Xử lý nước thải bằng hệ thống đất ngập nước nhân tạo là phương pháp dựa vào vùng đầm lầy, than bùn, những vùng nước tự nhiên hoặc nhân tạo bị ngập nước thường xuyên. Hệ thống đất ngập nước nhân tạo bao gồm các loài thực vật, giá thể và vi sinh vật, hoạt động bằng cách bắt chước các quá trình tự nhiên của đất ngập nước trong một môi trường được kiểm soát.

Hiện nay, xử lý nước thải bằng đất ngập nước nhân tạo được áp dụng hiệu quả trong việc xử lý nước thải đô thị, là lựa chọn ngày càng phổ biến cho nhiều loại nước thải, bao gồm nước thải công nghiệp, nông nghiệp và gia đình, nước rỉ rác và nước mưa chảy tràn. Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng, các hệ thống này có hiệu quả trong việc loại bỏ cacbon, nitrat, photphat và kim loại nặng. Một trong những lợi thế lớn của hệ thống đất ngập nước nhân tạo là chi phí vận hành và bảo dưỡng thấp hơn so với các phương pháp thông thường.

Ở phương pháp này, thực vật có vai trò quan trọng trong việc loại bỏ các chất gây ô nhiễm khỏi nước thải. Chúng có tác động điều hòa nhiệt độ, thúc đẩy vô số các hoạt động vật lý, hóa học và sinh học. Kết quả là hệ thống đất ngập nước nhân tạo trồng cây có hiệu quả loại bỏ chất dinh dưỡng cao hơn so với phương pháp không trồng cây.

Mỗi loài thực vật có hiệu quả hoạt động khác nhau nên việc lựa chọn loài thực vật và xác định rõ vai trò cốt yếu của chúng trong quá trình xử lý nước thải là những mối quan tâm quan trọng trong việc thiết kế hệ thống đất ngập nước nhân tạo. Các loài thực vật thường được sử dụng trong hệ thống đất ngập nước nhân tạo bao gồm: cây sậy, cây lách, đuôi mèo, … Những loại cây này có mặt ở khắp nơi, thích ứng với các điều kiện liên quan đến thiết kế hệ thống đất ngập nước nhân tạo.

Ngoài các loại cây trên, cây dong riềng đỏ hiện đang được nghiên cứu như một lựa chọn tiềm năng cho hệ thống đất ngập nước nhân tạo. Khi so sánh với cây sậy, lợi ích chính của cây dong riềng đỏ là có sản lượng sinh khối cao với tốc độ phát triển nhanh. Khi so sánh với thủy trúc và cây sậy, cây dong riềng đỏ vượt trội hơn về mức độ giảm ô nhiễm và ít phát thải khí nhà kính do có cấu trúc rễ dạng sợi tạo điều kiện hiếu khí cao.

Cây dong riềng đỏ. Nguồn: Etsy

Hiệu quả khử các chất dinh dưỡng, COD, BOD5, TDS và TSS

Một số nghiên cứu sử dụng cây dong riềng đỏ trong hệ thống đất ngập nước nhân tạo cho thấy nó có hiệu quả trong việc loại bỏ tổng chất rắn lơ lửng (TSS) và một số chất ô nhiễm hóa học như nhu cầu oxy sinh học trong năm ngày (BOD5), nhu cầu oxy hóa học (COD), các chất dinh dưỡng như tổng phốt pho và tổng nitơ. Do sự tương tác giữa rễ, chất nền và chất dinh dưỡng gia tăng nên thời gian lưu thủy lực lâu hơn hay tốc độ tải thủy lực chậm hơn dẫn đến việc loại bỏ chất dinh dưỡng cao hơn.

Khử florua

Việc loại bỏ florua khỏi nước đã được nghiên cứu bằng cách sử dụng các loại thực vật khác nhau như dong riềng đỏ, vạn niên thanh, thủy trúc và cỏ gấu. Trong đó, tỷ lệ khử florua của dong riềng đỏ đạt cao nhất là 95%. Dựa trên nồng độ florua đo được trong rễ và lá, yếu tố tích lũy sinh học và yếu tố chuyển vị đã chứng minh tính ưu việt của cây dong riềng đỏ.

Khử kim loại nặng

Ô nhiễm kim loại nặng đã trở thành một trong những vấn đề môi trường cấp bách nhất của thời đại, gây ra các vấn đề nghiêm trọng đối với sức khỏe con người.

Cơ chế loại bỏ kim loại nặng trong các hệ thống đất ngập nước nhân tạo rất phức tạp, bao gồm nhiều quá trình như lọc, hoạt động của vi sinh vật, hấp thu, kết tủa, hấp thụ và phức hợp của thực vật.

Một số nghiên cứu đã xem xét hiệu quả khử kim loại nặng của hệ thống đất ngập nước nhân tạo trồng dong riềng đỏ. Các kết quả cho thấy dong riềng đỏ có khả năng chịu được độc tính Cd bằng cách lưu trữ các kim loại nặng trong các mô rễ. Theo đó, dong riềng đỏ có thể loại bỏ hơn 85% Cd, 95% Zn, 96% Cu và 93% Cr khỏi nước thải sinh hoạt.

Khử thuốc trừ sâu

Thuốc trừ sâu trong môi trường nước hiện đang là một vấn đề cấp bách vì chúng có xu hướng tích tụ trong cơ thể các sinh vật sống dưới nước và trong đất, là mối nguy đối với sức khỏe cộng đồng.

Trong các nghiên cứu khử Chlorpyrifos (CP), một loại thuốc trừ sâu nhóm lân hữu cơ phổ biến, và chất chuyển hóa thủy phân của nó (TCP) trong hệ thống đất ngập nước nhân tạo sử dụng các loài thực vật khác nhau, dong riềng đỏ đã vượt qua sậy và cỏ nến trong việc loại bỏ CP và TCP.

Về hiệu quả khử thuốc trừ sâu Triazophos (TAP), một nghiên cứu khác đã chỉ ra rằng khi nồng độ TAP đầu vào nhỏ hơn 1 mg L-1, hệ thống đất ngập nước nhân tạo trồng dong riềng đỏ có thể loại bỏ TAP hiệu quả hơn 90%. Phần lớn TAP bị loại bỏ là do tác động của thực vật và vi sinh vật đối với sự phân hủy.

Dong riềng đỏ đạt hiệu quả tốt hơn trong một nghiên cứu khử β-hexachlorocyclohexane (β-HCH) khỏi nước thải vào mùa đông, với hiệu suất loại bỏ 96,64%. Cơ chế chính để loại bỏ β-HCH khỏi nước thải trong hệ thống đất ngập nước nhân tạo được xác định là sự hấp thụ chất nền.

Tất cả những kết quả này chứng tỏ rằng hệ thống đất ngập nước nhân tạo trồng dong riềng đỏ có khả năng loại bỏ thuốc trừ sâu khỏi môi trường nước.

Khử dược phẩm

Dược phẩm đại diện cho một nhóm hóa chất mới có khả năng ảnh hưởng đến các hoạt động nhất định của động vật (chẳng hạn như sinh sản, tăng trưởng và phát triển) với số lượng phù hợp về mặt sinh thái. Các quy trình xử lý nước thải thông thường không loại bỏ được hoàn toàn dược phẩm mà phải áp dụng các phương pháp thay thế và hệ thống đất ngập nước nhân tạo là một lựa chọn đáng cân nhắc.

Hai hệ thống đất ngập nước nhân tạo có dòng chảy liên tục trồng dong riềng đỏ và sậy đã được sử dụng trong một nghiên cứu nhằm loại bỏ các chất ô nhiễm thông thường hàm lượng cao và tetracycline hàm lượng thấp, ở mức tương tự như được tìm thấy trong nước thải sinh hoạt. Kết quả cho thấy hệ thống đất ngập nước nhân tạo đạt hiệu quả cao trên COD, phốt pho và tetracycline, với hiệu quả khử lần lượt là 80%, 64% và 75% và thời gian lưu thủy lực là 3 ngày.

Các thí nghiệm thủy canh của dong riềng đỏ đã được sử dụng trong một nghiên cứu khác nhằm khảo sát việc loại bỏ, hấp thu và chuyển hóa của năm loại thuốc kháng sinh sulfa là sulfamethoxazole, sulfamethazine, sulfamerazine, sulfapyridine và sulfadiazine trong 7 ngày. Kết quả, hiệu quả loại bỏ thuốc sulfa dao động trong khoảng 15,2–98,4%.

Về hiệu quả loại bỏ atenolol, carbamazepine và diclofenac khỏi nước thải, nghiên cứu cho thấy hệ thống đất ngập nước nhân tạo trồng dong riềng đỏ có khả năng loại bỏ trên 90% các loại dược phẩm này. Tất cả những kết quả này chứng minh rằng hệ thống đất ngập nước nhân tạo trồng dong riềng đỏ có thể loại bỏ cả chất gây ô nhiễm thông thường lẫn dược phẩm, cho thấy nó có nhiều tiềm năng trong việc xử lý nước thải sinh hoạt.

Khử hóa chất công nghiệp

Perchlorate là hóa chất được sử dụng trong các quy trình công nghiệp như pháo hoa, cao su và sơn, hiện được coi là một chất gây ô nhiễm mới nổi.

Trong một nghiên cứu sử dụng hệ thống đất ngập nước nhân tạo trồng dong riềng đỏ, perchlorate được tìm thấy tập trung nhiều hơn ở lá (hơn 55,8%) so với ở rễ (ít hơn 0,67%). Sự hấp thụ của thực vật chiếm 5,81–7,34% lượng perchlorate đầu vào ban đầu, trong khi sự phân hủy của vi sinh vật chiếm 29,39–62,48%.

Kết luận

Đa số cộng đồng khoa học nhất trí rằng thực vật nói chung và dong riềng đỏ nói riêng có tác động đáng kể đối với việc xử lý nước thải trong các hệ thống đất ngập nước nhân tạo. Đánh giá này chứng minh tiềm năng của dong riềng đỏ trong việc loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ, chất dinh dưỡng và kim loại nặng trong môi trường nước.

Với tất cả các thông tin và số liệu hiện có, cần nghiên cứu thêm để giải quyết một số vấn đề cụ thể liên quan đến hiệu suất của cây dong riềng đỏ trong hệ thống đất ngập nước nhân tạo, chẳng hạn như cơ chế loại bỏ các loại chất ô nhiễm khác nhau, sự đa dạng vi sinh vật của các hệ thống đất ngập nước nhân tạo trồng dong riềng đỏ, so sánh hiệu quả giữa hệ thống độc canh và hỗn hợp (trồng kết hợp dong riềng đỏ với các loại cây khác)./.

Nguồn tham khảo: https://www.mdpi.com/2673-7159/2/3/34/htm