THIẾT KẾ WETLAND CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI

TS. NGUYỄN HOÀNG NAM






GIÁOTRÌNH

THIẾTKẾWETLAND
CHOXỬLÝNƯỚCTHẢI

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT

1|


THIẾT KẾ WETLAND CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Chịu trách nhiệm xuất bản:

ThS. Võ Tuấn Hải
Biên tập: Nguyễn Phương Liên
Thiết kế bìa: Xuân Dũng

NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT
70 Trần Hưng Đạo, Hoàn Kiếm, Hà Nội
ĐT: P. TH&QLXB: 024 3942 3172; TT. Phát hành: 024 3822 0686
Ban Biên tập: 024 3942 1132 - 024 3942 3171

FAX: 04 3822 0658 - WEBSITE:
EMAIL:
CHI NHÁNH NHÀ XUẤT BẢN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT
28 Đồng Khởi - Quận 1 - Thành phố Hồ Chí Minh. ĐT: 08 3822 5062
In 200 bản, khổ 19x27 cm tại Xí nghiệp in NXB Văn hóa dân tộc.
Địa chỉ: 128C/22 Đại La, Hà Nội.
Số đăng ký xuất bản: 1661-2019/CXBIPH/2-31/KHKT.
Số quyết định xuất bản: 54/QĐXB-NXBKHKT, ngày 18 tháng 6 năm 2019.
In xong và nộp lưu chiểu năm 2019.
Mã ISBN: 978-604-67-1245-9

2|


Mục lục


Lờinóiđầu



G

iáo trình “Thiết kế wetland cho xử lý nước thải” được biên soạn nhằm
cung cấp cho sinh viên năm cuối của ngành kỹ thuật môi trường cũng như
những ai quan tâm đến công nghệ wetland những kiến thức về các loại hệ
thống constructed wetland, các cơ chế chuyển hóa các chất trong hệ thống constructed
wetland, cơ chế loại bỏ các chất ô nhiễm và công nghệ xử lý nước thải bằng hệ thống
constructed wetland cùng các ứng dụng của wetland cho xử lý một số loại nước thải.
Trọng tâm của giáo trình là đưa ra được cách đánh giá về các đặc tính của nước

thải, về cân bằng nước, về vị trí và cách tính tốn để thiết kế xây dựng hệ thống
constructed wetland; nắm bắt được các bước tiến hành, cơ sở khoa học trong tính tốn thiết
kế hệ thống xử lý nước thải khác nhau bằng hệ thống constructed wetland; trên cơ sở bản
thiết kế hoàn chỉnh hệ thống, có thể tiến hành xây dựng hệ thống, tiến hành lựa chọn loại
thực vật và trồng cây vào hệ thống; thực hiện các bước trong vận hành hệ thống cũng như
các cơng việc bảo hành bảo trì hệ thống và đánh giá hiệu quả xử lý của hệ thống. Ngồi ra
giáo trình đưa ra cơ sở để tính tốn cho các loại chi phí từ việc xây dựng, đến chi phí cho
vận hành và bảo trì của hệ thống constructed wetland, so sánh với các hệ thống xử lý khác.
Giáo trình này cũng là tài liệu tham khảo cũng như tài liệu chính thức cho học viên
cao học ngành kỹ thuật môi trường, công nghệ môi trường và các cán bộ nghiên cứu trong
lĩnh vực xử lý nước thải nói chung và xử lý bằng cơng nghệ wetland nói riêng.
Cơng nghệ wetland cũng như thiết kế constructed wetland cho xử lý nước thải là
lĩnh vực mới ở Việt Nam, do cuốn sách được xuất bản lần đầu tiên nên khơng tránh khỏi
thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của bạn đọc và đồng nghiệp để giáo
trình được sửa chữa, bổ sung cho hồn chỉnh.

Tácgiả

3|


THIẾT KẾ WETLAND CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI

MỤCLỤC
LỜI NÓI ĐẦU .............................................................................................................. 3
MỤC LỤC .................................................................................................................... 4
NHỮNG TỪ VIẾT TẮT...................................................................................................7
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 9
1. Chương 1. LOẠI BỎ CÁC CHẤT Ô NHIỄM BẰNG WETLAND .............................. 13
1.1 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA WETLAND ...................................................................... 13

1.1.1 Đất.................................................................................................................. 13
1.1.2 Nước............................................................................................................... 15
1.1.3 Thực vật trong wetland ................................................................................... 15
1.1.4 Phân loại wetland............................................................................................ 21
1.2 CƠ CHẾ LOẠI BỎ CÁC CHẤT Ô NHIỄM THÔNG THƯỜNG .......................... 22
1.2.1 Quá trình phi sinh học ..................................................................................... 22
1.2.2 Quá trình sinh học........................................................................................... 24
1.3 CƠ CHẾ LOẠI BỎ CÁC CHẤT Ô NHIỄM ĐẶC BIỆT........................................ 26
1.3.1 Tổng chất rắn lơ lửng ...................................................................................... 27
1.3.2 Tổng carbon hữu cơ và nhu cầu oxy ................................................................ 27
1.3.3 Hydrocarbon ................................................................................................... 28
1.3.4 Nitơ ................................................................................................................ 30
1.3.5 Phosphor......................................................................................................... 33
1.3.6 Kim loại.......................................................................................................... 34
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 42
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 1 ................................................................................ 44
2. Chương 2. CÁC LOẠI HỆ THỐNG WETLAND......................................................... 45
2.1 HỆ THỐNG DÒNG CHẢY TRÊN BỀ MẶT (Surface Flow Constructed Wetlands SF CW) ....................................................................................................................... 45

4|


Mục lục

2.2 HỆ THỐNG DÒNG CHẢY DƯỚI BỀ MẶT (Subsurface Flow Constructed
Wetlands – SSF CW) ................................................................................................... 48
2.3 DÒNG CHẢY ĐỨNG (Vertical Flow Constructed Wetland) ................................. 49
2.3.1 Dòng chảy hướng xuống dưới ......................................................................... 49
2.3.2 Dòng hướng lên trên ....................................................................................... 51
2.3.3 Dòng thủy triều ............................................................................................... 52

2.3.4 Các vùng đệm ven sông .................................................................................. 52
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 56
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 2 ................................................................................ 57
3. Chương 3. CÁC ỨNG DỤNG..................................................................................... 58
3.1 XỬ LÝ CÁC NGUỒN NƯỚC MƯA CHẢY TRÀN ............................................. 58
3.2 XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ .............................................................................. 60
3.3 XỬ LÝ NƯỚC THẢI MỎ ..................................................................................... 64
3.4 XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP ................................................................. 67
3.5 KHẮC PHỤC HẬU QUẢ HOẠT ĐỘNG XỬ LÝ CHẤT THẢI ........................... 70
3.6 HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC RỈ RÁC ..................................................................... 72
3.7 NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI................................................................................... 73
3.8 NƯỚC THẢI TẠI CHỖ......................................................................................... 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 78
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 3 ................................................................................ 79
4. Chương 4. ĐÁNH GIÁ THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG WETLAND .............................. 80
4.1 ĐÁNH GIÁ ........................................................................................................... 80
4.1.1 Cân bằng nước ................................................................................................ 85
4.1.2 Đặc tính nước đầu vào .................................................................................... 88
4.1.3 Đối tượng xử lý............................................................................................... 89
4.1.4 Xác định vị trí phù hợp ................................................................................... 90
4.2 THIẾT KẾ VÀ HƯỚNG DẪN .............................................................................. 95
4.2.1 Tiền thiết kế .................................................................................................. 106
4.2.2 Thiết kế cơ học ............................................................................................. 125
4.2.3 Ý tưởng thiết kế ............................................................................................ 138
4.2.4 Các nghiên cứu khả thi.................................................................................. 139
4.2.5 Thiết kế hoàn chỉnh....................................................................................... 140
5|


THIẾT KẾ WETLAND CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI


TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 159
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 4 .............................................................................. 160
5. Chương 5. XÂY DỰNG, VẬN HÀNH VÀ BẢO TRÌ ............................................... 162
5.1 XÂY DỰNG........................................................................................................ 162
5.1.1 Xói mịn đất và kiểm sốt xói mịn ................................................................ 163
5.1.2 Phân loại và chuẩn bị lớp nền........................................................................ 163
5.1.3 Lựa chọn thực vật và trồng cây ..................................................................... 165
5.1.4 Công bố các hoạt động xây dựng .................................................................. 165
5.2 VẬN HÀNH VÀ BẢO TRÌ ................................................................................. 166
5.3 QUAN TRẮC ĐỊNH KỲ HỆ THỐNG WETLAND ............................................ 167
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 170
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 5 .............................................................................. 171
6. Chương 6. TÍNH TỐN CHI PHÍ ............................................................................. 172
6.1 CHI PHÍ CƠ BẢN ............................................................................................... 173
6.2 CHI PHÍ VẬN HÀNH VÀ BẢO TRÌ .................................................................. 182
6.3 TỔNG CÁC CHI PHÍ .......................................................................................... 183
6.4 SO SÁNH CHI PHÍ CỦA HỆ THỐNG CW VỚI CÁC HỆ THỐNG XỬ LÝ BẰNG
CÔNG NGHỆ KHÁC................................................................................................ 184
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 189
CÂU HỎI ÔN TẬP CHƯƠNG 6 .............................................................................. 190

6|


Mục lục

NHỮNGTỪVIẾTTẮT
Từ viết tắt


Tiếng Anh

Tiếng Việt

A

Area

Diện tích bề mặt

BOD

Biochemical Oxygen Demand

Nhu cầu oxy sinh hố

COD

Chemical Oxygen Demand

Nhu cầu oxy hóa học

CW

Constructed Wetland

Hệ thống xử lý nước bằng thực vật

DS


Dissolved Solid

Chất rắn hoà tan

FWS

Free Water Surface

Bơi tự do trên bề mặt

HLR

Hydraulic Loading Rate

Độ dẫn thủy lực

HRT

Hydraulic Residence Time

Thời gian lưu thủy lực

Norg.

Organic Nitrogen

Nitơ hữu cơ

Q


Quantity

Lưu lượng

SFW

Surface Flow Wetland

Wetland có dịng chảy trên bề mặt

SSFW

Subsurface Flow Wetland

Wetland có dịng chảy dưới bề mặt

TN

Total Nitrogen

Tổng nitơ

TP

Total Phosphur

Tổng phosphor

TSS


Total Suspended Solid

Tổng chất rắn lơ lửng

VFW

Vertical Flow Wetland

Wetland có dịng chảy đứng

7|


THIẾT KẾ WETLAND CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI

8|


Mục lục

MỞĐẦU

H

ệ thống xử lý nước bằng thực vật (tên tiếng Anh: constructed wetland, viết tắt
là CW) là một wetland nhân tạo được xây dựng để loại bỏ các chất gây ơ
nhiễm có mặt trong nước khi chảy qua chúng. Chúng được tái tạo, cấu trúc để khai thác hết
chức năng của các wetland tự nhiên đến mức có thể, nó hoạt động như một bộ lọc hoặc
"quả thận của tự nhiên". Trong hệ thống wetland, chúng sở hữu một cộng đồng vi khuẩn
phong phú trong các trầm tích, xung quanh bộ rễ để thực hiện việc chuyển đổi sinh hóa của

chất gây ơ nhiễm, chúng là các nhà sản xuất sinh học và quan trọng nhất, chúng tự có thể
tự thích nghi, duy trì và phát triển trong mơi trường ngập nước. Những yếu tố này làm cho
công nghệ wetland là một lựa chọn rất hấp dẫn để xử lý nước so với các hệ thống xử lý
thông thường. Cơng nghệ này an tồn về mặt sinh thái, chi phí thấp, vận hành đơn giản hơn
so với các hệ thống xử lý khác (Brix, Sorrell et al., 1996).
Hệ thống CW sử dụng các cơ chế xử lý bằng thực vật (phytoremediation). Tuy
nhiên, sự phát triển của công nghệ constructed wetland cho thấy, CW là một môn học riêng
biệt. Trong khi các sách đã được xuất bản về CW rất phong phú, các sách đưa ra nhiều ứng
dụng trong xử lý nước như: xử lý nước mưa chảy tràn, xử lý nước thải đô thị, xử lý nước
thải công nghiệp, xử lý nước thải nông nghiệp... Tuy nhiên, việc sử dụng các hệ thống CW
hiện nay đang nổi lên như là một kỹ thuật xử lý phù hợp cho một loạt các loại nước thải
khác nhau (Kadlec and Knight, 1995).
Wetland phát triển tự nhiên, một phần, để loại bỏ các thành phần hóa học trong
nước chảy qua chúng. Nước chảy qua các bề mặt với vận tốc sao cho, đủ để hòa tan các
chất khi nồng độ của chúng nhỏ hoặc lắng đọng các hạt chất rắn lơ lửng trong quá trình di
chuyển tới các vùng chứa như hồ, ao, biển… Trong một số khu vực có sự thay đổi của độ
dẫn thủy lực nhỏ, khi độ dẫn thủy lực nhỏ đáng kể, làm cho các chất rắn lơ lửng được tách
ra khỏi nước, tạo thành một lớp trầm tích. Những trầm tích này thường giàu chất dinh
dưỡng hữu cơ, nó tạo ra một mơi trường thuận lợi cho sự phát triển của thực vật.
Thực vật trong wetland phát triển trong các trầm tích, nơi dịng nước di chuyển qua
và độ sâu của nước là đủ để cho phép chúng ngoi lên mặt nước. Các loài thực vật trong hệ
thống wetland loại bỏ được các chất ơ nhiễm hịa tan như: các hợp chất hữu cơ, các hợp
chất của nitơ, các hợp chất của phosphor cũng như các chất rắn lơ lửng ra khỏi nước và có

9|


THIẾT KẾ WETLAND CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI

vai trò làm giảm vận tốc của dịng chảy, qua đó khả năng lắng đọng của các chất ơ nhiễm

vào trầm tích được tăng lên (Kadlec and Knight, 1995).
Việc xây dựng các hệ thống CW để xử lý nước đang được phổ biến rất rộng rãi trên
thế giới bởi tính hiệu quả và khả năng thích ứng của chúng. Hệ thống CW đã được chứng
minh, chúng là giải pháp rất hiệu quả trong việc xử lý nước thải, và tạo ra các hệ sinh thái,
với sự tiêu thụ năng lượng thấp, sử dụng quá trình tự nhiên, trái ngược với các hệ thống xử
lý khác có chi phí cao, bảo trì phức tạp. Hy vọng, công nghệ này phát triển, việc xử lý
nước thải bằng công nghệ wetland trở nên bền vững hơn trong tương lai. CW khơng những
có khả năng đáp ứng yêu cầu về tỷ lệ loại bỏ các sinh vật gây bệnh, mà còn đạt được hiệu
quả cao hơn so với công nghệ truyền thống như: công nghệ sinh học, cơng nghệ hóa học,
cơng nghệ vật lý... CW kết hợp với các công nghệ khác sẽ làm tăng hiệu quả xử lý nước
thải. Nó là giải pháp tốt được sử dụng để xử lý nước thải ở vùng khí hậu nhiệt đới. Sử dụng
hệ thống này có nhiều ưu điểm như: hệ thống đơn giản, chi phí thấp, bảo trì thấp, tiêu thụ
năng lượng thấp, sử dụng lâu dài và tính ổn định cao. Một trong những lợi thế lớn của việc
sử dụng hệ thống CW là, trong hệ thống khơng cho phép muỗi sinh sản (hệ thống dịng
chảy dưới bề mặt). Quá trình cải tiến hệ thống CW nhằm nâng cao hiệu quả xử lý của
chúng đang được cải thiện một cách nhanh chóng và chúng ta thu được nhiều kinh nghiệm
hơn từ các hệ thống này (Vymazal and Krưpfelová, 2008).
Nhiều quốc gia trong vùng khí hậu nhiệt đới sử dụng hệ thống CW cho xử lý nước
thải ví dụ: Tanzania, Kenya, Malawi, Uganda, Zambia, Botswana, Zimbabwe. Trong số
các hệ thống này, đã có nhiều hệ thống xử lý nước thải đạt được chỉ tiêu thấp hơn so với
các tiêu chuẩn xả thải. Tuy nhiên, các hệ thống CW chưa nhận được sự quan tâm xứng
đáng như một phương pháp riêng để xử lý nước thải.
Hệ thống CW được sử dụng để cải thiện chất lượng nước thải từ các nguồn thải
khác nhau. Để thiết kế được một cách chi tiểt, cần hiểu rõ được cơ chế loại bỏ chất gây ơ
nhiễm, qua đó có thể tối ưu hóa được hệ thống cho việc xử lý một loại chất gây ô nhiễm cụ
thể. Để thiết kế tỉ mỉ được hệ thống CW, đòi hỏi sự hiểu biết rõ ràng cả hai chức năng đất
ngập nước và xử lý. Sử dụng hệ thống CW để xử lý nước, đòi hỏi sự thành thạo và linh
hoạt trong việc ứng dụng trong các trường hợp cụ thể. Không giống như các hệ thống xử lý
bằng công nghệ khác, các hệ thống này chỉ tập trung vào xử lý một chất gây ô nhiễm đơn
thuần hoặc một loại chất gây ô nhiễm. Trong hệ thống CW, sử dụng nhiều quá trình diễn ra

đồng thời, chúng phụ thuộc lẫn nhau, cộng sinh để loại bỏ đồng thời các loại chất gây ô
nhiễm khác nhau (Vymazal and Krưpfelová, 2008). Ví dụ, một hợp chất hữu cơ kỵ nước,
có thể hấp phụ trên bề mặt vật liệu hữu cơ có trong hệ thống và sau đó chúng được chuyển
hóa bằng các q trình sinh học, tạo thành các sản phẩm không gây độc.

10|


Mở
Mụcđầu
lục

Bên cạnh xử lý nước, hệ thống CW có thể được sử dụng để xử lý trầm tích bão hịa
nước như các sản phẩm nạo vét (phương pháp reed-bed), thậm chí cả nước ngầm ở tầng
nơng tại chỗ (WRc/SevernTrent., 1996). Dải đệm ven sông và một số mương được trồng
thảm thực vật là một dạng của hệ thống wetland, bởi vì nó duy trì điều kiện đất bão hịa
nước trong một thời gian dài, qua đó, hỗ trợ đặc tính của thực vật wetland làm nhiệm vụ xử
lý các chất ô nhiễm. Có một sự liên quan giữa các loại hệ thống xử lý bằng thực vật trên
cạn và các hệ thống wetland. Khi mặt đất trở thành vùng đất ngập nước, ở điều kiện này,
hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm trong hệ thống xử lý bằng thực vật trên cạn có thể cao hơn
hẳn các hệ thống xử lý mà không ngập nước.
Nhiều hệ thống kết hợp được sử dụng cho xử lý, ví dụ: wetland có dòng chảy tự do
trên bề mặt kết hợp với hệ thống wetland có dịng chảy dưới bề mặt, sau đó được kết nối
với hệ thống dịng chảy đứng. Cơng nghệ này là có thể thích ứng với xử lý một loạt các
chất ơ nhiễm, nó cần thơng qua các thiết kế chọn lọc và sử dụng các hệ thống CW khác
nhau, đồng thời có thể kết hợp với các cơng nghệ khác như kết hợp giữa hệ thống tiền xử
lý với CW.
Hệ thống CW có tổng chi phí lâu dài thấp hơn đáng kể và chi phí vốn đầu tư ban
đầu thường thấp hơn so với các hệ thống xử lý thơng thường (Kadlec and Knight, 1995).
Ngồi ra, hệ thống CW:

• Chịu đựng được sự thay đổi của dịng chảy và nồng độ của chất gây ơ nhiễm;
• Bảo vệ được lũ lụt;
• Tạo điều kiện tái sử dụng và tái chế nước;
• Có thể xây dựng để tạo ra cảnh quan phù hợp, hài hịa;
• Cung cấp mơi trường sống cho thực vật và động vật hoang dã;
• Nâng cao tính thẩm mỹ của khơng gian;
• Cung cấp các cơ hội giải trí và giáo dục.
• Là một cách tiếp cận "nhạy cảm với môi trường" thuận lợi từ các nơi cơng cộng
và các cơ quan có thẩm quyền.

11|


THIẾT KẾ WETLAND CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI

12|


Chương 1. Loại bỏ các chất ơ nhiễm bằng wetland

Chương1

LOẠIBỎCÁCCHẤTƠNHIỄMBẰNGWETLAND
CW có thể xử lý các chất ơ nhiễm như tổng chất rắn lơ lửng (TSS), nhu cầu oxy
sinh hóa (BOD), các hợp chất hữu cơ, các hợp chất vô cơ để đáp ứng các chỉ tiêu quy định.
Mặc dù các wetland tương tự có thể đạt được mục tiêu loại bỏ nhiều chất gây ô nhiễm khác
nhau theo các cơ chế khác nhau (Kadlec and Knight, 1995). Tuy nhiên, khi hiểu rõ được cơ
chế loại bỏ và quy trình kiểm sốt chất gây ơ nhiễm, sẽ làm tăng xác suất thành công trong
việc ứng dụng của hệ thống wetland.
1.1 CÁC ĐẶC TÍNH CỦA WETLAND

Để hiểu các phương pháp cần thiết trong việc thiết kế và xây dựng các CW dùng
cho xử lý, loại bỏ các chất ô nhiễm, điều quan trọng là cần phải có một sự hiểu biết cơ bản
về phương thức hoạt động của wetland tự nhiên. Wetland thường được đặc trưng bởi sự có
mặt của ba thơng số cơ bản đó là: đất, nước và thảm thực vật (Vymazal, Brix et al. 1998).
Nước thường xuất hiện trên bề mặt và bên trong hệ thống xung quanh bộ rễ trong suốt thời
gian vận hành. Đất có mặt ở wetland khác với các loại đất vùng cao ở chỗ nó ln tồn tại
trong điều kiện bão hịa nước. Ngồi ra, để đáp ứng với các điều kiện bão hòa nước,
wetland được hỗ trợ các lồi thực vật, chúng thích nghi và phát triển trong điều kiện
ẩm ướt.
1.1.1 Đất
Đất trong wetland thường bở, rời kém kết dính, nó là vật liệu tự nhiên hỗ trợ hoặc
là có khả năng hỗ trợ sự sống của thực vật. Đất thường được chia thành hai loại khác nhau,
đó là đất khống và đất hữu cơ. Ngồi ra, đất cịn có thể được phân loại dựa vào độ ẩm
hiện tại. Trong điều kiện đất ngập nước, đất được coi là hydric, nghĩa là, bão hòa, ngập
nước, hoặc đọng nước đủ dài trong suốt thời gian hoạt động để phát triển các điều kiện kỵ
khí ở phần trên của đất. Đất hydric được phát triển trong điều kiện đủ ướt để hỗ trợ thực
vật thủy sinh của khu vực ẩm ướt (thảm thực vật thủy sinh).
Đặc tính của đất bao gồm các lớp đất khác nhau được mô tả từ bề mặt trở xuống.
Những lớp này, được gọi là tầng đất, nói chung theo hướng song song với bề mặt đất. Một
tầng đất thường được phân biệt từ những tầng tiếp giáp bởi đặc tính (ví dụ, màu sắc, cấu
trúc, kết cấu) có thể nhìn thấy được hoặc thơng qua đo đạc. Tầng đất có thể được chia
thành các tầng lớn gọi là tầng chủ. Những tầng chủ được quy định với các chữ cái O, A, E,

13|


THIẾT KẾ WETLAND CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI

B, C, và R (Vymazal and Kröpfelová 2008). Độ sâu và thành phần của các tầng thay đổi
rất nhiều tùy thuộc vào loại và vị trí của đất.

Tầng O là một lớp đất bị chi phối bởi các chất hữu cơ. Một số loại đất này được bão
hòa nước trong thời gian dài hoặc đã từng bão hòa nước nhưng bây giờ đã ráo nước, và
một số loại không bao giờ được bão hòa nước. Tầng O thường gồm rác lá, rêu, địa y và
cành cây đã được lưu trên bề mặt không thể phân hủy được nữa hoặc có thể bị phân hủy
một phần.
Tầng A thường được gọi là đất bề mặt hoặc lớp đất mặt, là một lớp nằm dưới tầng
O. Ở tầng này, các chất hữu cơ đang được bổ sung. Tầng O thường mang những đặc điểm
của đất trồng trọt và các loại đất khác.
Dưới tầng A là tầng E, một tầng khống, trong đó sự mất mát của silicat, đất sét,
sắt, nhôm, hoặc một sự kết hợp của cát và phù sa. Tầng E thường sẫm hơn so với tầng B
nằm phía dưới nó.
Tầng B là một vùng được tích lũy tối đa của vật chất từ tầng A. Tầng này thường
được đặc trưng bởi hàm lượng đất sét cao hơn hoặc rõ rệt hơn của cấu trúc đất và hàm
lượng chất hữu cơ thấp hơn so với tầng A.
Dưới tầng B là tầng C, bao gồm các vật liệu gốc khơng kết dính. Trong tầng này,
các vật liệu gốc khơng kết dính khơng bị phong hóa đủ để thể hiện đặc điểm của tầng B.
Hàm lượng sét và mức độ phát triển cấu trúc đất ở tầng C thường ít hơn so với tầng B.
Tầng lớn cuối cùng là tầng R, ở tầng này, độ đồng nhất của chúng rất cao.
Do tính đặc trưng bão hịa nước của mơi trường wetland, đất có xu hướng phát triển
một số đặc điểm chỉ có ở wetland. Những đặc điểm độc đáo này là kết quả từ sự ảnh hưởng
của điều kiện kỵ khí gây ra bởi sự bão hịa nước thường xuyên hoặc định kỳ trong hệ thống
(Vymazal and Krưpfelová 2008). Ví dụ, trong điều kiện yếm khí tạo ra một mơi trường
khử, do đó làm giảm q trình oxy hóa (oxy hóa - khử) tiềm năng đối với đất. Điều kiện
này là kết quả của việc khử một vài chất hóa học có trong thành phần đất, chẳng hạn như
sắt và mangan, dẫn đến sự phát triển của đất màu, biểu hiện của đất wetland.
Đặc điểm khác của đất như: hàm lượng của chất hữu cơ cao (histic epipedons), tầng
đất mặt có màu lục (gleying), nhóm đất chứa sunfur, độ ẩm (aquic hoặc peraquic), và sắt
hoặc mangan lắng đọng là những dấu hiệu của tình trạng đất ngập nước (hydric). Tầng đất
mặt phát triển khi điều kiện đất yếm khí dẫn đến q trình khử hóa học của sắt, mangan và
các nguyên tố khác. Quá trình này tạo ra các màu xanh nhạt, hoặc màu xám đặc trưng.

Tầng chứa các hợp chất hữu cơ cao là một tầng đất dầy từ 20-40 cm ở bề mặt hoặc gần bề
mặt, chúng bão hòa nước trong thời gian 30 ngày liên tục hoặc hầu hết là kéo dài hơn một
năm và chứa tối thiểu 20% chất hữu cơ khi không có đất sét, hoặc chiếm tối thiểu 30% chất
hữu cơ đến 60% khi đất chứa lượng lớn sét. Đất chứa nhiều các hợp chất hữu cơ được bão
hòa nước đủ thời gian để ngăn chặn sự phân hủy của chất hữu cơ có trên bề mặt. Độ ẩm
của đất được đặc trưng bởi nước ngầm tại các bề mặt đất và khi đó, đất hồn tồn khơng có
14|


Chương 1. Loại bỏ các chất ô nhiễm bằng wetland

oxy hòa tan. Sắt hoặc mangan lắng đọng bởi những nguyên nhân khác nhau trong đó có
diễn ra q trình oxy hóa - khử mà chúng tồn tại (Wieder, 1990).
Các thơng số được mô tả ở trên không thể áp dụng cho đất cát do tính chất riêng
của chúng. Đất cát được xác định là có chứa hydro dựa vào sự có mặt của các chất hữu cơ
cao trong tầng đất mặt, các chất hữu cơ có mặt trong đất xuống đến tầng sâu hơn, hoặc sự
hiện diện của chất hữu cơ ở tầng sâu ở vùng nước điển hình.
1.1.2 Nước
"Nước là yếu tố quyết định quan trọng nhất đối với việc hình thành và duy trì các
loại hình cụ thể của wetland và các quá trình của wetland" (Mitsch and Gosselink 2000).
Nó thường xun bão hịa hoặc theo chu kỳ của vùng wetland, điều này dẫn đến điều kiện
kỵ khí trong đất, qua đó các q trình sinh hóa điển hình của wetland diễn ra. Các quá trình
này tạo nên sự phát triển đặc trưng của đất wetland, nó hỗ trợ cộng đồng sinh vật thích
nghi với cuộc sống ở đất bão hòa nước. Các điều kiện thủy văn của wetland có thể được
đặc trưng bởi lượng nước, trong đó chủ yếu là sự khác nhau giữa lượng nước di chuyển
vào wetland và lượng nước đi ra khỏi wetland. Lượng nước ở trong wetland bị ảnh hưởng
bởi sự cân bằng giữa các lượng nước đầu vào và nước đầu ra, nó phụ thuộc vào dịng chảy
trong hệ thống như dịng chảy trên bề mặt và dưới bề mặt, phụ thuộc vào địa chất và trạng
thái nước ngầm (Mitsch and Gosselink 2000).
Theo quan điểm của các nhà chuyên môn về wetland, để xác định xem liệu nước có

tồn tại trong wetland hay khơng thơng qua một số biểu hiện sau:
• Trong giai đoạn ngập nước hay bão hịa khơng có sự xuất hiện một số đặc tính, ví dụ:
gị nổi lên, vùng rễ hiếu khí, bộ rễ bị oxy hóa, lá chuyển màu,…
• Nước có mặt trong wetland khi đất ngập nước hay bão hịa nước có chiều cao
khoảng 16-50 cm, q trình ngập nước diễn ra ít nhất trong bảy ngày liên tục vào
mùa sinh trưởng.
1.1.3 Thực vật trong wetland
Sự có mặt của thực vật là một trong những đặc tính đáng chú ý nhất của wetland,
sự có mặt của chúng tạo ra sự khác biệt với đầm lầy nhân tạo, lọc bằng đất khơng có thực
vật hoặc đầm phá. Các thực vật trong wetland có một số thuộc tính liên quan đến q trình
xử lý, thuộc tính này trở thành một bộ phận thiết yếu trong thiết kế hệ thống.
Thực vật trong wetland phân bố và làm giảm vận tốc dòng chảy của nước trong hệ
thống, điều này tạo điều kiện tốt hơn cho sự lắng đọng của các chất rắn lơ lửng và làm
giảm nguy cơ tạo huyền phù, do đó tăng cường việc loại bỏ các chất rắn lơ lửng trong
wetland. Thực vật nổi làm giảm đáng kể vận tốc gió ở gần bề mặt vật liệu nền hoặc mặt
nước (hình 1-1) so với vận tốc phía trên các thực vật, qua đó làm giảm sự bay hơi nước
(Kuschk, Wiessner et al., 2006).

15|


THIẾT KẾ WETLAND CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Bảng 1-1: Tổng hợp vai trò của thực vật trong xử lý bằng constructed wetlands

Đặc tính của thực vật

Vai trị trong q trình xử lý
Suy giảm ánh sáng à giảm tăng trưởng của thực vật phù
du, ảnh hưởng của vi khí hậu à cách nhiệt trong mùa đơng


Mơ trên khơng

Giảm vận tốc gió à giảm nguy cơ khuấy trộn.
Tích trữ chất dinh dưỡng
Hiệu quả lọc à lọc các hạt có kích thước lớn
Giảm vận tốc dòng chảy à tăng tốc độ lắng, làm giảm
nguy cơ tái tạo huyền phù

Mô thực vật trong nước

Cung cấp diện tích bề mặt cho tạo màng sinh học
Tiết ra oxy bằng quang hóa à tăng mơi trường hiếu khí
Tiếp nhận các chất dinh dưỡng
Giữ ổn định bề mặt trầm tích à giảm xói mịn
Ngăn chặn các chất làm tắc nghẽn trong hệ thống dòng
chảy đứng

Bộ rễ trong trầm tích

Tiết ra oxy, tăng mơi trường oxy hóa (và nitrat hóa)
Hấp thu các chất dinh dưỡng
Tiết ra các chất hữu cơ, kháng sinh
(Nguồn : Kadlec and Knight 1995)

Thực vật làm giảm bớt sự xâm nhập ánh sáng vào trong nước, qua đó hạn chế sự
phát triển của tảo. Trong trường hợp thực vật trôi nổi tự do như họ lục bình hay bèo tấm,
chúng có thể bao phủ hồn tồn bề mặt của wetland, tốc độ tăng trưởng của tảo sẽ bị hạn
chế đến mức tối thiểu do thiếu ánh sáng. Đây là mong muốn trong CW, bởi vì, khi thực vật
phù du tăng trưởng mạnh, nó làm gia tăng các chất rắn lơ lửng trong dòng chảy (Kadlec

and Knight, 1995).
Một ảnh hưởng quan trọng nữa của thực vật là, chúng đóng vai trị như mái nhà giữ
ấm cho nước trong wetland vào thời kỳ mùa đơng (hình 1-1), đặc biệt là ở các vùng khí
hậu ơn đới và hàn đới. Khi sinh khối bị tuyết bao phủ, cây giúp giữ đất khơng bị đóng
băng. Các lớp sinh khối cũng giúp trong việc bảo vệ đất khỏi bị đóng băng trong mùa
đơng, mặt khác, nó cũng giữ cho đất mát hơn trong mùa hè. Điều này đặc biệt quan trọng
trong CW với dòng chảy dưới bề mặt (SSF) (Vymazal and Kröpfelová, 2008).
16|


Chương 1. Loại bỏ các chất ơ nhiễm bằng wetland

Hình 1-1: Ảnh hưởng của tán cây Phragmites australis đến vận tốc gió (bên trái)
và ảnh hưởng của lớp rác trong khu vực P. australis đến nhiệt độ của đất
trong mùa đơng và mùa hè tương ứng

Trong CW với dịng chảy đứng, nước thải chảy từ trên xuống dưới, sự có mặt của
thực vật giúp ngăn ngừa sự tắc nghẽn của các chất có trong hệ thống. Sự cử động của thực
vật do tác động của gió,… giữ cho bề mặt đất mở ra, tạo điều kiện cho nước thấm vào
trong đất bằng cách: tạo ra các lỗ hình khuyên trên bề mặt xung quanh thân cây. Phần thân
cây và lá cây ngập trong nước cung cấp một diện tích bề mặt rất lớn cho việc tạo màng
sinh học.

Hình 1-2: Periphyton phát triển trên thân cây Eleocharis cellulosa (Spikerush) và Utricullaria
spp. (Bladewort) ở Florida Everglades (trái và giữa). Bên phải chi tiết của các màng bọc
periphyton trên Eleocharis

(Nguồn: Vymazal and Kröpfelová, 2008)
Phần mơ thực vật ngập trong nước (hình 1-2) bị thâm nhập bởi cộng đồng dày đặc
của tảo cũng như vi khuẩn và động vật nguyên sinh. Một mặt, tảo cung cấp oxy vào trong

nước và tiếp nhận chất dinh dưỡng, mặt khác, periphyton dày đặc có thể hạn chế sự phát
triển của thực vật ngập nước thông qua sự hấp thụ của ánh sáng (bức xạ cho hoạt động
17|


THIẾT KẾ WETLAND CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI

quang hợp) trước khi tiếp xúc với bề mặt lá cây. Điều này có thể gây ra sự suy giảm
thực vật.
Sinh khối dưới đất đóng một vai trị quan trọng trong hệ thống dịng chảy ngầm
dưới bề mặt (SSFW). Nó làm tăng hệ số thấm nước của bất kỳ loại đất nào có trong vật
liệu nền của hệ thống SSFW và đặc biệt phát triển khi thời gian vận hành được ba năm, nó
sẽ ổn định và duy trì lỗ rỗng được tạo ra bởi bộ rễ sống và rễ chết (Kuschk, Wiessner et al.
2006). Trong các hệ thống thực tế, điều này đã diễn ra ngược lại, hệ số thấm nước thường
giảm dần theo thời gian hoạt động của hệ thống. Nguyên nhân có thể được giải thích là do
bộ rễ của thực vật cung cấp các hợp chất cho hoạt động của các vi sinh vật. Tổng lượng vi
khuẩn tăng lên đáng kể trong vùng rễ. Tổng số vi khuẩn ở khoảng cách từ bề mặt rễ đến
1 mm là cao hơn gấp 10 lần so với lượng vi khuẩn ở các khu vực nằm ở khoảng cách
15-20 mm tính từ bề mặt rễ. Cả tính tốn và việc soi kính hiển vi trực tiếp đều cho thấy, vi
khuẩn bao phủ trên bề mặt rễ thường chiếm khoảng 5-10%. Vi khuẩn riêng lẻ thường được
định cư ở các hố trong thành tế bào của bộ rễ và tại mối nối của tế bào. Các lồi thực vật
khác nhau có khả năng ảnh hưởng khác nhau đến quần thể vi khuẩn ở vùng rễ (Kuschk,
Wiessner et al., 2006).
Thực vật trong wetland đòi hỏi chất dinh dưỡng cho sự phát triển và sinh sản. Khi
thực vật trong wetland có tăng trưởng mạnh, một lượng đáng kể các chất dinh dưỡng có
thể nằm trong sinh khối (đối với thực vật nổi trên mặt nước xem phần 2.3.8, đối với nitơ và
phosphor ở phần 2.4.2). Eichhornia crassipes sinh trưởng cho năng suất cao, có dung
lượng hấp thụ cao và dự trữ chất dinh dưỡng có thể đạt 230 g.N.m-2 và 30 g.P.m-2. Trong
khi đó, dự trữ dinh dưỡng của thực vật ngập trong nước thấp hơn nhiều (<20 g.N.m-2 và
<3 g.P.m-2. Tuy nhiên, lượng chất dinh dưỡng có thể được loại bỏ bằng cách thu hoạch

nhìn chung là khơng đáng kể so với lượng chất dinh dưỡng có nước thải đưa vào CW để
xử lý (Fux, Boehler et al., 2002).
Thực vật thủy sinh giải phóng oxy từ rễ vào vùng rễ, lượng oxy được giải phóng
này gây ảnh hưởng đến chu trình sinh địa trong trầm tích, do nó có các tác động đến trạng
thái oxy hóa khử của các trầm tích. Oxy được tiết ra từ rễ có thể thúc đẩy q trình nitrat
hóa, kết tủa Fe và Mn, hòa tan các kết tủa sulfur hoặc q trình oxy hóa của các hợp chất
độc hại (Flessa 1991). Bộ rễ cũng tiết ra các chất khác ngoài oxy, những chất này là những
hợp chất hữu cơ như: các axit hữu cơ, các axit amin, phytometallophores, peptide
(phytochelatins), alkaloids, phenolics, terpenoid hoặc steroid. Hàm lượng của các chất này
vẫn chưa rõ ràng, nhưng nói chung, chúng nằm trong khoảng 5-25% của carbon quang hợp
(Faulwetter, Gagnon et al. 2009).
Chức năng của các dịch tiết ra từ bộ rễ các hợp chất hóa học rất đa dạng như các
axit amin, các hợp chất hữu cơ, các hợp chất của phenon... Các hợp chất này ngoài chức
năng cung cấp nguồn carbon cho hoạt động của vi sinh vật, nó cịn có chức năng khác như
chất ức chế (kháng) thực vật, kháng khuẩn. Chất ức chế thực vật đã được tìm thấy trong
18|


Chương 1. Loại bỏ các chất ô nhiễm bằng wetland

wetland, Các hóa chất gây ức chế thực vật được tìm thấy trong hệ thống wetland gồm
nhiều nhóm hóa chất, đặc biệt là phenon, các axit hữu cơ, hormon thực vật và các chất
chuyển hóa thực vật của các axit amin thơm, các axit béo mạch dài và các hợp chất của lưu
huỳnh. Tuy nhiên, vẫn chưa rõ chất ức chế thực vật có thể ảnh hưởng đến các thực vật
trong CW như thế nào (Helal, 1989).
Quan trọng hơn đối với các quá trình xử lý nước thải là việc tiết ra các hợp chất
kháng khuẩn từ rễ của thực vật trong wetland. Một số nghiên cứu chỉ ra rằng, chất kháng
khuẩn chủ yếu là các alkaloid được tiết ra từ Nuphar lutea. Ngoài ra Scirpus
(Schoenoplectus) lacustris (Bulrush) cũng tiết ra chất kháng sinh từ rễ của nó và các chất
này có thể loại bỏ các loại vi khuẩn (coliforms, salmonella và enterococci) khỏi nước bị ô

nhiễm bằng cách: cho nước thải chứa các loại vi khuẩn trên đi qua thảm thực vật bulrushes.
Những loài như Mentha aquatica, Phragmites australis và Scirpuslacustris đều tiết ra chất
kháng khuẩn. Các chất được tiết ra từ bộ rễ của nhiều loài thực vật đất ngập nước có khả
năng kháng khuẩn đó là các axit tannic và gallic. Tuy nhiên, các hợp chất khác cũng có thể
kháng khuẩn tốt (Vymazal, Brix et al., 1998).

Hình 1-3: Hình ảnh của lồi Iris pseudacorus

(Nguồn: Kadlec and Knight, 1995)
Phytometallophores và phytochelatins rất quan trọng đối với vịng tuần hồn của
kim loại nặng trong CW. Phytometallophores là dịch amino-axit béo (không phải là
protein) được tiết ra từ bộ rễ. Chúng có thể tạo các hợp chất phức vịng càng với Fe, Cu,
Zn và Mn, qua đó làm cho các ion này trở nên linh động. Phức vòng càng của kim loại sau
đó có thể được rễ tiếp nhận. Phytochelatins có thể tạo phức ở dạng peptide với các kim loại
nặng chủ yếu ở thực vật bậc cao. Chúng giống với metallothioneinlike trong các hoạt động,
nhưng khác với nó về cấu trúc và thành phần hóa học (L-cystein, L-glutamate và glycine
theo tỷ lệ 4:4:1). Sự tổng hợp các peptide này có thể được tạo bởi Cu, Cd, Hg, Pb và Zn.
Các thực vật tiết ra phytochelatins để làm giảm tới mức tối đa hoặc tránh ngộ độc kim loại
nặng (Kadlec and Knight 1995).
19|


THIẾT KẾ WETLAND CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Thực vật trong CW cũng có thể có các chức năng này, chúng khơng liên quan trực
tiếp đến q trình xử lý nước. Hệ thống xử lý lớn có thể được hỗ trợ bởi động vật hoang dã
đa dạng, bao gồm động vật có vú, chim, động vật khơng xương sống, cá, bị sát và lưỡng
cư. Thực vật đang phát triển trong CW thường khơng được sử dụng cho mục đích khác vì
số lượng hạn chế và chất lượng chưa ổn định. Tuy nhiên, ở châu Phi, các thực vật đặc biệt
là Phragmites mauritianus, được sử dụng cho các mục đích sản xuất khác nhau như thảm,

hàng rào, mái nhà, mặc dù chất lượng của những cây này trong hệ thống xử lý wetland
thường khơng cao. Ngồi ra, chúng cịn được sử dụng làm cây trang trí như Iris
pseudacorus, Canna spp. (Canna lily), Butomus umbellatus, Filipendula ulmaria, các lồi
thực vật này có thể được lựa chọn để xây dựng các hệ thống wetland nhỏ để tạo ra một
phần vẻ đẹp cho không gian xung quanh.

Hình 1-4: Hình ảnh lồi Butomus umbellatus

(Nguồn: Kadlec and Knight, 1995)

Hình 1-5: Hình ảnh lồi Filipendula ulmaria

(Nguồn: Kadlec and Knight, 1995)
20|


Chương 1. Loại bỏ các chất ô nhiễm bằng wetland

1.1.4 Phân loại wetland
Wetland có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau. Trong lịch sử, wetland
đã được chia thành loại nước ngọt và loại nước lợ. Wetland nước ngọt được chia thành các
vũng lầy, bãi lầy, đầm lầy và hệ thống nước sâu. Wetland nước lợ bao gồm các bãi thủy
triều, đầm lầy nước mặn và rừng ngập mặn.
Một hệ thống đã được công bố về phân loại wetland dựa vào các vị chỉ địa lý bao
gồm: ven sông, rìa sơng, miền trũng và đất than bùn. Cách phân loại hệ thống theo cách
này khác ở chỗ, nó khơng mô tả các chức năng nhất định đối với mỗi loại hệ thống như là
một phần của quá trình phân loại.
Theo hệ thống của Brinson, wetland trũng là những vùng trũng nằm trong vùng lưu
vực có dịng chảy qua bề mặt nhỏ. Wetland vùng trũng thường nằm ở đầu nguồn của một
hệ thống thoát nước tại địa phương. Wetland vùng trũng bao gồm những cái vùng chứa, hồ

lòng chảo nhỏ, hồ chứa nhỏ và vịnh nhỏ. Wetland ven sơng hình thành một dải khắp khu
vực ven sông, suối, kênh và các vùng di chuyển của nước. Wetland ven sơng hình thành ở
cửa sông, nơi thủy triều thường xuyên diễn ra hoặc trong các hồ, nơi nước di chuyển vào
và ra khỏi các vùng đất ngập nước từ những tác động của gió và sóng. Vùng đất than bùn
là wetland bị chi phối bởi một chất nền là than bùn. Những loại wetland này bao gồm các
bãi lầy được phủ thảm thực vật (Brinson, 1993).
Cách phổ biến nhất để phân loại các wetland là theo hệ thống được phát triển bởi
Cowardin: Theo cách phân loại này wetland được phân thành năm loại cơ bản căn cứ vào:
biển, cửa sông, ven sông, hồ và đầm lầy. Các loại chính hoặc các hệ thống chủ yếu dựa
trên cơ sở thủy văn cho các wetland. Mỗi hệ thống có thể được tiếp tục chia thành các hệ
thống con, các lớp, các nhóm con và chủ yếu dựa vào dạng tồn tại hoặc các chất nền của
các wetland (Cowardin, Carter et al., 1979).
Wetland ven sông bao gồm tất cả các wetland và môi trường nước sâu được tìm
thấy trong nhánh sơng, mà trong đó nó chịu tác động, chi phối bởi cây xanh, bụi cây, các
lồi thực vật trơi nổi, rong nổi và địa y. Wetland đầm lầy bao gồm tất cả vùng đất ngập
nước khơng có thủy triều, nó chịu chi phối bởi cây xanh, bụi cây, các loài thực vật nổi,
rong rêu nổi hoặc địa y. Wetland đầm lầy được bao quanh bởi vùng cao hoặc bất kỳ loại
hình khác của wetland và có thể được nằm ở mép hồ hoặc mép sơng hay trong vùng ngập
lũ. Wetland hồ bao gồm wetland và mơi trường nước sâu được tìm thấy trong chỗ lõm địa
hình hoặc các nhánh sơng đắp đập, nơi thiếu cây, bụi cây, các loài thực vật nổi, rêu hoặc
địa y và vượt q kích thước 8 ha. Wetland ven sơng là wetland vùng trũng và wetland
đầm lầy, tất cả là các hệ thống nước ngọt.
CW thường được phân loại như đầm lầy, mặc dù các vùng nước mở thường là một
phần của hệ thống xử lý.
21|


THIẾT KẾ WETLAND CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI

1.2 CƠ CHẾ LOẠI BỎ CÁC CHẤT Ô NHIỄM THÔNG THƯỜNG

Căn cứ vào các chức năng và các q trình sinh hóa xảy ra trong wetland như là
một kết quả của bão hòa nước lâu dài, hệ thống CW có khả năng loại bỏ cũng như lọc các
chất ơ nhiễm trực tiếp có trong nước. Cơ chế loại bỏ có thể diễn ra rất độc đáo, tuần tự,
hoặc đồng thời trên mỗi nhóm chất ơ nhiễm hoặc các loại chất ơ nhiễm. Hình 1-6 minh họa
các quá trình diễn ra trong quá trình xử lý bằng wetland, trong hệ thống có thể diễn ra các
q trình phi sinh học như vật lý, hóa học, hoặc quá trình sinh học như hoạt động của vi
khuẩn, của thực vật thủy sinh.
Các cơ chế được sử dụng để xử lý, loại bỏ các chất gây ô nhiễm phụ thuộc vào các
chất gây ô nhiễm cụ thể, điều kiện vị trí, đối tượng loại bỏ và các vấn đề về quản lý
(Nguyen, 2011). Hình 1-6 minh họa các quá trình diễn ra trong quá trình xử lý bằng
wetland, trong hệ thống có thể diễn ra các quá trình phi sinh học như vật lý, hóa học, hoặc
q trình sinh học như hoạt động của vi khuẩn, của thực vật thủy sinh. Các cơ chế được sử
dụng để xử lý, loại bỏ các chất gây ô nhiễm phụ thuộc vào các chất gây ô nhiễm cụ thể,
điều kiện vị trí, đối tượng loại bỏ và các vấn đề về quản lý (Nguyen, 2011).
Quang hố
Bay hơi

Vùng hiếu khí
Nitrat hố
Sản phẩm tiết ra từ bộ rễ Hấp phụ

Vi sinh vật

2- SRB

Corg. + SO4
Trầm tích

2-


→ CO2 + S

2-

S + Me

2+

Denitrat hố
Vùng kỵ khí

→ MeS↓

Bùn

Hình 1-6: Các q trình diễn ra trong Wetland

1.2.1 Quá trình phi sinh học
Các quá trình vật lý và hóa học chính có vai trị trong việc loại bỏ chất gây ô nhiễm
trong wetland bao gồm những quá trình sau đây:
• Lắng đọng, tạo trầm tích;
• Hấp phụ;
• Q trình oxy hóa khử, kết tủa;
• Phân hủy quang hóa, oxy hóa;
• Bay hơi.
22|


Chương 1. Loại bỏ các chất ô nhiễm bằng wetland


Quá trình hóa lý như lắng đọng và tạo trầm tích, các quá trình này loại bỏ hiệu quả
các hạt vật chất và chất rắn lơ lửng. Khi các hạt chất rắn cũng như các kết tủa được tích tụ
dưới dạng trầm tích được lưu giữ ngắn hạn hoặc cố định lâu dài, chúng sẽ đóng vai trị làm
vật liệu hấp phụ, qua đó, các chất gây ơ nhiễm sẽ tiếp tục được loại bỏ theo cơ chế hấp
phụ. Hấp thu bao gồm các quá trình kết hợp của sự hấp phụ và hấp thụ. Kết tủa hóa học
liên quan đến việc chuyển hóa của các kim loại hịa tan trong dịng chảy thành dạng rắn
khơng hịa tan, chúng lắng xuống và được tách ra khỏi nước. Những phản ứng này rất đặc
trưng và là một phương pháp hiệu quả để loại bỏ các kim loại độc hại trong các wetland
(Nguyen, 2011). Phân hủy quang hóa liên quan đến sự khử hay q trình oxy hóa của các
hợp chất trong sự có mặt của ánh sáng mặt trời. Bay hơi diễn ra khi các hợp chất dễ bay
hơi phân tán trong dung dịch chuyển vào trạng thái khí (xem hình 1-7 và 1-8).

Hình 1-7: Cơ chế phi sinh học xử lý các hợp chất hữu cơ trong hệ thống wetland

Hình 1-8: Cơ chế phi sinh học xử lý các hợp chất vô cơ trong hệ thống wetland

23|


THIẾT KẾ WETLAND CHO XỬ LÝ NƯỚC THẢI

1.2.2 Quá trình sinh học
Ngồi các q trình phi sinh học, các q trình sinh học như: phân hủy sinh học và
sự hấp thu của thực vật là nguyên nhân chính để loại bỏ các chất gây ơ nhiễm. Một số q
trình vi sinh, quá trình của thực vật thủy sinh diễn ra trong wetland được chỉ ra dưới đây
(Vymazal, Brix et al. 1998):
• Q trình trao đổi chất - phân hủy sinh học hiếu khí hoặc kỵ khí;
TS. Nguyễn Hồng Nam

Thiết kế constructed wetland cho xử lý nước thải


• Q trình tiếp nhận của thực vật thủy sinh hoặc tạo ra sự ổn định bằng thực vật;
• Q trình phân hủy bằng thực vật/phân hủy ở bộ rễ;

• Q trình tiếp nhận của thực vật thủy sinh hoặc tạo ra sự ổn định bằng thực vật

• Q trình
vật/bốc
hơihủy
nước.
• Qbay
trìnhhơi
phânbởi
hủythực
bằng thực
vật/phân
ở bộ rễ
trình
bay đổi
hơi bởi
thựccủa
vật/bốc
hơi nước
Các q• Q
trình
trao
chất
vi sinh
vật đóng một vai trị quan trọng trong việc
Các

q
trình
trao
đổi
chất
của
vi
sinh
vật
đóngkhí/kỵ
một vaikhí
trị quan
trong (xem
việc loại
loại bỏ các hợp chất hữu cơ trong mơi trường hiếu
của trọng
wetland
hình 1-9).
bỏ
các
hợp
chất
hữu
cơ
trong
mơi
trường
hiếu
khí/kỵ
khí

của
wetland
(xem
hình
1-9).
Thực
vật
Thực vật hoặc là chịu trách nhiệm cho sự hấp thu trực tiếp của chất gây ơ nhiễm có nhu
hoặc là chịu trách nhiệm cho sự hấp thu trực tiếp của chất gây ơ nhiễm có nhu cầu chất dinh
cầu chất dinh
hoặcqua
là bộ
thơng
qua
cung
cấp
cáckích
dịch
ra, từ
dưỡng,dưỡng,
hoặc là thơng
rễ cung
cấpbộ
cácrễ
dịch
tiết ra,
từ đó
thíchtiết
sự phân
hủyđó

cáckích
hợp thích sự
phân hủychất
cáchữu
hợp
cơ Loại
của bỏ
vibằng
sinhthực
vật.vậtLoại
bỏkhibằng
thựcdo
vật
diễn
ra ra
khi
các enzym
cơ chất
của vi hữu
sinh vật.
diễn ra
các enzym
thực
vật tạo
phân
hủy
các
chất
gây
ô

nhiễm
(hữu
cơ
và
vô
cơ),
các
sản
phẩm
phân
hủy
này
đi
vào
thực
vật
trong
do thực vật tạo ra phân hủy các chất gây ô nhiễm (hữu cơ và vô cơ), các sản phẩm phân
quá trình bay hơi.
hủy này đi vào thực vật trong quá trình bay hơi.
Quá trình bay hơi bởi thực vật

Thực vật ngoi trên mặt nước

Hợp chất hữu cơ
Dòng chảy trực tiếp

Phân huỷ của bộ rễ

Mực

rác

Tạo ra sự ổn định của thực vật

Hình 1-9: Cơ chế sinh học xử lý các hợp chất hữu cơ trong hệ thống wetland.

Hình 1-9: Cơ chế sinh học xử lý các hợp chất hữu cơ trong hệ thống wetland

Tích lũy của thực vật thủy sinh là sự hấp thu và tích tụ của các ngun tố vơ cơ vào thực
vật,
và
tạo
ra sựthực
ổn định
thựcsinh
vật, hay
nói hấp
cách thu
khácvà
đó tích
chính tụ
là khả
thụ cáctố
hợp
Tích lũy của
vậtcủa
thủy
là sự
củanăng
cáchấp

ngun
vơ cơ vào
chất vơ cơ trong bộ rễ (xem hình 1.10). Bay hơi thông qua thực vật là sự hấp thu và sự di chuyển
thực vật, tiếp
và theo
tạo của
ra sự
của
vật,
hayBay
nói
khác
chính
khảmuốn,
năng hấp thụ
cácổn
hợpđịnh
chất dễ
baythực
hơi qua
lá cây.
hơicách
qua thực
vật đó
có thể
khơnglàmong
trong một số trường hợp các chất gây ô nhiễm chỉ chuyển được từ nước vào khơng khí thơng
các hợp chất
vơ cơ trong bộ rễ (xem hình 1-10). Bay hơi thơng qua thực vật là sự hấp thu
qua con đường này (Vymazal, Brix et al. 1998).


và sự di chuyển tiếp theo của các hợp chất dễ bay hơi qua lá cây. Bay hơi qua thực vật có
thể khơng mong muốn, trong một số trường hợp các chất gây ô nhiễm chỉ chuyển được từ
nước vào khơng khí thơng qua con đường này (Vymazal, Brix et al., 1998).
24|

26


Chương 1. Loại bỏ các chất ô nhiễm bằng wetland

Hầu hết các phản ứng hóa học chuyển hóa chất ơ nhiễm diễn ra trong vùng nước
wetland, trong mùn hữu cơ và ở các khu vực xung quanh bộ rễ. Việc chuyển hóa này là kết
quả của các hoạt động mạnh của vi sinh vật diễn ra ở các loại đất. Cơ chế loại bỏ sinh học
bao gồm hô hấp của vi sinh vật hiếu khí, lên men vi sinh yếm khí và vi khuẩn tạo khí
methan,TS.sự
hấpHồng
thu của
ngoại
bào và
nội cho
bào,
tiết
rathải
các chất
Nguyễn
Nam thực vật, phản ứng enzyme
Thiết
kế constructed
wetland

xử lý
nước
kháng sinh và vi sinh vật ăn thịt và quá trình chết đi của các sinh vật và vi sinh vật.
Quá trình bay hơi bởi thực vật
Thực vật ngoi trên mặt nước

Dòng chảy trực tiếp

Mực
rác

Tạo ra sự ổn định của thực vật

Hình 1-10: Cơ chế sinh học xử lý các hợp chất vô cơ trong hệ
thống wetland.

Hình 1-10: Cơ chế sinh học xử lý các hợp chất vô cơ trong hệ thống wetland

Ở các khu vực trầm tích trong wetland, các vi sinh vật hoạt động mạnh do tỷ lệ của
Hầu hết các phản ứng hố học chuyển hóa chất ơ nhiễm diễn ra trong vùng nước
carbon wetland,
hữu cơtrong
cố định
thực
wetland
rất bộ
cao.
quần thể
mùn bởi
hữu cơ

và ởvật
cáctrong
khu vực
xung quanh
rễ. Các
Việc chuyển
hóavi
nàysinh
là kếtvật
quảtồn tại
đa dạngcủa
trong
vùng
đấtmạnh
mọccủa
rễ,vilớp
hữuracơ
và loại
cácđất.
bề Cơ
mặtchếchìm
củasinh
lá học
câybao
và gồm
thân cây.
các hoạt
động
sinhmùn
vật diễn

ở các
loại bỏ
hơ
hấp
của
vi
sinh
vật
hiếu
khí,
lên
men
vi
sinh
yếm
khí
và
vi
khuẩn
tạo
khí
methan,
sự
hấp
Các vi sinh vật này đóng vai trị quan trọng đối với hầu hết các q trình chuyển thu
hóa của
của thực vật, phản ứng enzyme ngoại bào và nội bào, tiết ra các chất kháng sinh và vi sinh vật
các chất gây ô nhiễm trong wetland.
ăn thịt và quá trình chết đi của các sinh vật và vi sinh vật.


Dịng Ởchảy
của vực
nước
trong
tiếp xúc
các
khuẩn
códotrong
các khu
trầm
tích wetland
trong wetland,
các vivới
sinh
vậtloại
hoạtviđộng
mạnh
tỷ lệ trầm
của tích
carbon
hữu
cơ đặc
cố định
thựccác
vật vi
trong
rất cao.
quần
thể năng
vi sinhloại

vật tồn
và đất (lớp
rác
dày
và bởi
xốp),
sinhwetland
vật này
thựcCác
hiện
chức
bỏ tại
cácđachất ô
dạng trong vùng đất mọc rễ, lớp mùn hữu cơ và các bề mặt chìm của lá cây và thân cây. Các vi
nhiễm và sử dụng chúng như là một nguồn dinh dưỡng. Sự đa dạng của vi sinh vật được
sinh vật này đóng vai trị quan trọng đối với hầu hết các q trình chuyển hóa của các chất gây
tập trung
ở cáctrong
vùng
chuyển tiếp giữa các vùng từ hiếu khí sang vùng kỵ khí trong các lớp
ơ nhiễm
wetland.
rác, lớp trầmDịng
tích chảy
và lớp
đất. Chúng đa dạng về cộng đồng của các vi sinh vật, ngay cả
của nước trong wetland tiếp xúc với các loại vi khuẩn có trong trầm tích và
trong các
vựcdàykịđặc
khí,

vùng
hơnvậtcũng
tồn hiện
tại vùng
"vi" loại
hiếu
(vùng
rễ), nơi vi
đất khu
(lớp rác
và ởxốp),
cácsâu
vi sinh
này thực
chức năng
bỏkhí
các chất
ơ nhiễm
sử khí
dụngcó
chúng
như làsẻmột
dưỡng.
Sựvới
đa dạng
vi sinh
đượckhí
tập lân
trung
ở Các

sinh vậtvàkỵ
thể chia
cácnguồn
chấtdinh
chuyển
hóa
các của
vi sinh
vậtvậthiếu
cận.
các vùng chuyển tiếp giữa các vùng từ hiếu khí sang vùng kỵ khí trong các lớp rác, lớp trầm
mối quan hệ cộng sinh giữa thực vật và vi sinh vật rất phức tạp. Thực vật và vi sinh vật
tích và lớp đất. Chúng đa dạng về cộng đồng của các vi sinh vật, ngay cả trong các khu vực kị
thườngkhí,
ảnhở hưởng
vớitồnnhau,
ví "vi"
dụ, hiếu
bằngkhícách
trao
các
chất
hoặc các
vùng sâuqua
hơnlại
cũng
tại vùng
(vùng
rễ),đổi
nơi vi

sinh
vật dinh
kỵ khídưỡng
có thể chia
dịch tiếtsẻra
bộ chuyển
rễ.
cáctừchất
hóa với các vi sinh vật hiếu khí lân cận. Các mối quan hệ cộng sinh giữa
25|
27