Ứng dụng kỹ thuật sinh thái trong xử lý môi trường

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT SINH THÁI TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG 1. Nguyễn Duy Đạt 2. Đỗ Lâm Như Ý 3. Nguyễn Thụy Yến Thơ 4. Trương Minh Hồng 5. Souksakhone 6. Nguyễn Khắc Tường GVHD: TS. ĐẶNG VIẾT HÙNG SVTH: NHÓM 5 1 NỘI DUNG TRÌNH BÀY 2 1. ĐỊNH NGHĨA University of Maryland: Ecotechnology là một dạng của công nghệ sử dụng một hệ sinh thái sống như là một phần của phương pháp để giải quyết một vấn đề. Public Construction Commission- Taiwan (2002): Ecotechnology có nghĩa là một sự hiểu biết sâu sắc của các hệ sinh thái. Tất cả các kỹ thuật bền vững có thể giảm thiệt hại đến hệ sinh thái, và áp dụng các hệ sinh thái như là một cơ sở và an toàn như định hướng để thực hiện việc bảo tồn đa dạng sinh học và phát triển bền vững, được gọi là Ecotechnology. Ecotechnology được định nghĩa là việc sử dụng các phương tiện kỹ thuật để quản lý hệ sinh thái dựa trên một sự hiểu biết sâu sắc về các nguyên tắc sinh thái … (Uhlmann, năm 1983, Straskraba, 1986, 1993, 1996). 3 1. ĐỊNH NGHĨA Ứng dụng KTST trong xử lý môi trường là sử dụng các quy luật tự nhiên của hệ sinh thái để giải quyết các vấn đề môi trường. 4 Quần thể sinh vật (Động vật, thực vật, VSV …) Đất, nước, không khí Ánh sáng mặt trời Chất thải Sinh khối, đất, nước .. sau xử lý 2. NGUYÊN TẮC 5  Ngoài việc giảm tải truyền thống, cơ chế nội bộ hệ sinh thái có thể được sử dụng để giảm thiểu các tác động của ô nhiễm nước. Sự kiểm soát của các cơ chế nội bộ được thực hiện thông qua việc tối ưu hóa cấu trúc hệ sinh thái. Nguyên tắc này ecotechnology được dựa trên ý tưởng để giảm càng nhiều càng tốt, khoảng cách giữa tình trạng hiện tại cấu trúc (không tối ưu) và cấu trúc tối ưu bằng cách thao tác có chủ ý. (Benndorf J). 3. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN 6 XỬ LÝ KHÍ XỬ LÝ NƯỚC D›NG T֠O LḓC PHOTPHO, NIT╡ ĐẤT NGẬP NƯỚC D›NG THḷC V֫T Xḳ LΩ N▌ḡC VƯỜN MƯA CHỐNG XÓI MÒN TRḙNG TH֠M THḷC V֫T 4. TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG Lĩnh vực áp dụng Đĩnh nghĩa Bioremediation Myco- remediationPhyto-remediation Wetland , … 13 Location Application Pollutant Medium plant(s) Ogden, UT Phytoextraction & Rhizodegradation Petroleum & Hydrocarbons Soil & Groundwater Alfalfa, poplar, juniper, fescue Anderson, ST Phytostabilisation Heavy Metals Soil Hybrid poplar, grasses Ashtabula, OH Rhizofiltration Radionuclides Groundwater Sunflowers Upton, NY Phytoextraction Radionuclides Soil Indian mustard, cabbage Milan, TN Phytodegradation Expolsives waste Groundwater Duckweed, parrotfeather Amana, IA Riparian corridor, phytodegradation Nitrates Groundwater Hybrid poplar Phyto- remediation 14 Phyto- remediation Đất bị nhiễm Zn 15 www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167779912001084 Phyto- remediation 16 Phytoremediation Plant List • Aluminum – Hydrangea, Blue Tongue, Highland Bent Grass, Barley, Hairy Goldenrod, Horsebean • Arsenic – Common Bent Grass, Highland Bent Grass, Colonial Bentgrass, Ladder Brake Fern, Chinese Brake Fern, Pink Crown, Violet Crown-Cup, Violet Star Cup, Sunflower • Benzene – Spider Plant, Rubber Fig, Rubber Bush, Rubber Tree, Rubber Plant, Kalanchoe, Geranium • Chromium – Water Hyssop, Mosquito Fern, Duckweed Fern, Fairy Moss, Water Fern, Indian Mustard, Rapeseed, Tape Grass, Sunflower, Hydrilla, Alfalfa, Water Lettuce, Pennygrass • Copper – Smooth Water Hyssop, Thyme-Leafed Gratiola, Water Hyssop, Indian Mustard, Tape Grass, Water Hyacinth, Copper Flower, Sunflower, Creosote Bush, Duckweed, Water Lettuce, Alpine Pennycress • Mercury - Water Hyssop, Smooth water Hyssop, Thyme-leafed Gratiola, Rapeseed, Water Hyacinth, Hydrilla, Water Lettuce, Osier • Lead – Highland Bent Grass, Ragweed, Seapink Thrift, Pacific Mosquitofern, Kale, Mustard Greens, Collards, Broccoli, Cabbage, Water Hyssop, Indian Mustard, Rapeseed, Tape Grass, Water Hyacinth, Blue Sheep Fescue, Sunflower, Hydrilla, Duckweed, Osier, Kariba weeds or water ferns, Pennycress, common wheat, • Cadmium – Water Hyssop. Water Hyacinth, Alpine Pennycress, Mustards, mustard flowers, crucifers or cabbage family, indian mustard, tape grass, sunn or sunn hemp, sunflower, hydrilla, duckweed, water lettuce, osier, eel grass • Zinc – Water Hyacinth, Alpine Pennycress, Highland Bent Grass, Mustards, Broccoli, Kale, Cabbage, Indian Mustard, Rapeseed, Sunflower, Osier, Kariba Weeds, Bladder Campion, Giant Duckweed, Red Clover, • Cesium or Caesium – Water Hyacinth, red maple, sycamore maple, redroot amaranth, mustards, mustard flowers, cruciers or cabbage family, indian mustard, big checkweed, beet, quinoa, coconut palm, forest redgum, tall fescue, Sunflower, Larch, American Sweet Gum, Tulip Tree, Italian Ryegrass, Perennial Ryegrass, Switchgrass, Tepary Beans, Reed Canary Grass, Spruce, Johnson Grass, White Clover, Corn • Strontium-90 – Water Hyacinth, Red Maple, Mustards, Mustard Flowers, Cucifers or cabbage family, beet, Quinoa, russian thistle, forest redgum, sunflower, American Sweet Gum, Tulip Tree, Italian Ryegrass, Carrot or Parsley Family, Legume, Pea or Bean Family • Uranium – Water Hyacinth, Amaranth, Cabbage Family, Sunflower, Juniper, Black Spruce, Oak, Russian Thistle, Osier, Bladder Campion, Maize • Pesticides – Water Hyacinth • Methyl Bromide – Sunflower • Organic Pollutants, Pesticides, Explosives, Solvents, Industrial Chemicals and other xenobiotic substances, have been rendered non-toxic by Cannas. damaged-or-chemically-expired-land-with-phytoremediation-plant-list / Phyto- remediation Alfalfa Lục bình 17 Source: Introduction to Phytoremediation. EPA/600/R99/107 Contaminant and Area Phytoremediation Conventional Treatment Saving Application Estimated Cost Application Estimated Cost Lead in soil (1 acre) Extraction, harvest, and disposal $150,000 ᾲ $250,000 Excavate and landfill $500,000 50ᾲ65 percent Solvents in groundwater (2.5 acres) Degradation and hydraulic control $200,000 for installation and initial Pump and treat $700,000 annual operating cost 50 percent cost saving by third year Total petroleum hydrocarbons in soil Inᾲsitu degradation $50,000 ᾲ $100,000 Excavate and landfill or incinerate $500,000 80 percent Phyto- remediation 18 Wetland , … treatment/pond-based-treatment/introduction/ Myco- remediation 19 XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG WETLAND - Ứng dụng này ra đời vào đầu những năm 1970 từ một số thử nghiệm. - Hiện nay phương pháp xử lý nước thải bằng wetland được chấp nhận, bắt đầu phát triển, có một nền tảng vững chắc, và được áp dụng phổ biến. 20 Sơ đồ phân loại đất ngập nước nhân tạo ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO ĐNN NT chảy mặt ĐNN NT chảy ngầm ĐNNNT chảy mặt với cây thân lớn, mọc vượt trên nước ĐNNNT chảy mặt với cây thân lớn, mọc chìm trong nước ĐNNNT chảy mặt với cây thân lớn, nổi tự do trên mặt nước ĐNNNT chảy mặt với cây thân lớn, lá nổi, rễ đáy ĐNNNT chảy mặt với cây thân lớn, mọc tự do kiểu kết thảm ĐNNNT chảy ngầm theo phương ngang ĐNNNT chảy ngầm theo phương đứng ĐNNKT xử lý kiểu tổ hợp Kết hợp giữa ĐNNNT chảy mặt và chảy ngầm Kết hợp giữa ĐNNNT chảy ngầm theo phương ngang và đứng CONSTRUCTED WETLAND 21 CONSTRUCTED WETLAND ĐNN nhân tạo được mô phỏng theo ĐNN tự nhiên đã được thay đổi, điều chỉnh, cải tiến nhằm nâng cao giá trị và hiệu quả xử lí nước. – Khử CHC, SS, chất dinh dưỡng, VSV gây bệnh, KL nặng. – Ứng dụng xử lý bậc II bậc cao cho xử lý nước thải CN và SH Là giải pháp sinh thái thân thiện “eco-friendly” cho xử lý nước thải CN và SH 22 Hệ thống xử lý bằng lau sậy có dòng chảy theo phương ngang Hệ thống xử lý bằng lau sậy có dòng chảy theo phương đứng CONSTRUCTED WETLAND 23 Quá trình vật lí, hóa học : o Lắng đọng cặn: loại bỏ chất hạt và chất rắn lơ lửng. o Các quá trình hấp thụ và hấp phụ chất ô nhiễm lên bề mặt rễ. o Ôxi hóa, khử và kết tủa hóa học: hạn chế tác hại của các kim loại có tính độc. o Sự quang phân, ôxi hóa: phân hủy, OXH các hợp chất dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời. o Sự bay hơi: xảy ra khi có áp suất đủ lớn, hợp chất sẽ chuyển sang thể khí. CÁC CƠ CHẾ XỬ LÝ CHẤT Ô NHIỄM 24 Quá trình sinh học: o Phần TV tiếp xúc với không khí: Bóng cây làm suy giảm ánh sáng dẫn đến giảm sự sinh trưởng của TV phù du; tạo điều kiện vi khí hậu, cách nhiệt trong mùa đông; giảm tốc độ gió. o Phần TV tiếp xúc với nước: có hiệu quả lọc (lọc qua các mô xốp); giảm tốc độ dòng chảy, tăng tỷ lệ trầm tích; cung cấp diện tích bề mặt cho VSV bám dính; tạo O2 bởi quang hợp, tăng sự phân hủy hiếu khí; hấp thụ chất dinh dưỡng. o Rễ và đới rễ trong lớp trầm tích: Giúp ổn định bề mặt lắng đọng, giảm xói mòn; ngăn chặn sự tắc nghẽn lớp lọc trong HT dòng thẳng đứng; sinh O2 làm tăng sự phân hủy hiếu khí và sự nitrat hóa; hấp thụ chất dinh dưỡng. CÁC CƠ CHẾ XỬ LÝ CHẤT Ô NHIỄM 25 Quá trình sinh học: o Các CHC hòa tan được phân hủy bởi các VSV đáy và VSV bám dính trên TV. o Sự nitrat hóa và khử nitrat do tác động của VSV; o Dưới các điều kiện thích hợp, TV hấp thụ một khối lượng đáng kể các chất ô nhiễm; CÁC CƠ CHẾ XỬ LÝ CHẤT Ô NHIỄM 26 CÁC CƠ CHẾ XỬ LÝ CHẤT Ô NHIỄM 27 5. ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM 1.Quá trình tự nhiên, sản phẩm sau quá trình phân hủy sinh học ít độc hoặc vô hại. 2.Việc xử lý ô nhiễm không gây gián đoạn cho các hoạt động khác. (Thực hiện xử lý ngay tại vị trí ô nhiễm), tránh việc vận chuyển chất thải đi nơi khác có thể làm ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường). 3.Là một trong những biện pháp xử lý hiệu quả và giảm chi phí so với các phương pháp xử lý nguy hại thông thường. 4.Phương pháp này có thể phân hủy hoàn toàn một số chất độc hại và chuyển hóa chúng thành chất ít nguy hại hay vô hại, mở ra hướng xử lý thân thiện môi trường trong tương lai. 5.Không sử dụng hóa chất độc hại trong xử lý. Chất dinh dưỡng được bổ sung tạo điêu kiện cho hệ vi sinh vật có ích phát triển để tham gia xử lý chất độc. - 1.Phương pháp sử dụng vi sinh trong XL ô nhiễm chỉ thực hiện được với một số chất độc. 2.Một số sản phẩm trung gian của bioremediation có thể độc hơn cả chất cần XL ban đầu. 3.Các yếu tố của quá trình sinh học cần chuyên biệt tùy thuộc vào vi sinh vật . 4.Việc thử nghiệm trên mô hình phòng thí nghiệm và pilot thì dễ dàng hơn so với việc ứng dụng trên quy mô lớn. 5.Cần phát triển nghiên cứu cụ thể trên các nguồn ô nhiễm khác nhau như rắn, lỏng, khí. 6.Thời gian XL bằng phương pháp sinh học lâu hơn so với các phương pháp XL thông thường 7.Khái niệm “sạch” vẫn chưa được định nghĩa rõ ràng và luật về bảo vệ môi trường vẫn chưa quy định cụ thể và bắt buộc với việc xử lý bằng phương pháp sinh học, tự làm sạch. Bioremediation: Features, Strategies and applications, Shilpi Sharma, Asian Journal of Pharmacy and Life Science ISSN 2231 – 4423, Vol. 2 (2), April- June,2012 28 6. CÁC VÍ DỤ ĐIỂN HÌNH 29 XỬ LÝ, CẢI TẠO ĐẤT Ô NHIỄM o Từ 1941 đến 1991, khu vực xung quanh đã được sử dụng làm nơi tập trung nhiên liệu cho máy bay. Khu tập trung nhiên liệu bao gồm nhiều bể chứa ngầm, hậu quả làm lớp đất bề mặt và nước ngầm bị nhiễm hydrocarbon trong dầu. o Biện pháp xử lý bằng thực vật được lựa chọn. (Phytoremediation ) o Cả cây bạch dương và cây dương liễu đã được trồng để khắc phục ô nhiễm đất và nước ngầm. 30 XỬ LÝ NƯỚC THẢI Constructed wetlands: Mạng lưới rễ và thân rễ của cây sậy 31 XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP Hệ thống XLNT nhà máy chế biến tinh bột sắn ở Tây Ninh 32 XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP Hệ thống XLNT nhà máy chế biến tinh bột sắn ở Tây Ninh 33 XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP Hệ thống XLNT nhà máy chế biến tinh bột sắn ở Tây Ninh 34 XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP Hệ thống XLNT nhà máy bia ở Thái Lan (Khon Kaen Brewery): o Công suất sản xuất • Bia: 760 triệu lít/năm • Nước giải khát: 80 triệu lít/năm 35 XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP Hệ thống XLNT nhà máy bia ở Thái Lan (Khon Kaen Brewery): 36 XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP Hệ thống XLNT nhà máy bia ở Thái Lan (Khon Kaen Brewery): 37 XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT Hệ thống XLNT sinh hoạt ở Đức – 1,500 m3/d: 38 XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT Hệ thống XLNT sinh hoạt ở Mahshahr, Iran – 1,900 m3/d: o Nước thải từ khu nhà ở công nhân o Tổng diện tích: 9,000 m2 o Nhiệt độ: lên tới 45oC. o Tiền xử lí: • Song chắn rác • Bể lắng o Xử lí bậc 2: • 8 bãi lọc ngầm 39 XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT Hệ thống XLNT sinh hoạt ở Mahshahr, Iran – 1,900 m3/d: o Nước sau xử lí: • COD < 30mg/l • BOD5 < 18 mg/l • NH4-N < 5 mg/l • TSS < 3 mg/l 40 XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT Hệ thống XLNT sinh hoạt ở Đức – 240 m3/d: 41 XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT Hệ thống XLNT sinh hoạt ở Đức – 240 m3/d: 42 XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT Hệ thống XLNT sinh hoạt ở Trung Quốc – 2,900 m3/d: Thông số Đầu vào Đầu ra COD 191,0 mg/l 12 mg/l NH3-N 39,2 mg/l 1,07 mg/l Tổng P 4,61 mg/l 0,37 mg/l BOD5 69,63 mg/l 11,00 mg/l 43 XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT Hệ thống XLNT sinh hoạt ở Trung Quốc – 150 m3/d: o Tổng diện tích: 1,600 m² o Tiền xử lý: lắng. o Xử lý bậc 2: 3 bãi lọc. o Xử lý bùn: 1 bãi lọc. Đơn vị (mg/l) COD BOD5 SS NH3-N TN TP Đầu vào 422 261 127 5.6 6.2 0.6 Đầu ra 9 1.8 6 0.22 1.4 0.1 44 GREEN ROOFS o Là một hệ thống thảm thực vật trồng trên mái nhà, cao ốc với hệ thống chống thấm. o Bao gồm nhiều lớp, hệ thống tưới và thoát nước. Lợi ích: o Là hệ thống điều hòa nhiệt độ trong nhà hoàn toàn dựa vào thiên nhiên  tiết kiệm năng lượng. oXử lý được nước thải sinh hoạt. oGiảm thiểu tác động của tiếng ồn xung quanh. 45 GREEN ROOFS Cấu trúc của Green Roof: 46 GREEN ROOFS Cấu trúc của Green Roof: 47 GREEN ROOFS Trồng thảm cỏ 48 GREEN ROOFS Đưa thảm cỏ trải trên mái nhà 49 GREEN ROOFS Mái nhà sau khi phủ lớp cỏ Sau 1 năm 50 GREEN ROOFS …hệ thống rễ phát triển. 51 Chân thành cảm ơn thầy và các bạn!