Nghiên cứu sử dụng bèo cái (Pistia strationtes L) và rau muống (Ipomoea aquatica Forsk) trong xử lý nước phú dưỡng

- NGUYỄN TRUNG KIÊN NGUYỄN TRUNG KIÊN NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG BÈO CÁI (PISTIA STRATIONTES L) VÀ RAU MUỐNG (IPOMOEA AQUATICA FORSK) TRONG XỬ LÝ NƯỚC PHÚ DƯỠNG CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG KHOÁ:2009 Hà Nội-2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI.
- NGUYỄN TRUNG KIÊN NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG BÈO CÁI (PISTIA STRATIONTES L) VÀ RAU MUỐNG (IPOMOEA AQUATICA FORSK) TRONG XỬ LÝ NƯỚC PHÚ DƯỠNG NGÀNH: CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.
- NCVCC TRẦN VĂN TỰA Hà Nội-2012 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài luận văn thạc sỹ: “Nghiên cứu sử dụng Bèo Cái (Pistia stratiotes L) và Rau Muống (Ipomoea aquatica Forsk) trong xử lý nước phú dưỡng”, là do tôi thực hiện với sự hướng dẫn của TS.
- NCVCC Trần Văn Tựa, Phòng Thủy sinh học Môi trường, Viện Công nghệ môi trường, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
- Trần Văn Tựa, đã hướng dẫn tôi tận tình, chu đáo, động viên và khích lệ tôi trong quá trình thực hiện luận văn.
- Qua đây, tôi cũng gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo và các cán bộ của Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã truyền đạt kiến thức và các kỹ năng nghiên cứu khoa học cũng như tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian học tập.
- Đồng thời tôi xin cảm ơn các đồng nghiệp công tác tại phòng Thủy sinh học môi trường, Viện Công nghệ môi trường, Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã nhiệt tình ủng hộ giúp đỡ tôi trong công việc và trong thời gian thực hiện đề tài.
- Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và người thân đã luôn hỗ trợ, động viên và tạo điều kiện cho tôi trong thời gian học tập cũng như hoàn thiện luận văn.
- Hà Nội, ngày tháng năm 2012 Học viên Nguyễn Trung Kiên MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU I.TỔNG QUAN I.1.Sự phú dưỡng hóa I.1.1 Khái niệm phú dưỡng I.1.2 Nguyên nhân của hiện tượng phú dưỡng I.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới hiện tượng phú dưỡng I.1.4 Hậu quả của sự phú dưỡng I.2. Hiện trạng phú dưỡng tại các thủy vực nước ngọt và phương hướng giải quyết I.2.1 Phú dưỡng tại các thủy vực nước ngọt tại Việt Nam và trên thế giới I.2.2 Một số phương pháp xử lý nước phú dưỡng và sự bùng phát của vi tảo I.2.2.1Các biện pháp xử lý cặn lắng và bất hoạt P tại hồ I.2.2.2Các biện pháp kỹ thuật và vật lý I.2.2.3Sử dụng các chất diệt tảo I.2.2.4Các biện pháp sinh học I.3. Công nghệ sinh thái sử dụng thực vật thủy sinh trong xử lý ô nhiễm nước phú dưỡng I.3.1 Vai trò của thực vật thủy sinh trong xử lý nước phú dưỡng I.3.2 Các loại hình công nghệ sử dụng TVTS trong xử lý ô nhiễm nước I.3.3 Một số nghiên cứu sử dụng TVTS trong xử lý ô nhiễm nước tại Việt Nam II.ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU II.1.Đối tượng nghiên cứu II.1.1 Nước hồ phú dưỡng II.1.2 Cây Bèo Cái (Pistia stratiotes L.) và Rau Muống (Ipomoea aquatica Forsk II.2.Thời gian và địa điểm nghiên cứu II.3.Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm II.3.1 Hóa chất II.3.2 Dụng cụ II.4.Phương pháp nghiên cứu II.4.1 Phương pháp đánh giá chất lượng nước II.4.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm II.4.3 Phương pháp phân tích và xử lý số liệu III.KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN III.1.Thực nghiệm đánh giá khả năng sinh trưởng và loại bỏ các nhân tố gây phú dưỡng của Bèo Cái và Rau Muống III.1.1 Ảnh hưởng của pH đến sự sinh trưởng của Bèo Cái và Rau Muống III.1.2 Sinh trưởng và khả năng loại bỏ N-NH4+ của Bèo Cái và Rau Muống trong môi trường có hàm lượng N-NH4+ khác nhau III.1.2.1Ảnh hưởng của các nồng độ N-NH4+lên sinh trưởng của Bèo Cái và Rau Muống 35III.1.2.2Khả năng loại bỏ N-NH4+của Bèo Cái và Rau Muống III.1.3 Sinh trưởng và khả năng loại bỏ N-NO3- của Bèo Cái và Rau Muống trong môi trường có hàm lượng N-NO3- khác nhau III.1.3.1Ảnh hưởng của các nồng độ N-NO3- lên sinh trưởng của Bèo Cái và Rau Muống 39III.1.3.2Khả năng loại bỏ N-NO3- của Bèo Cái và Rau Muống III.1.4 Sinh trưởng và khả năng loại bỏ P-PO43- của Bèo Cái và Rau Muống trong môi trường có hàm lượng P-PO43- khác nhau III.1.4.1 Ảnh hưởng của các nồng độ P-PO43- lên sinh trưởng của Bèo Cái và Rau Muống III.1.4.2Khả năng loại bỏ P-PO43- của Bèo Cái và Rau Muống III.2.Thực nghiệm với Bèo Cái và Rau Muống ở quy mô Pilot III.2.1 Vai trò của Bèo Cái và Rau Muống trong loại bỏ yếu tố phú dưỡng .......48III.2.2 Khả năng loại bỏ các yếu tố phú dưỡng ở các tải lượng khác nhau III.2.3 Hiệu quả loại loại bỏ vi sinh vật, vi tảo và VKL của Rau Muống và Bèo Cái IV.KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1.
- Quá trình phú dưỡng trong thủy vực Hình 2.
- Các loại hình công nghệ sinh thái sử dụng TVTS trong xử lý ô nhiễm nước Hình 3.
- Mô hình xử lý ở quy mô Pilot Hình 4.
- Ảnh hưởng của pH đến sự sinh trưởng của Bèo Cái và Rau Muống Hình 5.
- Sinh trưởng của bèo tây trong môi trường có hàm lượng N-NH4+ khác nhau Hình 6.
- Khả năng loại bỏ N-NH4+ của Bèo Cái ở các công thức thí nghiệm theo thời gian Hình 7.
- Khả năng loại bỏ N-NH4+ của Rau Muống ở các công thức thí nghiệm theo thời gian Hình 8.
- Sinh khối bèo Cái ban đầu và kết thúc thí ngiệm ở các nồng độ N-NO3- khác nhau Hình 9.
- Khả năng loại bỏ N-NO3- của Bèo Cái theo thời gian Hình 10.
- Khả năng loại bỏ N-NO3- của Rau Muống theo thời gian Hình 11.
- Sinh trưởng của bèo Cái ở các nồng độ P-PO43-.khác nhau Hình 12.
- Biến động hàm lượng P-PO43- của các công thức thí nghiệm theo thời gian Hình 13.
- Khả năng loại bỏ P-PO43- của rau muống ở các công thức thí nghiệm khác nhau Hình 14.
- Vai trò của Bèo Cái và Rau Muống trong loại bỏ yếu tố phú dưỡng........49Hình 15.
- Hiệu suất loại bỏ các yếu tố phú dưỡng ở tải lượng 100 l/m2.ngày và 200 l/m2.ngày Bảng 16.
- Hệ thống rễ Rau muống phát riển tạo thành lớp vật liệu lọc DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 1.
- Phân loại mức độ dinh dưỡng của hồ, sông và suối Bảng 3.
- Danh mục các hóa chất sử dụng trong nghiên cứu Bảng 4.
- Danh mục các thiết bị sử dụng trong nghiên cứu Bảng 5.
- Ảnh hưởng của pH đến sự sinh trưởng của Bèo Cái và Rau Muống Bảng 6.
- Sinh trưởng của Bèo Cái và Rau Muống trong môi trường có nồng độ N-NH4+ khác nhau Bảng 7.
- Khả năng loại bỏ N-NH4+ của Bèo Cái và Rau Muống theo thời gian......37Bảng 8.
- Sinh trưởng của Bèo Cái và Rau Muống trong môi trường có nồng độ N-NO3- khác nhau Bảng 9.
- Khả năng loại bỏ N-NO3- của Bèo Cái và Rau Muống theo thời gian........41Bảng 10.
- Sinh trưởng của Bèo Cái và Rau Muống trong môi trường có nồng độ P-PO43-.
- khác nhau Bảng 11.
- Khả năng loại bỏ P-PO43- của Bèo Cái và Rau Muống theo thời gian......45Bảng 12.
- Hiệu quả loại bỏ các thông số gây phú dưỡng của Bèo Cái và Rau Muống Bảng 14.
- Tổng hợp hiệu suất xử lý của hệ thống cây thủy sinh quy mô Pilot Bảng 15.
- Hiệu quả loại bỏ Vi tảo và VKL Bảng 18.
- Hiệu quả loại bỏ F-Coliform và T-Coliform DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VÀ CHỮ VIẾT TẮT BOD: Nhu cầu ôxy sinh hóa CFU: Đơn vị hình thành khuẩn lạc Chl.a: Chlorophyll a COD: Nhu cầu ôxy hóa học CNST: Công nghệ sinh thái CTTN: Công thức thí nghiệm DO: Độ ôxy hòa tan ĐC: Đối chứng MPN: Most peoable number N: Nitơ P: Phốt pho QCVN Quy chuẩn Việt Nam TDS: Tổng chất rắn hòa tan TN: Thí nghiệm T-N: Tổng Nitơ T-P: Tổng Phốt pho TSS: Tổng chất rắn lơ lửng TVTS: Thực vật thủy sinh VKL: Vi khuẩn lam TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN CAO HỌC Chuyên ngành: Công nghệ môi trường 1MỞ ĐẦU Tài nguyên nước nói chung và tài nguyên nước mặt nói riêng là một trong những yếu tố quyết định sự phát triển kinh tế xã hội của một vùng lãnh thổ hay một quốc gia.
- Sự gia tăng dân số, quá trình công nghiệp hoá và đô thị hoá diễn ra mạnh mẽ làm tăng nhu cầu sử dụng nước trong khi nguồn tài nguyên nước không thay đổi.
- Phú dưỡng là một quá trình phức tạp xảy ra chủ yếu ở các thủy vực nước ngọt.
- Biểu hiện của phú dưỡng là sự dư thừa các chất dinh dưỡng (NO3-, NO2-, NH4+ và PO43.
- tỷ lệ P/N cao do sự tích lũy tương đối P so với N trong môi trường nước.
- Hiện tượng này thường kéo theo “sự nở hoa trong nước.
- Nhiều VKL có khả năng sản sinh ra độc tố.
- Ngày nay, phú dưỡng đã trở thành hiện tượng phổ biến xảy ra tại hầu hết các thuỷ vực trên thế giới.
- Quá trình đô thị hoá, phát triển các khu dân cư tập trung trong đó thiếu các biện pháp xử lý chất thải, việc canh tác thiếu khoa học, tăng lượng sử dụng phân bón trong các hoạt động sản xuất nông nghiệp và nước thải công nghiệp chưa qua xử lý là các nguyên nhân trực tiếp làm gia tăng quá trình phú dưỡng, khiến cho hiện tượng này không chỉ xuất hiện trong các thuỷ vực nước ngọt nội địa mà còn xảy ra ở cửa sông và một số vùng biển.
- Xử lý nước phú dưỡng hay loại bỏ N và P ra khỏi môi trường nước là công việc phức tạp và tốn kém.
- Trong vấn đề này, công nghệ sinh thái sử dụng thực vật thuỷ sinh (TVTS) được cho là có nhiều ưu điểm so với hệ thống xử lý nước thải thông thường.
- Đây là phương pháp xử lý thân thiện môi trường, tương đối rẻ tiền, dễ dàng trong vận hành và duy trì, đồng thời cũng có tính hiệu quả, đáng tin cậy (Greenway, 2003 và Perdomo, 1994).
- Nhiều nghiên cứu cho thấy TVTS không những làm giảm thiểu nồng độ một số kim loại nặng nguy hiểm mà còn có khả năng Nghiên cứu sử dụng Bèo Cái (Pistia stratiotes L) và Rau Muống (Ipomoea aquatica Forsk) trong xử lý nước phú dưỡng  Nguyễn Trung Kiên 2hấp thu chất hữu cơ rất hiệu quả.
- Những loài này có thể hút, giữ, hấp thụ các chất hữu cơ qua từng phần hoặc toàn bộ cơ thể như thân, lá, rễ của chúng.
- Khả năng xử lý ô nhiễm của một số loài TVTS và tảo đã được kiểm chứng trong các điều kiện thí nghiệm và cho thấy rằng chúng có tiềm năng trong xử lý ô nhiễm nước nói chung và nước phú dưỡng nói riêng.
- Việt Nam là quốc gia có triển vọng cho việc ứng dụng công nghệ sinh thái (CNST) sử dụng TVTS trong xử lý ô nhiễm nước do có điều kiện khí hậu nhiệt đới cùng với hệ thực vật khá phong phú và đa dạng.
- Vì vậy, để đánh giá vai trò của một số loài TVTS trong xử lý nước phú dưỡng cũng như khả năng sử dụng các loài thực vật này trong thực tiễn như là giải pháp thân thiện với môi trường, đề tài:“ Nghiên cứu sử dụng Bèo Cái (Pistia stratiotes L) và Rau Muống (Ipomoea aquatica Forsk) trong xử lý nước phú dưỡng” được thực hiện với nội dung.
- Nghiên cứu ảnh hưởng pH đến sự sinh trưởng của Bèo Cái và Rau Muống.
- Nghiên cứu khả năng sinh trưởng và hấp thu N, P của Bèo Cái và Rau Muống tại các nồng độ khác nhau trong điều kiện phòng thí nghiệm.
- Hiệu quả xử lý một số yếu tố phú dưỡng từ nước ao tự nhiên của Bèo Cái và Rau Muống ở qui mô pilot.
- TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN CAO HỌC Chuyên ngành: Công nghệ môi trường 3I.
- Sự phú dưỡng hóa I.1.1 Khái niệm phú dưỡng Thuật ngữ phú dưỡng (Eutrophication) được Weber lần đầu tiên sử dụng để miêu tả điều kiện dinh dưỡng trong các vùng đầm lầy ở Đức (Hutchinson, 1969).
- Tuy nhiên, do việc phân loại chỉ dựa trên những quan sát tự nhiên đẫn đến một khoảng thời gian dài các hồ chỉ được theo dõi trong một giai đoạn đơn lẻ.
- Vì vây, những nghiên cứu này chưa thấy được diễn thế của hồ mà trong đó hiện tượng phú dưỡng chỉ là một phần của diễn thế, cũng như chưa thấy được ảnh hưởng của dinh dưỡng trong hồ tới sự phú dưỡng hóa.
- Do đó dẫn đến sự nhầm lẫn khi sử dụng các thuật ngữ.
- Ví dụ nước hồ Marl chứa nhiều đá vôi, chất dinh dưỡng và có nhiều muối carbonat kết tủa.
- Cho đến những năm 1970 thuật ngữ phú dưỡng mới được hoàn thiện dựa trên sự sàng lọc, phân tích các phương pháp luận và bộ dữ liệu nghiên cứu về hồ trước đó.
- Khái niệm này là nền tảng cho phép định tính và định lượng mối quan hệ giữa năng suất của hồ và hiện tượng phú dưỡng (Sawyer, 1966.
- Ngày nay, hiện tượng phú dưỡng (Eutrophication) được định nghĩa là sự tăng quá mức hàm lượng các chất dinh dưỡng vô cơ cùng với dinh dưỡng có nguồn Nghiên cứu sử dụng Bèo Cái (Pistia stratiotes L) và Rau Muống (Ipomoea aquatica Forsk) trong xử lý nước phú dưỡng  Nguyễn Trung Kiên 4gốc thực vật mà thông thường là muối nitrat và phốtphát, gây nên sự gia tăng các sản phẩm sơ cấp và gây mất cân bằng sinh thái trong các thuỷ vực.
- I.1.2 Nguyên nhân của hiện tượng phú dưỡng Hiện tượng phú dưỡng thường xảy ra với các hồ, hoặc các vùng nước ít lưu thông trao đổi.
- Khi mới hình thành, các hồ đều ở tình trạng nghèo chất dinh dưỡng (oligotrophic) nước hồ thường khá trong.
- Sau một thời gian, do sự xâm nhập của các chất dinh dưỡng từ nước chảy tràn, sự phát triển và phân hủy của sinh vật thủy sinh, hồ bắt đầu tích tụ một lượng lớn các chất hữu cơ.
- Lúc đó bắt đầu xảy ra hiện tượng phú dưỡng với sự phát triển bùng nổ của tảo, nước hồ trở nên có màu xanh, một lượng lớn bùn lắng được tạo thành do xác của tảo chết.
- Cơ chế dẫn đến tình trạng phú dưỡng trong các thủy vực là một quá trình rất phức tạp và có liên kết với nhau.
- Quá trình phú dưỡng được chia thành hai loại theo liên kết với các chất dinh dưỡng phân tán và sự tăng trưởng của thực vật phù du hoặc chu trình của oxy ở tầng đáy của thủy vực (như ánh sáng, chuyển động của nước).
- Quá trình phú dưỡng trong thủy vực TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN CAO HỌC Chuyên ngành: Công nghệ môi trường 5Việc gia tăng hàm lượng các chất dinh dưỡng tại các thủy vực chủ yếu bắt nguồn từ các hoạt động của con người.
- Hàm lượng các chất dinh dưỡng trong các thủy vực, sông, suối có mối tương quan khá chặt chẽ với việc sử dụng đất nông nghiệp và đô thị trong lưu vực.
- Chẳng hạn như, hàm lượng nitơ trong phân bón sử dụng trong nông nghiệp là nguồn cung cấp chính nitơ cho các hệ sinh thái thủy vực (Goolsby và Battaglin, 2001).
- Tương tự như vậy, quá trình đô thị hóa nhanh chóng là nguyên nhân dẫn đến gia tăng hàm lượng phôt pho trong lưu vực (Paul và Meyer, 2001).
- Khi nghiên cứu về môi trường và hệ sinh thái hồ, trong tổng lượng các nguồn nước thải đến hồ, nguồn dinh dưỡng tiềm năng chủ yếu là nguồn photpho và nitơ luôn được lưu tâm nhiều nhất bởi hai nguồn này là cơ sở vật chất ban đầu, là xuất phát điểm quyết định chất lượng môi trường nước và trầm tích đáy.
- Các kết quả nghiên cứu từ trước đến nay về đầm hồ học đã tổng kết các nguồn dinh dưỡng tiềm năng đến hồ bao gồm.
- Nguồn dinh dưỡng ngoại lai (External sources): được phân biệt bởi nguồn dinh dưỡng điểm (Point sources) là nguồn gây ô nhiễm có thể xác định được vị trí, lưu lượng cụ thể (nước thải đô thị, nước thải của các khu công nghiệp, nước thải sinh hoạt được thu gom về một nơi…) và nguồn phân tán (Non-Point Sources): là nguồn không xác định được vị trí, lưu lượng cụ thể (nước mưa bị ô nhiễm, nước chảy tràn qua ruộng có phân bón, thuốc bảo vệ thực vật, thuốc trừ sâu…) (Đặng Ngọc Thanh và cộng sự, 2007.
- Nước thải sinh hoạt (Domestic Wastewater): nước thải phát sinh từ các hộ gia đình, bệnh viện, khách sạn, cơ quan, trường học….
- nước có chứa các chất thải trong quá trình sinh hoạt của con người.
- Bột giặt và các chất tẩy rửa cũng trở thành nguồn cung cấp P trong nước thải.
- Theo báo cáo của Quốc hội Mỹ (1970), có đến hơn một nửa lượng P đổ vào các hồ ở nước này đến từ nước thải đô thị và công nghiệp mà trong đó chiếm khoảng 50÷70% là các chất tẩy rửa.
- Nghiên cứu sử dụng Bèo Cái (Pistia stratiotes L) và Rau Muống (Ipomoea aquatica Forsk) trong xử lý nước phú dưỡng  Nguyễn Trung Kiên 6.
- Các nguồn nước thải công nghiệp có mức độ quan trọng tùy theo từng ngành công nghiệp, thể tích nước thải và mức độ xử lý.
- Ví dụ: ngành rượu bia ở Anh một ngày thải ra sông 11.000 m3 nước có nồng độ 156 mgN/l và 20 mgP/l.
- Ngành chế biến thực phẩm nói chung thì trong nước thải cũng chứa nhiều N và P.
- Các nguồn thải từ nông nghiệp: Hoạt động nông nghiệp là một nguồn gây phú dưỡng quan trọng.
- Các chất dinh dưỡng theo nguồn thải vào hồ qua quá trình rửa trôi, xói mòn đất do mưa.
- Nguồn cung cấp các chất dinh dưỡng nitơ và phốt pho vào các hệ sinh thái thủy vực gồm nhiều nguồn khác nhau như nước ngầm, không khí, các dòng chảy (sông, suối).
- Nguồn cung cấp dinh dưỡng cho các thủy vực (các nguồn ô nhiễm điểm và phát tán) được Carpenter và cộng sự tóm tắt ở bảng 1.
- Các nguồn thải điểm và phát tán (Carpenter và cs, 1998) Nguồn thải điểm - Nước thải sinh hoạt và công nghiệp - Rửa trôi từ các vị trí thải - Nước thải từ các trang trại gia súc - Nước thải từ các khu khai thác khoáng sản, dầu mỏ và các cống thải công nghiệp - Cống thải của thành phố với mật độ dân cư > 100.000 người - Nước thải từ các khu xây dựng với diện tích > 2 ha Nguồn thải phát tán - Nguồn thải từ các hoạt động nông nghiệp (bao gồm cả dòng chảy tưới tiêu nông nghiệp.
- Dòng chảy từ các cánh đồng - Nước thải từ các khu đô thị với mật độ dân cư < 100.000 người - Nước thải từ các khu xây dựng với diện tích < 2 ha - Dòng chảy từ các khu khai thác khoáng sản không còn hoạt động - Các hoạt động xây dựng, thay đổi vùng đất ngập nước, làm đường.
- Hàm lượng tổng phốt pho trung bình trong nước thải dao động trong khoảng 10-20 mg.
- Hàm lượng phốt pho trong nước sạch rất thấp.
- Phốt pho được sử dụng rộng rãi trong phân bón và các hóa chất khác và thường được tích lũy ở nồng

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt