1

Sử dụng hệ thống đất ngập nước nhân tạo để xử lý nước thải
sinh hoạt
Luận văn thạc sỹ khoa học
Nguyễn Thị Mai Hương, trường đại học khoa học tự nhiên đại
học quốc gia hà nội năm 2005.
Mở đầu
Khoa học kỹ thuật ngày nay càng phát triển mạnh mẽ nên đã nâng cao
được số lượng và chất lượng sản phẩm nhằm đáp ứng được nhu cầu sống ngày
càng cao của con người. Đây là mặt tích cực, song bên cạnh đó nó cũng làm cho
chất lượng môi trường sống của chúng ta bị giảm đáng kể, ô nhiễm môi trường
đã ở mức báo động trên toàn thế giới. Do vậy, loài người ngày càng phải đối mặt
với nhiều vấn đề về ô nhiễm môi trường nói chung và môi trường nước nói riêng
đã, đang và sẽ luôn là một trong những vấn đề gây nhức nhối nhất đối với các
quốc gia trên thế giới.
Đặc biệt nước thải sinh hoạt hiện nay là vấn đề đáng quan tâm vì trong
quá trình phát triển kinh tế, các nhu cầu sinh hoạt rất đa dạng và phức tạp, chúng
ta thải vào nguồn nước nhiều chất thải khác nhau khiễn cho hệ sinh thái tiếp
nhận không còn khả năng tự phục hồi, sinh ra ô nhiễm nguồn nước gây hậu quả
nghiêm trọng. Hiện nay, việc ô nhiễm nước không chỉ ở thành phố mà cả ở nông
thôn.
Hàm lượng và thành phần các chất thải vào nguồn nước ngày càng ra
tăng, từ chất thải chăn nuôi, chất thải bệnh viện, chất thải khách sạn, dầu mỡ
chất tẩy rửa... Với hàm lượng và thành phần như vậy thì hệ sinh thái dễ bị tổn
thương,màu nước chuyển sang tối hoặc đen, mùi khó chịu, nhiều màm bệnh xuất
hiện nguy hiểm cho con người như thương hàn , tả lỵ, .. đặc biệt là vào các mùa
mưa khi các vi sinh vật gặp điều kiện thuận lợi để phát triển, nhiều mầm bênh
phát triển thành dịch rất nguy hiểm và khó kiểm soát. Bên cạnh đó việc ô nhiễm
nước làm ảnh hưởng tới sức khỏe con người qua ăn uống, sinh hoạt hàng ngày
từ đó tích lũy trong cơ thể.

2

Tại Việt Nam, vấn đề bảo vệ môi trường đã được đặc biệt quan tâm vào
những đầu thập kỷ 1980, từ năm 1985 một trong các vấn đề gay cấn nhất về môi
trường đã được khảo sát, nghiên cứu xác định đó là sự suy thoái, sử dụng không
hợp lý và ô nhiễm tài nguyên nước. Để giải quyết vấn đề đó thì phảu tìm ra
phương pháp xử lý thích hợp với từng loại nước thải đặc thù. Như nước thải sinh
hoạt khu dân cư, nông thôn, bệnh viện... Bởi vì chúng có thành phần hóa học ít
nhiều khác nhau.
Trong nội dung cụ thể của khóa luận này, chúng tôi tiến hành xử lý nước
thải sinh hoạt xã Minh Nông-Thành phố Việt Trì. Đây là khu dân cư có lượng
nước thải sinh hoạt khá lớn. Màu nước thải đen và có mùi khó chịu cũng như
xuất hiện hiện tượng phú dưỡng tại nguồn tiếp nhận. Phương pháp xử lý ở đây là
phương pháp sinh học, sử dụng khả năng phân giải chất hữu cơ của vi sinh vật
và khả năng làm sạch nước của hệ thống đất ngập nước. Phương pháp này kết
hợp giữa xử lý yếm khí và vi sinh hiếu khí cũng như khả năng làm sạch của thực
vật đất ngập nước.
Chính vì vậy chúng tôi xây dựng đề tài: “Sử dụng hệ thống đất ngập
nước nhân tạo để xử lý nước thải sinh hoạt”.
Mục tiêu của luận văn:
-Đánh giá mức độ ô nhiễm của nước thải khu vực xã Minh Nông.
-Xác định thời gian lưu nước tối ưu trong bể yếm khí.
-Xác định thời gian lưu tối ưu nhất trong hệ thống đất ngập nước.
-Xây dựng hệ thống đất ngập nước nhân tạo để xử lý nước thải sinh hoạt.
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Phân loại và các đặc tính của nước thải
Hiện nay, việc đánh giá đúng hàm lượng các tác nhân gây ô nhiễm trong
nước phụ thuộc rất nhiều yếu tố, trong đó bao gồm có điều kiện sống của dân

cư, lượng nước sử dụng và hệ thống tiếp nhận. Do vậy, việc khảo sát đặc điểm
tình thình từng vùng (đô thị, nông thôn, miền núi, đồng bằng,...) là cần thiết và
việc phân loại các loại nước thải để chọn công nghệ xử lý thích hợp nhất vô
cùng quan trọng
1.1.1. Nước thải sinh hoạt


3

Nước thải sinh hoạt hay là nước thải từ các khu dân cư bao gồm nước sau
sử dụng từ các hộ gia đình, bệnh viện, khách sạn, trường học, cơ quan, khu vui
chơi giải trí.
Đặc điểm của nước thải sinh hoạt là trong đó có hàm lượng các chất hữu
cơ dễ phân hủy sinh học (cacbonhydrat, protein, lipit) và các chất vô cơ dinh
dưỡng đối với sinh vật (nitơ, phốt phát), cùng với vi khuẩn (có thể có cả vi sinh
vật gây bệnh) cũng như một số loài kí sinh trùng (trứng giun, sán), và nước thải
sinh hoạt có mùi rất khó chịu (H2S, NH3,...). Đặc trưng của các nước thải sinh
hoạt thường là chứa nhiều tạp chất khác nhau trong đó khoảng 58% là các chất
hữu cơ, 42% là các chất vô cơ, do vậy, các chất hữu cơ thường phân bố ở dạng
keo và không tan. Phần lớn các vi sinh vật có trong nước thải thường ở dạng các
vi khuẩn gay bệnh (như tả, lỵ, thương hàn...).
Nước thải sinh hoạt sau ki thải ra thường dần trở nên tính axit vì thối rữa.
Đặc điểm cơ bản của nước thải sinh hoạt là hàm lượng các chất hữu cơ không
bền vững (dễ phân hủy sinh học) cao. Các chất hữu cơ ở đây có thể có xuất xứ
từ động thực vật. các chất hữu cơ trong nước thải có thể chia thành các chất
chứa Nitơ và không chứa Nitơ (các chất hữu cơ chứa Cacbon). Các hợp chất
không chứa nitơ như mỡ, xà phòng, hydrat cácbon, xenlulo.
1.1.2. Nước thải nông nghiệp
Là nước thải sinh ra trong quá trình canh tác nông nghiệp, nước thải này
thường chứa hàm lượng phân bón hóa học cao, chất bảo vệ thực vật cũng như

chất hữu cơ nếu sử dụng phân bón quá mức. Khi nước thải nông nghiệp bị ô
nhiễm thì nó gây hậu quả nghiêm trọng là làm cho đất thoái hó, mất năng suất,...
các hiện tượng chảy tràn khi có mưa dễ gây phát tán loại chất ô nhiễm này.
1.1.3. Nước thải công nghiệp
Nước thải công nghiệp là nước thải từ cá cơ sở sản xuất công nghiệp, tiểu
thủ công nghiệp, giao thông vận tải,... nước thải công nghiệp thường chứa các
hóa chất độc hại (Kim loại nặng Pb, Hg, Cd, Cr,...), các chất hữu cơ khó phân
hủy sinh học (Phenol, chất hoạt động bề mặt,...), chất hữu cơ dễ phân hủy sinh
học từ các cơ sở sản xuất chế biến nông sản, thực phẩm (đường, sữa, bột, tôm,


4

các, bia, rượu,...) và thuốc sâu. Tóm lại nước thải công nghiệp không có đặc
điểm chung mà phụ thuộc vào đạc điểm của từng ngành sản xuất.
Khi nước thải công nghiệp xả ra ao, hồ, cống rãnh thì các chất ô nhiễm có
thể thấm sâu qua đất, tới nước ngầm. Mức độ gây ô nhiễm phụ thuộc vào độ sâu
của nước ngầm, thành phần và tính chất của các chất gây ô nhiễm có trong nước
thải, thành phần và cấu trúc của các lớp đất phía trên mực nước ngầm [10].
1.2. Tổng quan về xử lý nước thải bằng hệ thống đất ngập nước nhân tạo
1.2.1. Nước-sự ô nhiễm nguồn nước
Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quý giá, nó gắn liền với sự phát minh
và phát triển của sinh vật đặc biệt là xã hội loài người. Không có nước thì không
có sống. Nước tham gia vào hầu hết các quá trình sản xuất nông nghiệp, công
nghiệp, giao thông thủy và sinh hoạt của con người. Nước bao bọc ¾ bề mặt
Trái Đất với thể tích khoảng 1,5 tỷ km 3. Trong đó, tỷ lệ nước ngọt chỉ chiếm
2,4% tổng lượng nước, với 27.210.600 km 3 là nước mặt nằm ở các sông hồ và
6.010.600 km3 ở tầng nước ngầm.
Nước có vai trò to lớn trong đời sống nhân loại; 2/3 thành phần cơ thể
được cấu tạo từ nước. Nước tham gia vào mọi phản ứng sinh hóa và các quá

trình trao đổi chất tế bào. Sự sống của cong người sẽ bị đe dọa nếu mất 15%
lượng nước. Con người sử dụng nước một cách trực tiếp hay gián tiếp để uống,
tắm giặt; để sản xuất công nghiệp, nông nghiệp... Tuy nước có tầm quan trọng
như vậy, nhưng hiện nay nhiều vùng trên thế giới đã sử dụng nước bừa bãi đồng
thời cùng với quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa, thâm canh nông nghiệp
cũng như quá trình đô thị hóa ngày càng tăng thì nhu cầu sử dụng nước và xả
các chất bẩn vào nước cúng tăng theo làm cho nguồn nước bị ô nhiễm nghiêm
trọng.
Nước thải phải kế đến là nước thải sinh hoạt của dân cư đô thị, nước thải
công nghiệp từ các xí nghiệp công nghiệp, thương nghiệp và dịch vụ, nước thải
từ các khu vui chới giải trí, du lịch, trường học và bệnh viện, nước thải từ nước
mưa chảy tràn qua đồng ruộng cùng với nước tưới tiêu thủy lợi mang theo các
chất mầu mỡ từ đất cùng thuốc trừ sâu, phân bón,...


5

Tất cả các nguốn nước thải này nếu không xử lý đúng mức sẽ làm ô
nhiễm các nguồn nước ao hồ, sông ngòi, biển và các nguồn nước ngầm.Như
vaayk, có thể coi nước thải là nguồn ô nhiễm chính cho các thủy vực.
Trong nước thải có những thành phần khác nhau và gây ô nhiễm nước.
Các chất gây ô nhiễm trong nước thải có thể chia ra làm các nhóm chính như
sau:
Những chất độc hoặc gây hại khác nhau là muối của kim loại nặng, asen,
xyanua, phenol, anilin, pectixit và những chất khác có khả năng ức chế hoạt tính
hệ enzym gắn liền với oxy hoặc các dạng khác làm rối loạn các quá trình sống
của vi sinh vật, cũng như giới sinh vật nói chung.
Những chất độc hại này thường có mặt ở nước thải của các xí nghiệp hóa
chất, in nhuộm, thuộc da, nước có thuốc trừ sâu,... các chất này có độc tính cao.
Nếu trong bùn lắng có mặt các chất này với liều lượng nguy hiểm thì không

được dùng làm phân bón mà cần phải đốt thiêu hủy hoặc chôn cách ly.
1. Các chất axit hoặc kiềm làm thay đổi phản ứng môi trường của nguồn
nước tự nhiên và kết quả là sự cân bằng sinh thái bị phạm.
2. Các chất hoạt động bề mặt khi đổ vào thủy vực sẽ tạo thành một lớp
bọt trên mặt nước. Các chất này không nguy hiềm, nhưng làm cho nước không
thoáng khí, hạn chế oxy hòa tan trong nước, ảnh hưởng đến đời sống của giới
thủy sinh, trong đó có tảo và vi sinh vật. Các chất này khó bị phân hủy.
3. Những chất hữu cơ hoà tan có chứa Cácbon và Nitơ, được vi sinh vật
sử dụng như là các chất dinh dưỡng và làm cho giới này phát triển mạnh mẽ
trong nước. Nhưng hàm lượng các chất này quá cao sẽ kéo theo nhu cầu oxy
sinh học lớn, làm ảnh hưởng đến các vi sinh vật hiếu khí. Như vậy, các vi sinh
vật này không thế phát triển được trong điều kiện nồng độ các chất hữu cơ hòa
tan quá nhiều, làm nước lâu tự làm sạch.
4. Những chất hữu cơ không tan như Lignin, xenluloza, tinh bột, các chất
cao phân tử trong đó có những chất trôi nổi trên bề mặt hoặc trong nước. tron
trường hợp này, sẽ rất khó khăn khi xử lý, đặc biệt là các chất nhựa cao phân tử
chưa thể bị phân hủy bởi vi sinh vật trong khoảng thời gian vài chục năm hoặc


6

lâu hơn nữa. Nước thải của các xí nghiệp làm giấy, làm đường từ mía,... thường
có hàm lượng lignin cao. Chất hữu cơ này cũng khó bị phân hủy khi xử lý [20].
1.2.2. Hệ thống đất ngập nước nhân tạo
Đất ngập nước có thể được định nghĩa là vùng đất được bao phủ quanh
năm bởi nước. Trong đó, hệ thống đầm lầy chính là một hệ thống đất ngập nước
tự nhiên. Phương pháp xử lý nước thải bằng đất ngập nước là một phương pháp
được áp dụng ở nhiều nước trên thế giới. Tuy nhiên, cho tới nay ở Việt Nam
chưa áp dụng phương pháp này vào việc xử lý nước thải. Dựa vào những nghiên
cứu đã được thực hiện thành công tại các nước khác nhau như Mỹ, Úc, Italya,...

Công ty Publiser SpA là một công ty đa dịch vụ đã tiến hành một số các hoạt
động tại Empoir trên một diện tích gần 1500km 2 tại trung tâm Tuscany, Italya.
Hệ thống đất ngập nước cùng được ứng dụng để xử lý nước thải vùng hồ
Victoria thuộc cộng đồng các quốc gia Đông Phi-EAC. Ngoài ra, hệ thống này
còn được sử dụng tại Uganda và Tadania bởi trường đại học Dar es Salaam
(Mashauri et al., 2000). Năm 2001 dự án được tài trợ bởi SIDA/SAREC để xử lý
nước thải nhà máy mía đường tại Kenya với việc sử dụng 08 bể xử lý môi
trường với dòng chảy bề mặt tự do.
Việc xử lý nước thải bằng hệ thống đất ngập nước có liên quan tới hiệu
quả của các quá trình vật lý, hóa học, đặc biệt là sinh học xảy ra trong đó. Các
hệ thống này chủ yếu dùng để xử lý nước thải có chứa nhiều chất hữu cơ BOD
cao như nước thải nhà máy giấy, các nhà máy chế biến thực phẩm, bia rượu, nhà
máy chế biến cà phê, các cơ sở giết mổ... hay nước thải sinh hoạt [20].
1.2.3. Nguyên tắc về xử lý nước thải bằng hệ thống đất ngập nước nhân tạo
Nguyên tắc:
Nguyên tắc của phương pháp xử lý nước thải thông qua hệ thống là kết
hợp cả xử lý cơ học (lọc) và xử lý sinh học (lợi dụng hệ vi sinh vật có sẵn trong
đất và rễ cây để loại bỏ hay giảm các chất ô nhiễm). Ưu điểm của phương pháp
này là:
-Phương pháp này không những xử lý hiệu quả với quy mô nhỏ mà còn có
thể được sử dụng ở quy mô công nghiệp.


7

-Phương pháp đơn giản, rẻ tiền và có thể áp dụng phù hợp với từng hộ gia
đình, sử dụng nguyên liệu vốn có trong tự nhiên nhưng có thể loại bỏ phần lớn
các chất hữu cơ như nitơ, phốtpho trong nước thải.
-Phương pháp xử lý hoàn toàn mùi hôi trong nước thải, đặc biệt số lượng
bùn dư thừa (bùn hoạt tính) chỉ bằng 1/5 so với các phương pháp xử lý thông

thường [20].
1.2.4. Cơ chế loại bỏ chất thải trong hệ thống đất ngập nước nhân tạo
Các hệ thống đất ngập nước làm giảm nhiều chất ô nhiễm, bao gồm các
chất hữu cơ (BOD, COD), chất rắn lơ lửng, N, P, kim loại, các vi sinh vật gây
bệnh. Việc làm giảm các chât này được thực hiện bởi các cơ chế xử lý đa dạng.
a. Hợp chất hữu cơ
Các chất hữu cơ lắng đọng được loại bỏ nhanh chóng dưới những điều
kiện nhất định do phân hủy và thấm lọc. Sự sinh trưởng của các vi sinh vật bám
dính và lơ lửng sẽ bị loại bỏ các hợp chất hữu cơ hòa tan. Các hợp chất hữu cơ
được phân hủy kị khí và hiếu khí. Trong đó, oxy cần đến cho sự phân hủy hiếu
khí được cung cấp trực tiếp từ khí quyển bằng cách khuếch tán hoặc ngấm vào
bầu rễ. Sự hấp thụ các vật hữu cơ bởi thực vật thủy sinh không đáng kể so với sự
phân hủy sinh học.
-Sự phân hủy hiếu khí các chất hữu cơ hòa tan được điều chỉnh bởi nhóm
các vi khuẩn dị dưỡng hiếu khí theo phản ứng sau:
(CH2O) + O2 = CO2 + H2O
Nhóm vi khuẩn tự dưỡng phân hủy các chất hữu cơ chứa Nitơ dưới điều
kiện hiếu khí gọi là vi khuẩn nitrat hóa, quá trình này gọi là amoni hóa. Cooper
(1996) chỉ ra: tất cả các nhóm đều tiêu thụ chất hữu cơ nhưng tốc độ trao đổi
chất hữu cơ nhưng tốc độ trao đổi chất của nhóm dị dưỡng nhanh hơn, nghĩa là
chúng gây ra chủ yếu sự giảm BOD của hệ thống. Khi không đầy đủ oxy cho
các nhóm này thì sẽ làm giảm nhiều sự biểu hiện của oxy hóa sinh học hiếu khí,
tuy nhiên, nếu oxy không được giới hạn, sự phân hủy hiếu khí sẽ được điều
chỉnh bởi lượng các vật chất hữu cơ hoạt động có giá trị với các cơ thể sống.
-Sự phân hủy kị khí là một quá trình có nhiều giai đoạn xảy ra trong các
vùng ngập nước khi vắng mặt oxy hòa tan. Quá trình có thể thực hiện bới các


8


nhóm vi khuản tự dưỡng bắt buộc hay không bắt buộc. Trong giai đoạn đầu tiên,
sản phẩm cuối cùng của sự lên men là các axit béo như axit axetic, bytyric và
lactic, rượu, khí CO2 và H2.
C6H12O6
3CH3COOH+H2
C6H12O6

CH3CHOHCOOH

C6H12O6

2CO2+2CH3CH2OH

Axit axetic là axit đầu tiên được tạo ra ở phần lớn các lớp trầm tích và ở
đất ngập nước. Sau đó, sự giảm muối sunfat và sự tạo metan ở vi khuẩn kị khí
tận dụng sản phẩm cuối cùng của quá trình lên men thực tế phụ thuộc vào nhóm
vi khuẩn lên men phức tạp để cung cấp các chất cơ bản cho hoạt động trao đổi
chất. Các nhóm đều đóng một vai trò quan trọng trong sự phân hủy vật chất hữu
cơ và chu trình Cacbon trong đất ngập nước.
CH3COOH+H2SO4
2CO2+2H2O+H2S
CH3COOH+4H2
4H2+CO2

CH4+2H2O
CH4+2H2O

Vi khuẩn tạo axit thích nghi tốt hơn nhưng vi khuẩn tạo men nhạy cảm
hơn và hoạt động ở pH thay đổi từ 6,5 đến 7,5. Axit sinh ra có thể giảm pH
nhanh chóng, do đó, dùng các hoạt động của vi khuẩn tạo metan và dẫn đến việc

tạo ta các hợp chất có mùi khó chịu từ đất ngập nước. Sự phân hủy kị khí các
hợp chất hữu cơ chậm hơn nhiều sự phan hủy hiếu khí. Tuy nhiên, khi O 2 bị giới
hạn mà lượng chất hữu cơ cao thì sự phân hủy kị khí sẽ lấn át.
b. Chất rắn lơ lửng
Thời gian lưu giữ nước ở các vùng đất ngập nước là lâu dài, nói chung vài
ngày hoặc lâu hơn. Cuối cùng, tất cả các chất rắn có nguồn gốc từ nước thải đều


9

di chuyển đi. Quá trình chín loại bỏ các chất rắn lơ lửng là trầm tích và lọc, ít
nhất cos một phần các chất rắn dạng keo được loại bỏ bởi sự phát triển của vi
khuẩn.
Tất cả các hệ thống đất ngập nước, hầu hết các chất thải rắn có nguồn gốc
từ nước thải được lọc qua và láng đọng ở vài mét đầu của dòng vào. Sự tích lũy
chất rắn lơ lửng là sự đe dọa chính cho các hoạt động của một hệ thống, đặc biệt
là những hệ thống có dòng chảy dưới lớp bề mặt, những dòng chảy này có thể bị
ngăn chặn bởi chất rắn lơ lửng. Tuy nhiên, dựa vào những thí nghiệm ở
Australia, Bavor và Schulz (1993) đã chỉ ra rằng 80-90% chất rắn lơ lửng của
nướ thải đã xử lý sơ cấp và thứ cấp đều là chất dễ bay hơi. Tại nhiều hệ thống,
phần lớn các chất rắn lắng đọng được chuyển đi ở giai đoạn xử lý sơ cấp trước
khi nước thải được đưa vào hệ thống đất ngập nước hiện tại.
c. Nitơ
Cơ chế loại bỏ Nitơ ở các vùng đất ngập nước đa dạng và bao gồm sự bay
hơi, amoni hóa, quá trình Nitrat hóa,quá trình phản nitrat hóa, thực vật hấp thụ,
sự hấp phụ của chất nền. Nhiều nghiên cứu đã chứng tỏ cơ chế loại bỏ chính ở
các vùng đất ngập nước là sự Nitrat hóa và sự phản nitrat hóa của vi sinh vật.
trong các hệ thống với sinh vật nổi, sự bay hơi của amoniac vào khí quyển có
thể làm giảm ni tơ.
*Sư bay hơi amoniac

Sự bay hơi amoniac là một quá trình hóa lý. Cân bằng giữa dạng khí và
hydroxy
NH3+H2O = NH4+ +OHReddy và Patrick (1984) chỉ ra rằng: mất NH 3 qua bay hơi từ đất ngập
nước và sự trầm tich là không đáng kể nếu pH giảm xuống dưới 7,5 và không
nhiều lắm nếu pH giảm xuống 8,0. Tại pH=9,3 tỷ lện giữa NH 3 và NH4+ là 1:1
và sự bay hơi là quan trọng. Sự quang hợp làm tăng pH.
Vymazal (1995) chứng minh rằng: tốc độ bay hơi được điều chỉnh bởi
nồng độ NH4+ trong nước, nhiệt độ, tốc độ gió, bức xạ mặt trời, số lượng thực
vật trong nước, khả năng hay đổi pH trong chu trình ngày đêm.
*Sự amoni hóa


10

Sự amoni hóa (khoáng hóa) là quá trình nitơ hữu cơ biến thành nitơ vô cơ,
đặc biệt ở dạng NH4+. Tốc độ khoáng hóa nhanh nhất ở đới oxy hóa và giảm khi
chuyển từ hiếu khí sang kị khí không bắt buộc và kị khí bắt buộc. Tốc độ amoni
hóa trong đất ngập nước phụ thuộc váo nhiệt độ, pH, tỷ lệ C/N của phần còn lại,
các chất dinh dưỡng trong hệ thống và điều kiện đất (cấu trúc bề mặt,cấu trúc
bên trong), pH thay đổi giữa 6,3 và 8,5. trong đất bão hòa, pH trung tính. Trong
điều kiện thoát nước tốt, sự tập trung NO 3- và sản xuất H+ là giá trị pH giảm
trong suốt quá trình khoáng hóa. Tốc độ amoni hóa hiếu khí tăng gấp đôi khi
nhiệt độ tăng 100C (Reddy, 1979).
*Quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa:
Quá trình nitrat hóa: là quá trình oxy hóa sinh học các hợp chất amoni
thành nitrat với nitrit là sản phẩm trung gian của chuỗi phản ứng. Đây là một
quá trình tổng hợp sinh hóa. Vi khuẩn nitrat lấy năng lượng từ quá trình oxy hóa
NH4+ và/hoặc NO2, CO2 được sử dụng như nguồn cacbon cho sự tổng hợp tế bào
mới. Những cơ thể sống này cần oxy trong suốt quá trình oxy hóa của NH 4+
thành NO3- chia thành 1 giai đoạn.

NH4+ +1,5O2
NO2+2H++H2O
NO2+1,5O2

NO3-

NH4+ +2O2

NO3- +2H+ +H2O

Trong giai đoạn đầu, sự oxy hóa NH 4+ thành NO2 được thực hiện chặt chẽ
bởi vi khuẩn hiếu khí, những vi khuẩn này phụ thuộc toàn bộ vào sự oxy hóa
NH4+ tạo ra năng lượng cho sự sinh trưởng. Phản ứng có thể xảy ra liên tiếp
trong quá trình oxy hóa NH4+ thành NO2 bởi nhóm vi khhuaanr nitroso là:
NH3/NH4+
NH2OH
NOH
NO2.NH2OH
NO2


11

Các hợp chất trung gian NOH và NO 2.NH2OH được thừa nhận là không
bị tách riêng, nhưng sự tham gia chủa chúng trong phản ứng là cố định với giả
thiết là có 2e trao đổi cho mỗi giai đoạn oxy hóa giữa NH4+ và NO2-.
Giai đoạn thứ 2 trong quá trình nitrat hóa, sự oxy hóa NO 2 thành NO3được tạo thành bởi vi khuẩn hiếu khí những vi khuẩn này có thể sử dụng các
hợp chất hữu cơ để tạo năng lượng cho sinh trưởng. Ngược lại, với những vi
khuẩn oxy hóa NH4+, chỉ một vài vi khuẩn này được tìm thấy trong nước sạch.
Tuy nhiên, vi khuẩn Nitrobacter chỉ là một chi của Nitrospira được tìm thấy

trong đất và nước sách như môi trường biển. Ngược lại, vi khuẩn oxy hóa NO 2
hoặc ít nhất vài loài có thể sinh trưởng trên NO 2 và một nguồn C hoặc ít nhất vài
loài có thể sinh trưởng.
Theo Vyzamal (1985), quá trình nitrat hóa bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, pH,
kiềm hóa nước, nguồn C vô cơ, số lượng vi khuẩn, nồng độ NH 4+ và oxy hòa
tan. Nhiệt độ tối ưu cho quá triinhf Nitrat háo trong nước từ 25 đến 35 0C và
trong đất từ 30 đến 400C. Nhiệt độ thấp hơn (dưới 150C) có ảnh hưởng lớn đến
quá trình này. Cooper (1996) chỉ ra rằng, nhiệt độ tối thiểu cho sự sinh trưởng
của vi khuẩn Nitrosomonas và Nitrobacter là 50C. Vi khuẩn Nitrat hóa nhạy cảm
với sự thay đổi của nồng độ NH4+. Giới hạn tối ưu của pH là 7,5 đến 8,5, tuy
nhiên, những hệ thống phụ thuộc vào khí hậu có thể hoạt động tạo NO 3 ở pH
thấp hơn nhiều.
Phản nitrat hóa: quá trình phản nitrat hóa đầu tiên xảy ra sau khi giảm O 2
là sự giảm NO3 để tạo nguyên tử N hoặc khí N2. Đây là quá trình phản nitrat
hóa. Từ một quan điểm sinh thái, phản nitrat hóa là một quá trình cuat vi khuẩn
trong đó Nitơ là chất nhận điện tử (e). Kết quả năng lượng được tồn tại dưới
dạng ATP, chứa P, và được sử dụng bởi sinh vật phản nitrat để cung cấp cho hô
hấp. Quá rình phản nitrat:
6(CH2O) +4NO36CO2+2N2+6H2O
Phản ứng này không đảo ngược và N được coi là chất nhận điện tử của O 2
(oxy?).


12

Nhiều bằng chứng chỉ ra sự giảm NO3- có thể xảy ra khi có mặt O2. Do
đó, trong đất ngập nước, sự giảm NO3- cũng có thể xảy ra trước khi O2 bị giảm.
Sự sản sinh khí N2 trong quá trình phản nitrat cũng được mô tả:
4(CH2O) + 4NO34HCO3- +2N2O +2H2O
5(CH2O) + 4NO3-


H2CO3 +4HCO3- +2N2 +2H2O

Có 17 chủng vi khuẩn phản nitrat hóa. Chúng lấy năng lượng duy nhất
thông qua các phản ứng hóa học và sử dụng các hợp chất hữu cơ như nguồn
cung cấp e và nguồn C tế bào. Giống Bacillus, Micrococus và pseudimonas có
lẽ quan trọng nhất ở trong đất.
Khi oxy đày đủ, những cơ thể sống này oxy hóa một dạng Cacbonhydrat
thành CO2 và H2O. Hô hấp hiếu khí sử dụng O2 như là một chất nhận điện tử
hoặc hô hấp kị khí dùng N2 cho mục đích này được thực hiện bởi vi khuaant
phản nitrat với cùng các chuỗi hệ thống trao đổi điện tử. Việc có cả hai chức
năng kị khí và hiếu khí có một tầm quan trọng đặc biệt bởi vì nó giúp cho sự
phản nitrat tiến đến một tốc độ cần thiết nhanh chóng sau một thời gian trong
điều kiện thiếu oxy mà không cần thay đổi số lương vi khuẩn. Vì sự phản nitrat
xảy ra ở hầu hết những nhóm dị dưỡng kị khí không bắt buộc, nhóm này lấy oxy
từ các dạng N bị oxy hóa như những chất e trong hững quá trình hô hấp, và bởi
vì những quá trình này đi theo những giai đoạn sinh hóa hiếu khí nên nó có thể
bị hiểu lệch đi rằng sự phản nitrat là một quá trình kị khí. Quá trình này đúng
hơn là xảy ra dưới điều kiện không có oxy.
Nói chung từ thực tế của những thay đổi sinh hóa từ NO3- đến N2 là:
2NO32NO2
2NO
N2O
N2
Vymazal (1995) tóm tắt: các yếu tố môi trường ảnh hưởng tới quá trình
phản nitrat là sự vắng mặt oxy, độ ẩm đất, nhiệt độ, pH, nơi xảy ra, loại đất, chất
hữu cơ và sự có mặt oxy. Lượng N 2O tạo ra trong quá trình phản nitrat phụ
thuộc vào lượng N2 tạo ra và tỷ lệ N2/N2O. Tỷ lệ này cũng ảnh hưởng tới sự lưu
thông khí, pH, nhiệt độ, NO3-/NH4+ trong hệ thống phản nitrat.



13

Cooper (1996) chỉ ra: sự có mặt của oxy hòa tan làm ức chế các enzym
cần thiết cho quá trình phản nitrat và là một tham số quyết định. pH tối ưu ở
giũa 7 và 8. Tuy nhiên, chất kiềm được sinh ra trong quá trình phản nitrat có thể
làm tăng pH. Phản nitrat cũng phụ thuộc vào nhiệt độ và chỉ xảy ra ở tốc độ rất
thấp ở nhiệt độ dưới 50C. Quá trình phản nitrat và kết quả của nó được mô tả
tổng quát bởi Payne (1981).
Quá trình nitrat và phản nitrat xảy ra đồng thời trong đất ngập nước, nơi
mà có mặt cả đới hiếu khí và kị khí, đới hiếu khí bề mặt phủ trên tầng kị khí
hoặc đới rễ hiếu khí nằm trên đất kị khí. Sự cân bằng xảy ra ở cả tầng hiếu khí
và kị khí:
24NH4+ +48O2
24NO3- +24H2O +48H+
24NO3- +5C6H12O6 +24H+

12N2 +30CO2 +42H2O

24NH4+ +5C6H12O6+48O2

12N2 +30CO2 +66H2O+24H+

d. Thực vật hấp thụ
Tốc độ hấp thụ chất dinh dưỡng của thực vật giới hạn bởi khối lượng (tốc
độ tăng trưởng) và nồng độ các chất dinh dưỡng trong mô thực vật. Sự tích trữ
chất dinh dưỡng phụ thuộc vào nồng độ chất dinh dưỡng trong mô và cũng dựa
vào khả năng tích lũy sinh khối cơ bản, đó là mức tăng trưởng tối đa. Bởi vậy,
nét nổi bật của thực vật được sử dụng để đồng hóa chất dinh dưỡng và tích trữ
bao gồm các đặc trưng: sự tăng trưởng nhanh, tập trung chất dinh dưỡng cao,

khả năng đạt mức tăng trưởng cao (sinh khối trên một đơn vị diện tích).
Trong tài liệu có nhiều mô tả về nồng độ N 2 trong mô thực vật. Lượng
nitơ có thể được loại bỏ nếu thu hoạch sinh khối từ 1.000-2.500 kgN/ha.năm, có
thể lên đến gần 6.000 kgN/ha.năm.
Tuy nhiên, chỉ có vài số liệu đã được nghi lại với thực vật từ đất ngập
nước xử lý nước thải. Thêm vào đó, việc nhận ra rằng lượng chất dinh dưỡng
được loại bỏ do thu hoạch sinh khối không quan trọng so với các dòng chảy


14

nước tahir trong đất ngập nước. Điều này đặc biệt đúng với các vùng đất ngập
nước với các loài thực vật nổi. trong điều kiện loại bỏ N tối ưu thì sinh khối có
thể đóng vai trò quan trọng trong hệ thống xử lý được thiết kế cho mục đích phổ
biến.
Nếu các vùng đất ngập nước không được thu hoạch sinh khối, lượng lớn
chất dinh dưỡng đi vào trong mô thực vật sẽ quay trở lạo nước do quá trình phân
hủy. Sự tích trữ chất dinh dưỡng lâu dài trong hệ thống đất ngập nước là kết quả
từ những phần nhỏ rác rưởi không phân hủy được tạo ra từ các yếu tố khác nhau
của chu trình sinh hóa.
Hơn nữa, kim loại hòa tan trong nước được coi là có sẵn cho đời sống
thực vật. Kim loại có khả năng trao đổi dễ dàng là những kim loại được hấp thụ
tới những vị trí cố định của đất sét và các chất hữu cơ, nó có thể được tái hấp thụ
và đi vào nước do các phản ứng cân bằng phức tạp hơn hoặc do có nhiều cation
hơn.
Một số loài thực vật ngập nước có khả năng hấp thụ trực tiếp kim loại
nặng. Sự tích tụ quá nhiều có thể giết thực vật trong giai đoạn sinh trưởng. Tuy
nhiên, nhiều loài đã phát triển một cơ chế ngăn chặn sự hấp thụ kim loại.
Nhiều nghiên cứu chỉ ra trong rễ thực vật có nồng độ kim loại cao. Nồng
độ thấp hơn được tìm thấy trong thân rễ và càng xa rễ nồng độ càng giảm, thấp

nhất ở nững phần trên ví dụ như lá. Bởi vậy, việc thu hoạch sinh khối phía trên
chỉ thu được tối thiểu lượng kim loại bị loại bỏ.
e. Sự hấp thụ của dạng chất nền
Sự giảm nitơ trong NH3 là chắc chắn và có thể được hấp thụ ở những ivj
trí hoạt động của chất nền. Tuy nhiên, sự trao đổi ion của NH 4+-N trên các vị trí
trao đổi cation của dạng chất nền không được xem là một biện pháp loại bỏ
NH4+-N lâu dài. Hơn nữa, sự hấp thụ NH4+-N được cho là thuận nghịch nhanh
chóng. Bởi vậy, NH4+-N được hấp thụ trong hệ thống dòng chảy liên tục sẽ cân
bằng với NH4+-N trong dung dịch. Chỉ những dòng chảy gián đoạn thì sự loại bỏ
NH4+-N sẽ nhanh chóng do các cơ chế hập thụ làm giảm NH 4+-N trong vị trí hấp
thụ trong suốt thời kỳ nghỉ ngơi.
f. Phốtpho


15

Phốtpho là một sản phẩm tiêu biểu trong nước thải. Sự oxy hóa sinh học
trong phốtpho (P) tạo ra sự biến đổi hầu hết phốtpho thành dạng muối phốtphát.
Sự loại bỏ phốtpho trong đất ngập nước xử lý gồm: hấp thụ, tạo phức, kết tủa.
Hầu hết các nghiên cứu chỉ ra sự tích tụ/trầm tích là sự lắng đọng phốtpho
trong thời kỳ dài và các vùng đất ngập nước không bị ảnh hưởng nhiều sự lắng
đọng phốtpho như các hệ sinh thái đất. Sự tích tụ phốtpho>95% trong các vùng
đất ngập nước tự nhiên. Không có sự thay đổi hóa trị của phốtpho trong suốt quá
trình đồng hóa sinh học phốtpho vô cơ hay phân hủy phốtpho hữu cơ do sinh
vật. Phốtpho trong đất đầu tiên ở hóa trị V, bởi vì tất cả các trạng thái oxy hóa
thấp hơn là không ổn định về mặt nhiệt động học và dễ dàng oxy hóa tới PO 43thậm chí cao hơn trong đất ngập nước.
Sự hấp thụ và giữ lại phốtpho trong đất ngập nước được điều chỉnh bởi
giá trị pH, các khoáng chất Fe, Al, Ca và lượng phốtpho hoạt động trong đất.
Trong đất có tính axit, phốtpho vô cơ được hấp thụ trên hydroxit của Fe và Al và
có thể kết tủa như Fe-P và Al-P. Sự kết tủa Ca-P chiếm ưu thế ở pH>7,0. Sự hấp

thụ P của đất tăng lên khi nồng độ Al, Fe, Ca cao.
Cooper (1996): chưa rõ ràng sự hấp thụ cụ thể nào qua sự trao đổi phối tử
hay các phản ứng kết tủa là cơ chế loại bỏ P chính trong đất ngập nước. Một kết
quả chỉ ra sự loại bỏ P nhanh chóng từ dung dịch bởi một cơ chế hấp phụ. Tuy
nhiên sự loại bỏ nhanh chóng được tiếp theo bởi một quá trình chậm hơn nhiều
dẫn đến dạng trao đổi ít hơn.
Thực vật hấp thụ Phốt pho thông qua rễ của chúng và chuyển p vào trong
mô sinh trưởng. Khả năng hấp thụ Phốt pho thông qua rễ của nó chậm hơn so
với Ni tơ bởi vì nồng độ phốt pho trong tế bào thấp hơn nông độ Ni tơ. Việc thu
hoạch sinh khối là cần thiết để loại bỏ phốt pho từ đất ngập nước. Điều này đặc
biệt cần thiết đối với các thực vật nổi. Sau khi thực vật phân hủy, phốt pho được
quay trở lại hệ thống. Lượng phốt pho được loại bỏ bởi thực vật chỉ là một phần
nhỏ của tổng lương P được loại bỏ trong đất ngập nước.
g. Sự hấp phụ và trao đổi Cation
Sự hấp phụ liên quan tới sự ràng buộc các phần tử ở dạng hòa tan trong
dung dịch tới các vị trí trên cây hay bề mặt hấp phụ. Trong một phản ứng trao


16

đổi cation, ion kim loại mang điện tích dương trong dung dịch gán với vị trí
mang điện tích âm trên bề mặt của vật hấp phụ. Sự tiếp xúc thúc đẩy trao đổi
cation là tĩnh điện và mức độ của sự thúc đẩy này phụ thuộc vào phạm vi rộng
các nhân tố. Khi sức hút tĩnh điện vị trí của cation hòa tan vượt quá sức hút của
cation gắn kết thì cation hòa tan trong dung dịch sẽ thay thế cation gắn kết đó.
Khả năng trao đổi cation của vật chất là một phép đo vị trí ràng buộc trên toàn
bộ khối lượng hay thể tích.
Thuộc tính trao đổi cation của thực vật nổi được quy cho là bởi các nhóm
chức (-COOH) trong các axit humic của mô tế bào thực vật. Các nghiên cứu đã
giả định khả năng trao đổi cation đối với nhiều loài thực vật trong đầm ngập

nước. Giá trị này cũng được đưa ra ở cả các thực vật sống và chết.
Sự hấp phụ kim loại tới bề mặt của thực vật là một quá trình cơ thể được
chỉ ra ở cả thực vật có tỷ lệ diện tích bề mặt/thể tích cao.
h. Các quá trình vị sinh trung gian
Sự hấp thụ của đất ngập nước có thể khác nhau giữa các tầng hiếu khí và
kị khí. Sự có mặt của vi khuẩn oxy hóa kim loại trong tầng hiếu khí và vi khuẩn
giảm lưu huỳnh trong tầng kị khí sẽ gây ra sự giảm oxit kim loại và lưu huỳnh.
Sắt (Fe) được tìm thấy trong đất ngập nước lần đầu ở dạng Fe 2+, các hợp
chất Fe, nó được hòa tan tốt hơn và đầy đủ hơn cho các cơ thể sống.
4FeSO4 +2H2SO4 +O2
2Fe2(SO4)3 +2H2O
2FeSO4 +12H2O

4Fe(OH)3 +6 H2SO4

Sự oxy hóa Fe thông qua vi sinh vật được tiếp sau là sự kết tủa của
Fe(OH)3 đáng kể được coi như là cơ chế loại bỏ sắt quan trọng nhất trong đất
ngập nước xử lý nước thải chứa kim loại. Những nghiên cứu chỉ ra sự oxy hóa
tương tự với nhiều kim loại khác: Ni, Cu, Pb, Zn, Au, Ag.
i. Sự lọc
Vi khuẩn trong nước có thể tham gia loại bỏ kim loại bằng cách lọc trực
tiếp các phần tử vật chất. Các loài thực vật tới vùng bề mặt lớn có thể ảnh hưởng
tới việc duy trì các phần tử hydroxyt kim loại từ việc kết tủa trong dung dịch.


17

k. Vi sinh vật gây bệnh
Vi khuẩn và virut là những cơ thể sống quan trọng ảnh hưởng tới sức
khỏe cộng đồng, nó còn là những phần tử quan trọng ở các quốc gia nhiệt đới và

cận nhiệt. Các vùng đất ngập nước với sự kết hợp các nhân tố lý hóa, sinh loại
bỏ các vi sinh vật gây nên.
*Tóm lại: Việc giảm các chất này được thực hiện bởi các cơ chế xử
lý đa dạng và được tóm tắt trong bảng 1.1. sau:
Bảng 1.1. Cơ chế loại bỏ chất thải trong hệ thống đất ngập nước
SS CS BOD N P HM RO B&V
Sinh
học: Sự
trao đổi
chất của
VSV
-

Sự trao
đổi chất
của thực vật
Sự phân
hủy tự nhiên

P

P

P

-

-

P


-

-

-

S

S S

S

-

-

-

-

- -

-

P

[20]
Trong đó:
SS: Các chất rắn lơ lửng

CS: Các chất keo
B&: Vi khuẩn và virut
HM: Kim loại nặng

P:
S:
I:
RO:

Sự loại bỏ các chất rắn
dạng keo và các chất
hữu cơ hào tan bởi các
VSV đáy, VSV bám
dính trên thực vật. Có sự
nitrat hóa và sản phẩm
ntrat hóa của VSV
Dưới các điều kiện thích
hợp, một khối lượng
đáng kể các chất ô
nhiễm sẽ được thực vật
hấp thụ
Sự phân hủy tự nhiên
của các chất hữu cơ
trong môi trường

Hiệu quả lần 1
Hiệu quả lần 2
Hiệu quả ngẫu nhiên
Các chất hữu cơ khó phân hủy


1.2.5. Phân loại các hệ thống đất ngập nước nhân tạo dựa vào thực vật sử
dụng trong hệ thống


18

a. Các hệ thống dựa vào thực vật nổi tự do
*Các hệ thống dựa vào cây bèo tây (bèo Nhật Bản)
Cây bèo tây là một trong số các thực vật có ảnh hưởng tốt tới môi trường. Nó
là một trong số các thực vật thủy sinh sản nhiếu nhất và đông đúc nhất trên thế
giới. Nhờ đặc điểm này mà nó được khai thác trong quá trình xử lý nước thải.
Các hệ thống cây bèo taay có thể được thiết kế để xử lý nước thải ban đầu
chưa qua xử lý, làm sạch hơn nước đã xử lý lần hai hoặc để xử lý lần ba. Sự loại
bỏ chất rắn lơ lửng của cây bèo tây xảy ra thông qua đới rễ. Với mật độ bảo
quản chất rắn lơ lửng của cây bèo tây xảy ra thông qua đới rễ. Với mật độ bảo
quản tối thiểu sự tráo đổi nhiệt, nhờ đómà các chất rắn lơ lửng sẽ được lắng
đọng do trọng lực trong vùng nước lặng phía dưới. Thêm vào đó, ở rễ cây có sự
tích điện phản ứng lại với những sự tích điện đối ngược lại trong các phần tử
chất rắn lơ lửng, làm chúng dính chặt vào rễ cây, từ đó chúng được hấp thụ và
đồng hóa từ từ bởi rễ cây bèo và các vi sinh vật.
Khả năng vận chuyển O2 từ tán lá vào đới rễ của cây bèo tây có liên quan đến
quá trình loại bỏ BOD và tạo điều kiện tốt cho quá trình nitrat hóa của vi khuẩn
bám dính. Toàn bộ hệ thống rễ của cây bèo tây cung cấp một diện tích bề mặt
lớn cho các vi sinh vật, do đó tăng khả năng phân hủy vật chất hữu cơ. Tốc độ
dòng chảy tương đối chậm sẽ đảm bảo tối đa cơ hội tiếp xúc giữa nước thải và
các vi khuẩn bám dính.
Sự hấp thụ của bèo, sự bay hơi NH 3 và quá trình nitrat-phản nitrat hầu hết
góp phần vào sự loại bỏ N2 trong hệ thống nuôi bèo tây. Nhân tố chính của việc
loại bỏ nito là quá trình nitrat và phản nitrat. Các chất nitrat hóa có thể tấn công
mạnh váo các rễ cây bèo tây-nơi cung cấp oxy, trong khi những vị trí nhỏ bên

cạnh và tầng vi sinh vật đáy sẽ tạo ra những điều kiện kị khí và nguồn C cần
thiết cho quá trình phản nitrat. Cách loại bỏ phốt pho P trong hệ thống dựa vào
bèo tây là sự hấp thụ P của cây bèo và trong nước thải đô thị điển hình nó
thường không vượt quá 30-50% lượng phốt pho. Tuy nhiên, nếu không thu
hoạch sinh khối đồng loạt thì việc loại bỏ phốt pho sẽ không đạt tới giới hạn
này.


19

Hệ thống xử lý với bèo tây được ứng dụng thành công ở các vùng nhiệt đới
và cận nhiệt. Tại các vùng ôn đới và các vùng điều kiện thời tiết lạnh,c ây bèo
tây bị phá hủy mạng mẽ bởi sương giá, tốc độ sinh trưởng bị giảm mạnh ở nhiệt
độ dưới 100C. Do đó, việc sử dụng các hệ thống này bị hạn chế ở vùng ôn đới
(nó có thể sử dụng trong các nhà kính hoặc ngoài trời vào mùa hè).
*Các hệ thống trồng bèo tấm
Bèo tấm là một loại thực vật có mạch phổ biến rộng trên thế giới. chúng có
mặt trong các vùng nước nhỏ như ao cá, mương rãnh, đầm phá. Chúng bao gồm
khoảng 35 loài trong 4 nhóm: Lemna, Pirodela, Wolffiella, Wolffia.
Bèo tấm là một trong số những thực vật sinh trưởng nhanh nhất trên thế giới.
Chúng thường tăng sinh khối lên gấp hai lần ở điều kiện tối ưu trong 2 đến 3
ngày, ở một số loài sự tăng trưởng ban đêm lớn hơn hoặc bằng sự tăng trưởng
ban ngày. So với bèo tây thì bèo tấm có phân bố địa lý rộng hơn bởi vì chúng có
thể sinh trưởng ở nhiệt độ thấp từ 1-3 0C. Bèo tấm có những đặc điểm làm cho
chúng có khả năng xử lý nước thải như:
+Chúng sinh sản tốt: Với mỗi cá thể, 1 lá lược nhỏ sinh ra 20 lá con trong
thoiwf gian sống sót. Các là con này lại nặp lại như mẹ nó. Kết quả là sự tăng
trưởng ngày càng nhanh, ít nhất cho tới khi các cây trở nên bị quá tải hoặc thiếu
chất dinh dưỡng. Sự chuyển đổi tuần hoàn liên tiếp của các cây thúc đẩy sự sinh
trưởng nối tiếp liên tục.

+Cây phản ứng lại với sự giàu chất dinh dưỡng, biến đổi vật chất vào mô tế
bào.
So với cây bèo tây, bèo tấm đóng vai trò kém trực tiếp hơn trong quá trình xử
lý, bởi vì chúng thiếu một hệ thống rễ sâu và rộng, và bởi thế cung cấp một diện
tích bề mặt nhỏ hơn cho vi khuẩn. Do vậy, việc sử dụng cây bèo tấm chủ yếu
trong việc thu hồi chất dinh dưỡng từ nước thải đã được xử lý bậc hai. Bèo tấm
bao phủ dày đặc trên bề mặt nước ngăn chặn sự khuếch tán oxy vào nước và
ngăn chặn sự tạo oxy do quang hợp vì thiếu ánh sáng. Nước trở nên thiếu oxy
nên quay trở lại sự phản nitrat hóa. Sự hấp thụ ánh sáng của bèo tấm bao phủ
trên bề mặt nước, hạn chế sự sinh trưởng của thực vật phù du, do đó tạo chất rắn
lơ lửng.


20

Các cơ chế loại bỏ chất rắn lơ lửng, BOD và vi sinh vật là như nhau ở các ao
hồ cố định. Nito có thể được loại bỏ bởi bèo hấp thụ trực tiếp rồi thu hoạch sinh
khối, hoặc bởi sự bay hơi NH 3, quá trình nitrat và phản nitrat của vi sinh vật.
Qua trình nitrat NH3 xảy ra trong đới rễ hiếu khí của cây bèo tấm. Tuy nhiên,
đới này rất mỏng và do đó hầu như không có sự nitrat hóa xảy ra trong hệ thống
cây bèo. Sự phản nitrat xảy ra trong các lớp nước sâu hơn. Tuy nhiên, tổ hợp
nitrat/phản nitrat không hiệu quả lắm trong việc loại bỏ bằng sự hấp thụ trực tiếp
hoặc bằng sự kết tủa háo học trong các giai đoạn xử lý cụ thể.
Việc sử dụng bèo tấm để xử lý nước thửi không tốt như sử dụng bèo tây.
Thực tế chỉ ra rằng chức năng chính của bèo tấm trong hệ thống ngập nước có
chiều sâu đáng kể là cung cấp một bề mặt bao phủ hơn là loại bỏ trực tiếp các
chất ô nhiễm. Thời gian lưu trữ nước trong các hệ thống xử lý dựa vào cây bèo
tấm phụ thuộc vào chất lượng nước thải, hiệu quả đòi hỏi, tốc độ thu hoạch và
khí hậu, nhưng điển hình là 30 ngày vào mùa hè và vài tháng vào mùa đông.
Kích thước tối ưu cho các ao bèo là dài:rộng =15:1 để tạo điều kiện cho dòng

chảy. Một hệ thống màn che hoặc vách ngăn khác là cần thiết để ngăn chặn sự
mất đi của các thực vật nổi nhỏ. Các hệ thống thường sâu 3m.
Tại vùng khí hậu ôn đới, hệ thống xử lý dựa vào cây bèo tấm là phù hợp cho
các ao nhỏ, đặc biệt cho vùng sử dụng có tính chất mùa (mùa hè), bởi vì trong
mùa đông các ao bèo chỉ làm việc ở điều kiện yếm khí hoặc ở các vùng đất ngập
nước có khả năng. Sự loại bỏ Nito có thể được hoàn thành ở mức chấp nhận
được với việc sử dụng sự thông khí để tăng cường nitrat hóa.
b. Các hệ thống dựa vào thực vật rễ bám dưới đáy và thân nổi trên mặt nước.
Các hệ thống này dựa vào các loài thực vật nổi tự do khác hoeems hơn các hệ
thống cây bèo tây hau bèo tấm. Các thực vật nổi tự do bao gồm: Rau mà mơ
(Hydrocotyle umbellata) và rau diếp nước (Pista Strationtes).
Trong tự nhiên, rau má mơ mọc ở trong bùn ao và bờ mương và sống sót trên
mặt nước thành một tầng nổi. Rau diếp nước xuất hiện phát triển mạnh nhất ở
vùng nước lắng hoặc nơi không có dòng chảy. Nó sinh trưởng chủ yếu như là
một thực vật nổi hoặc cũng có thể như một loài thực vật chìm trong một thời
gian dài. Rau má mơ và rau diếp nước có tốc độ tăng trưởng nhanh, khả năng


21

đồng hóa chất dinh dưỡng cao nên nó có một tiếm năng đáng kể trong việc loại
bỏ chất dinh dưỡng từ nước. Do thời gian tồn tại của các loài thực vật này tương
đối ngắn nên chúng chỉ có thể tích trữ dinh dưỡng trong thời kỳ ngắn. Cây rau
má mơ có khả năng vận chuyển oxy tốt và tỷ lệ tăng trưởng, khả năng hấp thu
chất dinh dưỡng cao, thậm chí xảy ra cả trong thời kỳ tương đối lạnh của vùng
cận nhiệt. Cây bèo tây và cây ra má mơ có thể trồng thay thế nhau trong mùa
đông và mùa hè để duy trì tốc độ quay vòng xử lý cao.
Cây rau diếp nước nhạy cảm với sương giá và không phát triển mạnh ở
những vùng ôn đới. Bởi vậy. việc sử dụng nó trong việc xử lý nước thải bị hạn
chế so với các vùng nhiệt đới và cận nhiệt. Hệ thống cây rau diếp nước đơn

giản, dễ thực hiện trong vệc xử lý nước thải gia đình. Hiệu quả của hệ thống này
gắn với việc quản lý rau diếp nước với việc thu hoạch sinh khối là 25 ngày/lần.
Sinh khối thu được dùng để ủ phân, làm thức ăn động vật. Vài tình huống xâu
như việc nảy sinh muỗi, côn trùng có liên quan với hệ thống này.
*Các hệ thống dựa vào thực vật chìm dưới nước.
Các thực vật chìm dưới nước có mô quang hợp chìm dưới nước. Các thí
nghiệm cho thấy khoáng chất có thể được hấp thụ trực tiếp bởi các mô chồi của
thực vật chùm (hình 2). Tuy nhiên, cũng không có câu hỏi xem xét khả năng hấp
thụ chất dinh dưỡng từ rễ của các thực vật này. Tuy nhiên, các thực vật này chỉ
sinh trưởng tốt trong nước chứa oxy do đó không thể sử dụng chúng trong việc
xử lý nước thải có nồng độ chất hữu cơ cao được phân hủy sinh học bởi vì của
vi sinh vật chất hữu cơ sẽ tạo điều kiện thiếu oxy. Thêm vào đó, độ đục của
nước không quá cao để ánh sáng đi qua thuận lợi cho sự quang hợp của thực vật.
Bởi vậy. tiề năng sử dụng các thực vật này là cho xử lý nước thải bậc hai, mặc
dù sự xử lý tốt nước thải lần đầu đã được hệ thống Elodeanutti. Sự có mặt của
thực vật chìm làm giảm các bon hữu cơ hpaf tan và tăng lượng oxy hòa tan trong
thời kỳ quang hợp mạnh. Điều này làm tăng pH, tạo điều kiện tối ưu cho sự bay
hơi NH3 và sự kết tủa hóa học của P. Nồng độ oxy cao cũng tạo điều kiện thích
hợp cho sự khoáng hóa của vật chất hữu cơ trong nước. Chất dinh dưỡng được
đồng hóa bởi các thực vật được duy trì phần lớn trong các mô chồi của các cây
và bới các vi khuẩn bám dính. Việc mất chất dinh dưỡng từ tán lá do sự già yếu


22

của các mô được tiêu thụ một cách nhanh chóng bởi vi khuẩn bám dính xung
quanh cây.
*Các hệ thống dựa vào thực vật nổi trên mặt nước
Các hệ thóng xử lý nước thải với các loại thực vật này có thể được xây dựng
với nhiều mô hình khác nhau. Nói chung các hệ thống này có thể được phân

thành 3 nhóm chính theo mô hình dòng chảy:
(1): Các hệ thống chảy trên mặt
(2): Các hệ thống với dòng chảy ngang dưới mặt đất
(3): Các hệ thống với dòng chảy dưới bề mặt thẳng đứng
(1) Các hệ thống chảy trên bề mặt (Free water surface-FWS).
Những hệ thống này thườn gồm có: lưu vực chứa nước, hoặc các kênh dẫn
nước, với lớp lót bên dưới để ngăn sự dò rỉ nướ, đất hoặc các lớp lọc thích hợp
khác hỗ trợ cho thực vật nổi. Lớp nước nông, tốc độ dòng chảy chậm và sự có
mặt của nhân cây quyết định dòng chảy và đặc biệt trong các mương dài và hẹp,
bảo đảm điều kiện dòng chảy nhỏ (Reed và cộng sự, 1998) (hình 1.1)
Hình 1.1. hệ thống đất ngập nước nhân tạo với dòng chảy trên mặt FWS
Các vùng đất ngập nước xử lý bề mặt tự do có chức năng như là các hệ thống
xử lý sinh học tập trung. Nước thải chảy vào chứa các chất lơ lửng và các chất ô
nhiễm hòa tan trải rộng khắp một vùng rộng của vùng nước nông. Các chất rắn
lơ lửng có xu hướng ổn định và được giữ lại do tốc độ dòng chảy chậm được che
chắn gió. Các chất này chứa N, P, các kim loại và chất hữu cơ. Những chất ô
nhiễm không hòa tan này cuối cùng đi vào chu trình sinh hóa cơ bản trong khối
nước và đất bề mặt của đất ngập nước. Đồng thời, một phần chất hữu cơ N, P
hòa tan và các nguyên tố vết được hấp thụ bởi đất, vi khuẩn hoạt động và một
vài thực vật thông qua môi trường đất ngập nước. Những nguyên tố hòa tan này
cũng đi vào toàn bộ chu trình khoáng hóa của hệ sinh thái đất ngập nước.
Các chất hữu cơ được loại bỏ nhanh chóng trong các hệ thống chảy trên bề
mặt bởi các điều kiện tĩnh lặng, sự phân hủy và quá trình lọc. BOD hòa tan được
loại bỏ bởi các vi sinh vật lơ lửng và bám dính. Nguồn oxy chính cho các phản
ứng này là các phản ứng trên mặt nước. Các hệ thống chảy trên bề mặt loại bỏ
một cách có hiệu quả các chất rắn lơ lửng. Trong các hệ thống ở đô thị, hầu hết


23


các chất rắn được lọc và lắng lại trong vài mét nước đầu tiên của dòng vào phía
trên.
Nitơ được loại bỏ có hiệu quả nhất trong các hệ thống chảy trên bề mặt nhờ
sự nitrat và phản nitrat hóa. NH3 được oxy hóa trong các đới hiếu khí và NO 3được biến đổi thành nitơ tự do hoặc N 2O trong các đới hiếu khí bởi vi khuẩn
phản nitrat. Các hệ thống chảy trên bề mặt có thể loại P một cách lâu dài nhưng
tương đối chậm. Sự loại bỏ P trong các hệ thống chảy trên bề mặt xảy ra nhờ sự
hấp thụ, hấp phụ, tạo phức và kết tủa. tuy nhiên, quá trình chính trong sự loại bỏ
P (sự kết tủa với ion Al, Fe, Ca) là bị giới hạn bởi sự tiếp xúc giữa tầng nước và
đất.
c, Các hệ thống với dòng chảy ngang dưới mặt đất (Horizontal subsurface flowHSF)
Hình dưới đây chỉ ra sự sắp xếp điển hình các hệ thống với dòng chảy ngang
dưới mặt đất. Nó được gọi là dòng chảy ngang vì nước thải được đưa vào và
chảy chậm qua tầng lọc xốp dưới bề mặt của nền trên một đường ngang cho tới
khi nó tới được nơi dòng chảy ra. Trong suốt thời gian này, nước thải sẽ tiếp xúc
với mạng lưới hoạt động của các đới hiếu khí, hiếm khí và kỵ khí. Các đới hiếu
khí ở xung quanh rễ và bầu rễ, nơi lọc O 2 vào trong bề mặt. Trong suốt thời gian
nước thải chảy qua đới rễ, nó được làm sạch bởi sự phân hủy sinh học của vi
sinh vật bởi các quá trình hóa, lý. Các hệ thống dòng chảy ngang dưới mặt đất
phổ biến nhất là hệ thống xử lý có trồng cây sậy (reed HSF).
Hình ảnh về HFS
Các hợp chất hữu cơ được phân hủy hiếu khí cũng tốt như kị khí bởi các vi
khuẩn bám dính xung quanh vùng dưới của thực vật (rễ, bầu rễ) và bề mặt lớp
lọc. O2 cần thiết cho phân hủy hiếu khí được cung cấp trực tiếp bởi sụ khuếch
tán từ không khí vào hoặc thấm O2 từ rễ thực vật.
Các chất rắn chìm và lơ lửng không được loại bỏ trong hệ thống xử lý đàu
tiên thì được lạo bỏ có hiệu quả bởi sự lọc và lắng đọng, Sự lắng đọng sẽ xảy ra
trong những vùng ổn định của bất kỳ hệ thống dòng chảy ngang dưới mặt đất
nào.



24

Nitơ được loại bỏ trong các vùng đất ngập nước dòng chảy ngang dưới mặt
đất bởi sự nitrat hóa và phản nitrat hóa, sự bay hơi, hấp thụ. Cơ chế loại bỏ chín
của ni tơ là nitrat và phản nitrat. NH 3 được oxy hóa thành NO3- bởi vi khuẩn
nitrat trong đới hiếu khí và NO 3- được chuyển thành N2 bởi vi khuẩn phản nitrat
trong đới kị khí.
Các nghiên cứu đã chỉ ra là trong quá trình oxy hóa của đới rễ ở các hệ thống
dòng chảy ngang dưới mặt đất là không đầy đủ, bởi thế sự nitrat không hoàn
toàn thành là nguyên nhân chính của sự loại bỏ N bị hạn chế. Sự bay hơi, thực
vật hấp thụ, sự hấp phụ có vai trò quan trọng hơn nhiều trong sự loại bỏ ni tơ.
Phốtpho được loại bỏ khỏi nước thải đầu tiên ở các hệ thống dòng chảy
ngang dưới mặt đất bởi các phản ứng trao đổi phối tử, nơi mà PO 43- chiếm chỗ
nước hoặc các nhóm OH- từ bề mặt của Fe(OH)2 hay Al(OH)3. Tuy nhiên, lớp
lọc sử dụng trong các hệ thống với dòng chảy ngang dưới mặt đất thường không
chứa lượng lớn Fe, Al, Ca và bởi vậy, sự loại bỏ P nói chung chậm.
c, Các hệ thống với dòng chảy thẳng đứng (vertical subsurface flow-VSF)
Sự khác nhau quan trọng giữa các hệ thống với dòng chảy thẳng đứng với
dòng chảy ngang dưới mặt đất là từ các mô hình khác nhau của hệ thống. thêm
vào đó, hệ thống với dòng chảy thẳng đứng thường có một hệ thống phân phối
bao phủ toàn khắp toàn bộ bề mặt.
Hình ảnh về các hệ thống với dòng chảy thẳng đứng.
Chỉ một phần sự loại bỏ chất kết tỉa là giống nahu cho tất cả các hệ thống.
thường thì nước thải xử lý lần một được truyền theo ống dẫn vào trong cây và
được lọc qua lớp lọc. quá trình loại bỏ xảy rra trong suốt giai đoạn này.
Kết quả nước sau xử lý bằng hệ thống với dòng chảy thẳng đững có sử dụng các
loại thực vật khác nhau
Loại thực vật Độ sâu của rễ BOD5 (mg/l)
sử dụng
(m)

Bulrush,
0,8
5
Scirpus

TSS (mg/l)

NH3 (mg/l)

4

2


25

Reed
, 0,6
22
8
5
Phragmites
Cattails,
0,3
30
6
18
Typha
D, quá trình phát triển
Hệ thống với dòng chảy thẳng đứng có sớm nhất ở Châu Âu và được gọi là

“các cánh đồng không thấm”.
Hệ thống điển hình gồm 01 mương lắng đọng hoặc phân bố sơ bộ, 04 ngăn
lọc với đất hoặc cát. Một hệ thống tháo nước và một rãnh đi ra. Những ao lọc thì
được trồng cây sậy và có một hệ thống thảo nước sâu 0,55 m bên dưới mức bề
mặt, nước thải sinh hoạt được chảy vào mương lắng sơ bộ và phân phối. sự lắng
đọng, nước thải được trộn lẫn với nước bề mặt từ 4 ngày. Ba ngăn khác được
giữ khô khoảng 10-11 ngày.
Kết quả chỉ ra là có sự loại bỏ hoàn toàn chất ô nhiễm trong tầng lọc. chất
lượng dòng ra nói chung tốt.
Hệ thống Seidel (1967) gồm có một vài lớp đáy nằm bên ngoài tương tụ một
hoặc vài khoảng dòng chảy thẳng đứn trong các thác nước, được cho bởi 2 hoặc
3 tầng đáy dòng chảy. Các hệ thống dòng chảy thẳng đứng thường trồng cây sậy
trong khi các hệ thống dòng chảy ngang trồng các loại thực vật nổi khác.
Trong các hệ thống dòng chảy thẳng đứng, lớp lọc được sử dụng ở tất cả các
nền bể là sỏi, trên cùng là cát vụn để đạt một sự phân phối có hiệu quả các nước
thải ngang qua nền đáy. Những tần sỏi thô thấp hơn được giữ hiếu khí bởi các
ống thoát không khí. Tại các nền dòng chảy thẳng đững đã được đổ đầy nước
thải xử lý lần 1 trong khoảng từ 01 đến 02 ngày, và được để khô 4 đến 8 ngày.
Trong suốt một thời kỳ nghỉ ngơi thì một lớp cứng mỏng các chất rắn do khoáng
hóa cát được tạo thành. Tương tự với “các cánh đồng không thấm”, hệ thống
Seidel đã hoạt động trong các quốc gia chấu Âu khác như Đức, Anh khoảng 30
năm.
e, Các thông số thiết kế
Các hệ thống với dòng chảy thẳng đững thường xuyên được sử dụng như là
xử lý sinh học (xử lý lần 2) cho nước thải đã qua xử lý lần 1. thực nghiệm đã chỉ
ra là nó phục thuộc vào xử lý lần 1: hố lắng đọng, hố tự hoại. Đất ngập nước