Nghiên cứu quản lý ô nhiễm trong hệ thống thuỷ lợi vùng ven đô thị ảnh hưởng triều - ví dụ cho vùng ven sông Sài Gòn TP. HCM

Nghiên cứu quản lý ô nhiễm trong hệ thống thuỷ lợi vùng ven đô thị ảnh hưởng triều - ví dụ cho vùng ven sông Sài Gòn TP. HCM

VÝ dô cho vïng ven s«ng Sμi Gßn TP.HCM

Viện Khoa Học Thủy Lợi Việt Nam

Viện Qui Hoạch Thủy Lợi Miền Nam

Luận án sẽ được bảo vệ tại Hội đồng chấm luận án cấp nhà nước họp tại:

Viện Khoa Học Thủy Lợi Miền Nam

28 Hàm Tử, Phường 1, Quận 5 - TP HCM

Vào hồi ….giờ …., ngày … tháng ……, năm ………

Có thể tìm hiểu luận án tại:

Thư Viện Quốc Gia

Thư Viện Viện Khoa Học Thủy Lợi Miền Nam

Chương mở đầu

Tình trạng ô nhiễm hiện tại của các tuyến kênh rạch vùng ven đô đặt

ra yêu cầu bức xúc về nghiên cứu quản lý ô nhiễm phù hợp, có cơ sở khoa học, vận hành hợp lý, có hiệu quả hệ thống bị ảnh hưởng triều

và bị tác động của nhiều nguồn ô nhiễm

• Nghiên cứu ứng dụng mô hình toán thủy văn - thủy lực - chất lượng nước để xác định qui trình vận hành hợp lý công trình thủy lợi vùng ven đô thị có ảnh hưởng của thủy triều nhằm hạn chế và kiểm soát ô nhiễm nước trong hệ thống thủy lợi

• Nghiên cứu sản xuất và ứng dụng chế phẩm sinh học trong xử lý

kỵ khí để xử lý nước thải giàu chất hữu cơ sinh học do các hoạt

động phát triển kinh tế xã hội ở vùng ven đô thị ảnh hưởng thủy triều

Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ thống sông kênh, hệ thống

thủy lợi vùng ven đô thị ảnh hưởng thủy triều, có nhiều nguồn ô nhiễm tác động, đặc biệt là ô nhiễm hữu cơ với nồng độ BOD và COD cao

Phạm vi nghiên cứu là các vùng nông nghiệp đa dạng ven đô thị (i)

bị ảnh hưởng ô nhiễm do tập trung dân cư cao hơn các vùng nông thôn bình thường và là nơi tiếp nhận các nhà máy, xí nghiệp ô nhiễm

di dời từ nội thành (ii) Là vùng được đầu tư nhiều về hệ thống thủy lợi lại ở vùng bị ảnh hưởng triều (iii) Đất có vấn đề: chua phèn, nhiễm mặn, tính chấtcơ lýyếu, (iiii) Nước có hàm lượng hữu cơ cao Cụ

thể là hệ thống thủy lợi ven sông Sài Gòn, Thành Phố Hồ Chí Minh

0.4 bố cục vμ nội dung nghiên cứu

Ngoài các phần mở đầu, kết luận và kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo, tài liệu tham khảo, các công trình đã được công bố của tác giả

và phụ lục, luận án gồm 4 chương nội dung chính sau:

Chương I: Tổng quan đặc điểm vùng ven đô thị có nhiều nguồn ô nhiễm tác động và các nghiên cứu liên quan

Chương II: Nghiên cứu diễn biến ô nhiễm hữu cơ trong hệ thống thủy lợi và tác động của các công trình trong quản lý ô nhiễm

Chương III: Nghiên cứu vận hành hợp lý hệ thống thủy lợi vùng ven

đô thị ảnh hưởng triều (theo hướng có lợi nhất cho việc ngăn ngừa và giảm thiểu ô nhiễm)

Chương IV: Nghiên cứu xử lý ô nhiễm hữu cơ trong hệ thống bằng phương pháp sinh học kỵ khí có bổ sung chế phẩm sinh học

0.5.1 GIá TRị KHOA HọC

Với việc xây dựng cách tiếp cận thủy văn động lực - sinh thái - kỹ thuật môi trường, luận án đã mở ra hướng mới trong việc nghiên

cứu quản lý ô nhiễm đối với các hệ thống thủy lợi vùng ven đô thị

Việc tìm ra được hệ số pha loãng ô nhiễm, hệ số tái tạo oxy trên

hệ thống thủy lợi bằng Mô hình chất lượng nước MIKE 11- Ecolab góp phần bổ sung thêm cơ sở lý thuyết trong mô hình chất lượng nước ở vùng ảnh hưởng triều ở Việt Nam, đóng góp vào việc quản lý vận hành giảm thiểu ô nhiễm

Qui trình vận hành hệ thống thủy lợi vùng ven đô thị ảnh hưởng triều với nhiều nguồn ô nhiễm tác động là cơ sở khoa học giúp

các nhà quản lý thủy nông vận hành hiệu quả, phục vụ đa mục tiêu

Minh chứng rằng với biện pháp đơn độc lợi dụng triều và hệ thống sông kênh hoàn thiện đã được đầu tư thủy lợi cao để vận

hành công trình nhằm pha loãng, rửa trôi và đẩy ô nhiễm đơn thuần không đủ để giảm thiểu ô nhiễm nước sông kênh đạt tới mức yêu cầu mà còn làm lan truyền ô nhiễm nếu không xử lý nguồn thải Điều này có ý nghĩa khoa học rất lớn trong lý thuyết quản lý tổng hợp nguồn nước và phát triển bền vững

Việc sản xuất ra chế phẩm H&L rẻ tiền phù hợp với điều kiện Việt Nam, có hiệu quả cao trong việc rút ngắn thời gian bắt đầu, thúc đẩy quá trình xử lý, giảm nồng độ ô nhiễm hữu cơ khi bổ sung vào mô hình UASB, thực sự là biện pháp xử lý nước thải vừa sức với nông dân, với các hộ gia đình, trang trại và cơ sở sản xuất

Điều này góp phần bổ sung thêm cơ sở lý thuyết trong lĩnh vực

xử lý nước thải và công nghệ sinh học trong môi trường kỵ khí 0.5.2 GIá TRị THựC TIễN

Kết quả nghiên cứu với qui trình vận hành hệ thống thủy lợi có thể áp dụng cho các vùng tương tự khác

Phương pháp xử lý kỵ khí có bổ sung chế phẩm sinh học H&L có

thể áp dụng cho tất cả các loại nước thải giàu chất hữu cơ sinh học

Xử lý nước thải giàu chất hữu cơ đã góp phần cải thiện môi trường làng xã, đô thị ven đô, bảo vệ môi trường và tạo cảnh quan làng xóm, đô thị

Kết hợp sử dụng nước thải sau xử lý để nuôi cá hoặc tưới cho cây trồng đã tận dụng được nguồn nước, nguồn dinh dưỡng và giảm tối thiểu chất ô nhiễm thải ra nguồn tiếp nhận, tạo thành chu trình khép kín bền vững

Ngoài ra, kết quả nghiên cứu còn là cơ sở khoa học minh chứng rằng xử lý nước thải là giải pháp cần thiết để đảm bảo chất lượng nước cho hệ thống thủy lợi và phát triển bền vững lưu vực sông

Chương i Tổng quan đặc điểm vùng ven đô thị có nhiều nguồn ô nhiễm tác động vμ các NC liên quan

MÔI TRƯờNG

Một trong những điểm nóng của sự phát triển đô thị hóa là khu vực

ven đô thị, nơi đang chịu những áp lực nặng nề giữa hai xu hướng

phát triển và bảo tồn, giữa lợi ích phát triển kinh tế và nhu cầu bảo vệ môi trường, bảo vệ các giá trị văn hóa và bảo đảm phát triển bền vững

cho cả thành phố [16] Tình hình vệ sinh môi trường của TP đang đến

hồi “bi kịch” Nguy cơ môi trường ngày càng xấu đi là hoàn toàn có

thật…[23]

lợi VùNG VEN ĐÔ thị ảnh hưởng triều

Về khía cạnh môi trường và chất lượng nguồn nước, hệ thống thủy lợi vùng ven đô thị ảnh hưởng triều luôn chịu tác động của nhiều nguồn

nước khác nhau: nguồn nước tự nhiên, nguồn nước mặn từ biển và

thủy triều, nguồn nước nhiễm phèn, nguồn nước lũ, nguồn nước thải công nghiệp, nguồn nước chảy tràn mặt đất và nguồn nước thải sinh hoạt Nguồn nước có khả năng tự làm sạch, tuy nhiên khi lượng nước

thải đưa vào nước quá nhiều, vượt quá khả năng giới hạn của quá trình tự làm sạch thì kết quả là nước bị ô nhiễm

1.3.4 CHế PHẩM SINH HọC

1.4 kết luận chương I

Một số kết luận cơ bản:

Nguồn ô nhiễm chính trên sông, kênh rạch là nguồn ô nhiễm hữu

cơ Đây cũng chính là nguồn ô nhiễm khó kiểm soát nhất và chiếm tới 90% tổng lượng nước thải hàng ngày trong đô thị, ở vùng ven đô thì tỉ lệ này cao hơn

Đã có nhiều nghiên cứu để giải quyết từng nguồn như chua phèn,

lũ, mặn, nước thải công nghiệp, Tuy nhiên, đối với các hệ thống thủy lợi vùng ven đô thị thì các vấn đề sau vẫn còn tồn tại:

ƒ Vấn đề quản lý ô nhiễm trong các hệ thống thủy lợi chưa

được quan tâm nghiên cứu, nhất là đối với vùng ven đô thị

ảnh hưởng triều

ƒ Chưa có nghiên cứu nào kết hợp biện pháp công trình thủy lợi

với xử lý môi trường để quản lý chất lượng nước tưới một cách hợp lý và hiệu quả

ƒ Cũng chưa có nghiên cứu nào đi sâu về sử dụng năng lượng

triều thể pha loãng, thau rửa ô nhiễm cho hệ thống thủy lợi ven đô bị ô nhiễm nặng

ƒ Hầu hết các hệ thống thủy lợi chưa có qui trình vận hành hợp

lý và hiệu quả, nhất là đối với các hệ thống bị ô nhiễm nặng

ƒ Chưa có nghiên cứu nào áp dụng mô hình toán đã được

thương mại hóa có độ chính xác và độ tin cậy cao để mô phỏng, đánh giá và quản lý ô nhiễm chi tiết trên các kênh rạch của hệ thống thủy lợi

Đối với vấn đề chất lượng nước và quản lý ô nhiễm, mô hình chất

lượng nước MIKE 11 có nhiều ưu điểm và đáp ứng mục tiêu nghiên cứu hơn các mô hình khác

Với thành phần, tính chất của nước thải giàu chất hữu cơ sinh học

thì phương pháp sinh học kỵ khí là thích hợp và có hiệu quả nhất trong việc xử lý Mô hình UASB là mô hình xử lý kỵ khí có nhiều

ưu điểm, tuy nhiên quá trình xử lý diễn ra còn chậm và thời gian khởi động còn dài Có nhiều nghiên cứu nhằm cải thiện nhược

điểm này, tuy nhiên chưa có nghiên cứu nào đề cập tới vấn đề nghiên cứu bổ sung chế phẩm sinh học hỗ trợ cho quá trình xử lý nhằm nâng cao hiệu quả và rút ngắn thời gian khởi động

Chương ii nghiên cứu DIễN BIếN Ô NHIễM HữU CƠ TRONG Hệ ThốNG ThủY LợI Vμ TáC Động của các công trình

trong quản lý ô nhiễm

Khu vực nghiên cứu có diện tích khoảng 3.560 ha là một dải đất thấp nằm ở ven sông Sài Gòn, thuộc địa phận Thành Phố Hồ Chí Minh, giới hạn từ Nam Rạch Tra đến phía bắc sông Vàm Thuật Chế độ thủy văn và điều kiện môi trường của vùng nghiên cứu khá phức tạp, mạng lưới công trình thủy lợi không đầy đủ cộng với một số kênh cụt và không có công trình kiểm soát, ảnh hưởng lớn tới môi trường và đời sống của người dân Hơn nữa, phía Tây Nam vùng nghiên cứu bị ô nhiễm nặng vì nước thải từ thành phố thải vào các kênh Tham Lương – Bến Cát – Vàm Thuật Mức độ ô nhiễm ở các kênh này thuộc vào loại nặng nhất thành phố Hồ Chí Minh

Chất lượng nước thay đổi trong sông, kênh do các quá trình lý, hóa,

sinh và quá trình biến đổi vật lý [163] Sự vận chuyển vật lý bao gồm

quá trình tải – khuếch tán Mô hình MIKE 11- HD, MIKE - WQ và

MIKE - ECOLAB được xây dựng dựa trên cơ sở khoa học của các

2.4.1 Diễn biến oxy hòa tan trên hệ thống

2.4.2 Diễn biến COD và BOD5 trên hệ thống

Sa ứi G oứn 2

R. Tr uứm ch R.B a T hoõ n

R. Tử

Tr an

g R.ẹa

C. Trử ụứn g ẹa i S.Va ứm

Th uaọ

t

Sa ứi G oứn 3

SG1 Caàu Raùch Tra Caàu Baứ Hoàng Caàu Oõng ẹuùng Roừng Goứn Raùch Saõu Ba Thoõn

3 Cửỷa Vaứm Thuaọt Caàu An Loọc Caàu Trửụứng ẹai

kênh của vùng nghiên cứu

Hỡnh 2-16: Sự biến động của chất hữu cơ theo mùa trong vùng nghiên cứu

Chất lượng nước ở một số kênh rạch nửa phía Bắc của vùng nghiên

cứu có DO, BOD5 và COD trong giới hạn B, còn hầu hết tất cả các

kênh rạch của nửa phía Nam có DO, BOD5 và COD vượt nhiều đến

rất nhiều lần giới hạn cho phép và không đạt tiêu chuẩn để cấp nước

thủy lợi ngay cả trong mùa mưa (hình 2-14 & 2-16)

2.4.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của thủy triều đối với

các quá trình chất lượng nước

Chất lượng nước chủ yếu phụ thuộc vào quá trình pha loãng nhờ thuỷ

triều (hình 2-20, & 2-23) Hay nói cách khác quá trình pha loãng

đóng vai trò quan trọng trong vùng ảnh hưởng của thủy triều Kết quả tính toán cho thấy hệ số pha loãng ở vùng ảnh hưởng triều mạnh dao

40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 140.0 [mg/l]

-0.5 0.0 0.5 1.0 [meter]

Time Series (KQAD03-L4-C+P.RES11) Concentration

VAMTHUAT 0.00 BOD Water Level VAMTHUAT 0.00

Hỡnh 2-20: Kết quả tính toán BOD 5 của

mô hình MIKE 11 AD và mô hình MIKE

11 ECO Lab tại cầu An Lộc - sông VT

Hình 2-23: Biến động của ô nhiễm hữu cơ (BOD 5 ) theo thủy triều trên sông Vàm Thuật

2.4.4 Nghiên cứu tác động của hệ thống thủy lợi

đối với ô nhiễm hữu cơ

2.4.4.1 Các trường hợp xem xét đánh giá tác động

Thời gian tính toán được chọn vào tháng 5 năm 2003, là tháng kiệt nhất trong năm Tính toán quản lý vận hành các công trình trong điều

kiện hiện trạng (HT) và khi hệ thống thủy lợi đã hoàn thiện, tức là đã

có các công trình kiểm soát lũ và ngăn ô nhiễm (CT)

2.4.4.2 Kết quả tính toán đánh giá

2.4.4.2.1 Hệ thống thủy lợi chưa hoàn thiện (hiện trạng)

Nồng độ BOD5 trên hầu hết các kênh rạch trong vùng nghiên cứu đều lớn hơn tiêu chuẩn cho phép, nhất là các kênh rạch nối thông với sông Vàm Thuật lớn hơn tiêu chuẩn cho phép hàng chục lần Các kênh rạch ở phía Nam như: rạch Tư Trang, rạch Sâu, Ba Thôn – Tám Du

có nồng độ BOD5 rất cao do tiếp nhận ô nhiễm từ sông Vàm Thuật Khu vực nội vùng phía Bắc, mặc dù không bị ảnh hưởng nhiều của nước thải như vùng phía Nam nhưng ở một số vị trí (rạch Rõng Gòn, rạch Nhum ) do tiếp nhận nước thải chăn nuôi từ khu vực xã Nhị Bình và Thạnh Xuân nên cũng có hàm lượng BOD cao (hình 2-26)

Hỡnh 2-26: Nồng độ BOD 5 trong hệ thống – Phương án hiện trạng

2.4.4.2.2 Hệ thống thủy lợi đ∙ hoàn thiện (CT)

Các cống đã phát huy tác dụng ngăn không cho ô nhiễm từ phía sông Vàm Thuật lan vào vùng nghiên cứu, hàm lượng BOD5 ở phía ngoài sông Vàm thuật (phía trước cống) cao hơn hẳn so với hàm lượng BOD5 ở sau cống (phía trong vùng nghiên cứu) (hình 2-31)

Nồng độ BOD5 trên các kênh rạch trong vùng nghiên cứu giảm nhanh sau khi công trình đi vào hoạt động Phần lớn các kênh rạch trong vùng nghiên cứu có nồng độ BOD5 < 50 mg/l Tuy nhiên, vẫn còn tồn tại 3 vấn đề cần phải giải quyết: (1) Nước thải trong nội vùng vẫn chưa được giải quyết do ô nhiễm từ các hoạt động phát triển chăn nuôi, nước thải sinh hoạt, nước thải của các cơ sở sản xuất, Các công trình chỉ mới ngăn được ô nhiễm phía ngoài tràn vào; (2) Nồng

độ ô nhiễm trên các kênh cụt (rạch Mốp, Đất Sét, An Phú Đông )

vẫn rất cao do không được lưu thông; (3) Ô nhiễm tăng cao ở phía bên ngoài vùng nghiên cứu tức là ở sông Vàm Thuật và Sông Sài Gòn

60 BOD - Mo hinh hien trang [mg/l]BOD - Mo hinh co cong trinh [mg/l]

Hỡnh 2- 34: Nồng độ BOD 5 tại ngã ba sông Vàm Thuật – Sài Gòn phương án hiện trạng và phương án có công trình ngăn ô nhiễm

Chương iII nghiên cứu vận hμnh HợP Lý hệ thống thủy lợi

vùng ven đô thị ảnh hưởng triều

Với hiện trạng nước trên các kênh rạch đã bị ô nhiễm và nước thải từ sông Vàm Thuật vẫn ngày đêm rình rập để xâm nhập vào vùng nghiên cứu Vận hành công trình sao cho hợp lý nhằm giảm thiểu tối

đa ô nhiễm trong hệ thống, vừa thau rửa được ô nhiễm trên các kênh

rạch, vừa ngăn chặn được ô nhiễm từ sông Vàm Thuật tràn vào là vấn

đề đặt ra cần phải giải quyết

3.1 Tính toán các phương án quản lý vận hμnh

3.1.1 Các phương án quản lý vận hành

3.1.2 Kết quả tính toán các phương án qlvh

3.1.2.1 Phương án QLVH1: nước thải trong vùng nghiên cứu đã

xử lý, kênh cụt nối thông, cống lấy nước mở 2 chiều, Q XDT = 0 m 3 /s

Việc kết hợp các biện pháp nối thông các kênh cụt, xử lý nước thải trong vùng nghiên cứu và vận hành các công trình đã có tác dụng

đáng kể trong việc giảm thiểu ô nhiễm trong vùng nghiên cứu (hình

3-1) Tuy nhiên, tại một số kênh phía Nam vùng nghiên cứu (giáp với

sông Vàm Thuật) ô nhiễm còn cao, nồng độ ô nhiễm ở sông Sài Gòn

tăng lên sau một thời gian vận hành công trình (hình 3-6), và ô nhiễm

ở sông SG tăng khi triều lên tại một số vị trí lấy nước tưới

Hình 3-6: Nồng độ BOD 5 dọc sông Sài Gòn từ ngã 3 Vàm Thuật đến rạch Ông Đụng

3.1.2.2 Phương án QLVH2: nước thải trong vùng nghiên cứu đã

xử lý, kênh cụt nối thông, cống lấy nước mở 2 chiều,

Q XDT = 50 m 3 /s

Lượng nước hồ Dầu Tiếng xả xuống sông Sài Gòn đã có tác dụng

đáng kể làm giảm ô nhiễm trên sông Nồng độ BOD5 trên sông Sài Gòn giảm so với khi hồ Dầu Tiếng không xả khoảng 10 - 20 mg/l Tuy nhiên, chỉ có tác dụng làm giảm ô nhiễm ở những kênh rạch có mức độ trao đổi nước lớn với sông Sài Gòn khi triều lên (đỉnh triều) Nồng độ ô nhiễm trên sông Sài Gòn vẫn có xu hướng tăng lên theo

thời gian (hình 3-11) Vì vậy, cần có giải pháp lấy nước sông Sài Gòn

với cao độ thuỷ triều thích hợp (tương ứng với nồng độ ô nhiễm thích hợp), và có giải pháp tạo dòng chảy 1 chiều trong vùng nghiên cứu nhằm tiêu thoát ô nhiễm

Time Series (KQWQ_CT_KENH_TC_DO5_MAY2JUN03.res11) CAUKINH 1250.00 BOD

Water Level CAUKINH 1250.00

Hình 3-1 2: Tương quan giữa nồng độ ô nhiễm trên các kênh rạch và thuỷ triều

3.1.2.3 Phương án QLVH3: nước thải trong vùng nghiên cứu đã

xử lý, kênh cụt nối thông, cống lấy nước mở 1 chiều,

Q XDT = 0 m 3 /s

Nồng độ ô nhiễm trên các kênh rạch trong vùng nghiên cứu giảm nhiều hơn so với phương án cống ven sông Sài Gòn chảy 2 chiều Nồng độ BOD5 trên hầu hết các kênh rạch đạt tiêu chuẩn nước bảo vệ

đời sống thuỷ sinh BOD5<10 mg/l Ô nhiễm trên các kênh giáp với sông Vàm Thuật đã được đẩy ra phía sông, nồng độ BOD5 giảm còn thấp hơn 25 mg/l, đạt tiêu chuẩn loại B Tuy nhiên, nồng độ BOD5trên sông Sài Gòn tăng lên so với kịch bản cống ven sông Sài Gòn chảy 2 chiều, làm cho nồng độ ô nhiễm tại đầu các kênh rạch nối thông với sông Sài Gòn cũng tăng lên Sau một thời gian, mức khống chế lấy nước từ sông Sài Gòn vào vùng nghiên cứu là 0,50 m không còn tác dụng lấy “nước sạch” nữa

3.1.2.4 Phương án QLVH4: nước thải trong vùng nghiên cứu đã

xử lý, kênh cụt nối thông, cống lấy nước chảy 1 chiều,

Q XDT =50 m 3 /s

Nồng độ ô nhiễm trên các kênh rạch trong vùng nghiên cứu giảm nhiều nhất so với tất cả các kịch bản trước Nồng độ BOD5 trên hầu hết các kênh rạch đạt tiêu chuẩn nước bảo vệ đời sống thuỷ sinh BOD<10 mg/l Dòng chảy trong các kênh rạch có xu thế lấy nước từ