Tài liệu Nghiên cứu tính đa dạng thực vật đất ngập nước của sông nhuệ đáy (phần chảy qua tỉnh hà nam) và khả năng sử dụng chúng để xử lý ô nhiễm môi trường

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  --------- -------- NGUYỄN THỊ VIỆT NGA NGHIÊN CỨU TÍNH ĐA DẠNG THỰC VẬT ĐẤT NGẬP NƯỚC CỦA SÔNG NHUỆ - ĐÁY (PHẦN CHẢY QUA TỈNH HÀ NAM) VÀ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG CHÚNG ĐỂ XỬ LÝ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN  --------- -------- NGUYỄN THỊ VIỆT NGA NGHIÊN CỨU TÍNH ĐA DẠNG THỰC VẬT ĐẤT NGẬP NƯỚC CỦA SÔNG NHUỆ - ĐÁY (PHẦN CHẢY QUA TỈNH HÀ NAM) VÀ KHẢ NĂNG SỬ DỤNG CHÚNG ĐỂ XỬ LÝ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG Chuyên ngành: Khoa học Môi trường Mã số: 60 85 02 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TRẦN VĂN THỤY Hà Nội – 2012 Luận văn thạc sĩ khoa học MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN PHẦN MỞ ĐẦU........................................................................................................................................1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU......................................................................................3 1.1 Thực vật đất ngập nước............................................................................................................3 1.1.1 Khái niệm thực vật đất ngập nước..................................................................................3 1.1.2 Các dạng sống của thực vật đất ngập nước.................................................................3 1.1.3 Vai trò của thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải ở các vùng đất ngập nước..............................................................................................................................................8 1.2 Khái quát tình hình nghiên cứu thực vật đất ngập nước và việc sử dụng chúng để xử lý ô nhiễm môi trường nước ở trên thế giới và Việt Nam .11 1.2.1 Trên thế giới...........................................................................................................................11 1.2.2. Đối với Việt Nam...............................................................................................................15 1.3 Khái quát các điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội vùng ven sông Nhuệ, sông Đáy..................................................................................................................................................16 1.3.1 Đặc điểm điều kiện tự nhiên...........................................................................................16 1.3.2 Tình hình phát triển kinh tế xã hội dải ven sông Nhuệ, sông Đáy................18 1.3.3 Chất lượng môi trường nước sông Nhuệ - Đáy (phần chảy qua tỉnh Hà Nam) ..19 1.3.4. Nguyên nhân của tình trạng ô nhiễm môi trường nước sông Nhuệ, sông Đáy ..21 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.........................24 2.1. Đối tượng nghiên cứu.............................................................................................................24 2.2. Phương pháp nghiên cứu.....................................................................................................24 2.2.1. Phương pháp kế thừa.........................................................................................................24 2.2.2. Phương pháp phân tích thảm thực vật.......................................................................24 2.2.3. Phương pháp phân tích đánh giá tính đa dạng hệ thực vật..............................25 2.2.4. Phương pháp xây dựng các mô hình sử dụng thực vật cho giảm thiểu ô nhiễm môi trường nước.................................................................................................................26 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN.......................................29 Nguyễn Thị Việt Nga K18 – Cao học Môi trường Luận văn thạc sĩ khoa học 3.1. Hiện trạng các loài thực vật bậc cao có mạch trên toàn vùng nghiên cứu ...................................................................................................................................................................... 29 3.1.1. Đa dạng các bậc taxon......................................................................................................29 3.1.2. Đa dạng về tài nguyên thực vật....................................................................................30 3.2. Đánh giá tính đa dạng thực vật ở trong hệ sinh thái thủy vực sông Đáy, sông Nhuệ và các hệ sinh thái lân cận ảnh hưởng tương tác lẫn nhau. . .31 3.2.1. Đa dạng các loài thực vật bậc cao có mạch trong hệ sinh thái chịu ngập nước ngọt thường xuyên, tạm thời và đất ướt chậm thoát nước ven sông.............31 3.2.2. Giá trị sử dụng tài nguyên thực vật thuộc hệ sinh thái thủy vực...................45 3.3. Khả năng sử dụng các loài thực vật trong khu vực nghiên cứu cho mục đích xử lý ô nhiễm môi trường nước sông Nhuệ, sông Đáy............................46 3.3.1. Các loài thực vật đất ngập nước trong khu vực nghiên cứu có khả năng xử lý ô nhiễm môi trường nước sông Nhuệ, sông Đáy.......................................46 3.3.2. Đặc tính sinh thái học của một số loài thực vật thủy sinh điển hình dùng để xử lý ô nhiễm môi trường nước...............................................................................47 3.3.3. Định hướng một số mô hình hợp lý sử dụng thực vật đất ngập nước để xử lý ô nhiễm môi trường nước sông Nhuệ, sông Đáy..................................................54 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.........................................................................................................63 TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................................65 PHỤ LỤC...................................................................................................................................................69 Nguyễn Thị Việt Nga K18 – Cao học Môi trường Luận văn thạc sĩ khoa học DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU, HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Tóm lược về vai trò của thực vật đất ngập nước trong xử lý......................8 Bảng 1.2: Một số loài thực vật đất ngập nước được sử dụng phổ biến trong các hệ thống xử lý nước thải trên thế giới........................................................14 Bảng 1.3: Giá trị WQI trên sông Nhuệ....................................................................................19 Bảng 1.4: Giá trị WQI trên sông Đáy......................................................................................20 Bảng 1.5: Dự báo nguồn nước thải nội tỉnh đến năm 2015...........................................23 Bảng 3.1: Thành phần các loài thực vật bậc cao có mạch thuộc khu vực nghiên cứu . 29 Bảng 3.2: Tỉ lệ của các loài thực vật có công dụng trong khu vực nghiên cứu...31 Bảng 3.3: Các loài thực vật có mạch phân bố trong hệ sinh thái chịu ngập nước ngọt thường xuyên và tạm thời và đất ướt ven sông.......................32 Bảng 3.4: Các loài thực vật chịu ngập nước ngọt thường xuyên và tạm thời........39 Bảng 3.5: Giá trị sử dụng tài nguyên thực vật ở khu vực nghiên cứu.......................45 Bảng 3.6: Danh sách các loài thực vật đất ngập nước trong khu vực nghiên cứu có khả năng xử lý ô nhiễm môi trường nước.........................................46 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Thực vật nổi......................................................................................................................4 Hình 1.2: Thực vật ngập nước.......................................................................................................6 Hình 1.3: Thực vật lá nổi có rễ......................................................................................................7 Hình 1.4: Thực vật trôi nổi tự do..................................................................................................8 Hình 1.5: Lưu vực sông Nhuệ, sông Đáy..............................................................................17 Hình 2.1: Sơ đồ các tuyến khảo sát...........................................................................................28 Hình 3.1: Quần xã Rong đuôi chó Hydrilla verticillata (L.f.) Royle (Tuyến 2) . 37 Hình 3.2: Quần xã rau muống – Ipomoea aquatic Forssk (Tuyến 1)........................38 Hình 3.3: Quần xã bèo tây – Eichhornia crassipes (Mares) Solms (Tuyến 3). . .38 Hình 3.4: Quần xã cây gỗ ngập nước ngọt (Tuyến 2)......................................................40 Hình 3.5: Quần xã cây bụi ngập nước ngọt (Tuyến 1)....................................................41 Nguyễn Thị Việt Nga K18 – Cao học Môi trường Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 3.6: Quần xã cây bụi ngập nước ngọt (Tuyến 2)....................................................42 Hình 3.7: Quần xã Sậy – Phragmites australis (Cav.) Trin (Tuyến 3).....................43 Hình 3.8: Loài cây xâm lấn – Ma dương Mimosa pigra L (Tuyến 2)......................44 Hình 3.9: Bèo tây – Eichhornia crassipes (Mares) Solms..............................................47 Hình 3.10: Bèo Cái – Pistia stratiotes L...................................................................................48 Hình 3.11: Bèo Tấm – Lemna perpusilla Torr......................................................................49 Hình 3.12: Rau muống – Ipomoea aquatic Forssk...............................................................50 Hình 3.13: Rau dừa nước – Ludwigia adscendens (L.) Hara.........................................51 Hình 3.14. Rau ngổ trâu – Enydra fluctuans Lour...............................................................51 Hình 3.15: Sậy – Phragmites australis (Cav.) Trin..............................................................52 Hình 3.16: Rong đuôi chó Hydrilla verticillata (L.f.) Royle...........................................53 Hình 3.17: Vị trí xây dựng mô hình trên lưu vực sông Nhuệ.........................................55 Hình 3.18: Mô hình cho dòng nước tĩnh tạm thời................................................................56 Hình 3.19: Hướng đi của dòng nước thải trong hệ thống xử lý.....................................58 Hình 3.20: Mô hình cho dòng nước chảy.................................................................................60 DANH MỤC BIỂU ĐỒ Biểu đồ 1.1: Giá trị WQI trên sông Nhuệ.....................................................................................19 Biều đồ 1.2: Giá trị WQI trên sông Đáy.......................................................................................20 Biểu đồ 3.1: Mức độ đa dạng các bậc taxon................................................................................30 Nguyễn Thị Việt Nga K18 – Cao học Môi trường Luận văn thạc sĩ khoa học PHẦN MỞ ĐẦU Phân giới thực vật là một bộ phận quan trọng cấu thành nên sinh giới. Chúng rất phong phú và đa dạng về thành phần loài, khu vực phân bố và cả môi trường sống. Một bộ phận thực vật trong quá trình tiến hóa thích nghi với đời sống ẩm ướt và chịu ngập được gọi là thực vật đất ngập nước. Hiện nay, việc tìm hiểu và nghiên cứu nhóm thực vật này đang ngày càng thu hút sự quan tâm của rất nhiều các nhà khoa học, đặc biệt là nghiên cứu về mức độ đa dạng, vai trò và khả năng sử dụng chúng để xử lý ô nhiễm môi trường nước. Phương pháp xử lý này đã và đang được ứng dụng phổ biến ở nhiều quốc gia trên thế giới với các kết quả mang lại rất khả quan. Đối với Việt Nam, đây là loại hình công nghệ tương đối mới nhưng sẽ là một hướng đi bền vững vì những lợi ích vượt trội mà nó mang lại: hiệu quả tốt, tính kinh tế cao và rất thân thiện với môi trường. Sông Nhuệ, sông Đáy chảy qua địa phận tỉnh Hà Nam là một nguồn tài nguyên phong phú góp phần vào sự phát triển kinh tế xã hội của khu vực. Hệ thống sông cung cấp nước sinh hoạt cho người dân, phục vụ tưới tiêu nông nghiệp, sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp… Đây còn là nguồn lợi dồi dào của cư dân sống hai bên lưu vực sông thông qua việc đánh bắt hay nuôi trồng thủy sản. Ngoài ra đây còn là hệ thống tiêu thoát nước cho thành phố Hà Nội. Tuy nhiên, sự phát triển kinh tế xã hội, tốc độ đô thị hóa, dân số tăng nhanh của tỉnh Hà Nam và các khu vực lân cận đã gây ra những tác động tiêu cực đến môi trường sinh thái, khiến nó không còn giữ nguyên được trạng thái cân bằng ban đầu. Các nguồn nước thải ngoại tỉnh và nội tỉnh bao gồm nước thải sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp và các làng nghề chưa được xử lý đúng theo tiêu chuẩn quy định mà thải bỏ trực tiếp vào nguồn nước tiếp nhận là nguyên nhân làm cho môi trường nước sông Nhuệ, sông Đáy ngày càng ô nhiễm nghiêm trọng, nhất là vào mùa nước kiệt. Hậu quả là ảnh hưởng đến mức độ đa dạng sinh học của hệ sinh thái lưu vực sông, trong đó có thực vật đất ngập nước. Để phục vụ công tác quản lý và sử dụng bền vững hệ sinh thái thủy vực, đề xuất giải pháp góp phần cải thiện chất lượng nguồn nước sông Nhuệ, sông Đáy, Nguyễn Thị Việt Nga 1 K18 – Cao học Môi trường Luận văn thạc sĩ khoa học chúng tôi thực hiện đề tài “ Nghiên cứu tính đa dạng thực vật đất ngập nước của sông Nhuệ - Đáy (phần chảy qua tỉnh Hà Nam) và khả năng sử dụng chúng để xử lý ô nhiễm môi trường” với các mục tiêu: - Đánh giá hiện trạng đa dạng sinh học của thực vật đất ngập nước lưu vực sông Nhuệ, sông Đáy (phần chảy qua tỉnh Hà Nam) và giá trị sử dụng của chúng. - Tìm hiểu khả năng sử dụng một số loài thực vật đất ngập nước trong việc xử lý ô nhiễm môi trường nước. - Định hướng một số mô hình hợp lý cho việc xử lý ô nhiễm môi trường nước sông Nhuệ, sông Đáy. Nguyễn Thị Việt Nga 2 K18 – Cao học Môi trường Luận văn thạc sĩ khoa học CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Thực vật đất ngập nước 1.1.1 Khái niệm thực vật đất ngập nước - Công ước Ramsar định nghĩa: “Đất ngập nước là những vùng đầm lầy, than bùn hoặc vùng nước bất kể là tự nhiên hay nhân tạo, thường xuyên hay tạm thời, có nước chảy hay nước tù, là nước ngọt, nước lợ hay nước biển kể cả những vùng nước biển có độ sâu không quá 6 mét khi triều thấp” [14]. - Thực vật đất ngập nước: là thuật ngữ được sử dụng để định nghĩa cho thực vật thủy sinh, những loài thích nghi và phát triển trong môi trường ẩm ướt và chịu ngập hoặc sống trong nước. 1.1.2 Các dạng sống của thực vật đất ngập nước Theo Arber (1920) [31], dựa trên đặc điểm hình thái, có thể chia các dạng sống của thực vật đất ngập nước bao gồm: 1) Thực vật nổi 2) Thực vật ngập nước 3) Thực vật lá nổi: a) có rễ và b) nổi tự do Phân loại này được sử dụng cho thực vật thân thảo, cây thân gỗ và cây bụi. 1.1.2.1 Thực vật nổi Thực vật nổi là những dạng chiếm ưu thế trong vùng đất ngập nước và đầm lầy, phát triển trong một phạm vi mực nước từ 0,5m dưới mặt đất đến độ sâu 1,5m hoặc sâu hơn nữa (Hình 1.1). Nói chung, chúng có thân và lá cây tiếp xúc với không khí và hệ thống rễ lớn. Thân và lá của thực vật nổi có nhiều điểm tương đồng với các loại thực vật trên mặt đất về hình thái học và sinh lý. Các cây một lá mầm, chẳng hạn như các loài Sậy, Cỏ nến hình thành các lá thẳng đứng từ hệ thống thân rễ và rễ. Thành cellulose của tế bào dày, tạo độ cứng cần thiết. Hệ thống rễ và thân rễ của các loại cây này tồn tại vĩnh viễn trong trầm tích kỵ khí và phải lấy ôxy từ các cơ quan trên không để phát triển. Tương tự, những tán lá non dưới nước phải có khả năng hô hấp kị khí trong thời gian ngắn cho đến khi Nguyễn Thị Việt Nga 3 K18 – Cao học Môi trường Luận văn thạc sĩ khoa học sống được trên mặt nước. Khi lá đã nổi lên môi trường không khí, các kênh khí trong tế bào và lỗ hổng tăng về kích thước, do đó tạo điều kiện trao đổi khí giữa các mô rễ và khí quyển (Wetzel, 2001) [55]. Các loại cây này thích nghi để phát triển trong đất ngập nước nhờ các khoảng trống lớn để vận chuyển ôxy cho rễ và thân rễ. Một phần của oxy có thể rò rỉ vào vùng rễ xung quanh, tạo điều kiện oxy hóa trong môi trường thiếu ôxy khác và kích thích phân hủy các chất hữu cơ và vi khuẩn nitrat phát triển (Brix và Schierup, 1989) [33]. Hình 1.1: Thực vật nổi [54] Thực vật nổi đồng hóa các chất dinh dưỡng từ trầm tích và hoạt động như máy bơm chất dinh dưỡng và đóng một vai trò quan trọng trong thay đổi N, P, và K theo mùa (Atwell và cộng sự, 1980; Agami và Waisel, 1986) [32, 30]. Quá trình này xảy ra giống các thực vật trên cạn, nhiều chất dinh dưỡng (thường là > 90%) được sử dụng, tái sử dụng trong quá trình tăng trưởng, và được lưu giữ trong các mô trên mặt đất của thực vật đất ngập nước được di chuyển trở lại và được lưu trữ trong các Nguyễn Thị Việt Nga 4 K18 – Cao học Môi trường Luận văn thạc sĩ khoa học mô rễ dưới nước (DeLucia và Schlesinger, 1995) [39]. Các ion được giải phóng trong quá trình lão hóa và phân hủy có thể được đưa vào nước hoặc trầm tích nhưng trong cả hai trường hợp, hệ vi khuẩn độc lập phát triển mạnh mẽ có mặt hầu hết ở nơi các chất dinh dưỡng được giải phóng. Hiệu quả thực chất của thực vật nổi là chuyển các chất dinh dưỡng từ đất đến mặt nước qua lọc và vận chuyển mùn bã hữu cơ, nhất là cuối mùa tăng trưởng (Richardson và Marshall, 1986) [48]. Carbon dioxide trong khí quyển là nguồn cacbon vô cơ quan trọng của thực vật nổi (Singer và cộng sự, 1994) [50]. Ví dụ về thực vật nổi bao gồm cây Acorus calamus (thủy xương bồ), Carex spp. (cây lách), Cyperus papyrus (cây cói), Glyceria maxima (cỏ ngọt), Juncus spp. (cây bấc), Phragmites australis (sậy), Typha spp. (cây cỏ nến), Zizania aquatica (lúa dại)… 1.1.2.2 Thực vật ngập nước Thực vật ngập nước có ở tất cả các độ sâu khác nhau, nhưng thực vật hạt kín chỉ có ở độ sâu khoảng 10 m (áp suất 1 atm). Các thực vật ngập nước là một nhóm thực vật có đặc điểm khác nhau (Hình 1.2). Hình thái và sinh lý của các thực vật ngập nước có mạch thay đổi để tồn tại trong môi trường nước. Thân cây, cuống lá, và lá thường có chứa ít lignin, thậm chí cả trong các mô mạch. Một lớp biểu bì rất mỏng, lá chỉ có một vài lớp tế bào dày, số lượng lục lạp trong mô biểu bì tăng thể hiện mức độ chiếu sáng dưới nước (Wetzel, 2001) [55]. Ví dụ về thực vật ngập nước như Potamogeton crispus L. (Rong mái chèo); Hydrilla verticillata (L.f.) Royle (Rong đuôi chó), Monochoria hastata (L) Solms (Rau mác thon), Ottelia alismoides (L.) Pers. (Rau bát), Vallisneria spiralis L. (Tóc tiên nước)… Nguyễn Thị Việt Nga 5 K18 – Cao học Môi trường Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 1.2: Thực vật ngập nước [54] 1.1.2.3 Thực vật lá nổi a. Có rễ: Thực vật lá nổi có rễ bám dưới đáy chủ yếu là cây hạt kín gắn liền với các trầm tích ở độ sâu khoảng 0,5 – 3,0m (Hình 1.3). Trong các loài thực vật có lá dị hình, lá chìm trong nước ở phía trước hoặc đi kèm với lá nổi. Cơ quan sinh sản nổi trên mặt nước và lá nổi dài, cuống lá linh hoạt, hoặc trên cuống lá ngắn và độ dài tăng dần tính từ thân cây (Wetzel, 2001) [55]. Mặt nước là môi trường sống giảm thiểu tác động cơ học của gió và nước. Thực vật lá nổi có xu hướng lá hình mũi mác, dai, hình tròn với cạnh liền để thích nghi với những áp lực trong tự nhiên. Các lá thường có bề mặt không thấm nước và cuống lá dài mềm dẻo [8, 16]. Ví dụ về thực vật lá nổi có rễ bao gồm: Nymphaea stellata Willd. (Súng), Nymphaea tetragona Georgi (Súng bốn góc), Victoria regia (Nong tằm), Nuphar lutea (súng vàng), Nelumbo nucifera (Hoa sen Ấn Độ), Nelumbo nucifera Gaertn. (Loài sen ở Việt Nam)… Nguyễn Thị Việt Nga 6 K18 – Cao học Môi trường Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 1.3: Thực vật lá nổi có rễ [54] b. Thực vật trôi nổi tự do Các thực vật trôi nổi tự do (Hình 1.4), đa dạng về hình thức và đặc tính. Ví dụ, Eichhornia crassipes (lục bình nước) hoặc Pistia stratiotes (rau diếp nước), thực vật nổi trên bề mặt có ít hoặc không có rễ như Lemnaceae (họ bèo tấm) gồm các loài Lemna minor , L. gibba, L. trisulca... Nhiều loại thực vật, đáng chú ý Lemna, Pistia, Salvinia hoặc Eichhornia phát triển tốt trên các thuỷ vực. Eichhornia crassipes (lục bình nước) là một trong những cây phát triển nhanh nhất trên thế giới. Thông thường, thực vật trôi nổi tự do bị giới hạn phát triển để hệ sinh thái thuỷ vực và các vùng nước chảy chậm được bảo vệ. Chúng lấy chất dinh dưỡng hoàn toàn từ nước, và hầu hết các loài thực vật lớn được tìm thấy trong nước giàu muối hòa tan (Wetzel, 2001) [55]. Một số loài thực vật hạt kín trôi nổi, chẳng hạn như bèo tấm (Lemna sp), sử dụng cacbon của khí quyển và nước. Hầu hết thực vật trôi nổi có mô mềm nhỏ. Độ cứng và độ nổi của lá được duy trì bởi sức căng bề mặt của các tế bào sống và các khoang trống trong mô thịt lá (thường > 70% khí theo thể tích). Tất cả các thực vật trôi nổi tự do hình thành rễ chùm, rễ bên, biểu bì có lông. Hệ thống rễ của lục bình nước chiếm 20 – 50% sinh khối thực vật (Wetzel, 2001) [55]. Nguyễn Thị Việt Nga 7 K18 – Cao học Môi trường Luận văn thạc sĩ khoa học Hình 1.4: Thực vật trôi nổi tự do [54] 1.1.3 Vai trò của thực vật thủy sinh trong xử lý nước thải ở các vùng đất ngập nước Bảng 1.1: Tóm lược về vai trò của thực vật đất ngập nư ớc trong xử lý (Nguồồn [54]) Đặc điểm thực vật lớn Mô hiếu khí Mô ngập trong nước Rễ và thân rễ trong trầm tích Nguyễn Thị Việt Nga Vai trò trong xử lý Giảm ánh sáng → giảm sự phát triển của sinh vật phù du Ảnh hưởng của vi khí hậu → cách nhiệt trong mùa đông Giảm tốc độ gió → giảm nguy cơ phân tán Tạo tính thẩm mỹ cho hệ thống Dự trữ dinh dưỡng Khả năng lọc → lọc ra các mảnh vụn lớn Giảm tốc độ dòng chảy → tăng tốc độ lắng, giảm nguy cơ phân tán Cung cấp diện tích bề mặt cho màng sinh học Tạo oxy → phân hủy hiếu khí Hấp thu chất ô nhiễm Ổn định bề mặt trầm tích → giảm xói mòn Ngăn chặn tắc nghẽn trong hệ thống chảy thẳng đứng Tạo oxy→ tăng phân hủy và nitrat hóa Hấp thu chất ô nhiễm Tiết kháng sinh 8 K18 – Cao học Môi trường Luận văn thạc sĩ khoa học Thực vật thủy sinh có khả năng vận chuyển oxy từ không khí vào trong nước nhờ bộ rễ, cho phép hình thành nhóm sinh vật hiếu khí quanh bộ rễ thực vật. Các vi sinh vật hiếu khí thích hợp cho việc phân giải sinh học các hợp chất hữu cơ phức tạp thành các chất đơn giản. Sản phẩm của quá trình phân giải này sẽ được thực vật sử dụng cho quá trình sinh trưởng, phát triển. Khả năng loại bỏ các chất ô nhiễm vô cơ và hữu cơ trong nước đã được chứng minh là có sự cộng sinh giữa thực vật thủy sinh và các dạng vi sinh vật sống trong và xung quanh rễ của chúng. Thực vật và các vi sinh vật có thể đạt được hiệu quả xử lý cao khi chúng phối hợp với nhau trong một hệ sinh thái cân bằng. Thân và lá của thực vật nửa ngập nước và rễ của thực vật nổi làm giảm tốc độ dòng chảy, gây ra sự thay đổi của quá trình lọc và lắng của các hạt (cặn, vụn hữu cơ) và là nơi sống bám của nhiều loài tảo và vi sinh vật. Vi sinh vật có khả năng phân hủy, bẻ gãy các đại phân tử hữu cơ thành các hợp chất đơn giản hơn, đồng thời sử dụng các chất có trong nước thải làm nguồn dinh dưỡng như cacbon, nito, photpho, kali để xây dựng tế bào đồng thời làm sạch nước thải [10, 13, 26]. Oxy chuyển từ phần thân và lá khí sinh xuống bộ rễ và giải phóng ra vùng rễ, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình nitrat và phản nitrat hóa. Bởi vậy, thực vật thủy sinh đóng vai trò chủ yếu trong việc giảm nồng độ NH 4+, NO2-, NO3-, PO43-cũng như TSS và COD (Greenway, M.2003) [41]. Các vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ thành các chất vô cơ (khoáng hóa) cung cấp cho các thực vật thủy sinh, trước hết là tảo. Tảo và các thực vật thủy sinh khác lại cung cấp oxy cho vi khuẩn. Các loài thực vật thủy sinh như rong đuôi chó, rong xương cá, lau lác, các loại bèo… có rễ và thân tạo điều kiện cho vi sinh vật bám mà không bị chìm xuống đáy. Chúng cung cấp oxy cho vi khuẩn hiếu khí, ngoài ra còn cung cấp cho vi sinh vật những hoạt chất sinh học cần thiết khác. Ngược lại, vi khuẩn cung cấp ngay tại chỗ cho thực vật những sản phẩm trao đổi chất của mình, đồng thời thực vật giúp cho vi sinh vật khỏi bị chết dưới ánh nắng mặt trời. Tảo là nguồn thức ăn cho cá và các loài thủy sản khác, khi chết sẽ là nguồn chất dinh dưỡng cho vi sinh vật [9, 13]. Thực vật thủy sinh cung cấp cho vi sinh vật bề mặt hay giá thể để sinh Nguyễn Thị Việt Nga 9 K18 – Cao học Môi trường Luận văn thạc sĩ khoa học trưởng, phát triển và tạo thành các màng sinh học. Màng sinh học này tạo thành bởi vi sinh vật sống trên rễ và phần thân thực vật, kể cả lá rụng. Hệ thống màng sinh học này có vai trò chính trong quá trình xử lý nước. Rõ ràng, diện tích bề mặt và số lượng giá thể càng lớn thì hiệu quả xử lý của hệ thống càng cao [10]. Chức năng quan trọng của hệ thống đất ngập nước dùng để xử lý nước thải là sự loại bỏ Nitơ liên kết. Nước thải đi vào hệ thống thường có lượng oxy hòa tan thấp hoặc đôi khi bằng không. Do đó, Nitơ trong nước thải chủ yếu tồn tại ở dạng Nitơ hữu cơ hoặc NH3. Sự chuyển hóa từ NH3 thành NO3- không thể xảy ra trừ khi nước thải được sục khí, khi đó các vi khuẩn hiếu khí sẽ thực hiện sự chuyển hóa này. Lượng oxy khuếch tán từ rễ thực vật sẽ tạo ra một vùng hiếu khí, tạo điều kiện cho sự sinh trưởng của các vi sinh vật hiếu khí, chúng sẽ thực hiện quá trình chuyển hóa NH3 thành NO3-. Còn trong vùng kị khí, một số loài sinh vật phản nitrat hóa sử dụng NO3- như nguồn oxy cho quá trình hô hấp, nó sẽ chuyển NO 3- thành N2, chất này sẽ chuyển từ đất hoặc trầm tích vào trong nước và sau đó vào không khí [10]. Các loại thực vật bậc cao đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định chất lượng nước. Chúng sử dụng các muối dinh dưỡng (chủ yếu là N, P) và các nguyên tố vi lượng để đồng hóa và phát triển sinh khối [12]. Sự hấp thu chất dinh dưỡng xảy ra ở rễ, cả phần thân và lá chìm trong nước. Thực vật thủy sinh trong vùng đất ngập nước có năng suất rất cao. Nếu sinh khối được thu hoạch, lượng chất dinh dưỡng lấy đi có thể đạt từ 30 đến 150 kg P và 200 đến 2500 kg N/ha/năm [10]. Thực vật làm giảm sự xâm nhập ánh sáng vào nước từ đó hạn chế sự phát triển của sinh vật phù du. Trong trường hợp của thực vật trôi nổi tự do như lục bình hoặc bèo tấm, có thể che phủ hoàn toàn bề mặt của vùng đất ngập nước, do vậy tảo phát triển được giới hạn tối thiểu do thiếu ánh sáng. Đây là điều kiện thuận lợi để loại bỏ bớt các chất rắn lơ lửng trong dòng chảy ra [54]. Một ảnh hưởng quan trọng của các cây ngập nước là hình thành các vật liệu cách nhiệt trong mùa đông đặc biệt là trong vùng ôn đới và vùng khí hậu lạnh (Smith và cộng sự, 1996; Mander và Jenssen, 2003) [51, 45]. Khi lớp lá rụng bị tuyết bao phủ, nó cung cấp một sự cách li hoàn toàn giúp bảo vệ đất không bị đóng Nguyễn Thị Việt Nga 10 K18 – Cao học Môi trường Luận văn thạc sĩ khoa học băng trong mùa đông, nhưng cũng giữ cho đất mát trong mùa xuân. Sự cách nhiệt này đặc biệt quan trọng trong xây dựng vùng đất ngập nước với dòng chảy dưới bề mặt [54]. Trong đất ngập nước dòng chảy thẳng đứng, nước thải được đưa lên bề mặt hệ, sự hiện diện của thực vật giúp ngăn ngừa tắc nghẽn. Sự chuyển động của cây như là một tác động của gió, giữ cho bề mặt mở cho thấm nước bằng cách tạo ra các lỗ hình khuyên ở bề mặt xung quanh thân cây [54]. Các loài thực vật nổi có hệ thống rễ và thân rễ lớn, tồn tại vĩnh viễn trong trầm tích kỵ khí góp phần làm giảm xói mòn, ổn định bề mặt đất trong các vùng đất ngập nước tự nhiên và nhân tạo. Thực vật thủy sinh còn có khả năng sinh ra các hợp chất chống vi khuẩn của rễ cây. Một trong những nghiên cứu đầu tiên báo cáo về sự bài tiết các chất chống vi khuẩn của thực vật lớn đã được xuất bản bởi Drobot'ko và cộng sự (1958) [40]. Kết quả của họ cho thấy một hoạt động chống vi khuẩn của ancaloit chiết xuất từ Nuphar lutea. Seidel (1976) [49] cho thấy Scirpus lacustris (cỏ nến) tiết kháng sinh từ gốc rễ của nó và vi khuẩn (dạng vi khuẩn Coli, Salmonella và Enterococci) biến mất khỏi nước bị ô nhiễm bằng cách đi qua một thảm cây cỏ nến. Vincent và cộng sự (1994) [53] cho thấy các đặc tính kháng khuẩn của dịch tiết của cây bạc hà, Phragmites australis và Scirpus lacustris. Một số thực vật cũng có cơ chế thích nghi và tránh ngộ độc kim loại nặng bằng cách hấp thu, tích lũy và kết tủa các chất ô nhiễm trong môi trường nước có nồng độ thấp vào trong rễ của thực vật. Quá trình lọc bằng rễ có thể xử lý một phần các chất thải công nghiệp, nông nghiệp, hoặc nước thải của các vùng khai thác mỏ có thành phần kim loại nặng như: Pb, Cd, Cu, Ni, Zn, Cr… 1.2 Khái quát tình hình nghiên cứu thực vật đất ngập nước và việc sử dụng chúng để xử lý ô nhiễm môi trường nước ở trên thế giới và Việt Nam 1.2.1 Trên thế giới Trước những năm 1950, hệ sinh thái đất ngập nước chưa được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm đến bởi đây không hoàn toàn là hệ sinh thái trên cạn cũng không hoàn toàn là hệ sinh thái dưới nước. Tuy nhiên, bắt đầu từ năm 1950, đã có Nguyễn Thị Việt Nga 11 K18 – Cao học Môi trường Luận văn thạc sĩ khoa học một sự thay đổi căn bản về sự quan tâm đối với vùng đất ngập nước. Có nhiều lĩnh vực được nghiên cứu trong đó việc xác định thành phần loài, công dụng của thực vật đất ngập nước ngày càng đầy đủ hơn. Việc trồng các loại cây lương thực (lúa nước); thực vật dùng cho chăn nuôi, thức ăn gia súc; làm nguồn phân bón… là các công dụng phổ biến nhất của thực vật ngập nước. Năm 1952, những nghiên cứu thử nghiệm đầu tiên về khả năng xử lý nước thải của các loài thực vật đất ngập nước được thực hiện bởi Kathe Seidel ở Đức [49]. Loại thực vật được bà sử dụng nhiều là cây cỏ Nến (Scirpus lacustris). Với việc tiến hành nhiều thử nghiệm trồng các loại thực vật đầm lầy và thực vật thủy sinh trong nước thải và bùn có nguồn gốc khác nhau, Seidel đã nổ lực cải thiện hiệu suất xử lý nước thải nông thôn từ các bể tự hoại và ao hồ. Seidel trồng các loài thực vật thủy sinh vào các mương, kè và tạo các khay mương nhân tạo để thực vật phát triển. Các công trình nghiên cứu của Seidel đã đặt nền móng đầu tiên cho một hướng đi mới trong việc xử lý nước thải bằng các loài thực vật thủy sinh. Vào năm 1967, hệ thống đất ngập nước dòng chảy tự nhiên (Free Water Surface Constructed Wetland – FWS CW) đầu tiên được xây dựng tại Flevoland, Hà Lan [54]. Khu vực Bắc Mỹ mới là nơi hệ thống FWS CW được xây dựng nhiều nhất. Trong khi đó, hệ thống đất ngập nước nhân tạo với dòng chảy dưới (Subsurface Flow Constructed Wetland) đã được xây dựng nhiều hơn ở châu Âu, năm 1980 đánh dấu sự xuất hiện của hệ thống đất ngập nước nhân tạo dòng chảy nằm ngang (Horizontal Subsurface Flow Constructed Wetland) và năm 1990 là hệ thống đất ngập nước nhân tạo dòng chảy thẳng đứng (Vertical Flow Constructed Wetland) và sự kết hợp của hai hệ thống này (Vymazal và cộng sự, 1998) [54]. Các hệ thống đất ngập nước nhân tạo là các hệ thống được thiết kế và xây dựng tận dụng các quá trình tự nhiên có sự tham gia của khu hệ thực vật đất ngập nước, đất, và các vi sinh vật để xử lý nước thải. Các hệ thống này được thiết kế nhằm tận dụng các quá trình xảy ra trong vùng đất ngập nước tự nhiên nhưng các quá trình này lại xảy ra trong một môi trường có thể kiểm soát. Chúng chủ yếu được thiết kế và hoạt động với vai trò như hệ thống xử lý nước thải. Nguyễn Thị Việt Nga 12 K18 – Cao học Môi trường Luận văn thạc sĩ khoa học Ở Bắc Mỹ, hệ thống đất ngập nước nhân tạo dòng chảy tự nhiên đã được sử dụng để xử lý các loại nước thải gồm nước thải đô thị, nước thải công nghiệp và nước thải nông nghiệp. Đầu thập niên 1970, công nghệ xử lý nước thải bằng hệ thống đất ngập nước nhân tạo dòng chảy dưới đã được bắt đầu áp dụng tại đây. Hiện nay, ước tính có khoảng 8.000 hệ thống đất ngập nước nhân tạo dòng chảy dưới được sử dụng (Kadlec và Knight, 1996) [43]. Theo Tanner và cộng sự (2000) [52], có hơn 80 hệ thống đất ngập nước nhân tạo đã được xây dựng để xử lý nước thải tại New Zealand, trong đó phổ biến nhất là hệ thống đất ngập nước nhân tạo dòng chảy bề mặt (45%) tiếp đến là hệ thống đất ngập nước nhân tạo dòng chảy ngầm (35%) và hệ thống đất ngập nước nhân tạo kết hợp dòng chảy bề mặt và dòng chảy ngầm (14%). Hiện nay, tại New Zealand, hệ thống đất ngập nước nhân tạo được sử dụng rất phổ biến để xử lý nước thải nông nghiệp. Từ giữa thập niên 1980, khái niệm sử dụng đất ngập nước nhân tạo trong xử lý nước thải đã trở nên phổ biến Nam Phi. Các hệ thống đất ngập nước nhân tạo được xây dựng tại đây là các hệ thống đất ngập nước dòng chảy bề mặt và dòng chảy thẳng đứng. Hiện nay, đã có nhiều nghiên cứu điển hình về khả năng xử lý nước thải đô thị, nước thải công nghiệp và nước thải mỏ của đất ngập nước đạt hiệu quả cao [54]. Trong những năm 1970 và 1980, hàng loạt các thí nghiệm về cây lục bình để xử lý các loại nước thải như nước thải nhà máy sữa, nước thải nhà máy sản xuất dầu cọ, nước thải nhà máy sản xuất cao su, nước thải ngành thuộc da, nước thải ngành dệt may, nước thải mạ điện, nước thải sản xuất giấy và bột giấy, nước thải nhà máy sản xuất thuốc trừ sâu...đã được tiến hành khắp châu Á [54]. Tuy nhiên, thông tin đầu tiên về việc sử dụng đất ngập nước nhân tạo bằng hệ thực vật nổi xuất hiện vào đầu những năm 1990 (Juwarkar cộng sự, 1992) [42]. Hiện nay, hệ thống đất ngập nước nhân tạo đã được áp dụng rộng rãi để xử lý các loại nước thải ở Ấn Độ, Trung Quốc, Hàn Quốc, Đài Loan, Nhật Bản, Nepal, Malaysia, Thái Lan… Như vậy, công nghệ thực vật xử lý ô nhiễm môi trường nước ngày càng được chú trọng, phát triển ở quy mô lớn và được áp dụng ở rất nhiều quốc gia. Đây là Nguyễn Thị Việt Nga 13 K18 – Cao học Môi trường Luận văn thạc sĩ khoa học hướng nghiên cứu đang được tiếp tục phát triển mạnh ở các nước châu Âu, châu Mỹ, các nước châu Á (đặc biệt là Trung Quốc và Thái Lan) và một số nước khác. Trong những năm qua, số loài thực vật có khả năng xử lý ô nhiễm môi trường nước được phát hiện ngày một nhiều. Các nghiên cứu được thực hiện một cách toàn diện từ lý thuyết đến thực tiễn. Bảng 1.2 : Một số loài thực vật đất ngập nước được sử dụng phổ biến trong các hệ thống xử lý nước thải trên thế giới (Nguồn [54]) TT Tên khoa học 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. Eichhornia crassipes (Mart.) Solms Lemaceae (Lemna minor L., Lemna trisulca L) Pistia stratiotes L. Ipomoea aquatica Forsh. Hydrocotyle umbellata L. Nymphaea spp. Nuphar lutea (L.) Sibth. Nelumbo nucifera Elodea nuttallii Vallisneria americana Typha spp. Phragmites australis (Cav.) Trin. Cyperus papyrus Alternanthera philoxeroides Phalaris arundinacea L. Glyceria maxima (Hartm.) Holmb. Cyperus papyrus Thysanolaena maxima Canna sp. Pennisetum purpureum Acorus calamus Asclepsis incarnate Festuca arundinacea Mentha spicata Colocasia esculenta Sorghum halapense Carex acutiformis Carex gracilis Gynerium sagittatum Scirpus lacustris Nguyễn Thị Việt Nga Tên thường 14 Bèo Lục Bình Bèo tấm Bèo cái Rau muống Rau má Hoa súng Súng vàng Hoa sen Ấn Độ Cỏ nước Nuttall Cần Tây dại Cỏ nến Sậy Cây cói giấy Cây cá sấu Cỏ hoàng yến Cỏ ngọt cỡ lớn Cây cói Cỏ sú Cây chuối hoa Cỏ Napier Thủy xương bồ Giống bông tai đầm lầy Cỏ đuôi trâu Cây bạc hà lục Khoai dại, tai voi Cỏ Johnson Cây lách Cây lách Cây mía dại Cỏ nến K18 – Cao học Môi trường