: Nhìn chung đất ngập nước là khu vực chuyển tiếp giữa đất và nước, đới chuyển tiếp sinh thái. Những nơi mà sự ngập nước của đất gây ra sự phát triển của một hệ sinh thái đặc trưng, bao gồm một loạt các môi trường ẩm ướt như đầm lầy, đồng cỏ ẩm ướt, đất ngập nước thủy triều, vùng ngập và ven sông vùng đất ngập nước dọc theo dòng kênh. Phạm vi phân bố và diện tích của đất ngập nước: - Đất ngập nước xuất hiện ở mọi nơi từ địa cực tới xích đạo. Hiện nay, người ta vẫn chưa biết chính xác diện tích đất ngập nước chiếm bao nhiêu phần trăm diện tích bề mặt Trái Đất. - UNEP (Chương trình Môi trường Liên hiệp quốc) cho rằng diện tích đất ngập nước vào khoảng 570 triệu hecsta (5,7 triệu km²), tức là khoảng 6% diện tích bề mặt của trái đất, bao gồm 2% là hồ, 30% là bãi lầy, 20% là đầm lầy và 15% là đồng bằng cửa sông. - Mitsch và Gosselink trong cuốn sách giáo khoa: “ Tiêu chuẩn đất ngập nước’’ (tái bản lần thứ 4, năm 2000) cho biết diện tích cây Đước bao phủ khoảng 240.000 km², diện tích San hô vào khoảng 600.000 km² ở vùng ven biển và trên toàn thế giới. - Tuy nhiên trong báo cáo đánh giá toàn cầu về tài nguyên đất ngập nước của Ramsar tổ chức vào năm 1999, chỉ ra rằng diện tích này trên toàn cầu tối thiểu là từ 748-778 triệu hécta, còn nếu căn cứ vào các nguồn thông tin khác nữa thì con số “tối thiểu” này có thể tăng lên từ 999 đến 4.462 triệu hécta. 1.2. CHỨC NĂNG CỦA ĐẤT NGẬP NƯỚC 4 Đất ngập nước cung cấp một số chức năng và giá trị (chức năng đất ngập nước là quá trình cố hữu xảy ra trong vùng đất ngập nước; giá trị đất ngập nước là các thuộc tính của vùng đất ngập nước xã hội nhận thức là có lợi). Trong khi không phải tất cả vùng đất ngập nước cung cấp tất cả các chức năng và giá trị, hầu hết các vùng đất ngập nước cung cấp một số. Trong những trường hợp thích hợp. xây dựng vùng đất ngập nước có thể cung cấp một số chức năng: 1.2.1. Chức năng sinh thái - Nạp nước ngầm - Hạn chế ảnh hưởng lũ lụt - Ổn định vi khí hậu - Chống sóng biển, ổn định bờ biển và chống xói mòn - Xử lý nước, giữ lại chất cặn, chất độc… - Giữ lại chất dinh dưỡng - Sản xuất sinh khối - Giao thông thuỷ - Giải trí, du lịch - Cải thiện chất lượng nước 1.2.2. Chức năng kinh tế của đất ngập nước - Tài nguyên rừng: cung cấp một loạt các sản phẩm quan trọng như gỗ, than, củi và các sản phẩm khác như nhựa, tinh dầu, tanin, dược liệu …Nhiều vùng ĐNN giàu động vật hoang dã đặc biệt là các loài chim nước, cung cấp các sảnphẩm có giá trị thương mại cao. - Thuỷ sản: Môi trường sống và nơi cung cấp thức ăn cho cá, loài thuỷ sản. - Tài nguyên cỏ và tảo biển: Thức ăn của nhiều loại thuỷ sinh vật, người và gia súc, ngoài ra còn làm phân bón và dược liệu… - Sản phẩm nông nghiệp: các ruộng lúa nước chuyển canh hoặc xen canh với các cây hoa màu khác tạo nên nhiều sản phẩm quan trọng của vùng đất ngập nước. - Cung cấp nước ngọt: Là nguồn cung cấp nước ngọt cho sinh hoạt, tưới tiêu, cho chăn nuôi gia súc và sản xuất công nghiệp. 5 - Tiềm năng năng lượng: Than bùn, các đập, thác nước… là những nguồn năng lượng quan trọng. 1.2.3. Chức năng xã hội - Tạo cảnh quan, vui chơi, giải trí - Giá trị văn hoá: lễ hội, giáo dục, nghiên cứu… - Giá trị đa dạng sinh học  Nhận thức được giá trị lợi ích của vùng đất ngập nước, kết hợp với chất lượng và minh chứng môi trường sẽ dẫn đến việc xây dựng đất ngập nước nhân tạo cho nhiều mục đích. 1.3. VAI TRÒ CỦA ĐẤT NGẬP NƯỚC Đất ngập nước còn có vai trò quan trọng trong thiên nhiên và môi trường như : - Lọc nước thải: một vùng đất ngập nước có giá trị khoảng vài chục hectar sẽ có khả năng lọc và xử lý nước thải tương đương với một trạm xử lý nước nhiều triệu dollars. Ước tính khoảng 70%N- NH4, 99% nitrir và N – NO3 và 95% P tổng số hòa tan được loại bỏ khi nước thải đi qua ĐNN. - Nạp và ổn định nước ngầm: nước được thấm từ các vùng đất ngập nước xuống các tầng ngập nước trong lòng đất, nước được giữ ở đó và điều tiết thành dòng chảy bề mặt ở vùng ĐNN khác cho con người sử dụng. - Hạn chế ảnh hưởng lũ lụt: Bằng cách giữ và điều hào lượng nước mưa như “bồn chứa” tự nhiên, giải phóng nước lũ từ từ, từ đó có thể làm giảm hoặc hạn chế lũ lụt ở vùng hạ lưu. - Điều hòa khí hậu, chống xói mòn, ổn định bờ biển, chắn gió bão. Cùng với Năm quốc tế về Đa dạng sinh học do Liên Hợp Quốc tuyên bố, năm 2010 theo Công ước Ramsar còn có chủ đề là “Đất ngập nước, Đa dạng sinh học và Biến đổi khí hậu”. Đây là những vấn đề đang được thảo luận nhiều nhất trên thế giới, đặc biệt khi biến đổi khí hậu đang ngày càng gia tăng ảnh hưởng trên toàn cầu. Trong khi đó, nhiều nghiên cứu cho thấy, đất ngập nước có thể làm giảm những tác động từ biến đổi khí hậu, mặc dù chúng chỉ chiếm 6-8% diện tích bề mặt Trái đất. Chính bởi giá trị quan trọng đó, thông điệp cho Ngày Đất ngập nước Thế giới năm nay (02/02/2010) là “Chăm sóc vùng đất ngập nước – giải pháp cho biến đổi khí hậu”. Do chu trình trao đổi chất và nước trogn các hệ sinh thái, nhờ lớp phủ thực vật của ĐNN, sự cân bằng của O2 và CO2 trong khí 6 quyển làm cho vi khí hậu đại phương được ổn định, đặc biệt là nhiệt độ và lượng mưa ổn định. - Là nơi trú chân của nhiều loài động vật hoang dã, đặc biệt là các loại chim nước, trong đó có nhiều loại quý hiếm, có ý nghĩa quốc tế. Các hệ sinh thái rừng ngập mặn và rừng tràm có nhiều giá trị trong việc cung cấp sản phẩm, duy trì cân bằng sinh thái và bảo tồn thiên nhiên; cung cấp nơi kiếm ăn, khu cư trú cho các loài chim qúi hiếm như: Sếu đầu đỏ, cồng cộc, ô tác, giang sen,... 1.4. ĐẤT NGẬP NƯỚC TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI VÀ PHÂN LOẠI 1.4.1. Lịch sử sử dụng đất ngập nước để làm sạch nước Đất ngập nước được sử dụng để cải thiện chất lượng nước đã được biết đến vào những thập kỷ 30 của thế kỷ trước, nhưng hầu hêt là các loại đất ngập nước tự nhiên (U.S. EPA, 1999). Những nghiên cứu xây dựng đất ngập nước để xử lý nước thải bắt đầu vào những năm 1950 ở Đức, ở Hoa Kỳ vào những năm 1970 đến 1980 và phát triển mạnh trong những năm 1990, người ta xây dựng nhiều hệ thống xử lý nước thải bằng đất ngập nước va áp dụng rộng rải không chỉ để xử lý nước thải đô thị mà còn để xử lý nước thải cho các khu công nghiệp vùng khai khoáng và nước thải công nghiệp. Do vậy đất ngập nước để xử lý nước thải gồm có hai loại: Đất ngập nước tự nhiên và đất ngập nước nhân tạo. 1.4.2. Đất ngập nước tự nhiên Đất ngập nước tự nhiên là những vùng ngập nước thường xuyên có nhiều loại cây chịu nước như lau, sậy chứa đựng rất nhiều loài vi sinh sống dưới lớp bề mặt có tiềm năng oxy hóa và tiềm năng khử khác nhau cũng như hỗ trợ tính đa dạng của những loài vi sinh vật như vi khuẩn, nấm, actinomycetes, động vật nguyên sinh. Những loài này phân huỷ những thành phần hữu cơ và vô cơ được đưa vào hệ thống. 1.4.3. Đất ngập nước nhân tạo So với vùng đất ngập nước tự nhiên đang ngày càng mất đi thì việc xây dựng vùng đất ngập nước nhân tạo là thiết yếu hơn và lợi ích thiết thực hơn khi dùng để xử lý nước thải. Một vùng đất ngập nước được thiết kế và xây dựng có thảm thực vật dùng để lọc và xử lý chất ô nhiễm trong nước thải (cải thiện chất lượng nước) chảy qua các hệ thống này được gọi là đất ngập nước nhân tạo. Hệ thống này được xây dựng mô phỏng 7 cấu trúc và chức năng của vùng đất ngập nước tự nhiên và chúng còn có một cộng đồng vi sinh vật phong phú để thực hiện việc chuyển đổi các ion trong nước, thực hiện các quá trình sinh hóa, hấp thụ, hập phụ chất gây ô nhiễm, đặc biệt hệ thống này có thể tự duy trì các hoạt động. Đất ngập nước nhân tạo không có khái niệm rõ ràng mà chỉ là những bảng hệ thống phân loại. Tùy theo tổ chức, mục đích nghiên cứu mà có sự phân loại đất ngập nước khác nhau. 1.4.3.1. Theo hệ thống phân loại Ramsar Đất ngập nước nhân tạo 1 Các đầm/ ao nuôi trồng thủy sản (như các đầm nuôi tôm/cá). 2 Các ao; bao gồm các ao nông nghiệp, các ao nuôi, các bể chứa nhỏ (nhìn chung nhỏ hơn 8ha). 3 Đất được tưới tiêu; bao gồm các kênh mương tưới tiêu và các ruộng lúa. 4 Đất nông nghiệp ngập theo mùa (bao gồm các đồng cỏ ngập nước hoặc đồng cỏ dùng để chăn thả gia súc hoặc được quản lý một cách tích cực). 5 Các điểm khai thác muối; các ruộng/ hồ muối, nước mặn… 6 Các khu vực trữ nước; hồ chứa/đập nước/đập chắn/ đập tràn (nhìn chung trên 8 ha). 7 Các nơi đào; các mỏ cuội/gạch/sét; các mỏ đất mượn, các moong mỏ. 8 Các vùng xử lý nước thải; các bãi chứa nước thải sinh hoạt, các ao lắng, các bể ôxy hóa… 9 Các con kênh, rạch thoát nước, các mương nhỏ 10 Các hệ thống thủy văn castơ ngầm và hang động nhân tạo 8 1.4.3.2. Theo hệ thống phân loại ĐNN của tổ chức bảo tồn thiên nhiên quốc tế (IUCN WETLAND CLASSIFICATION, DUGAN, 1999) Đất ngập nước nhân tạo 1 Canh tác thủy/hải sản Ao nuôi trồng thủy sản, kể cả các ao cá và ao tôm. Các ao đang canh tác, ao giống và ao nhốt cá. 2 Nông nghiệp Đất được tưới nước và các kênh dẫn nước, bao gồm cả các đồng lúa, kênh và rạch. Đất trồng trọt, ngập nước theo mùa. 3 4 Khai thác muối Những ruộng muối Đô thị/Công nghiệp Các hồ chứa nước dùng để tưới tiêu sinh hoạt và thải nước, và những vùng ngập nước theo mùa. Đập nước với mực nước thay đổi thường xuyên hàng tuần hoặc hàng tháng. 1.4.3.3. Theo Bộ Khoa học, Công nghệ và Môi trường năm 2001 về việc phân loại đất ngập nước nhân tạo Bên cạnh hệ thống phân loại quốc tế, nước ta cũng có nhiều hệ thống phân loại để quản lí và sử dụng tài nguyên ĐNN hiệu quả. Trong đó, ĐNN nhân tạo cũng được phân loại rất rõ ràng. Đất ngập nước nhân tạo 1 Các đầm ao nuôi trồng thuỷ sản (ví dụ: tôm,cá). 2 Các đầm, bao gồm cả những đầm canh tác, hồ chứa nhỏ (tổng quát trên 8 ha). 3 Đất có nước tưới; bao gồm cả các mương, kênh dẫn nước và ruộng lúa. 4 Đất canh tác ngập nước theo mùa. 9 5 Vùng khai thác muối; các đầm muối, các hồ nước mặn, v.v… 6 Những vùng trữ nước, các hồ chứa, đập nước, những vùng úng nước (tổng quát rộng trên 8 ha). 7 Các hố đào; nơi khai thác sỏi, đất sét, làm gạch, các mỏ lấy đá, hầm lấyvật liệu, các hầm khai quặng v.v… 8 Các9 vùng xử lý nước thải, nơi thoát nước, các đầm lắng, v.v… 9 Sông đào, kênh mương thoát nước. Sở dĩ có sự phân loại như vậy là do các loại hình đất ngập nước đều có đặc điểm chung là những khu đất có đủ độ ẩm (đất bị ngập hoặc bị bão hòa bởi nước mặt hoặc nước ngầm), tần suất và thời gian lưu nước đủ dài để thực vật có thể thích nghi với điều kiện đất đai kỵ khí, hạn chế sự phát triển của những thực vật hiếu khí. Chế độ thủy văn của vùng đất ngập nước nói chung là một dòng chảy chậm trong vùng nước nông hoặc bị bão hòa. Hình 1.1. Sơ đồ một vùng đất ngập nước 1.5. SỰ KHÁC BIỆT GIỮA ĐẤT NGẬP NƯỚC TỰ NHIÊN VÀ NHÂN TẠO Trái ngược với vùng đất ngập nước tự nhiên, vùng đất ngập nước nhân tạo do chính con người xây dựng và vận hành với những chức năng mang tính cạnh tranh nhiều hơn 10 so với vùng ngập nước tự nhiên để phục vụ cho những nhu cầu khác nhau của con người. Đất ngập nước nhân tạo được tạo ra từ hệ sinh thái trên cạn, không ngập nước, một môi trường trước đây là mặt đất, mục đích chính dùng để loại bỏ những chất gây ô nhiễm trong nước thải. Khác biệt chính giữa vùng đất ngập nước nhân tạo và đất ngập nước tự nhiên là mức độ kiểm soát đối với các quá trình tự nhiên. Chẳng hạn vùng đất ngập nước nhân tạo hoạt động với lưu lượng dòng chảy tương đối ổn định qua hệ thống, ngược lại cân bằng nước của vùng đất ngập nước tự nhiên thường xuyên thay đổi, chủ yếu là do ảnh hưởng của giáng thuỷ. Hệ sinh thái đất ngập nước ở vùng đất ngập nước nhân tạo thường xuyên bị ảnh hưởng bởi lũ lụt, mặt nước chảy tràn. Nồng độ tổng chất rắn lơ lửng (TSS), nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) và các thành phần nước thải khác trong hệ thống xử lý đất ngập nước nhân tạo luôn cao hơn trong hệ thống đất ngập nước tự nhiên. Thay đổi nhiệt độ cũng ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý vùng đất ngập nước được nhân tạo, ảnh hưởng đến quá trình lắng, lọc các chất ô nhiễm. Vùng đất ngập nước tự nhiên đa dạng hơn về các loài thực vật. Hệ thống ngập nước nhân tạo hầu hết là đầm lầy, là những vùng nước nông, thảm thực vật ở đây chủ yếu là những loài thực vật thân cỏ có chức năng hấp phụ, xử lý nước thải như cây bồ hoàng, cỏ bấc, lau sậy, bèo tây,… Hình 1.2. Cây Bồ Hoàng Hình 1.3. Lau sậy 11 Hình 1.4. Cây cỏ bấc Hình 1.5. Cây bèo tây 12 CHƯƠNG 2 SƠ LƯỢC VỀ ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO 2.1. THÀNH PHẦN CỦA VÙNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO Một vùng đất ngập nước được xây dựng bao gồm một lưu vực thiết kế có chứa nước, chất nền và phổ biến nhất là thực vật có mạch. Các thành phần này có thể ảnh hưởng trong việc xây dựng một vùng đất ngập nước nhân tạo. Thành phần quan trọng khác của vùng đất ngập nước, chẳng hạn như các cộng đồng của các vi khuẩn và động vật thuỷ sinh phát triển tự nhiên. Vùng đất ngập nước có khả năng hình thành nơi địa hình lõm nông và ở lớp dưới bề mặt có lớp nền tương đối ngăn không cho nước mặt thấm vào lòng đất. Những điều kiện này có thể được tạo ra để một vùng đất ngập nước nhân tạo. 2.1.1. Nước Thủy văn là yếu tố quan trọng nhất trong thiết kế xây dựng vùng đất ngập nước vì nó liên kết tất cả các chức năng trong một vùng đất ngập nước và bởi vì nó được xem như là yếu tố cơ bản trong sự hình thành nên một vùng đất ngập nước xây dựng. Thiết kế chế độ thủy văn của vùng đất ngập nước nhân tạo cần lưu ý ở một số khía cạnh quan trọng: - Thay đổi nhỏ trong chế độ thủy văn có thể có ảnh hưởng khá đáng kể về trên một vùng đất ngập nước và hiệu suất xử lý của nó. - Vì diện tích bề mặt của nước lớn và độ sâu của hệ thống có thể tương tác mạnh mẽ với không khí thông qua lượng mưa và lượng bốc hơi (nước trong hệ thống mất đi bằng cách bốc hơi từ bề mặt nước, thông qua sự hấp thụ và bốc hơi của thực vật,…) - Mật độ của thảm thực vật của vùng đất ngập nước có sự ảnh hưởng mạnh mẽ chế độ dòng chảy thủy văn, đầu tiên bằng cách cản trở dòng chảy bởi thông qua mạng lưới của thân, lá, rễ và thứ hai là bằng cách ngăn chặn tiếp xúc với gió và mặt trời. 2.1.2. Chất nền, trầm tích, và rác Chất nền dùng để xây dựng vùng đất ngập nước bao gồm đất, cát, sỏi, đá, và các vật liệu hữu cơ như phân trộn. Điển hình là các trầm tích và rác (xác thực vât chết, lá cây khô,…) sau đó tích tụ trong đất ngập nước cùng với vận tốc nước chảy thấp nên 13 hiệu suất xử lý của vùng đất ngập nước cao. Các chất nền, trầm tích, và xả rác là quan trọng vì nhiều lý do: - Nó hỗ trợ rất nhiều các sinh vật sống trong vùng đất ngập nước. - Bề mặt thấm ảnh hưởng đến sự di chuyển của nước qua vùng đất ngập nước - Biến đổi nhiều hóa chất và sinh học (đặc biệt là vi khuẩn) diễn ra trong chất nền - Chất cung cấp lưu trữ nhiều chất gây ô nhiễm - Sự tích tụ rác làm tăng lượng chất hữu cơ trong đất ngập nước. Chất hữu cơ cung cấp cho các nhiên liệu cho quá trình trao đổi của vi sinh vật, và cacbon là một nguồn năng lượng mà một số phản ứng sinh học quan trọng trong vùng đất ngập nước. Các đặc tính vật lý - hóa học của đất và bề mặt khác bị thay đổi khi chúng đang bị ngập trong nước. Trong một nền bão hòa, nước chiếm chỗ không khí trong khí quyển trong các khe hở và sự trao đổi chất của vi sinh vật tiêu thụ oxy. Kể từ khi oxy được tiêu thụ nhanh hơn so với nó có thể được thay thế bằng sự khuếch tán trong không khí, các chất nền trở nên thiếu oxy (không có oxy). Giảm môi trường này là rất quan trọng trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm như nitơ và kim loại. 2.1.3. Thực vật thủy sinh Có hai loại thực vật quan trọng trong vùng ngập nước nhân tạo là: thực vật có mạch (các thực vật bậc cao) và thực vật không có mạch (tảo). Sự quang hợp của tảo làm tăng hàm lượng oxy hòa tan trong nước do đó ảnh hưởng đến việc hấp thụ chất dinh dưỡng và kim loại. Các loài thực vật thủy sinh tuy không đa dạng bằng các loài phát triển trên cạn nhưng thực vật thủy sinh cũng phát triển phong phú ở nhiều nơi trên Trái Đất, đặc biệt là ở những vùng có khí hậu nhiệt đới và cận nhiệt đới. Thực vật thủy sinh là những loài có khả năng thích nghi cao với môi trường sống ngập trong nước và một số trong các loài đó có khả năng xử lý các chất ô nhiễm trog nguồn nước với hiệu qua rất cao. Thực vật thủy sinh còn được phân chia thành 3 nhóm: nhóm thực vật ngập nước, nhóm thực vật trôi nổi, nhóm thực vật nữa ngập nước. Thực vật có mạch đóng góp vào việc xử lý nước thải và dòng chảy trong một số yếu tố như sau: - Chúng ổn định bề mặt nước và hạn chế phân kênh lưu lượng. 14 - Chúng làm chậm vận tốc nước, cho phép các vật liệu có đủ thời gian để xử lý. - Chúng loại bỏ carbon, chất dinh dưỡng (N, P), nguyên tố vi lượng và kết hợp với nhau tạo thành thảm thực vật để vận chuyển khí của khí quyển và vào vùng rễ đi vào trong nước tạo ra sự oxy hóa trong chất nền. Hệ thống gốc và rễ của chúng cung cấp nơi bám của vi sinh vật khi chúng chết hoặc mục. Xây dựng vùng đất ngập nước thường được trồng với thảm thực vật nổi (thực vật thân mềm phát triển với nguồn gốc từ chất nền và thân cây, lá nổi lên từ mặt nước). Sử dụng phổ biến trong vùng đất ngập nước được xây dựng bao gồm: cây hương bồ, cỏ đuôi mèo, lau sậy, và một số loài cây lá rộng. 2.1.4. Vi sinh vật Một đặc điểm cơ bản về chức năng của vùng đất ngập nước được quyết định bởi phần lớn các vi sinh vật và sự trao đổi chất. Các vi sinh vật bao gồm vi khuẩn, nấm, sinh vật đơn bào, tảo,...Một số hoạt động của vi sinh vật: - Nó chuyển một số lượng lớn các chất hữu cơ và vô cơ thành chất thành các hợp chất đơn giản hoặc không hòa tan - Nó làm giảm hoặc thay đổi quá trình oxy hóa (oxi hóa khử) trên bề mặt và do đó ảnh hưởng đến hiệu suất xử lý của vùng đất ngập nước. - Vi sinh vật tham gia vào việc tái sử dụng các chất dinh dưỡng. Một số biến đổi của vi sinh vật là thực hiện trong quá trình hiếu khí trong khi những vi sinh vật khác là kỵ khí. Nhiều loài vi khuẩn kỵ khí tuỳ biến có nghĩa là nó có khả năng hoạt động theo cả hai điều kiện hiếu khí và kỵ khí để ứng phó với sự thay đổi điều kiện của môi trường. Các quần thể vi sinh vật của vùng đất ngập nước được xây dựng có thể bị ảnh hưởng bởi các chất độc hại như thuốc trừ sâu, kim loại nặng do đó phải được thực hiện xử lý sơ bộ để ngăn chặn hóa chất ở mức độ gây hại. 2.1.5. Động vật Vùng đất ngập nước nhân tạo cung cấp môi trường sống cho đa dạng các loài động vật không xương sống và động vật có xương sống. Động vật không xương sống như côn trùng và sâu đóng góp vào quá trình xử lý bằng cách phân mảnh vụn và tiêu thụ chất hữu cơ. Các ấu trùng của nhiều loài côn trùng là thủy sản tiêu thụ một lượng đáng kể vật liệu trong giai đoạn ấu trùng của chúng, mà có thể kéo dài trong nhiều năm. Động vật không xương sống cũng có một số vai trò sinh thái. Ví dụ ấu trùng 15 chuồn chuồn là loài săn mồi quan trọng của ấu trùng muỗi. Xây dựng vùng đất ngập nước cũng thu hút một loạt các động vật lưỡng cư, rùa, chim và động vật có vú khác. 2.2. ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO 2.2.1. Ưu điểm thi công vùng ngập nước - Cần xây dựng vùng đất ngập nước một cách tiếp cận, có hiệu quả chi phí, có tính khả thi trong kỹ thuật để xử lý nước thải và dòng chảy: + Vùng đất ngập nước có thể ít tốn kém và cũng khá cạnh tranh để xây dựng so với các phương pháp xử lý khác (chi phí vận hành bảo dưỡng (năng lượng, vật tư) thấp). + Vận hành và bảo trì chỉ theo định kỳ, chứ không phải là liên tục giúp tiết kiệm chi phí. + Vùng đất ngập nước có thể chịu được những biến động về dòng chảy (tạo điều kiện cho tái sử dụng và tái chế nước). - Ngoài ra: + Cung cấp môi trường sống cho nhiều sinh vật đất ngập nước + Hài hòa với cảnh quan và cung cấp môi trường sống cho động vật hoang dã (Reed và cộng sự năm 1995, Gampel năm 2003). + Cung cấp nhiều lợi ích ngoài việc cải thiện chất lượng nước, môi trường sống như động vật hoang dã và nâng cao thẩm mỹ của không gian mở + Chịu được sự thay đổi lớn về lưu lượng cũng như hàm lượng các chất ô nhiễm trong nước thải. + Nguồn nước sau khi xử lý nếu đạt tiêu chuẩn cho phép thì hoàn toàn an toàn cho mục đích sử dụng khác như sử dụng cho các công trình thủy lợi, rửa, vệ sinh,… + Lợi ích kinh tế có thể được bắt nguồn từ việc nuôi trồng thủy hải sản, tiềm năng về Giáo dục và giải trí (thực hành nghiên cứu khoa học,…) 2.2.2. Nhược điểm của vùng đất ngập nước nhân tạo Hạn chế chủ yếu của vùng đất ngập nước liên qun đến diện tích cần thiết để xây dựng, chi phí đầu tư cho công trình, quản lý những ảnh hưởng của hệ thống: 16 + Thường yêu cầu diện tích đất lớn hơn làm hệ thống xử lý nước thải thông thường. Xử lý vùng đất ngập nước có thể tiết kiệm so với các tùy chọn khác chỉ nơi có đất có sẵn và giá cả phải chăng. + Yêu cầu một số chi phí tối thiểu + Việc thiết kế chế độ thủy lực khó đạt được hiệu quả tối ưu + Các thành phần sinh học rất nhạy cảm với hóa chất độc hại, chẳng hạn như amoniac và thuốc trừ sâu. + Các chất ô nhiễm hoặc nước dâng trong dòng nước có thể tạm thời làm giảm hiệu quả xử lý để tồn tại. + Sự tích tụ chất ô nhiễm trong đất ngập nước có thể không ổn định về lâu dài. Ngoài ra, việc sử dụng các vùng đất ngập nước xây dựng để xử lý nước thải và kiểm soát nước mưa là một phát triển khá gần đây. Nhưng chưa có sự thống nhất về việc thiết kế hiệu suất tối ưu của hệ thống đất ngập nước. 2.3. DUY TRÌ VÀ BẢO DƯỠNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC - Xác định vị trí của bồn chứa, việc này sẽ giúp ngăn chặn các hoạt động có thể gây tổn hại các bồn chứa. - Bảo tồn, duy trì mực nước trong thời gian hoạt động là điều quan trọng. Đưa vào quá nhiều nước sẽ không đảm bảo đủ thời gian cho các chất rắn lắng xuống, làm tách riêng biệt. - Hạn chế sử dụng các bồn chứa phụ - Giảm thiểu hoặc loại bỏ việc sử dụng các sản phẩm tạo rác (xác thực vật chết, cây mục,…) vào hệ thống. Thức ăn, chất thải giấy, khăn, báo chí, nhựa, dầu mỡ, bã trà, cà phê,…được xả vào hệ thống sẽ dẫn đến nhu cầu phải bơm thường xuyên hơn. Ngoài ra các vi sinh vật trong hệ thống cũng không có khả năng phân hủy các nguyên vật liệu kiểu này. - Không phun vào hệ thông các chất độc hại như: thuốc trừ sâu, thuốc diệt côn trùng, axit,… - Giảm thiểu việc sử dụng các chất nguy hại chẳng hạn như chất tẩy và chất làm sạch. Những chất này có thể ảnh hưởng hoặc gây chết đối với sinh vật trong hệ thống. 17 - Không dẫn nước từ hồ bơi, bình nước nóng vào hệ thống, đặc biệt là các loại nước có chứa Cholorinated. - Không kết nối mái cống, tầng hầm hoặc ống cống vào hệ thống. - Trước khi trồng cây, luôn rũ sạch đất quanh các gốc cây bởi nó có thể chứa những viên sỏi làm cản trở dòng chảy. - Thử nghiệm với các giống thực vật khác nhau, cây được sử dụng trong các đầm lầy nên được lựa chọn cẩn thận, không chỉ cho các chức năng của hệ thống trong xử lý mà còn đảm bảo tính mỹ quan. - Không được sử dụng sỏi đá vôi trong các đầm lầy. Việc sử dụng chúng sẽ ngăn cản tốc độ tăng trưởng của cây trồng trong hệ thống. 18 CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG CỦA MÔ HÌNH ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO Dựa trên những cơ sở nêu trên, việc ứng dụng đất ngập nước trong xử lý, loại bỏ các chất thải độc hại trong môi trường nước là phương pháp mang lại hiệu quả cao, tiết kiệm chi phí, không gây ảnh hưởng lại đối với môi trường, có khả năng thay thế các phương pháp hóa lí truyền thống. Đó là việc xây dựng mô hình đất ngập nước nhân tạo (Constructed wetlands). 3.1. MỘT SỐ THỰC VẬT TIÊU BIỂU VÙNG ĐẤT NGẬP NƯỚC Tên thông thường Tên khoa học Thực vật thủy Hydrilla Hydrilla Verticillata sinh sống chìm Water Milfoil Myriophyllum spocatum Blyxa Blyxa aubertii Lục bình (bèo tây) Eichhornia cuasipes Bèo tấm Wolfia arrhiga Bèo tai tượng Pistia stratiotes Salvinia Salvinia spp Cattails Typha spp Bulrush Scurpus spp Sậy Phragmites communis Loài Thực vật thủy sinh sống trôi nổi Thực vật thủy sinh nữa ngập nước Cỏ Vetiver (cỏ Hương Vetiveria Zizanioides L. Bài) Bảng 3.1. Một số yêu cầu về môi trường sống của thực vật thủy sinh 19 Các loại Tên thông dụng (tiếng Nơi phân thực vật Việt/tiếng Anh), tên nước khoa học Rong Thực vật thủy Potamogeton spp sinh Eurasian wateraifoil sống bố Nhiệt độ môi trường C Tối ưu Tối ưu Nồng o độ Có thể muối Mực chịu được tối đa ‰ nước (cm) pH Khắp nơi 18 - 26 23 - 26 15 - 6.3 - 10 Khắp nơi 10 - 25 - 10 - 5 - 10 Vùng ẩm 10 - 25 - 3.8 - 7.1 - 8.7 Nhiệt đới 20 - 30 và cận nhiệt đới 10 2.5 - 5.9 - 7 Khắp nơi >10 5 16.6 - 3.5 - 11 Khắp nơi 20 - 30 5 7 - 4.5 - 7.5 Khắp nơi 10 - 30 12 - 24 30 15 - 100 4 - 10 Khắp nơi 12 - 33 10 - 30 45 -30 -150 2 - 8 18 - 25 -10- 48 - 600 Myriophylam spacitom chìm Rong đuôi chẻ Cearatophyllum demersum Thực Bèo tây/ Eichhornia vật thủy sinh Dương xỉ nước sống trôi nổi Azolla spp Bèo tấm Lemna spp Cỏ nến Thực vật thủy Typha spp sinh Sậy nữa Cỏ Hương Bài ngập nước - Pharagmites communis Bảng 3.2. Nhiệm vụ của các thành phần thủy sinh rong hệ thống xử lí Phần cơ thể Nhiệm vụ 20