Ứng dụng cỏ vetiver (Vetiveria zizanioides L.) xử lý ô nhiễm nitrogen và phosphor nguồn nước mặt

940 ỨNG DỤNG CỎ VETIVER (VETIVERIA ZIZANIOIDES L.) XỬ LÝ Ô NHIỄM NITROGEN VÀ PHOSPHOR NGUỒN NƢỚC MẶT Nguyễn Công Mạnh1, Nguyễn Minh Kỳ2,*, Nguyễn Tri Quang Hƣng2, Phan Văn Minh1, Phan Thái Sơn3 1 Viện Công nghệ sinh học và Môi trường, Đại học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh 2Khoa Môi trường và Tài nguyên, Đại học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh 3 Viện Môi trường và Tài nguyên, Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh * Email: nmky@hcmuaf.edu.vn TÓM TẮT Bài báo trình bày kết quả so sánh và đánh giá khả năng hấp thu các chất ô nhiễm dinh dưỡng bằng hệ thực vật cỏ vetiver (Vetiveria Zizanioides L.). Mô hình nghiên cứu được thiết kế theo các nghiệm thức (i) - Tải trọng 1 (T1: 500mL/phút/m2) Vetiver (V1) + Đối chứng không trồng cây (C1); (ii) - Tải trọng 2 (T2: 1000mL/phút/m2) ứng với Vetiver (V2) + Đối chứng không trồng cây (C2). Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, hiệu quả xử lý của tải trọng 1 đạt khá cao đối với các chất dinh dưỡng Nitrogen và Phosphor; lần lượt với hiệu quả xử lý TKN và N-NH4 là 70%, TP là 90% và PO43- là 60%. So sánh giữa các tải trọng với nhau cho thấy tải trọng T1 có hiệu quả xử lý tốt nhất và chỉ ra mức độ xử lý các chất gây ô nhiễm ở tải trọng 1 cao hơn tải trọng 2. Ngoài ra, trong cùng tải trọng hiệu quả xử lý các chất dinh dưỡng của nghiệm thức trồng cây thường cao hơn đối chứng không trồng cây (P<0,05). Từ khóa: Nitrogen, Phosphor, ô nhiễm, Vetiveria zizanioides L. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Công nghệ đất ngập nước được xem có khả năng xử lý nước thải đô thị, sinh hoạt, công nghiệp, nước rỉ rác, nước thải chăn nuôi, v.v.. [1-3]. Trong đó, cỏ vetiver được nghiên cứu ứng dụng xử lý các loại nước ô nhiễm khác nhau [4-7]. Công nghệ đất ngập nước kiến tạo được biết đến như một giải pháp công nghệ xử lý nước thải có hiệu quả [8]. Đây là công nghệ có nhiều ưu điểm như chi phí xây dựng, bảo dưỡng thấp, phương pháp xử lý thân thiện với môi trường [9]. Đối với công nghệ đất ngập nước kiến tạo áp dụng quá trình xử lý dựa trên các nguyên lý tương tác sinh thái giữa các cấu phần đã được sắp xếp trong cùng một hệ sinh thái thủy vực [10]. Bởi vậy, việc áp dụng công nghệ xử lý ô nhiễm bằng biện pháp thân thiện môi trường như mô hình đất ngập nước kiến tạo rất có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Nghiên cứu thực hiện nhằm xem xét khả năng xử lý các chất ô nhiễm dinh dưỡng nguồn nước mặt bằng công nghệ đất ngập nước sử dụng hệ thực vật bằng cỏ vetiver. 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tƣợng nghiên cứu * Nguồn nước mặt: Nguồn nước mặt dùng trong nghiên cứu là nguồn nước mặt của kênh D thuộc thị xã Thuận An, Bình Dương. 941 Bảng 1. Đặc tính của chất lượng nguồn nước trước xử lý Thí nghiệm Thông số chất lượng nước, mg/L P tổng PO4 3- TKN N-NH4 N-NO2 N-NO3 Tải trọng 1 1,13±0,4 0,06±0,02 50,39±12,2 29,77±2,7 0,01±0,01 0,08±0,03 Tải trọng 2 2,38±0,06 1,41±0,09 33,39±6,19 17,01±6,14 0,02±0,01 0,06±0,04 * Hệ thực vật: Dựa vào những kết quả của các nghiên cứu trước đây, cỏ vetiver (Vetiverria zizanioides L.) [11-14] đã được chọn lựa cho nghiên cứu. Cỏ được nhân giống trong Vườn sưu tập thủy sinh vật của Trường Đại học Nông Lâm. Những cây vetiver trưởng thành có thân chắc khoẻ với đường kính khoảng từ 0,5 đến 1cm được chọn lọc. Sau đó cắt bỏ hết lá, cắt thành từng đoạn có chiều dài từ 40 đến 50cm và có từ 4 đến 5 mắt để làm hom giống. Hom giống được chuyển sang khu vực ươm và ươm cho đến khi thành cây đã phát rễ và lá mới. Các cây mới mới sau đó được chuyển vào trồng trong các bể thí nghiệm để tiếp tục phát triển. 2.2. Thiết kế thí nghiệm Nghiên cứu được bố trí theo thiết kế thí nghiệm theo các tải trọng gồm các mức (level): 500mL/phút/m2 (T1) và 1000mL/phút/m 2 (T2); cỏ Vetiver và không cây (đối chứng). Các số mã hóa của các nghiệm thức thí nghiệm tương đương gồm: (i)- Tải trọng 1 (T1) ứng với Vetiver (V1) + Đối chứng (C1). (ii)- Tải trọng 2 (T2) ứng với Vetiver (V2) + Đối chứng (C2). Mỗi tải trọng nghiên cứu được tiến hành trong 3 tuần với tần suất thu mẫu: 1 tuần/lần. Về bố trí hệ thống, nguồn nước được bơm lên bể chứa đặt trên cao 2,5m, cách mặt bể thí nghiệm 1,5m. Sơ đồ bố trí dòng chảy của thí nghiệm được trình bày trong hình bên dưới. Hình 1. Sơ đồ hệ thống bể thí nghiệm Hệ thống thí nghiệm gồm có 3 bể plastic, mỗi bể có thể tích 1000 L (1x 1 x 1m). Một bể được đặt trên cao làm bể cấp nước. Nước được phân phối xuống 02 bể thí nghiệm có chứa các lớp vật liệu lọc theo thứ tự từ dưới lên: đá 4 x 6 cm – dày 20 cm, đá (1x2cm) - dày 20cm, đá mi hạt lớn – dày 15cm, cát hạt lớn - dày 15cm. Độ rỗng của toàn khối vật liệu lọc là 40%. Dòng chảy qua bể thí nghiệm là dòng chảy thẳng đứng. Bể thí nghiệm gồm 1 trồng vetiver và 1 bể đối chứng có cùng cấu trúc giá thể lọc nhưng không được trồng cây. 942 2.3. Phƣơng pháp phân tích và xử lý số liệu Mẫu nước đầu vào được lấy tại đầu vào của bể thí nghiệm và các mẫu đầu ra (sau xử lý) được thu tại đầu ra của bể thí nghiệm. Cụ thể, ở mỗi thí nghiệm tải trọng thủy lực, mẫu nước được lấy tại bể chứa nước đầu vào và bể chứa nước đầu ra sau quá trình xử lý thông qua hệ thống van xả. Các mẫu nước được phân tích tại Trung tâm Công nghệ và Quản lý Môi trường và Tài nguyên, Trường Đại học Nông Lâm Tp. Hồ Chí Minh để xác định các thông số về chất lượng nước, bao gồm P tổng, PO4 3- , TKN, N-NH4, N-NO2, và N- NO3. Phương pháp phân tích chất lượng nước theo các tiêu chuẩn hiện hành của APHA và TCVN. Số liệu nghiên cứu được phân tích thống kê ANOVA với mức ý nghĩa giữa các nghiệm thức ở P<0,05. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Hiệu quả xử lý mô hình dòng chảy thẳng đứng với tải trọng 500mL/phút/m2 (T1) Hình 2 cho thấy các hàm lượng trước và sau xử lý của TP và PO4 3- trong thí nghiệm T1. Hàm lượng TP và PO4 3- trước xử lý tương ứng là 1,13±0,39 và 0,06±0,02 mg/L. Sau xử lý, đã có sự suy giảm các hàm lượng này trong cả đối chứng và thí nghiệm. Hàm lượng TP và PO4 3- ở lô đối chứng là 0,08±0,04 và 0,02±0,01 mg/L, trong nghiệm thức trồng vetiver là 0,05±0,01 mg/L và 0,03±0,005 mg/L. Hiệu quả xử lý TP và PO4 3- tương ứng trong lô đối chứng là 93,4±1,8 và 61,6±29,2%, và trong nghiệm thức trồng vetiver là 95,0±0,7 và 50,1±11,5%. Hình 2. Hàm lượng chất dinh dưỡng trước và sau xử lý trong thí nghiệm T1 Sự biến đổi các hàm lượng của TKN, NH4-N, và (NO2-N+NO3-N) ở đầu vào và đầu ra của thí nghiệm với tải trọng T1 cho thấy: Hàm lượng của TKN, NH4-N, và (NO2-N+NO3-N) ở đầu vào trong thí nghiệm tải trọng T1 cho cả đối chứng, vetiver lần lượt là 50,4±12,2; và 0,09±0,03 mg/L. Tại đầu ra ở lô đối chứng các giá trị của TKN, NH4-N và (NO2-N+NO3-N) lần lượt là 19,4±2,9; 14,2±2,6 và 11,6±1,8 mg/L; trong đó NO3-N là 11,3±1,6 mg/L. Các giá trị tương tự lần lượt lô trồng vetiver là 15,0±6,0; 10,4±3,6 và 12,2±1,8 mg/L, trong đó NO3-N là 11,9±1,6 mg/L. Kết quả cho thấy hiệu quả xử lý TKN và NH4-N của lô thí nghiệm trồng vetiver so với lô đối chứng. Cụ thể, hiệu quả xử lý TKN và NH4-N trong nghiệm thức trồng vetiver lần lượt là 68±16 và 64±15%. Trong khi đó, các giá trị tương ứng trong lô đối chứng là 60±13 và 52±10%. Kết quả đã ghi nhận được sự biến động lớn trong hiệu quả xử lý nitrogen trong cả lô đối chứng và thí nghiệm. Hiệu quả xử lý của tải trọng 1 đạt khá cao đối với các muối dinh dưỡng nitrogen và phosphor, ở cả đối chứng và thí nghiệm; hiệu quả xử lý TKN và N-NH4 đạt 70%, TP là 90% và PO4 3- là 60%. Kết quả xử lý nitrogen và phosphor ở lô thí nghiệm có trồng cây có giá trị trung bình lớn hơn lô đối chứng không trồng cây. Hiệu quả chuyển hóa cao này là nhờ vào đặc tính của dòng chảy đứng [9]. Các kết 943 quả xử lý này là có thể so sánh được với các tác giả nghiên cứu khác với hàm lượng chất ô nhiễm tương tự về nitrogen và phosphor và có giá trị cao hơn [15-16]. 3.2. Hiệu quả xử lý của mô hình dòng chảy thẳng đứng với tải trọng 1000mL/phút/m2 (T2) Kết quả xử lý TP (total phosphorus) và PO4 3- được thể hiện ở Hình 3 trong thí nghiệm 2. Hàm lượng TP và PO4 3- trước xử lý tương ứng là 2,38±0,06 và 1,41±0,09 mg/L. Sau xử lý, đã có sự suy giảm các hàm lượng này trong cả đối chứng và thí nghiệm. Hàm lượng TP và PO4 3- tương ứng ở lô đối chứng là 2,37±0,32 và 1,13±0,15 mg/L, và trong nghiệm thức trồng vetiver là 1,76±0,10 và 1,07±0,06 mg/L. Hiệu quả xử lý TP và PO4 3- tương ứng trong lô đối chứng là 12,93±12,5 và 19,65±12,68%; trong nghiệm thức trồng vetiver là 25,91±3,67 và 23,69±5,98%. So sánh nghiên cứu trước chỉ ra hiệu quả chuyển hóa sang nitrate là 60% đối với dòng chảy đứng [17]. Kết quả sự biến đổi các hàm lượng của TKN, NH4-N và (NO2-N+NO3-N) ở đầu vào và đầu ra của thí nghiệm với tải trọng T2 được trình bày ở Hình 3. Hình 3. Hàm lượng chất dinh dưỡng trước và sau xử lý trong thí nghiệm T2 Hàm lượng của TKN, NH4-N và (NO2-N+NO3-N) ở đầu vào trong thí nghiệm tải trọng T2 cho cả đối chứng, vetiver lần lượt là 33,4±6,2; và 0,08±0,05 mg/L. Tại đầu ra ở lô đối chứng các giá trị của TKN, NH4-N và (NO2-N+NO3-N) lần lượt là 19,3±6,2; 10,8±4,2 và 8,7±1,9 mg/L; trong đó NO3-N là 8,0±1,7 mg/L. Các giá trị tương tự lần lượt ở lô trồng vetiver là 18,9±5,4; 11,3±4,6 và 9,4±0,2 mg/L, trong đó NO3-N là 8,5±0,2 mg/L. Nghiên cứu cho thấy hiệu quả xử lý TKN và NH4-N của lô thí nghiệm trồng vetiver so với lô đối chứng. Cụ thể, hiệu quả xử lý trong nghiệm thức trồng vetiver là 44±8% và 34±3%. Trong khi đó, các giá trị tương ứng trong lô đối chứng là 43±8% và 37±5%. Như vậy, đã ghi nhận được sự biến động lớn trong hiệu quả xử lý TKN và NH4-N trong cả lô đối chứng và thí nghiệm. Việc xử lý nitrogen và phosphor trong hệ thống wetland là có phần đóng góp của sự hấp thu của cây trồng trong hệ thống [18]. Sự hiện diện của cây trồng đã làm gia tăng hiệu quả xử lý nitrogen và phosphor thông qua chủ yếu là nhờ màng sinh học được hình thành ở quanh bộ rễ. Theo Vyzamal (2010), đất ngập nước kiến tạo là hệ thống nhân tạo được thiết kế và sử dụng các quá trình tự nhiên dưới tác dụng của thực vật, đất và là tập hợp các yếu tố tác động qua lại của vi sinh vật tham gia vào việc xử lý nước thải [10]. Wang và cs. (2011) [19] cũng đã ghi nhận hoạt động phân hủy phosphor của vi sinh vật ở thí nghiệm có trồng cây luôn cao hơn đối chứng không trồng cây. Khi so sánh hiệu quả xử lý giữa các tải trọng thủy lực trong thí nghiệm thấy rằng, tải trọng T1 có hiệu quả cao. Hiệu quả xử lý giữa có cây và không cây cho thấy nghiệm thức có trồng cây xử lý TP tốt hơn. Đối với TKN, so sánh giữa các tải trọng với nhau cho thấy tải trọng T1 có hiệu quả xử lý tốt nhất (74%), đồng thời so sánh giữa đối chứng và trồng cây cho thấy hiệu quả xử lý trong lô thí nghiệm có trồng cây cao hơn. 944 Nhìn chung, trong cùng tải trọng, hiệu quả xử lý nitrogen của nghiệm thức trồng cây thường cao hơn đối chứng không trồng cây (P<0,05). Tuy nhiên, khi tải trọng gia tăng, hiệu quả xử lý đã suy giảm rõ rệt và kết quả cho thấy mức độ xử lý các chất gây ô nhiễm ở tải trọng 1 luôn cao hơn các tải trọng 2. 4. KẾT LUẬN Nghiên cứu đã khảo sát và đánh giá khả năng hấp thu các chất dinh dưỡng (N, P) trong nguồn nước mặt bị ô nhiễm. Với các mức tải trọng 500mL/phút/m2 (T1), 1000mL/phút/m2 (T2), kết quả chỉ ra rằng tải trọng T1 trong nghiên cứu đã cho kết quả xử lý cao nhất với ứng dụng cỏ vetiver đạt hiệu quả. Theo đó, hiệu quả xử lý của tải trọng T1 lần lượt TKN và N-NH4 đạt 70%, TP là 90% và PO4 3- là 60%. Quá trình xử lý nitrogen và phosphor là có sự đóng góp rõ rệt của thực vật thủy sinh trong hệ thống. Kết quả nghiên cứu cung cấp thêm cơ sở cho các nghiên cứu chuyên sâu ứng dụng hệ thực vật với mô hình đất ngập nước xử lý và bảo vệ môi trường trong tương lai. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dallas, S., Scheffe, B. Ho, G., 2004. Reedbeds for greywater treatment-case study in Santa Elena- Monteverde, Costa Rica, Central America. Ecol. Eng. 23: 55-61. [2] Vymazal J., 2009. The use of constructed wetlands with horizontal sub-surface flow for various types of wastewater. Ecological Engineering. 35: 1-17. [3] Katarzyna S., Magdalena H. G., 2017. The use of constructed wetlands for the treatment of industrial wastewater. Journal of Water and Land Development. 34: 233–240. [4] Dudai, N., Putievsky, E., Chaimovitch, D. & Ben-Hur, M., 2006. Growth management of vetiver (Vetiveria zizanioides) under Mediterranean conditions. Journal of Environmental Management. 81: 63 –71. [5] Truong, P.N., Foong, Y.K., Guthrie, M. and Hung, Y.T., 2010. Phytoremediation of heavy metal contaminated soils and water using vetiver grass. Environ. Bioengineering. 11: 233–275. [6] Datta R., Das P., Smith S., Punamiya P., Ramanthan D.M., Reddy R., Sarkar D., 2013. Phytoremediation potential of vetiver grass (Vetiveria zizanioides (L)) for tetracycline. Int J Phytoremediat. 15: 343–351. [7] Seroja, R., Effendi, H. & Hariyadi, S., 2018. Tofu wastewater treatment using vetiver grass (Vetiveria zizanioides) and zeliac. Appl Water Sci. 8: 2. [8] ElZein Z., A. Abdou, I. AbdEl G., 2016. Constructed Wetlands as a Sustainable Wastewater Treatment Method in Communities. Procedia Environmental Sciences. 34: 605-617. [9] Kadlec R.H., Wallace S. D., 2009. Treatment Wetlands. CRC Press/Lewis Pucblishers, Boca Raton, FL. [10] Vymazal J., 2010. Constructed Wetlands for Wastewater Treatment. Water. 2: 530-549. [11] Danh L.T., Truong P., Mammucari R., Tran T., Foster N., 2009. Vetiver grass, Vetiveria zizanioides: a choice plant for phytoremediation of heavy metals and organic waster. Int J Phytoremediat. 11: 664–691. [12] Indrayatie E.R., Utomo W.H., Handayanto E., Anderson C.W.N., 2013. The use of vetiver (Vetiveria zizanioides L.) for then remediation of wastewater discharged from tapioca factories. J Environ Waste Manag. 12(1):1–16. 945 [13] Effendi H., Delis P.C., Krisanti M., Hariyadi S., 2015. The performance of nile tilapia (Oreochromis niloticus) and vetiver grass (Vetiveria zizanioides) concurrently cultivated in aquaponic system. Adv Environ Biol. 9(24): 382–388. [14] Badejo, A.A., Omole, D.O. & Ndambuki., 2018. Municipal wastewater management using Vetiveria zizanioides planted in vertical flow constructed wetland. J.M. Appl Water Sci. 8: 110. [15] Brix, H., Arias, A.C., 2005. The use of vertical flow constructed welands for on-site treatment of domestic wastewater: New Danish guidelines. Ecological Engineering. 25: 491-500. [16] Zurita, F.D.A., 2009. Treatment of domestic wastwater and production of commercial flower. Ecological Engineering. 35(5): 861-869. [17] Prochaska, C.A., Zouboulis, A.I., Eskridge, K,M., 2007. Performance of pilot-scale vertical-flow constructed wetlands, as affected by season, substrate, hydraulic load and frequency of application of simulated urban sewage. Ecological Engineering. 31: 57-66. [18] He, Q., Mankin, K., 2002. Performance variation of COD and removal of nitrogen removal by vegetated submerged bed wetlands. Journal American Water Resource Association. 38: 1679-1689. [19] Wang, R., Baldy, V., Perissol, C., Korboulewsky, N., 2012. Influence of plants on microbial activity in a vertical dowflow wetland system treating waste activated sludge with high organic matter concentrations. Journal of environmental Management. 95: S158-S164.