MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐẤT NGẬP NƯỚC 1.1 CÁC ĐỊNH NGHĨA VỀ ĐẤT NGẬP NƯỚC 1.2 CHỨC NĂNG CỦA ĐẤT NGẬP NƯỚC 1.2.1 Chức sinh thái 1.2.2 Chức kinh tế đất ngập nước 1.2.3 Chức xã hội 1.3 VAI TRÒ CỦA ĐẤT NGẬP NƯỚC 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 nước 1.4.2 Đất ngập nước tự nhiên 1.4.3 Đất ngập nước nhân tạo 1.4.3.1 Theo hệ thống phân loại Ramsar 1.4.3.2 Theo hệ thống phân loại ĐNN tổ chức bảo tồn thiên nhiên quốc tế (IUCN WETLAND CLASSIFICATION, DUGAN, 1999) 1.4.3.3 Theo Bộ Khoa học, Công nghệ Môi trường năm 2001 việc phân loại đất ngập nước nhân tạo 1.5 SỰ KHÁC BIỆT GIỮA ĐẤT NGẬP NƯỚC TỰ NHIÊN VÀ NHÂN TẠO 11 CHƯƠNG 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, rác 13 2.1.3 Thực vật thủy sinh 14 2.1.4 Vi sinh vật 15 2.1.5 Động vật 15 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 vùng đất ngập nước nhân tạo 16 2.3 DUY TRÌ VÀ BẢO DƯỠNG HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC 17 CHƯƠNG 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 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 trình diễn 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 trình xử lý nước thải 25 3.2.2.1 Loại bỏ chất hữu có khả 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 hợp chất hữu 31 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI 33 4.1 TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ 33 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 bề mặt (Free water surface - FWS) 35 4.2.2 Hệ thống dòng chảy ngang 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 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 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐẤT NGẬP NƯỚC 1.1 CÁC ĐỊNH NGHĨA VỀ ĐẤT NGẬP NƯỚC Định nghĩa đất ngập nước chia làm nhóm chính: nhóm theo nghĩa rộng nhóm theo nghĩa hẹp: - Nhóm định nghĩa theo nghĩa rộng nhiều người công nhận công ước Ramsar (năm 1971): "Đất ngập nước bao gồm: vùng đầm lầy, đầm lầy than bùn, vực nước tự nhiên hay nhân tạo, vùng ngập nước tạm thời hay thường xuyên, vực nước đứng hay chảy, nước ngọt, nước lợ hay nước mặn, kể mực nước biển có độ sâu không 6m triều thấp" - Theo nghĩa hẹp: Nhìn chung đất ngập nước khu vực chuyển tiếp đất nước, đới chuyển tiếp sinh thái Những nơi mà ngập nước đất gây phát triển hệ sinh thái đặc trưng, bao gồm loạt môi trường ẩm ướt đầm lầy, đồng cỏ ẩm ướt, đất ngập nước thủy triều, vùng ngập ven sông vùng đất ngập nước dọc theo dòng kênh Phạm vi phân bố diện tích đất ngập nước: - Đất ngập nước xuất nơi từ địa cực tới xích đạo Hiện nay, người ta chưa biết xác diện tích đất ngập nước chiếm phần trăm diện tích bề mặt Trái Đất - UNEP (Chương trình Môi trường Liên hiệp quốc) cho diện tích đất ngập nước vào khoảng 570 triệu hecsta (5,7 triệu km²), tức khoảng 6% diện tích bề mặt trái đất, bao gồm 2% hồ, 30% bãi lầy, 20% đầm lầy 15% đồng cửa sông - Mitsch Gosselink sách giáo khoa: “ Tiêu chuẩn đất ngập nước’’ (tái lần thứ 4, năm 2000) cho biết diện tích Đước bao phủ khoảng 240.000 km², diện tích San hô vào khoảng 600.000 km² vùng ven biển toàn giới - Tuy nhiên báo cáo đánh giá toàn cầu tài nguyên đất ngập nước Ramsar tổ chức vào năm 1999, diện tích toàn cầu tối thiểu từ 748-778 triệu hécta, vào nguồn thông tin khác số “tối thiểu” tăng lên từ 999 đến 4.462 triệu hécta 1.2 CHỨC NĂNG CỦA ĐẤT NGẬP NƯỚC Đất ngập nước cung cấp số chức giá trị (chức đất ngập nước trình cố hữu xảy vùng đất ngập nước; giá trị đất ngập nước thuộc tính vùng đất ngập nước xã hội nhận thức có lợi) Trong tất vùng đất ngập nước cung cấp tất chức giá trị, hầu hết vùng đất ngập nước cung cấp số Trong trường hợp thích hợp xây dựng vùng đất ngập nước cung cấp số chức năng: 1.2.1 Chức sinh thái - Nạp nước ngầm - Hạn chế ảnh hưởng lũ lụt - Ổn định vi khí hậu - Chống sóng biển, ổn định bờ biển 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 kinh tế đất ngập nước - Tài nguyên rừng: cung cấp loạt sản phẩm quan trọng gỗ, than, củi sản phẩm khác nhựa, tinh dầu, tanin, dược liệu …Nhiều vùng ĐNN giàu động vật hoang dã đặc biệt loài chim nước, cung cấp sảnphẩm có giá trị thương mại cao - Thuỷ sản: Môi trường sống nơi cung cấp thức ăn cho cá, loài thuỷ sản - Tài nguyên cỏ tảo biển: Thức ăn nhiều loại thuỷ sinh vật, người gia súc, làm phân bón dược liệu… - Sản phẩm nông nghiệp: ruộng lúa nước chuyển canh xen canh với hoa màu khác tạo nên nhiều sản phẩm quan trọng vùng đất ngập nước - Cung cấp nước ngọt: Là nguồn cung cấp nước cho sinh hoạt, tưới tiêu, cho chăn nuôi gia súc sản xuất công nghiệp - Tiềm năng lượng: Than bùn, đập, thác nước… nguồn lượng quan trọng 1.2.3 Chức 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 giá trị lợi ích vùng đất ngập nước, kết hợp với chất lượng minh chứng môi trường 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 có vai trò quan trọng thiên nhiên môi trường : - Lọc nước thải: vùng đất ngập nước có giá trị khoảng vài chục hectar có khả lọc xử lý nước thải tương đương với trạm xử lý nước nhiều triệu dollars Ước tính khoảng 70%N- NH4, 99% nitrir N – NO3 95% P tổng số hòa tan loại bỏ nước thải qua ĐNN - Nạp ổn định nước ngầm: nước thấm từ vùng đất ngập nước xuống tầng ngập nước lòng đất, nước giữ điều tiết thành dòng chảy bề mặt vùng ĐNN khác cho người sử dụng - Hạn chế ảnh hưởng lũ lụt: Bằng cách giữ điều hào lượng nước mưa “bồn chứa” tự nhiên, giải phóng nước lũ từ từ, từ làm giảm hạn chế lũ lụt vùng hạ lưu - Điều hòa khí hậu, chống xói mòn, ổn định bờ biển, chắn gió bão Cùng với Năm quốc tế Đa dạng sinh học Liên Hợp Quốc tuyên bố, năm 2010 theo Công ước Ramsar có chủ đề “Đất ngập nước, Đa dạng sinh học Biến đổi khí hậu” Đây vấn đề thảo luận nhiều giới, đặc biệt biến đổi khí hậu ngày gia tăng ảnh hưởng toàn cầu Trong đó, nhiều nghiên cứu cho thấy, đất ngập nước làm giảm tác động từ biến đổi khí hậu, chúng chiếm 6-8% diện tích bề mặt Trái đất Chính giá trị quan trọng đó, thông điệp cho Ngày Đất ngập nước Thế giới năm (02/02/2010) “Chăm sóc vùng đất ngập nước – giải pháp cho biến đổi khí hậu” Do chu trình trao đổi chất nước trogn hệ sinh thái, nhờ lớp phủ thực vật ĐNN, cân O2 CO2 khí làm cho vi khí hậu đại phương ổn định, đặc biệt nhiệt độ lượng mưa ổn định - Là nơi trú chân nhiều loài động vật hoang dã, đặc biệt loại chim nước, có nhiều loại quý hiếm, có ý nghĩa quốc tế Các hệ sinh thái rừng ngập mặn rừng tràm có nhiều giá trị việc cung cấp sản phẩm, trì cân sinh thái bảo tồn thiên nhiên; cung cấp nơi kiếm ăn, khu cư trú cho loài chim qúi 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 nước Đất ngập nước sử dụng để cải thiện chất lượng nước biết đến vào thập kỷ 30 kỷ trước, hầu hêt 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 năm 1950 Đức, Hoa Kỳ vào năm 1970 đến 1980 phát triển mạnh năm 1990, người ta xây dựng nhiều hệ thống xử lý nước thải đất ngập nước va áp dụng rộng rải không để xử lý nước thải đô thị mà để xử lý nước thải cho khu công nghiệp vùng khai khoáng nước thải công nghiệp Do đất ngập nước để xử lý nước thải gồm có hai loại: Đất ngập nước tự nhiên đất ngập nước nhân tạo 1.4.2 Đất ngập nước tự nhiên Đất ngập nước tự nhiên vùng ngập nước thường xuyên có nhiều loại chịu nước lau, sậy chứa đựng nhiều loài vi sinh sống lớp bề mặt có tiềm oxy hóa tiềm khử khác hỗ trợ tính đa dạng loài vi sinh vật vi khuẩn, nấm, actinomycetes, động vật nguyên sinh Những loài phân huỷ thành phần hữu vô đưa vào hệ thống 1.4.3 Đất ngập nước nhân tạo So với vùng đất ngập nước tự nhiên ngày việc xây dựng vùng đất ngập nước nhân tạo thiết yếu lợi ích thiết thực dùng để xử lý nước thải Một vùng đất ngập nước thiết kế xây dựng có thảm thực vật dùng để lọc xử lý chất ô nhiễm nước thải (cải thiện chất lượng nước) chảy qua hệ thống gọi đất ngập nước nhân tạo Hệ thống xây dựng mô cấu trúc chức vùng đất ngập nước tự nhiên chúng có cộng đồng vi sinh vật phong phú để thực việc chuyển đổi ion nước, thực trình sinh hóa, hấp thụ, hập phụ chất gây ô nhiễm, đặc biệt hệ thống tự trì hoạt động Đất ngập nước nhân tạo khái niệm rõ ràng mà bảng hệ thống phân loại Tùy theo tổ chức, mục đích nghiên cứu mà có phân loại đất ngập nước khác 1.4.3.1 Theo hệ thống phân loại Ramsar Đất ngập nước nhân tạo Các đầm/ ao nuôi trồng thủy sản (như đầm nuôi tôm/cá) Các ao; bao gồm ao nông nghiệp, ao nuôi, bể chứa nhỏ (nhìn chung nhỏ 8ha) Đất tưới tiêu; bao gồm kênh mương tưới tiêu ruộng lúa Đất nông nghiệp ngập theo mùa (bao gồm đồng cỏ ngập nước đồng cỏ dùng để chăn thả gia súc quản lý cách tích cực) Các điểm khai thác muối; ruộng/ hồ muối, nước mặn… Các khu vực trữ nước; hồ chứa/đập nước/đập chắn/ đập tràn (nhìn chung ha) Các nơi đào; mỏ cuội/gạch/sét; mỏ đất mượn, moong mỏ Các vùng xử lý nước thải; bãi chứa nước thải sinh hoạt, ao lắng, bể ôxy hóa… Các kênh, rạch thoát nước, mương nhỏ 10 Các hệ thống thủy văn castơ ngầm hang động nhân tạo 1.4.3.2 Theo hệ thống phân loại ĐNN tổ chức bảo tồn thiên nhiên quốc tế (IUCN WETLAND CLASSIFICATION, DUGAN, 1999) Đất ngập nước nhân tạo Canh tác thủy/hải sản Ao nuôi trồng thủy sản, kể ao cá ao tôm Các ao canh tác, ao giống ao nhốt cá Nông nghiệp Đất tưới nước kênh dẫn nước, bao gồm đồng lúa, kênh rạch Đất trồng trọt, ngập nước theo mùa Khai thác muối Những ruộng muối Đô thị/Công nghiệp Các hồ chứa nước dùng để tưới tiêu sinh hoạt thải nước, vùng ngập nước theo mùa Đập nước với mực nước thay đổi thường xuyên hàng tuần hàng tháng 1.4.3.3 Theo Bộ Khoa học, Công nghệ Môi trường năm 2001 việc phân loại đất ngập nước nhân tạo Bên cạnh hệ thống phân loại quốc tế, nước ta có nhiều hệ thống phân loại để quản lí sử dụng tài nguyên ĐNN hiệu Trong đó, ĐNN nhân tạo phân loại rõ ràng Đất ngập nước nhân tạo Các đầm ao nuôi trồng thuỷ sản (ví dụ: tôm,cá) Các đầm, bao gồm đầm canh tác, hồ chứa nhỏ (tổng quát ha) Đất có nước tưới; bao gồm mương, kênh dẫn nước ruộng lúa Đất canh tác ngập nước theo mùa Vùng khai thác muối; đầm muối, hồ nước mặn, v.v… Những vùng trữ nước, hồ chứa, đập nước, vùng úng nước (tổng quát rộng ha) Các hố đào; nơi khai thác sỏi, đất sét, làm gạch, mỏ lấy đá, hầm lấyvật liệu, hầm khai quặng v.v… Các9 vùng xử lý nước thải, nơi thoát nước, đầm lắng, v.v… Sông đào, kênh mương thoát nước Sở dĩ có phân loại loại hình đất ngập nước có đặc điểm chung khu đất có đủ độ ẩm (đất bị ngập bị bão hòa nước mặt nước ngầm), tần suất thời gian lưu nước đủ dài để thực vật thích nghi với điều kiện đất đai kỵ khí, hạn chế phát triển thực vật hiếu khí Chế độ thủy văn vùng đất ngập nước nói chung dòng chảy chậm vùng nước nông bị bão hòa Hình 1.1 Sơ đồ 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 người xây dựng vận hành với chức mang tính cạnh tranh nhiều 10 - Nên lựa chọn SSF diện tích đất hạn chế, cần xử lý nước thải xám (lượng bốc hơn) Tuy nhiên việc bảo trì kiểm soát khó khăn FWS - Khi yêu cầu mức dộ xử lý cao sử dụng hệ thống kết hợp ( với dòng chảy thẳng đứng) - Để xử lý bậc 3, nên chọn FWS (rủi ro từ muỗi, hạn chế xử lý bậc đô thị) 4.3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG Hình 4.3 Vị trí hệ thống đất ngập nước xử lý nước thải Thiết lập vùng đất ngập nước gồm hoạt động chuẩn bị địa điểm, giải phóng mặt bằng, xây dựng địa hình đất ngập nước lắp đặt công trình kiểm soát nước Trong giai đoạn dọn dẹp xây dựng, vùng cối dọn dẹp lấy để xây dựng thành phần vùng đất ngập nước Tất gốc rễ tàng tích lòng đất cần loại bỏ Một số loài đặc hữu có giá trị bảo tồn nên chuyển khu bảo tồn bảo vệ Địa hình, máy kéo sử dụng để loại bỏ lớp đất mặt cần dự trữ để tái sử dụng, nén đất lắp đặt lót (hố sâu gò tạo ra) Việc san lấp mặt phía vùng đất ngập nước để nước lưu thông dễ dàng Vùng đất ngập nước làm ẩm đến mức độ trồng thực vật Sau thực vật đất ngập nước chuyển đến trồng tay Sau xây dựng hệ thực vật, mực nước tăng lên nhờ mức nước dâng bình thường, nhờ nước mưa nước tưới vùng đất ngập nước hoàn toàn tạo dễ dàng 4.3.1 Thiết kế hệ thống đất ngập nước nhân tạo dòng chảy mặt (FWS) 37 4.3.1.1 Mô hình liên tục – sequential model FWS thiết kế theo “ mô hình liên tục – sequential model”, phát triển Gearheart Finney ( 1999) Phương pháp tổng thể để tiếp cận mô hình xem xét yếu tố ảnh hưởng đến trình vật lý sinh học nhằm xác định chất lượng dòng nước thải vùng khác khu vực vùng đất ngập nước nhân tạo Phương pháp công nhận số biến đổi thành phần chế loại bỏ xác định mức độ xảy đồng thời vùng đất ngập nước, phần lớn trình loại bỏ xảy cách tuần tự, với chế cung cấp sản phẩm cho trình Tổng diện tích cần thiết khu phải đảm bảo sau cho nược xử lý đạt yêu cầu để đưa vào khu xử lý Các chất xử lý ba “ngăn- ompartment” hệ thống - Ngăn (1) diễn trình kết lắng xảy - Ngăn thứ ngăn hiếu khí làm giảm lượng BOD diễn trình nitrat hóa - Ngăn thứ ngăn xử lý nước thảm thực vật, nước tiếp tục giảm TSS hợp chất Nitơ (thông qua trình khử nitơ ) Các hợp chất phốt bền vững bị loại bỏ vùng đất ngập nước mà phần lớn phốt hấp phụ thực vật Quá trình lắng chất ô nhiễm giảm tác nhân gây bệnh liên quan thời gian lưu nước khu, đặc biệt khu phải quan tâm đến nhiệt độ nước 38 Rộng (W) Nước vào Sâu (H) Nước Dài (L) Khu Khu Khu Hiếm khí Hiếu khí Hiếm khí Hình 4.1 Mô hình xử lý ba ngăn- ompartment Mô hình cho thấy chế khu vực trình xử lý thảm thực vật, trình lắng keo tụ Trong suốt độ sâu ngăn mùa phát triển thực vật lượng oxy hòa tan TSS liên quan thành phần BOD, nitơ hữu phốt pho, kim loại số hợp chất hữu xử lý phần Các chất hữu dễ bay có khả bị loại bỏ khỏi nước thải nhờ trình hấp thu hay trình oxy hóa diễn ngăn - Chất keo tụ nước thải chủ yếu chức hấp thụ lượng từ hai nguồn bên khả thủy động lực bên dòng chảy Khi giảm hệ số Reynolds ( Re ) làm cho trình lắng hạt trở nên tối ưu Dòng nước thải chảy qua bụi với bán kính thủy lực nhỏ (hệ số Reynolds (Re) làm thay đổi bán kính thủy lực), Re nằm phạm vi tương ứng thành dòng chảy rối, cho hạt lắng tốt Trong khu vực 2, xảy trình xử lý hiếu khí , vào ban ngày thảm thực vật cung cấp oxy hóa tan nhờ trình quang hợp, lượng oxy hoà tan oxy hóa hợp chất cácbon tới mức đủ thấp để tạo điều kiện cho trình nitrat hóa 39 NH4- N để NO3- N diễn Các trình đòi hỏi lớn lượng ôxy (có thể cung cấp thêm) Thời gian lưu nước tối đa khu vực khoảng 2-3 ngày trước tảo không mong muốn phát triển bùng nổ ( tảo nở hoa) Các trình diễn vùng giống đầm phá tự nhiên 4.3.1.2 Cơ sở tính toán, thiết kế hệ thống FWS Trong FWS vùng đất ngập nước, loại bỏ BOD5 hòa tan phát triển vi sinh vật công rễ, thân rụng rơi xuống nước Bởi tảo thường không diện phạm vi có thực vật bao phủ hoàn toàn, phản ứng cho trình yếm khí nguồn cung cấp oxy bề mặt nước chủ yếu trồng quang hợp vận chuyển oxy từ đến vùng rễ Tiêu chuẩn cụ thể trình bày thích hợp cho tải trọng hữu từ thấp đến trung bình Các chất hữu nên phân phần lớn khu vực không áp dụng điểm Độ sâu nước thiết kế nên có khoảng 600 mm (24 in) để đảm bảo phân phối đầy đủ oxy phần nước thải tuần hoàn xem xét tháng mùa hè để vượt qua tổn thất ET trì tốc độ dòng chảy cần thiết nồng độ oxy - Xác định điều kiện giới hạn kính thước hệ thống Áp dụng công thức tải lượng bề mặt (ALR) tình trạng lưu lượng trung bình ngày (Q0): Ta có: ALR  Q0 C0 (nguồn: EPA Constructed Wetlands Treatment of Municipal AW Wastewaters, 2000) Trong đó:  ALR: Tốc độ tải lượng bề mặt  Q0: Lưu lượng dòng thải đầu vào  C0: Nồng độ chất thải đầu vào  AW: Diện tích bề mặt (ha) - Loại bỏ BOD5 hệ thống FWS Loại bỏ BOD5 vùng đất ngập nước thường mô tả mô hình động học bậc sau: 40 Trong đó: Ce: BOD5 (mg/l) Co: BOD5 vào (mg/l) KT: số phản ứng, d-1 t: thời gian lưu thủy lực, d - Thời gian lưu thủy lực Có thể biểu diễn như: t = LWd ÷ Q Trong đó: L = chiều dài W = chiều rộng d = chiều sâu Q = tốc độ dòng chảy trung bình = (dòng chảy + chảy ra) ÷  Phương trình đại diện cho thời gian lưu thủy lực cho hệ thống dòng chảy không giới hạn - Phương trình tiêu diệt Coliform phân cách xấp xỉ FWS: Trong nồng độ coliform phân dòng nước thải đưa vào (cfu/100 ml) nồng độ coliform phân dòng nước sau xử lý (cfu/100 ml) N số lượng khu vực hệ thống FWS t thời gian lưu nước hệ số xử lý coliform phân (T-1) 41 - Tỷ lệ chiều dài chiêu rộng: Tỷ lệ chiều dài chiêu rộng (AR) hệ thống FWS xác định công thức Trong L chiều dài trung bình hệ thống W chiều rộng trung bình hệ thống Trong vùng đất ngập nước nhân tạo với dòng chảy mặt thường thiết kế với tỷ lệ AR từ 1:1 đến 90:1 Thông thường, tỷ lệ AR tốt 1:1 - Độ xốp  : hệ số độ xốp đất ngập nước, phụ thuộc vào cấu tạo lớp đất bể (thông thường có giá trị 0.6 - 0.8) - Độ dốc thủy lực nước bề mặt S  v *h n (nguồn: EPA Constructed Wetlands Treatment of Municipal Wastewaters, 2000) Trong đó:  V: Vận tốc trung bình dòng chảy (m/s)  n : Hệ số nhám Manning (s/m1/3)  H : Độ sâu trung bình dòng chảy (m)  S : Độ dốc thủy lực độ nghiêng nước bề mặt - Hiệu suất loại bỏ BOD5: Lưu lượng nước thải sau xử lý: Qe = Q0 + P -I –ET (nguồn: EPA Constructed Wetlands Treatment of Municipal Wastewaters, 2000) Trong đó: 42  P: Lượng mưa trung bình (mm/tháng)  I: Tốc độ thẩm thấu vào nước ngầm (m3/ngày)  ET: Tốc độ bay (mm/tháng) Bảng 4.2 Dự đoán thực nghiệm so với thực tế giá trị Ce/Co cho xây dựng vùng đất ngập nước (Giá trị thực tế từ Listowel, Ontario) Cùng khoảng cách lòng ao, m Mùa đông Mùa hè Dự đoán Thực tế Dự đoán Thực tế 0.52 0.52 0.52 0.52 67 0.38 0.36 0.40 0.40 134 0.27 0.41 0.31 0.20 200 0.20 0.30 0.24 0.19 267 0.14 0.27 0.18 0.17 334 (dòng thải cuối) 0.10 0.17 0.14 0.17 Các tỷ lệ Ce/Co dao động 0,18-0,098 phần cuối kênh đất ngập nước 335 m (1.100 ft) Đối với đường kính thân 12 mm (0,5 in) số lượng thảm thực vật %, người ta ước tính diện tích bề mặt cụ thể 15,7 m2/m3 (4,8 sq ft/cu ft) Đây tham số mà đo trực tiếp môi trường đất ngập nước thực tế Nó đại diện cho diện tích bề mặt từ tất lứa thực vật cột nước bao gồm thân, rễ sậy Độ nhạy với nhiệt độ thử nghiệm cách thay đổi phạm vi 5-25oC (41-77°F) cho tỷ lệ Ce/Co dự đoán Listowel: Mức độ xử lý 5oC (41oF) bị giảm đáng kể so với 25°C (77°F) Điều cho thấy phương trình nhạy cảm với nhiệt độ nhiệt độ phải dự đoán xác để sử dụng phương trình Việc thiết kế phải lưu ý, mùa đông, độ sâu vùng đất ngập nước nói chung phải tăng lên phép độ sâu đóng băng Sự gia tăng thời gian lưu giữ mùa đông từ độ sâu lớn có tác dụng bù vào tỷ lệ Ce/Co 43 4.3.2 Thiết kế hệ thống đất ngập nước nhân tạo dòng chảy ngầm (SFS) Hướng nước chảy Thực vật thủy sinh Các lưu ý thiết kế: - Chiều sâu sỏi 0,40 m – 0,85 m - Chiều sâu nước 0.30 - 0,75 m - Các ống dẫn nước PVC có đường kính từ 100 đến 220 mm - Các ống phân phối nước đặt cách đáy 10 -15 cm Cấu trúc ống dẫn nước vào Các lỗ trến ống có đường kính 40-80 mm, chiều dài, chạy theo chiều rộng hệ thống khoảng m Các nguồn lượng oxy cho thành phần bên mặt đất (đất, sỏi, đá, môi trường khác, rảnh liếp) lượng oxy truyền thực vật đến vùng rễ Trong hầu hết trường hợp, hệ thống dòng chảy bề mặt thiết kế để trì dòng chảy bề mặt liếp, việc thoáng không khí hạn chế Do đó, lựa chọn loài thực vật yếu tố quan trọng 44 Loại bỏ BOD5 hệ thống dòng chảy bề mặt mô tả phương trình động học dòng vào bậc giống phương trình cho hệ thống mặt nước tự Phương trình 3-2 biến đổi sử dụng để ước tính diện tích bề mặt cần thiết cho hệ thống dòng chảy bề mặt Cả hai hình thức phương trình hiển thị cho thuận tiện sử dụng [Ce / Co] = exp (-KTt) As = [Q (lnCo - lnCe)] ÷ (KTd n) (3-2) (3-7) Trong đó: Ce = BOD5 thải ra, mg/l Co = BOD5 chảy vào, mg/l KT = nhiệt độ phụ thuộc vào thứ tự tốc độ phản ứng liên tục, d-1 t = thời gian lưu thủy lực, d Q = tốc độ dòng chảy trung bình thông qua hệ thống, m3/d d = độ sâu ngập nước, m = độ xốp kênh, phân số n = lỗ rỗng liếp As = diện tích bề mặt hệ thống, m2 Diện tích mặt cắt ngang cho dòng vào thông qua hệ thống dòng vào bề mặt tính theo công thức sau: Ac = Q ÷ ksS Trong đó, AC = d.W, diện tích mặt cắt ngang lòng đất ngập nước, vuông góc với hướng dòng chảy, m2 R = chiều rộng kênh, m d = chiều sâu kênh, m ks = thấm môi trường, m3/m2-d S = độ dốc kênh, gradient thủy lực (là phân số số thập phân) Chiều rộng kênh tính phương trình sau W = Ac ÷ d Khu vực cắt ngang chiều rộng kênh: 45 Q = kS AS S Diện tích mặt cắt ngang chiều rộng kênh độc lập với nhiệt độ (khí hậu) chất hữu chúng điều khiển đặc tính thủy lực công cụ 46 CHƯƠNG TỒ CHỨC QUAN TRẮC VÀ QUẢN LÝ HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO Quản lý quan trắc vùng đất ngập nước vấn đề quan trọng việc trì chức xử lý nước thải vùng đất ngập nước Quan trắc vùng đất ngập nước để có đầy đủ liệu để xác định hiệu suất vùng đất ngập nước việc thực mục tiêu khác Bảo trì vùng đất ngập nước cần thiết để quản lý loại thực vật ngập nước lớn loài mong muốn, để loại bỏ cỏ dại xâm lấn, để loại bỏ bùn từ vùng đất ngập nước, để loại bỏ rác từ vùng đất ngập nước 5.1 QUAN TRẮC CHẤT LƯỢNG NƯỚC - Giám sát nguồn nước đầu vào, đầu ra, mực nước, biến đỗi chất lượng nước ao xử lý - Giám sát chất lượng nước mặt khu vực xung quanh nơi đặt hệ thống xử lý để đảm bảo không bị rò rỉ nước thải nguồn xung quanh - Giám sát yếu tố khí tượng nhiệt độ, lượng mưa, độ ẩm, thủy triều nhằm phục vụ cho việc điều tiết nước ao xử lý - Mực nước cần kiểm tra sử dụng thiết bị điều khiển mực nước để đảm bảo tăng trưởng thực vật - Chất rắn lơ lửng từ nước thải rác phân rã từ thực vật tích lũy thời gian giảm dần khoảng trống rửa để tránh tắt ngẽn dòng chảy nước - Xác định trạng loài thực vật ưu thế, loài động vật không xương sống có kích thước lớn (có thể quan sát mắt), đánh giá nhanh chất lượng nước hệ thống đất ngập nước nhân tạo để xử lý nước thải [9] - Trong quan trắc chất lượng nước hệ thống cần tạo mẫu hỗn hợp để xem xét dòng nước, tùy thuộc lượng chất ô nhiễm, thay đổi thể tích… hệ thống Tất mẫu nên lấy 24 thích hợp với hợp chất hóa học, hợp chất hữu cơ, độ đục… 5.2 QUẢN LÝ THẢM THỰC VẬT TRONG HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC - Giám sát sinh trưởng phát triển loài thực vật ao xử lý 47 - Duy trì mật độ dày đặc thực vật mong muốn vùng đất ngập nước để đảm bảo hiệu xử lý - Thu nhặt chết rác thải rơi vào ao, kể cỏ dại mọc xâm lấn - Diễn sinh thái thực vật đất ngập nước diễn Tuy nhiên, số loài rong, nên yêu cầu phải bảo trì hàng năm để loại bỏ - Mực nước cao làm cho bị dịch chuyển vùng đất ngập nước /hoặc bị chết úng - Nếu khu vực lớn bị mất, cần phải tái lập lại Khu vực nhỏ thường hồi phục tự nhiên khu vực lớn m2 yêu cầu trồng lại - Dấu hiệu suy công sâu bệnh cần điều tra kịp thời Thuốc trừ sâu sinh học thuốc trừ sâu – dịch hại có độc tính thấp sử dụng số lượng sâu bệnh vượt giá trị ngưỡng định 5.3 QUAN TRẮC ĐẤT NGẬP NƯỚC TRONG HỆ THỐNG - Quan trắc chất lượng môi trường đất hệ thống cần thiết Xác định vị trí quan trắc, vị trí lấy mẫu, xây dựng mạng lưới quan trắc… nên định kỹ trạng thái tốn tại, cách biến động…của chất gây ô nhiễm [23] - Các thông số hóa học cần phân tích: pH, Oxy đất, Nhiệt độ, độ dẫn điện, Tổng Nitơ, Nitrat, amoni, Phosphous, cácbon hữu cơ, kim loại, Coliform… 48 KẾT LUẬN Sử dụng đất ngập nước nhân tạo xử lý nước thải công nghệ mới, phương pháp thay có giá thành rẻ so với việc xử lí nước trước Đất ngập nước nhân tạo tạo nên môi trường cảnh quan có tính thẩm mỹ cao Hệ thống xử lý nước thải đất ngập nước nhân tạo thúc đẩy việc sử dụng bền vững nguồn tài nguyên, hệ thống xử lí nước thải sinh học, thân thiện với môi trường Việc tạo vùng đất ngập nước nhân tạo tốn chi phí hơn, không yêu cầu công nghệ cao công cụ đại, phức tạp Hệ thống dựa nguồn lượng tái tạo mặt trời động-thực vật vùng ngập nước vi sinh vật, thứ hoạt động tốt việc hoạt động xử lí 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Canfield, T.J., Jorgensen, E.E., Burden, D.S., Kemble, N.E 1997 Constructed Wetlands: Contaminant Filters, [2] Transformers, Or Sinks: Evaluating The Fate Of Contaminants In Sediments And Biota Of Wetlands Constructed For Wastewater Treatment [3] DeBusk, W.F 1999 Evaluation of a Constructed Wetland for Treatment of Leachate at a Municipal Landfill in Northwest Florida, in Constructed Wetlands for the Treatment of Landfill Leachates, Lewis Publishers, Boca Raton, FL, pp.175-186 [4] Aquaculture Systems for Wastewater Treatment: Seminar Proceedings and Engineering Assessment U.S Environmental Protection Agency [5] Kadlec RH, Knight RL Treatment wetlands USA: Lewis, 1996 p 950 Korn M The dike-pond concept: sustainable agriculture and nutrient recy-cling in China Ambio 996;25(1):6±13 [6] EPA, United States Environmental Protection Agency Constructed treatment wetland EPA 843-F-03-013, Office of Water, August 2004 [7] Types of Wetlands and Their Roles in the Watershed – trích WATERSHEDSS (WATERSHEDSS phát triển tài trợ Cơ quan Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ, Văn phòng Nghiên cứu Phát triển, Exposure Quốc gia Phòng thí nghiệm nghiên cứu, Bộ phận Nghiên cứu hệ sinh thái, Athens, GA (Hiệp định hợp tác / Dự án Grant EPA # CR822270 818.397.011), biết đến với vai trò Cơ quan cảnh quan nông nghiệp tính vị trí đặt thiết bị đầu cuối môi trường, cấp cho North Carolina State University Các cán dự án EPA Dermont Bouchard Nhà nghiên cứu Quản lý dự án Judith A Gale (NCSU) [8] Nguyễn Lân Dũng Công nghệ để làm ao hồ thành phố, 30/07/2005 [9] EPA, United States Environmental Protection Agency Constructed treatment wetland EPA 843-F-03-013, Office of Water, August 2004 [10] Công ước Ramsar [11] A handbook of contructed wetlands [12] Ramsar Convention On Wetlands [13] National Risk Management Research Laboratory Office of Research and Development U.S Environmental Protection Agency Cincinnati, Ohio 45268 50 Constructed Wetlands Treatment of Municipal Wastewaters EPA/625/R-99/010 September 2000 [14] Csilla Todorovics, Tamás M Garay, Zoltán Bratek The use of the reed (Phragmites australis) in wastewater treatment on constructed wetlands Proceedings of the Hungarian Congress on Plant Physiology and the 6th Hungarian Conference on Photosynthesis, 2005 Volume 49(1-2):81-83, 2005 Acta Biologica Szegediensis [15] Sim Cheng Hua The use of constructed wetlands for wastewater treatment First Edition February 2003 Malaysia office 24pp [16] DeBusk, W.F 1999 Evaluation of a Constructed Wetland for Treatment of Leachate at a Municipal Landfill in Northwest Florida, in Constructed Wetlands for the Treatment of Landfill Leachates, Lewis Publishers, Boca Raton, FL, pp.175-186 [17]Transformers, Or Sinks: Evaluating The Fate Of Contaminants In Sediments And Biota Of Wetlands Constructed For Wastewater Treatment [18] Chuyên đề “Tổng quan đất ngập nước đất ngập nước nhân tạo” [19] Nguyễn Thành Luân Đồ án Thiết kế hệ thống đất ngập nước phục vụ xử lý nước thải cụm công nghiệp Tân Qui - Huyện Củ Chi - Tài liệu [20] Tác động tốc độ tải thủy lực việc loại bỏ chất ô nhiễm dòng chảy ngang bề mặt đất ngập nước nhân tạo vùng nhiệt đới [21] Kadlec RH, Knight RL Treatment wetlands USA: Lewis, 1996 p 950 Korn M The dike-pond concept: sustainable agriculture and nutrient recy-cling in China [22] Office of Water (4502F), United States, Environmental Protection Agency, Washington, DC 20460 Protecting Natural Wetlands: A Guide to Stormwater Best Management Practices [23] en.wikipedia.vn 51 [...]... 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. .. khuẩn trong đất ngập nước 32 CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO ĐỂ XỬ LÝ NƯỚC THẢI 4.1 TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ Những tiêu chuẩn để thiết kế vùng đất ngập nước bao gồm lựa chọn địa điểm, phân tích các đặc điểm thủy văn của nguồn nước và chất lượng nước, lựa chọn nguyên liệu thực vật, đất và các điều kiện địa chất, vị trí vùng đệm và bảo trì Các cân nhắc khi thiết kế hệ thống đất ngập nước được... 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... 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... 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... 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... Vị trí xây dựng Đất ngập nước nhân tạo có thể xây dựng gần như mọi nơi Nên xây dựng một vùng đất ngập nước ở những nơi không tồn tại trước đây để tránh các vướng mắc trong việc điều tiết liên quan đến vùng đất ngập nước tự nhiên và cho phép thiết kế các vùng đất ngập nước để xử lý nước thải tối ưu 4.1.2 Thổ nhưỡng Tính thấm cơ bản của đất phải được xem xét, độ thấm mong muốn nhất của đất là 10E và 10E-7... các quá trình xử lý nước thải Vùng đất ngập nước đã được chứng minh là có hiệu quả trong xử lý BOD, TSS, N và P cũng như để giảm kim loại, các chất ô nhiễm hữu cơ và tác nhân gây bệnh Việc nắm rõ cơ chế xử lý nước thải của đất ngập nước là hết sức cần thiết để vận hành mô hình đất ngập nước được chính xác và đạt hiệu quả cao Các cơ chế đó bao gồm ba quá trình của hệ thống đất ngập nước là vật lý, hóa... 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 -... 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 ... 1.2 CHỨC NĂNG CỦA ĐẤT NGẬP NƯỚC Đất ngập nước cung cấp số chức giá trị (chức đất ngập nước trình cố hữu xảy vùng đất ngập nước; giá trị đất ngập nước thuộc tính vùng đất ngập nước xã hội nhận... nước thải gồm có hai loại: Đất ngập nước tự nhiên đất ngập nước nhân tạo 1.4.2 Đất ngập nước tự nhiên Đất ngập nước tự nhiên vùng ngập nước thường xuyên có nhiều loại chịu nước lau, sậy chứa đựng... ướt đầm lầy, đồng cỏ ẩm ướt, đất ngập nước thủy triều, vùng ngập ven sông vùng đất ngập nước dọc theo dòng kênh Phạm vi phân bố diện tích đất ngập nước: - Đất ngập nước xuất nơi từ địa cực tới