Công nghệ xử lý nước thải bằng rễ cây
LTS: Xử lý nước thải đòi hỏi những phương pháp và những công nghệ kỹ thuật cao và điều đó cũng gắn liền với chi phí đầu tư lớn và cả chi phí vận hành thiết bị. Tuy nhiên cũng có những phương pháp đem lại hiệu quả mà chi phí không cao. Dưới đây xin giới thiệu một phương pháp đã được áp dụng thành công ở nhiều nước, được trình bày tại Hội thảo Công nghệ xử lý nước thải tiên tiến tổ chức tại Hà Nội 12/2000.
Phương pháp xử lý nước thải bằng rễ cây là phương pháp dựa trên việc tác dụng đồng thời của đất và cây, được GS. TS. Kathe Seidel nghiên cứu vào những năm 60. Ông đã nghiên cứu các thiết bị lọc nước bẩn bằng cây cối, trong đó cây cối phân huỷ các chất hữu cơ, tuy nhiên nó không thể đạt được năng suất lọc sạch cần thiết. Sau đó, ông nhận biết được sự tác dụng đồng thời giữa rễ, cây và các vi sinh vật tập trung tại chỗ đất đó. Đây là hệ sinh thái được liên kết với nhau theo nhiều lớp tầng. Trong hệ sinh thái của đất được trồng cây và bị ngập nước, các vi sinh vật lấy đi các chất có thể phân huỷ vi sinh được trong nước thải, còn kim loại nặng đọng lại trong đất và một phần trong rễ cây.
Loại cây có nhiều ưu điểm nhất cho phương pháp này là lau sậy. Các cây lau sậy có thể sống trong đất bùn. Chúng tiếp nhận oxy của không khí không như các cây khác qua khe hở trong đất và rễ, mà có một cơ cấu chuyển oxy không khí ở bên trong thân cây cho tới tận rễ. Quá trình này cũng hoạt động trong giai đoạn tạm ngừng sinh trưởng của cây. Như vậy, rễ và toàn bộ cây lau sậy có thể sống được trong những điều kiện thời tiết khắc nghiệt nhất. Oxy được rễ thải ra vào khu vực quanh đó và được vi sinh vật sử dụng cho quá trình phân huỷ hoá học. Việc tích luỹ oxy xung quanh rễ tạo nên các khu vực hiếu khí và yếm khí. Vi sinh vật của đất phân huỷ các chất bẩn của nước thải trong các vùng hiếu khí và yếm khí. Số lượng vi khuẩn trong đất có thể nhiều như số vi khuẩn có trong các bể hiếu khí kỹ thuật, khoảng từ 10 đến 100 triệu vi khuẩn trên 1 gam đất, đồng thời sự phong phú về chủng loại vi khuẩn ở đây lớn hơn 10 đến 100 lần trong các bể hiếu khí kỹ thuật.
Nguyên tắc thiết bị rễ cây thật đơn giản. Nước thải được dẫn đến vùng đất có trồng cây lau sậy, được chống thấm tốt bằng tấm nhựa PPC. Các vi sinh vật bắt đầu hoạt động phân huỷ các chất bẩn. Thời gian hoạt động của thiết bị này vào khoảng từ 30 năm đến 50 năm. ở các vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới có thể lên đến 75 năm.
Kích thước của thiết bị rễ cây được xác định bởi sức nén thuỷ lực và mục tiêu xử lý nước thải. Thuỷ lực học của thiết bị rễ cây là dòng chảy trong đất của thiết bị được mô tả gần đúng thông qua định luật lọc DARCY. Theo đó thì vận tốc chảy của dòng chảy nhiều tầng phụ thuộc vào độ thẩm thấu của đất và vào sự chênh lệch áp suất hiện tại, được biểu diễn bằng phương trình:
vf = kf * j m/s
Trong đó:
vf: vận tốc chảy trung bình m/s kf: giá trị thẩm thấu ngang m/s j: độ chênh áp suất.
Dựa theo tiết diện dòng chảy có mối quan hệ sau đây về lượng nước được chuyển dịch:
q = a * vf = h * b * kf * j m3/s
Trong đó:
q: lượng dòng chảy m3/s a: tiết diện dòng chảy m2 h: độ sâu dòng chảy m2 b: chiều rộng của thiết bị m.
Độ sâu dòng chảy và độ sâu có tác dụng của cây bằng khoảng 0,5m - 1,0m
Độ chênh lệch áp suất được tính từ độ nghiêng dưới đáy của thiết bị và chênh lệch mặt nước của nước chảy vào và ra.
Độ thẩm thấu được thể hiện qua giá trị thẩm thấu kf m/s. Trong đất trồng lau sậy độ thẩm thấu có tính không đẳng hướng. Quan trọng ở đây là giá trị phương nằm ngang vì thông thường nước chảy qua thiết bị xử lý nước bằng rễ cây theo phương ngang. Trong các trường hợp đặc biệt, nếu cần chọn dòng chảy thẳng đứng thì có thể thay đổi lượng nước chảy vào. Độ dầy của nền đất mà nước chảy qua có thể lên đến 1,5m.
Điều đặc biệt của phương pháp rễ cây là phải chọn đất sao cho có độ kết dính mà vẫn đảm bảo lâu dài sự thẩm thấu cần thiết. Rễ cây sậy mọc ra từ gốc và đâm vào các vùng bên cạnh, qua đó làm đất tơi ra. Vì rễ cây rỗng ở bên trong đất nên khi chúng chết đi thì hình thành những kênh dẫn nhỏ cần thiết cho vận chuyển nước. Những rễ cây chạy ngang tạo ra tính không đẳng hướng của độ thẩm thấu.
Các phản ứng hoá sinh trong đất được mô tả qua phương trình sau:
ct = co * exp -k*t mg/l
Trong đó:
ct: nồng độ chất bẩn trong nước chảy ra mg/lco: nồng độ chất bẩn trong nước chảy vào mg/lexp: hàm mũk: hằng số phản ứng l/ht: thời gian lưu h
Nồng độ chất bẩn của nước chảy vào phụ thuộc vào thực tế, nhưng cơ bản là vào loại nước thải và thành phần nước thải. Nồng độ chất bẩn của nước chảy ra khỏi thiết bị phụ thuộc vào các quy định bảo vệ nguồn nước của mỗi quốc gia.
Các hằng số phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ và các chất trong nước thải cần được phân huỷ. Hằng số của nhiều loại nước thải đã được biết qua nhiều năm kinh nghiệm. Hằng số nước thải công nghiệp hoặc nước thải rò rỉ từ bãi rác phải được xác định thông qua thiết bị đo.
Thời gian lưu là một hàm số của lượng nước và thể tích riêng biệt của toàn bộ thiết bị rễ cây. Thể tích riêng biệt lại là một phần của tổng thể tích được dùng để chuyển nước, nó lớn khoảng 25% đến 30%.
Phương pháp này đã và đang được áp dụng tại nhiều nước châu Âu, tại nhiều nguồn nước thải khác nhau và đã thu được những thành công nhất định. Rất nhiều thiết bị rễ cây đã được xây dựng để xử lý nước thải sinh hoạt, công nghiệp, bãi rác và nông nghiệp. Ví dụ như về nước thải sinh hoạt. Trên một diện tích 7500m2 có thể xử lý nước thải của khoảng 1000 đến 4000 dân. Thiết bị này có thể áp dụng cho mỗi hộ gia đình có 4 nhân khẩu đến các làng xã, thị trấn trên 20.000 dân. Các thông số đo về Nitơ Amoni, Nitrat, Phosphat, BOD tại những nơi đặt thiết bị như ở Hunggari, Canađa, Thuỵ Sỹ cho tỷ lệ phân huỷ từ 92 đến 96%. Nước thải công nghiệp có chứa lưu huỳnh và asen hay nước thải nông nghiệp có chứa nhiều phân gia súc không thể sử dụng được do chúng chứa nhiều nitơ và phốt pho cũng được lọc sạch. Thiết bị rễ cây được đặt ở Pháp để xử lý nước thải có chứa kim loại đã phân huỷ những chất như COD, BOD5, Crom, Đồng, Nhôm, Sắt, Chì, Kẽm từ 90 đến 100%. Tại các sân bay quốc tế Klothen ở Zurich Thuỵ Sỹ và Schonefeld Berlin CHLB Đức đã sử dụng thiết bị rễ cây để xử lý nước thải đặc biệt phát sinh sau khi lau, rửa máy bay. Bề mặt máy bay được phun nước glycol. Nước này sẽ được thu gom lại và lọc sạch. Đặc biệt chú ý là nước rò rỉ từ các bãi rác vì bên cạnh rác sinh hoạt còn có các chất thải độc hại của công nghiệp. Tại Đức, một thiết bị rễ cây rộng khoảng 2.500m2 hoạt động từ năm 1984 và xử lý nước rò rỉ rất độc từ một bãi rác. Đã đo được các chất hydro cácbon khác nhau hydro cacbon halogen, gồm cả PCP, PCB, dioxin; hydro cacbon có mùi benzon, ethylbenzon, naphthalin và nồng độ asen rất cao trong nước dò rỉ. Qua phân tích nước chảy ra từ thiết bị xử lý nước thải rễ cây cho thấy tất cả các chất này đã bị phân huỷ từ 85 đến 99%.
Qua nhiều năm nghiên cứu và phát triển, thiết bị xử lý nước thải bằng phương pháp rễ cây đã và đang khẳng định là một phương pháp xử lý nước thải có nhiều ưu điểm là xử lý được mọi nguồn nước có chất độc hại, dễ vận hành, sử dụng lâu dài và chi phí thấp. Tại Hăm - buốc Đức, để xây dựng một nhà máy kỹ thuật xử lý nước thải người ta phải bỏ 6,5 triệu Mác và khoảng 1,5 triệu Mác cho chi phí vận hành mỗi năm. Trong khi đó để xây dựng một thiết bị xử lý nước thải bằng rễ cây, chỉ mất khoảng 800.000 Mác và 600 Mác vận hành mỗi năm. Tuy nhiên nó cũng có nhược điểm là phải cần có một diện tích đất nhất định.
Việt Nam là nước được các chuyên gia đánh giá cao cho việc áp dụng công nghệ này vì là vùng đất nóng ẩm, rất thích nghi cho sự phát triển của các loại cây lau sậy, đồng thời vi sinh vật ở rễ cây sẽ hoạt động được hết công suất, do đó có thể loại bỏ tối đa các chất thải độc hại có trong nước. Việc nghiên cứu áp dụng vẫn đang được tiến hành và hi vọng rằng đây sẽ là một trong những phương pháp tối ưu để xử lý các nguồn nước thải ở Việt Nam.
MINH VIỄN TỔNG HỢP
Nguồn tin : www.nea.gov.vn