tóm tắt luận án tiến sĩ đề xuất giải pháp giảm thiểu sự hình thành sunfua, khả năng phát thải khí H2S từ HTTN thải trong điều kiện cụ thể ở Việt Nam

Hiện nay, có nhiều mô hình dự báo sự hình thành sunfua, tuy nhiên việc áp dụng còn bị hạn chế do ảnh hưởng của các khí hậu, đặc trưng của HTTN, tính chất nước thải [61, 66].. Ý nghĩa kho

1

MỞ ĐẦU

1 Sự cần thiết nghiên cứu của đề tài luận án

Hệ thống thoát nước (HTTN) thải Thành phố Hà Nội (TPHN) có 4 con sông là: Tô Lịch, Lừ, Sét và sông Kim Ngưu, đóng vai trò như là hệ thống kênh cấp I của HTTN Tổng lượng nước thải TPHN năm 2009 ước tính là 750.000 m3/ngày đêm, trong đó có khoảng 10% được xử lý [147] Các dòng sông này bị ô nhiễm nặng, ảnh hưởng tới vệ sinh môi trường, cảnh quan đô thị và sức khoẻ [5, 7, 15, 16, 101, 102, 147] Nước sông Tô Lịch trước đây thường được tái sử dụng trong nông nghiệp, tuy nhiên trong thời gian gần đây, nước sông đã bị ô nhiễm và không đáp ứng được chất lượng nước tưới [81, 104, 105, 106]

Sự hình thành sunfua trong đất ngập nước liên quan chặt chẽ đến quá trình phân giải chất hữu cơ (CHC) do hoạt động của vi sinh vật (VSV)

Sự hình thành sunfua trong nước thải phụ thuộc vào đặc trưng khí hậu, tính chất vật lý của HTTN và tính chất hóa học của nước thải Các yếu

tố ảnh hưởng chính là: Sunfat, Eh, pH, nhiệt độ và BOD5 [70, 142, 153] Hiện nay, có nhiều mô hình dự báo sự hình thành sunfua, tuy nhiên việc

áp dụng còn bị hạn chế do ảnh hưởng của các khí hậu, đặc trưng của HTTN, tính chất nước thải [61, 66] Việc áp dụng trong điều kiện ở Việt Nam cần phải có sự kiểm chứng và xây dựng các hệ số phù hợp với đặc điểm của HTTN, hoặc cần phải xây dựng mô hình dự báo riêng [102]

Ở Việt Nam, đã có một số nghiên cứu về HTTN và các sông ở TPHN Tuy nhiên, những nghiên cứu đó chưa đề cập, chú ý đến nguồn xả thải,

cơ chế hình thành và khả năng phát thải một số khí độc Các nghiên cứu

về khí H2S còn thiếu định lượng chi tiết, với xu hướng thiên về định tính

và kiểm kê Lý giải về cơ chế hình thành sunfua và phát thải khí H2S trên đất ngập nước chưa rõ ràng và chủ yếu dựa vào các nghiên cứu nước ngoài Các nghiên cứu trong nước cũng chưa đề cập đến các hoạt động kiểm chứng mô hình, thực nghiệm đo đạc phát thải khí H2S, mô

2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Luận án đã xác định được một số đặc trưng như thời gian tồn lưu của sunfua trong nước thải, thời gian tồn lưu của khí H2S trong không khí,

độ cao ảnh hưởng của khí H2S, đồng thời góp phần làm rõ cơ sở khoa học của các yếu tố ảnh hưởng đến cơ chế hình thành sunfua, phát thải, lan truyền và khuếch tán của khí H2S trong điều kiện thực tế ở TPHN

Đề tài luận án đã đóng góp cơ sở khoa học trong việc xác định các yếu

tố chi phối chính đến sự hình thành sunfua trong HTTN thải của TPHN Trong đó, việc xác định được quá trình hình thành sunfua chủ yếu xẩy

ra ở tầng nước mặt, và ngưỡng Eh thích hợp nhất cho quá trình hình thành sunfua và sinh khí H2S với số lượng lớn trên sông Tô Lịch là cơ

sở khoa học cho việc áp dụng vào thực tiễn biện pháp kiểm soát giá trị

Eh của nước thải để giảm thiểu ô nhiễm H2S trên HTTN thải

Việc áp dụng và hiệu chỉnh mô hình METI-LIS cũng là cơ sở khoa học

để có thể áp dụng rộng rãi mô hình này vào thực tiễn trong việc dự báo khả năng lan truyền chất ô nhiễm không chỉ đối với nguồn điểm mà còn bao gồm cả nguồn đường, mặt với đặc trưng là nguồn lạnh, có độ cao phát tán thấp, gần mặt đất cũng như nguồn có độ cao thấp hơn mặt đất

Đề tài luận án đã cải tiến và thiết kế thiết bị lấy mẫu quan trắc để xác định tỷ lệ phát thải khí H2S từ mặt nước Thiết bị lấy mẫu này còn có khả năng áp dụng đối các khí khác như CH4, NO2, , là cơ sở giúp cho hoạt động thực nghiệm đo đạc phát thải các loại khí từ đất, đất ngập

3

nước với xu hướng tăng tính định lượng của các nghiên cứu, cũng như khả năng kiểm chứng các mô hình liên quan đến phát thải, lan truyền, khuếch tán các khí từ đất và đất ngập nước vào không khí ở Việt Nam

3 Mục tiêu nghiên cứu

 Đánh giá xu thế diễn biến chất lượng nước trên sông Tô Lịch qua việc áp dụng chỉ số khoanh vùng ô nhiễm nước mặt (WQI)

 Xác định các yếu tố chính ảnh hưởng đến sự hình thành sunfua trong nước thải trên sông Tô Lịch

 Xây dựng mô hình dự báo tỷ lệ hình thành sunfua trong nước thải trên sông Tô Lịch

 Hiệu chỉnh mô hình lan truyền, khuếch tán ô nhiễm dựa trên mô hình

cơ sở Gauss đối với nguồn đường, với đặc trưng là nguồn lạnh có độ cao phát thải thấp để dự báo sự lan truyền, khuếch tán H2S từ nước sông Tô Lịch vào môi trường không khí

 Đề xuất biện pháp khắc phục và giảm thiểu tác động môi trường do phát thải khí H2S từ nước thải trên HTTN thải TPHN

4 Những đóng góp mới của luận án

 Là nghiên cứu đầu tiên đã xác định được một số đặc trưng của tỷ lệ phát thải khí H2S từ nước sông, thời gian tồn lưu của khí H2S trong môi trường nước, thời gian tồn lưu của khí H2S trong không khí và

độ cao ảnh hưởng của khí H2S trong điều kiện khí hậu ở Việt Nam

 Đề tài luận án đã thiết kế, cải tiến thiết bị lấy mẫu quan trắc phát thải khí H2S từ mặt nước phù hợp với điều kiện Việt Nam, qua đó hoàn thiện khả năng áp dụng phương pháp lấy mẫu quan trắc phát thải khí

H2S từ mặt nước, đồng thời mở ra cơ hội áp dụng cho việc quan trắc phát thải của các chất khí khác từ môi trường đất và đất ngập nước

 Đề tài luận án cũng là nghiên cứu đầu tiên đã hiệu chỉnh và áp dụng

mô hình METI-LIS đối với nguồn phát thải dạng đường có đặc trưng

là nguồn lạnh, với độ cao phát thải thấp ở Việt Nam

4

 Bên cạnh đó, đề tài luận án còn là nghiên cứu đầu tiên xây dựng được mô hình dự báo tỷ lệ hình thành sunfua trong nước thải phù hợp với điều kiện thực tiễn ở Việt Nam Góp phần nâng cao độ chính xác, tính thời sự của công tác dự báo chất lượng nước và quản lý chất lượng nước trên HTTN thải của TPHN

 Ngoài ra, đề tài luận án cũng đã làm sáng tỏ cơ sở khoa học và ý nghĩa thực tiễn của biện pháp kiểm soát ô nhiễm khí H2S từ HTTN thải thông qua việc xác định được ngưỡng tối ưu về Eh đối với sự hình thành sunfua trong nước thải Từ đó đề xuất biện pháp sục khí cưỡng bức để kiểm soát Eh nhằm giảm thiểu khả năng hình thành sunfua góp phần cải thiện chất lượng nước trên HTTN thải TPHN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Chu trình sunfua

1.1.1 Nguồn phát sinh sunfua

Khí H2S xuất hiện trong các hoạt động núi lửa, suối sunfua, đáy biển và các HTTN thải, thủy vực bị ô nhiễm [70, 142, 151, 161]

1.1.2 Các dạng sunfua trong môi trường nước

Trong HTTN, sunfua (H2S, HS-, S2-) tồn tại ở trong không khí trên bề mặt nước thải; khí H2S hoà tan trong nước thải; các dạng ion và muối sunfua kim loại trong nước thải [70, 136, 142]

1.2 Tính chất lý, hóa học của H 2 S

1.2.1 Tính chất lý hóa học của H 2 S và VOSC

Khí H2S có mùi trứng thối, là khí độc hại, ngưỡng phát hiện mùi từ 0,1 - 0,2 ppm, tùy thuộc vào mức cảm nhận của mỗi cá nhân [151, 153]

1.2.2 Quá trình ô xy hóa sunfua

Điều kiện để sunfua hình thành là DO ở mức thấp [70, 110, 142, 153]

Sự ô xy hóa của sunfua thành a xít sunphuric được chia thành nhiều

bước, trong đó VSV ô xy hóa sunfua (SOB) đóng vai trò quan trọng

5

1.2.3 Quá trình kết tủa sunfua

Các kim loại có thể kết tủa với sunfua, khả năng hòa tan của các muối sunfua là rất thấp [152] Kết tủa có hiệu quả nhất ở pH từ 8 ÷ 10 [82]

(trung bình 8 giờ) H2S gây ô nhiễm mùi và được sử dụng như là chỉ thị ô nhiễm mùi từ nước thải [57, 87, 137, 167]

1.3.2 Quá trình ăn mòn có nguồn gốc sinh học trong HTTN

Năm 1945, hiện tượng ăn mòn bê tông trong HTTN có nguồn gốc sinh học (MIC) được giải thích [117] Nguồn gốc của a xit sunphuric là do sự chuyển hóa H2S có nguồn gốc phát thải từ nước thải [118] MIC là do cả quá trình chuyển hóa hóa học và sinh học của chu trình lưu huỳnh trong HTTN thải Vai trò của sự chuyển hóa sinh học chiếm ưu thế, hay MIC

là quá trình ăn mòn bê tông chủ yếu trong HTTN thải [73]

1.3.3 Ăn mòn kim loại và vật liệu sơn trong không khí có H 2 S

Trong không khí, H2S có thể là nguyên nhân ăn mòn của các vật liệu kim loại và sơn phủ bề mặt có gốc kim loại [150, 165]

1.4 Quá trình hình thành sunfua trong HTTN thải

1.4.1 Quá trình hình thành sunfua trong HTTN thải

Quá trình chuyển hóa từ sunphat và phân hủy CHC hình thành sunfua là quá trình sinh học diễn ra trong điều kiện yếm khí do VSV [23, 39, 88,

99, 140] Các vi khuẩn nhóm SRB có phân bố loài tương đối rộng, các

chi phổ biến là chi Desulfotomaculum, và Desulfovibrio [76, 133, 143]

6

Quá trình khử sunphat là quá trình phổ biến sinh ra sunfua, nhưng không phải là nguồn duy nhất hình thành sunfua trong nước thải Các hợp CHC, như các protein, có chứa lưu huỳnh, có thể bị phân hủy và sinh ra sunfua do VSV [99, 140] Lớp bùn trong HTTN là môi trường thích hợp để hình thành sunfua do VSV [52, 70, 142] Trong đất ngập nước thì sự hình thành sunfua không chỉ xảy ra ở lớp bùn mà còn có thể xẩy ra ngay cả trong các tầng nước [76]

1.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành sunfua trong HTTN thải

1.4.2.3 Chất hữu cơ

Lớp bùn có bản chất như màng sinh học, là môi trường thích hợp cho VSV phân hủy CHC CHC chứa lưu huỳnh có sẵn trong bùn, với môi trường yếm khí sẽ gia tăng sự hình thành sunfua trong HTTN [29, 125]

1.4.2.4 Độ pH

pH tối ưu cho sự hình thành sunfua là từ 7,5 ÷ 8,0, khoảng pH này gần mức pH trung bình của nước thải trong hầu hết các HTTN [70, 125]

1.4.3 Mô hình dự báo sự hình thành sunfua trong HTTN thải

Các phương trình dự báo sự hình thành sunfua phụ thuộc vào COD / BOD5, T, thời gian lưu và lớp bùn của đường ống Tuy nhiên, trong điều kiện kênh hở các phương trình này là không phù hợp [102]

1.5.2 Mô hình tiếp cận dựa trên lý thuyết màng kép

Lý thuyết màng kép là phổ biến [90, 91], tuy nhiên cũng có những hạn

chế Để có thể tiếp cận đầy đủ hơn, Yongsiri et al., (2005) đã đưa ra

cách tiếp cận dựa trên lý thuyết này và các yếu tố liên quan đến tính chất của nước thải và đề xuất mô hình dự báo tỷ lệ phát thải H2S trong HTTN thải [171]

Các quá trình chuyển hóa lưu huỳnh trong HTTN bao gồm [172]: Hình thành sunfua; Ô xy hóa sunfua; Phát thải H2S; và Kết tủa

1.6.2 Các biện pháp xử lý H 2 S trong nước thải

Các biện pháp giảm thiểu : Tối ưu hoá các thiết kế thuỷ lực; Xử lý sơ bộ tách bỏ nguồn sunphat; Các biện pháp hoá-lý, sinh học gây ức chế sự hình thành và loại bỏ sunfua, giảm khả năng phát thải H2S [172]

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP

NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu

2.1.1 Hệ thống thoát nước thải trung tâm TPHN

HTTN lưu vực sông Tô Lịch là HTTN thải kết hợp, có diện tích là 77,5km2 Lưu vực được chia làm 8 khu tiêu thoát (KTT), với các sông

8

Tô Lịch, Lừ, Sét và Kim Ngưu, tổng chiều dài là 38,2 km, chiều rộng từ

10 ÷ 45 m [15]

2.1.2 Các hướng thoát nước chính lưu vực sông Tô Lịch

Thoát nước vào sông Hồng: Cụm công trình Yên Sở (90m3

/s) [15]

Thoát nước vào sông Nhuệ: Là hướng tiêu phụ (30 m3

/s) [15]

2.1.3 Kênh thoát nước cấp I

Tổng lượng nước thải năm 2013 xấp xỉ 795.000 m3/ngày (Hình 2.3)

Hình 2.3 Tỷ lệ các loại nước thải của khu vực trung tâm TPHN

Tổng lượng NTSH là 291.163 m3/ngày đêm, lượng xả vào sông Tô Lịch, Kim Ngưu, Sét, Lừ và KTT Hoàng Liệt tương ứng là 48,1%; 31,9%; 12,7%; 3,0% và 4,3%

KTT sông Tô Lịch được chia thành 9 tiểu KTT (Bảng 2.3) Tổng lưu lượng nước thải xả vào sông Tô Lịch năm 2013 xấp xỉ 382.000 m3

/ngày đêm, trong đó lượng NTSH là 140.000 m3/ngày đêm, NTSX là 236.000

và NTBV là 6.000 m3/ngày đêm Lượng nước thải vào sông Kim Ngưu,

Sét và sông Lừ năm 2013 ước tính lần lượt là 254.000; 101.000;

NTSH (1.000m 3 )

L (km)

Tỷ lệ tiêu trên 1 km sông (km 2

/km)

(1.000 người/km)

(1.000

m 3 /km)

HQV - CGI 6,64 202,123 35,952 2 3,32 101,1 18,0 CGI - TDH 2,27 60,473 10,756 2,2 1,03 27,5 4,9 TDH - NTS 7,95 290,727 51,712 2,3 3,46 126,4 22,5

36.6%

47.0%

NTDVNTCNNTBV

TỔNG:

795.000

m3/ngày

9

NTS - CKD 0,66 178,16 3,169 1,3 0,51 13,7 2,4 CKD - CLU 0,92 246,69 4,388 1,8 0,51 13,7 2,4 CLU - DAU 0,76 205,57 3,657 1,5 0,51 13,7 2,4 DAU - DTL 8,07 170,742 30,370 2,4 3,36 71,1 12,7 Tổng 27,27 787,108 140,003 13,50 2,02 58,3 10,4

2.1.4 Đối tượng nghiên cứu

Vùng nghiên cứu là đoạn sông Tô Lịch dài 13,5 km, từ HQV đến DTL Nghiên cứu dựa trên quá trình phân tích, đánh giá các thông số chính về chất lượng nước, trầm tích sông Tô Lịch và khí H2S trong không khí

2.2 Nội dung nghiên cứu

- Đánh giá chất lượng nước và trầm tích trên sông Tô Lịch

- Ảnh hưởng của chất lượng nước đến khả năng hình thành sunfua

- Quan trắc tỷ lệ phát thải và kiểm định mô hình đánh giá tỷ lệ phát thải khí H2S trên sông Tô Lịch

- Quan trắc chất lượng không khí xung quanh kiểm định mô hình lan truyền khí, trên khu vực DTL (phường Hoàng Liệt)

2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Phương pháp nghiên cứu

Thực hiện qua 04 bước: Tham khảo tài liệu, lựa chọn khu vực nghiên cứu; Thu thập các thông tin; Lấy mẫu nước, trầm tích, khí, quan trắc tỷ

lệ phát thải H2S; Phân tích, áp dụng mô hình toán, hiệu chỉnh mô hình METI-LIS, đánh giá, kết luận và kiến nghị

2.3.2 Phương pháp lấy mẫu và bảo quản mẫu

Lấy mẫu nước, trầm tích sông: Mẫu nước, trầm tích được lấy tại 8 vị

trí trên sông Tô Lịch, bảo quản theo TCVN 6663 – 14:2000 (Hình 2.5)

Lấy mẫu khí: Mẫu khí H2S được lấy ở 15 vị trí

Lấy mẫu đo đạc tỷ lệ phát thải khí: Dựa trên phương pháp lấy mẫu đo

đạc phát thải khí đã công bố [51, 57, 124], đề tài luận án đã sử dụng hộp

10

lấy mẫu được thiết kế với các thông số là 50 x26x20 (cm), trong đó phần ngập vào nước là 7 cm, chiều cao hữu dụng là 13 cm (Hình 2.9)

Hình 2.5 Sơ đồ vị trí lấy mẫu

Hình 2.9 Thiết kế hộp lấy mẫu đánh giá mức phát thải H 2 S

11

2.3.3 Phương pháp phân tích các mẫu nước, trầm tích và không khí

Các phương pháp phân tích được sử dụng là các phương pháp phân tích phổ biến ở Việt Nam Phương pháp phân tích SOD áp dụng theo Kolar

et al., 2002; 2003; Boram and Taeyoon, 2012 [34, 83, 84]

2.3.4 Phương pháp phân tích dự báo phát thải H 2 S

Áp dụng công thức do Yongsiri (2005) công bố để tính toán lượng phát thải H2S và so sánh với kết quả thực nghiệm [171]

2.3.5 Phương pháp đánh giá chỉ số ô nhiễm môi trường nước mặt

Đánh giá WQI theo hướng dẫn của Cục Kiểm soát ô nhiễm [3]

2.3.6 Mô hình METI-LIS

2.3.6.1 Mô hình cơ sở Gauss

Việc áp dụng mô hình Gauss cần phải có sự hiệu chỉnh và kiểm định Thông thường sự hiệu chỉnh liên quan đến các hệ số tính toán khuếch tán theo trục tọa độ và độ ổn định của khí quyển [63, 134, 135]

2.3.6.2 Mô hình METI-LIS

Mô hình METI-LIS là mô hình dạng Gauss được hình thành trên cơ sở

mô hình ISC và được sử dụng rộng rãi tại Nhật Bản [95] Các nghiên cứu trước đây cho rằng mô hình Gauss hiệu chỉnh có thể áp dụng được cho nguồn ô nhiễm mùi dạng đường, mặt [134, 135]

Mô hình METI-LIS được áp dụng cho đoạn cuối của sông Tô Lịch Hiệu chỉnh bằng phương pháp điều chỉnh độ ổn định khí quyển [134, 135] và điều chỉnh hệ tọa tọa độ với tọa độ gốc zl là từ mặt thoáng của sông, mặt phẳng tính toán (z) của khí H2S khuếch tán là 1,5 m tính từ mặt đất (zg) Độ cao từ giá trị zl đến zg trung bình bằng 3m

Đối với nguồn đường, giá trị khuếch tán ngang (ϭ y) từ một điểm nào đó

được bù lại bởi ϭ y theo chiều ngược lại của các điểm lân cận, vì vậy có

thể bỏ qua giá trị ϭ y [2, 95] Giả thiết tỷ lệ phát thải là không thay đổi và

bỏ qua tác động của tốc độ gió [134] Giả thiết về vận tốc gió cũng được hiệu chỉnh và sử dụng tốc độ di chuyển của H2S trong không khí thay

12

cho giá trị đầu vào của thông số vận tốc gió trong mô hình, với tốc độ lan truyền của H2S trong không khí ước tính là 11,2 m/h [26] Do vậy hiệu chỉnh thông số vận tốc gió để áp dụng vào tính toán trong mô hình METI-LIS là trường hợp lặng gió [95]

2.3.7 Thời gian và điều kiện khí tượng thời điểm lấy mẫu

Lấy mẫu được lấy tại 5 thời điểm theo mùa (2009-2013) Các thông số khí tượng, điều kiện thời tiết khi lấy mẫu được mô tả trong phụ lục 2.3

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Chất lượng trầm tích và nước sông Tô Lịch

3.1.1 Chất lượng trầm tích trên sông Tô Lịch

Nhu cầu ô xy của trầm tích (SOD) là lượng ô xy bị tiêu thụ do hoạt động của các VSV phân hủy CHC (SBOD5), hoặc do phản ứng OXK diễn ra

ở tầng trầm tích (SCOD) [155] Giá trị SBOD5 là 41,5 ± 10,7 g/kg, SCOD là 184 ± 54 g/kg SOD có giá trị thiên cao hơn so với mức trung bình Như vậy, sự thiếu hụt ô xy trong nước sông cũng một phần là do trầm tích sông gây ra

Trầm tích sông Tô Lịch có thành phần cấp hạt (TPCH) chủ yếu là cát và cát thô, thuộc loại trầm tích loại A (trầm tích HTTN thải kết hợp), có tuổi mới được hình thành, phù hợp với hoạt động cải tạo nạo vét gần đây Hoạt động nạo vét đã làm thay đổi đến tính chất cơ lý của trầm tích sông TPCH trước và sau khi nạo vét sông Tô Lịch có sự khác biệt lớn Giá trị D50 tăng từ 0,025 mm (2005) lên 0,37 mm (2012) (Hình 3.1)

Hình 3.1 So sánh TPCH trầm tích sông Tô Lịch (2005-2012)