Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ảnh hưởng của biện pháp sục khí cưỡng bức đến khả năng xử lý chất hữu cơ trong nước sông tô lịch

Khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ điển hình trong nước phụ thuộc rất nhiều vào đặc trưng hoạt động cũng như cơ chế sử dụng chất hữu cơ như một nguồn dinh dưỡng của các chủng vi sinh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Nguyễn Việt Hoàng

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BIỆN PHÁP SỤC KHÍ CƯỠNG BỨC ĐẾN KHẢ NĂNG XỬ LÝ CHẤT HỮU CƠ TRONG NƯỚC SÔNG TÔ LỊCH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hà Nội – Năm 2016

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Nguyễn Việt Hoàng

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA BIỆN PHÁP SỤC KHÍ CƯỠNG BỨC ĐẾN KHẢ NĂNG XỬ LÝ CHẤT HỮU CƠ TRONG NƯỚC SÔNG TÔ LỊCH

Chuyên ngành: Khoa học môi trường

Mã số: 60440301

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS TSKH Nguyễn Xuân Hải

Hà Nội – Năm 2016

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thiện được nội dung của luận văn thạc sĩ khoa học, ngoài sự nỗ lực không ngừng của bản thân, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới quý thầy cô bộ môn Thổ nhưỡng nói riêng và toàn thể thầy cô Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội nói chung đã luôn quan tâm và tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức bổ ích và vô cùng quý báu cho tôi trong suốt thời gian theo học tại trường

Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành và tri ân sâu sắc tới PGS.TSKH Nguyễn Xuân Hải, người đã trực tiếp hướng dẫn, luôn luôn sát sao, động viên, nhắc nhở kịp thời

và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu phục vụ cho luận văn

Tôi xin trân trọng cảm ơn TS Nguyễn Hữu Huấn cùng các cán bộ thuộc Phòng Thí nghiệm Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN đã hỗ trợ và giúp đỡ tôi hết sức nhiệt tình trong quá trình phân tích và vận hành thiết bị thực nghiệm để tôi có thể thuận lợi hoàn thành luận văn của cá nhân mình

Cuối cùng, tôi xin dành lời cảm ơn chân thành tới toàn thể gia đình, bạn bè và đồng nghiệp, những người vẫn luôn quan tâm, giúp đỡ, động viên tôi và đồng thời cũng là chỗ dựa tinh thần vững chắc giúp tôi hoàn thành tốt nhiệm vụ được giao trong suốt thời gian học tập và quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn thạc sĩ khoa học vừa qua

TÁC GIẢ

Nguyễn Việt Hoàng

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 3

1.1 Tổng quan về sông Tô Lịch 3

1.1.1 Vị trí địa lý, đặc điểm địa hình 3

1.1.2 Hệ thống thoát nước thải lưu vực sông Tô Lịch 4

1.1.3 Thực trạng ô nhiễm nguồn nước sông Tô Lịch 6

1.2 Tổng quan về ô nhiễm các hợp chất hữu cơ trong nước sông 12

1.2.1 Phân loại các hợp chất hữu cơ 12

1.2.2 Ô nhiễm chất hữu cơ trong nước sông 15

1.3 Các phương pháp xử lý chất hữu cơ trong nước sông 17

1.3.1 Phương pháp sinh học 17

1.3.2 Phương pháp hóa lý 17

1.3.3 Công nghệ ứng dụng trong xử lý chất hữu cơ trong nước thải 18

1.3.4 Khả năng tự làm sạch của nguồn nước mặt 20

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 25

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28

2.1 Đối tượng nghiên cứu 28

2.1.1 Chất lượng nguồn nước sông Tô Lịch 28

2.1.2 Hệ thiết bị sục khí 29

2.2 Phạm vi nghiên cứu 30

2.3 Phương pháp nghiên cứu 30

2.3.1 Phương pháp lấy mẫu và bảo quản mẫu 32

2.3.2 Phương pháp phân tích phòng thí nghiệm 34

2.3.3 Phương pháp thực nghiệm 35

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 38

3.1 Chất lượng nguồn nước sông Tô Lịch 38

3.1.1 Kết quả phân tích chất lượng nước sông Tô Lịch mùa khô 38

3.1.2 Kết quả phân tích chất lượng nước sông Tô Lịch mùa mưa 42

3.2 Ảnh hưởng của độ sâu sục khí đến nồng độ oxy hòa tan trong nước 48

3.2.1 Mô đun 1 – sục khí ở độ sâu 0,25 m 48

3.2.2 Mô đun 2 – sục khí ở độ sâu 2 m 50

3.2.3 Mô đun 3 – sục khí ở độ sâu 4 m 52

3.2.4 Diễn biến của nồng độ oxy hòa tan trong nước theo thời gian 53

3.3 Ảnh hưởng của phương pháp sục khí đến hiệu quả xử lý chất hữu cơ 58

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

PHỤ LỤC 71

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 Thông tin chính về các sông thuộc khu vực trung tâm TPHN 4

Bảng 2 Lưu lượng xả nước thải khu vực trung tâm TPHN 8

Bảng 3 Phân vùng các tiểu KTT nước dọc theo sông Tô Lịch 10

Bảng 4 Hàm lượng và thải lượng một số chất ô nhiễm thải vào sông Tô Lịch 11

Bảng 5 Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ cao đến nồng độ oxy hòa tan trong nước 23

Bảng 6 Độ bão hòa oxy trong nước (độ muối 0 ppt) 25

Bảng 7 Vị trí quan trắc và lấy mẫu nước khu vực sông Tô Lịch 32

Bảng 8 So sánh kết quả phân tích chất lượng nước mùa khô 42

Bảng 9 So sánh kết quả phân tích chất lượng nước mùa mưa 47

Bảng 10 Chất lượng nước sông Tô Lịch trong hai mùa khô và mùa mưa 48

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1 Sông Tô Lịch, đoạn chảy qua Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội 3

Hình 2 Các khu tiêu thoát và sông thoát nước thải khu vực trung tâm TPHN 5

Hình 3 Cống xả thải từ các hộ sinh hoạt vào lưu vực sông Tô Lịch 7

Hình 4 Tỷ lệ xả NTSH của khu vực trung tâm TPHN vào các KTT 9

Hình 5 Tỷ lệ các loại nước thải của khu vực trung tâm TPHN 10

Hình 6 Tỷ lệ đóng góp thải lượng theo nguồn thải của một số chất ô nhiễm thải vào sông Tô Lịch 12

Hình 7 Ảnh hưởng của ô nhiễm do các chất hữu cơ tới chất lượng dòng sông 22

Hình 8 Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ sâu đến hàm lượng oxy hòa tan 24

Hình 9 Mô hình hệ thiết bị sục khí 29

Hình 10 Sơ đồ trình tự, phương pháp nghiên cứu 31

Hình 11 Vị trí lấy mẫu quan trắc sông Tô Lịch 33

Hình 12 Thiết bị lấy mẫu tầng nước kiểu ngang 34

Hình 13 Sơ đồ hệ thiết bị sục khí 36

Hình 14 Giá trị pH và DO của các mẫu quan trắc sông Tô Lịch trong mùa khô 38

Hình 15 Giá trị COD của các mẫu quan trắc sông Tô Lịch trong mùa khô 39

Hình 16 Nồng độ một số chỉ tiêu ô nhiễm N tại các điểm quan trắc trên sông Tô Lịch trong mùa khô 41

Hình 17 Nồng độ PO 4 3- và P ts tại các điểm quan trắc trên sông Tô Lịch mùa khô 42

Hình 18 pH và DO các mẫu nước quan trắc sông Tô Lịch trong mùa mưa 43

Hình 19 Giá trị COD của các mẫu quan trắc sông Tô Lịch vào mùa mưa 44

Hình 20 Nồng độ của một số chỉ tiêu ô nhiễm N tại các điểm quan trắc sông Tô Lịch trong mùa khô 45

Hình 21 Nồng độ PO 4 3- và P ts tại các điểm quan trắc sông Tô Lịch mùa mưa 46

Hình 22 Mô đun 1 - Ảnh hưởng của chiều sâu sục khí đến DO trong nước 49

Hình 23 Mô đun 2 - Ảnh hưởng của chiều sâu sục khí đến DO trong nước 50

Hình 24 Mô đun 3 - Ảnh hưởng của áp suất sục khí đến DO trong nước 52

Hình 25 Xu thế biến đổi DO theo thời gian sục khí đối với mô đun 1 54

Hình 26 Xu thế biến đổi DO theo thời gian sục khí đối với mô đun 2 55

Hình 27 Xu thế biến đổi DO theo thời gian sục khí đối với mô đun 3 55

Hình 28 Xu thế biến đổi DO tầng mặt của hệ sục khí 56

Hình 29 Xu thế biến đổi DO tầng đáy của hệ sục khí 57

Hình 30 Xu thế diễn biến giá trị COD theo thời gian sục khí trong mô đun 1 58

Hình 31 Xu thế diễn biến giá trị COD theo thời gian sục khí trong mô đun 2 59

Hình 32 Xu thế diễn biến giá trị COD theo thời gian sục khí trong mô đun 3 60

Hình 33 Diễn biến giá trị COD tầng mặt theo thời gian của hệ sục khí 61

Hình 34 Diễn biến giá trị COD tầng đáy theo thời gian của hệ sục khí 62

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

1

MỞ ĐẦU

Ngày nay, trong thời kỳ mà quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa diễn một cách nhanh chóng và mạnh mẽ hơn theo từng ngày, song song với đó là quá trình đô thị hóa trên toàn lãnh thổ Việt Nam nói chung và mở rộng phát triển TPHN nói riêng, nhu cầu

về sử dụng nước cho các hộ dân sinh, tổ chức, doanh nghiệp, cơ sở sản xuất…ngày một gia tăng, kéo theo đó là mức xả nước thải sinh hoạt, nước thải sản xuất và các loại nước thải dịch vụ khác cũng tăng lên Chính bởi lẽ đó mà chất lượng môi trường nước đang ngày càng bị suy thoái một cách nghiêm trọng, đặc biệt là các nguồn nước mặt, nơi trực tiếp tiếp nhận các dòng ô nhiễm thải vào Những nguồn gây ô nhiễm trực tiếp trên các

hệ thống thoát nước đang ngày càng xuất hiện nhiều, đa dạng về nguồn gốc và khó kiểm soát [15; 16; 32]

Nằm trong khu vực trung tâm TPHN, bốn con sông đóng vai trò như là hệ thống kênh cấp I cho hệ thống thoát nước gồm có: sông Tô Lịch, Sông Lừ, sông Sét và sông Kim Ngưu Theo đánh giá chung, tất cả các dòng sông này đều đang bị ô nhiễm nặng

do tải lượng lớn từ các chất hữu cơ, vô cơ, vi sinh vật… Các con sông trong khu vực trung tâm TPHN đều có mầu đen đặc (do hàm lượng chất hữu cơ cao trong nước), bốc mùi hôi thối (mùi khí hyđrosunfua – H2S) và gây ảnh hưởng trực tiếp tới vệ sinh môi trường, cảnh quan đô thị cũng như sức khoẻ của người dân sinh sống quanh khu vực và trên toàn địa bàn TPHN [5; 8; 15; 16; 27; 28; 35]

Nước sông Tô Lịch trước đây do có hàm lượng dinh dưỡng đối với cây trồng cao nên vẫn thường được tái sử dụng trong sản xuất nông nghiệp Tuy nhiên, chất lượng nước sông Tô Lịch trong thời gian gần đây đã thể hiện tính ô nhiễm nặng cả về phương diện chất hữu cơ, kim loại nặng và vi sinh vật [22; 29; 31] Chất lượng nước trên sông

Tô Lịch không đáp ứng được tiêu chuẩn chất lượng nước tưới về phương diện ô nhiễm kim loại nặng theo tiêu chuẩn nước tưới của WHO và có thể gây ô nhiễm đất, tích lũy trong sản phẩm nông nghiệp [30]; về phương diện các chất hữu cơ tồn dư như DDT

(Dichloro Diphenyl Trichloroethane), PCB (Poly Chlorinated Biphenyl) cũng có dấu

hiệu ảnh hưởng đến sự tích lũy của chúng trong chuỗi thức ăn

2

Hiện nay, xử lý nước thải với các đặc tính ô nhiễm chất hữu cơ bằng biện pháp sinh học được coi là phương pháp thân thiện với môi trường và được ứng dụng nhiều ở các nước trên thế giới Đây là công nghệ xử lý nước thải dựa trên hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải mang lại hiệu quả cao, chi phí hợp

lý, dễ dàng vận hành Khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ điển hình trong nước phụ thuộc rất nhiều vào đặc trưng hoạt động cũng như cơ chế sử dụng chất hữu cơ như một nguồn dinh dưỡng của các chủng vi sinh vật mà điển hình là các vi khuẩn hiếu khí và kị khí

Nhóm vi khuẩn hiếu khí sử dụng oxy hòa tan trong nước để phân hủy các hợp chất hữu cơ về dạng vô cơ chủ yếu là khí cacbonic, cùng với đó là năng lượng tạo thành và

sự phát triển về sinh khối, do vậy việc đảm bảo nguồn oxy trong nước dồi dào để tạo thuận lợi cho quá trình sinh trưởng của các vi sinh vật là điều hết sức quan trọng Phương pháp điển hình để đưa oxy từ khí quyển vào trong nước có thể kể đến là phương pháp sục khí sử dụng máy thổi hoặc máy nén không khí Tuy nhiên, nồng độ oxy hòa tan trong nước bị chi phối bởi các yếu tố điển hình là nhiệt độ và áp suất, trong đó yếu tố nhiệt độ là yếu tố rất khó kiểm soát trong các hệ hở Vì vậy, trong trường hợp muốn cải thiện hiệu suất của quá trình hòa tan oxy vào nước thường có thể lựa chọn phương án thay đổi áp suất sục khí, đạt được khi tiến hành sục khí ở các độ sâu khác nhau so với

bề mặt của khối nước

Xuất phát từ những thực tiễn trên, với mục đích nghiên cứu khả năng ứng dụng phương pháp xử lý sinh học mà cụ thể là phương pháp sục khí ứng dụng trong xử lý

thành phần hữu cơ trong nước sông đô thị, đề tài luận văn “Nghiên cứu ảnh hưởng của

phương pháp sục khí cưỡng bức đến khả năng xử lý chất hữu cơ trong nước sông Tô Lịch” đã được tiến hành Đề tài tập trung nghiên cứu các nội dung chính sau:

 Đánh giá thực trạng ô nhiễm và chất lượng nguồn nước sông Tô Lịch

 Nghiên cứu ảnh hưởng của độ sâu sục khí đến khả năng hòa tan oxy vào nước

 Nghiên cứu ảnh hưởng của độ sâu sục khí đến khả năng xử lý chất hữu cơ trong nước sông Tô Lịch

3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về sông Tô Lịch

1.1.1 Vị trí địa lý, đặc điểm địa hình

Sông Tô Lịch là một con sông nhỏ chảy trong địa phận thủ đô Hà Nội; dòng chính sông Tô Lịch khi chảy qua các quận huyện như Thanh Xuân, Hoàng Mai và Thanh Trì còn được gọi là Kim Giang Sông Tô Lịch là một đường bao của kinh đô Thăng Long xưa và là một cạnh của tứ giác nước Thăng Long Tô Lịch vốn từng là một phân lưu của sông Hồng, đưa nước từ thượng lưu ở sông Hồng sang sông Nhuệ; đến đoạn trung lưu

nó gặp hồ Tây (là dấu tích của đoạn sông Hồng cũ, nằm cạnh Quán Thánh) và một phần nước từ hồ Tây được cung cấp cho đoạn sông từ đó đến hạ lưu

Hình 1 Sông Tô Lịch, đoạn chảy qua Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội

Tuy nhiên, với sự phát triển nhanh chóng trong đời sống xã hội cùng với đó là các

4

chính sách quy hoạch của nhà nước, đoạn sông từ Cầu Gỗ đến Bưởi của sông Tô Lịch nay đã bị lấp, chỉ còn lại một vài dấu tích như ở Thụy Khuê và do đó, Tô Lịch không còn thông với sông Hồng nữa Dòng chảy của đoạn sông đã bị lấp này theo lộ trình từ bên cạnh phố Cầu Gỗ ngược lên phía Tây Bắc tới Hàng Lược, men theo phía dưới đường Phan Đình Phùng rồi chảy dọc theo hai phố Thụy Khuê và Hoàng Hoa Thám ngày nay

ra đến đầu đường Bưởi nằm ở phía Nam Hoàng Quốc Việt Đoạn sông còn lộ thiên ở Thụy Khuê đó còn được gọi là mương Thụy Khuê, nối từ cống Đõ chạy tới cống ngầm dưới lòng chợ Bưởi rồi đổ ra sông Tô Lịch ngày nay Đoạn mương Thụy Khuê đó đã được bắt đầu cống hóa từ năm 2011

Ngày nay, sông Tô Lịch bắt đầu từ phường Nghĩa Đô thuộc quận Cầu Giấy (phía Nam đường Hoàng Quốc Việt), chảy cùng hướng với đường Bưởi, đường Láng, đường Khương Đình và đường Kim Giang về phía Nam, Tây Nam rồi ngoặt sang phía Đông Nam và đổ ra sông Nhuệ ở đối diện làng Hữu Từ thuộc xã Hữu Hòa, huyện Thanh Trì

1.1.2 Hệ thống thoát nước thải lưu vực sông Tô Lịch

Hệ thống lưu vực sông Tô Lịch bao gồm khu vực thượng nguồn nằm ở phía Tây

và Tây Bắc của trung tâm TPHN, khu vực trung lưu nằm trong trung tâm và khu vực hạ nguồn nằm ở phía Nam và Đông Nam của TPHN, diện tích lưu vực là khoảng 77,5 km2[15]

Bảng 1 Thông tin chính về các sông thuộc khu vực trung tâm TPHN

Tên sông Chiều dài

(km)

Chiều rộng (m)

Độ sâu (m)

Diện tích khu tiêu thoát (ha)

Lưu lượng (×10 3 m 3 /ngày)

5

Hình 2 Các khu tiêu thoát và sông thoát nước thải khu vực trung tâm TPHN

6

Lưu vực thoát nước sông Tô Lịch được phân chia thành 8 khu tiêu thoát nước nhỏ, trong đó có 4 con sông thoát nước chính đóng vai trò như là mạng lưới kênh thoát nước thải cấp I là các sông Tô Lịch, sông Lừ, sông Sét và sông Kim Ngưu với tổng chiều dài các sông là 38,2 km, chiều rộng trung bình từ 10 – 45 m [15]

Các sông thoát nước thải trong lưu vực sông Tô Lịch hiện nay có nhiệm vụ dẫn nước thải và nước mưa của khu vực trung tâm TPHN tiêu thoát theo hai hướng: thoát nước vào sông Hồng và thoát nước vào sông Nhuệ

 Thoát nước vào sông Hồng

Sông Hồng nhận hầu hết lượng tiêu thoát nước của lưu vực sông Tô Lịch thông qua cụm công trình đầu mối Yên Sở với trạm bơm Yên Sở có công suất thiết kế 90 m3/s

 Thoát nước vào sông Nhuệ

Hiện nay, Công ty thoát nước Hà Nội vẫn đang khai thác vận hành Đập Thanh Liệt, duy trì mức xả tối đa với công suất là 30 m3/s (khi mực nước sông Nhuệ thấp dưới 3,5m) Do mực nước sông Nhuệ thường phải duy trì ở mức nước khá cao để phục vụ mục đích tưới tiêu trong nông nghiệp nên về lâu dài hướng tiêu thoát nước này chỉ được coi là hướng tiêu thoát phụ [15]

1.1.3 Thực trạng ô nhiễm nguồn nước sông Tô Lịch

Từ nhiều năm nay, dưới sức ép của quá trình đô thị hóa, quy hoạch xây dựng không đồng bộ cùng với sự thiếu ý thức của người dân sống ven sông đã làm cho diện tích sông

Tô Lịch bị thu hẹp, hành lang bảo vệ bị lấn chiếm ở nhiều đoạn, chất lượng nước sông

bị ô nhiễm nghiêm trọng do mỗi ngày có khoảng 382.000 m³ nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp [4] xả vào sông

Qua khảo sát trong năm 2015 của Viện Nghiên cứu Cấp thoát nước và Môi trường, Công ty Cổ phần Tiến bộ Quốc tế và Sở Tài nguyên và Môi trường Hà Nội tại 15 điểm

xả cho thấy, nước thải từ các cống xả nhỏ có BOD5 dao động từ 90 mg/L – 179 mg/L, giá trị trung bình là 128 mg/L; hàm lượng chất rắn lơ lửng (TSS) dao động từ 53 mg/L – 110,5 mg/L và trung bình là 86 mg/L; nitơ amoni (N-NH4+) dao động từ 30,8 mg/L –

7

41,2 mg/L và trung bình là 37 mg/L Sự dao động này phụ thuộc vào đặc điểm nguồn thải (chung cư, nhà hàng, công trình công cộng, nhà văn phòng…), cấu tạo tuyến cống thoát nước, tình trạng hoạt động của bể tự hoại… Ngoài các thông số ô nhiễm nêu trên, kết quả khảo sát còn cho thấy, nước thải có P-PO43- dao động trong khoảng 1,2 mg/L –

5 mg/L, COD từ 250 mg/L – 400 mg/L, tổng dầu mỡ trung bình là 4,1 mg/L và coliform lớn hơn 1,1×105 MPN/100 mL

Hình 3 Cống xả thải từ các hộ sinh hoạt vào lưu vực sông Tô Lịch

Năm 2002, lượng nước thải khu vực trung tâm TPHN xả vào sông Tô Lịch là khoảng 290.000 m3/ngày, đến năm 2013 tăng lên khoảng 1,3 lần đạt 382.000 m3/ngày Tổng lượng nước thải của khu vực trung tâm TPHN xả vào hệ thống kênh thoát nước cấp I trong năm 2002 là 429.000 m3/ngày, đến năm 2013 tăng lên khoảng 1,8 lần đạt mức xấp xỉ 795.000 m3/ngày Sở dĩ tổng lưu lượng nước thải của khu vực trung tâm TPHN có mức độ gia tăng cao hơn so với lượng nước thải xả vào sông Tô Lịch là do khu vực trung tâm TPHN trong giai đoạn này đang quy hoạch mở rộng phát triển về phía Tây – Nam với việc mở rộng và nâng cấp quận Hoàng Mai không thuộc KTT vào

Nước thải bệnh viện Tổng

Nguồn: Nguyễn Hữu Huấn, 2015 [4]

Tổng lưu lượng xả nước thải sinh hoạt năm 2013 của khu vực trung tâm TPHN là khoảng 291.163 m3/ngày đêm, trong đó lưu lượng xả thải vào KTT sông Tô Lịch là nhiều nhất, chiếm tới 48,1% so với tổng lưu lượng xả nước thải sinh hoạt của toàn khu vực Lượng xả nước thải sinh hoạt tương ứng vào sông Kim Ngưu là 31,9%, sông Sét là 12,7%, sông Lừ là 3,0% và KTT Hoàng Liệt là 4,3% (Hình 4) [4]

Tổng lượng nước thải của khu vực trung tâm TPHN năm 2013 xấp xỉ 795.000

m3/ngày, trong đó lượng nước thải sản xuất bao gồm nước thải công nghiệp và nước thải kinh doanh dịch vụ là 490.410 m3/ngày Lượng nước thải công nghiệp ước tính năm

2011 là 100.000m3/ngày và chỉ có khoảng 30% là được xử lý [32] Ước tính trong năm

2013, lưu lượng xả nước thải công nghiệp của khu vực trung tâm TPHN là khoảng 117.774 m3/ngày và nước thải dịch vụ là 337.136 m3/ngày Tỷ lệ đóng góp các loại hình nước thải khu trung tâm TPHN được mô tả trong Hình 5, trong đó tỷ lệ nước thải dịch

vụ là cao nhất, chiếm tới 47%, sau đó là nước thải sản xuất chiếm 36,6%, nước thải công

9

nghiệp chỉ đóng góp 14,8 % và nước thải bệnh viện có tỷ lệ đóng góp thấp nhất chỉ là 1,6% so với tổng lưu lượng xả thải [4]

Hình 4 Tỷ lệ xả NTSH của khu vực trung tâm TPHN vào các KTT

Nguồn: Nguyễn Hữu Huấn, 2015 [4]

Sông Tô Lịch: KTT sông Tô Lịch được chia nhỏ thành 8 tiểu KTT và được xả vào

7 đoạn sông Tổng lưu lượng nước thải xả vào sông Tô Lịch năm 2013 ước tính xấp xỉ 382.000 m3/ngày đêm, trong đó lượng NTSH là khoảng 140.000 m3/ngày đêm, NTSX

là khoảng 236.000 m3/ngày đêm và NTBV là khoảng 6.000 m3/ngày đêm (bao gồm cả hướng thoát nước từ hạ lưu sông Lừ) (Bảng 2) Phân vùng và đặc điểm các tiểu KTT nước của tiểu lưu vực sông Tô Lịch theo các đoạn sông được mô tả trong Bảng 3

Sông Kim Ngưu: Tổng lưu lượng nước thải xả vào sông Kim Ngưu năm 2013 ước

tính xấp xỉ 254.000 m3/ngày đêm, trong đó lượng NTSH là khoảng 93.000 m3/ngày đêm, NTSX là khoảng 157.000 và NTBV là khoảng 4.000 m3/ngày đêm (Bảng 2)

Sông Sét: Tổng lưu lượng nước thải xả vào sông Sét năm 2013 ước tính xấp xỉ

101.000 m3/ngày đêm, trong đó lượng NTSH là khoảng 37.000 m3/ngày đêm, NTSX là khoảng 62.000 m3/ngày đêm và NTBV là khoảng 2.000 m3/ngày đêm (Bảng 2)

10

Sông Lừ: Tổng lưu lượng nước thải xả vào thượng lưu sông Lừ năm 2013 ước

tính xấp xỉ 24.000 m3/ngày đêm, trong đó lượng NTSH là khoảng 9.000 m3/ngày đêm, NTSX là khoảng 14.500 m3/ngày đêm và NTBV là khoảng 500 m3/ngày đêm (Bảng 2)

Hình 5 Tỷ lệ các loại nước thải của khu vực trung tâm TPHN

Nguồn: Nguyễn Hữu Huấn, 2015 [4]

Bảng 3 Phân vùng các tiểu KTT nước dọc theo sông Tô Lịch

Đoạn sông Diện tích

(km 2 )

Dân số (1.000 người)

Tải lượng NTSH (1.000 m 3 )

Chiều dài (km)

Tỷ lệ tiêu thoát trên 1 km chiều dài sông (km 2 /km) người/km) (1.000

11

Ghi chú:

HQV: Hoàng Quốc Việt CGY: Cầu Giấy TDH: Trần Duy Hưng NTI: Nguyễn Trãi CKD: Cầu Khương Đình CLU: Cầu Lủ

CDA: Cầu Dậu DTL: Đập Thanh Liệt

Nước trên sông Tô Lịch thực chất là loại nước thải hỗn hợp giữa NTSH, NTSX và NTBV, chất lượng nước sông Tô Lịch hiện nay đã không đáp ứng được yêu cầu về chất lượng cho nước tưới Thêm vào đó, HTTN thải của khu vực trung tâm TPHN là HTTN kết hợp tiêu thoát cho cả NTSH, NTSX, NTBV và nước mưa, do vậy chất lượng nước trên sông Tô Lịch không chỉ phụ thuộc vào lưu lượng nước thải, tính chất và thành phần của nước thải mà còn có sự phụ thuộc theo mùa [4]

Chất lượng nước trên sông Tô Lịch bị ô nhiễm chủ yếu là do nguồn NTSX, ngoại trừ thông số Pts bị chi phối bởi nguồn NTSH Tổng thải lượng COD của nước thải xả vào sông Tô Lịch là 79 tấn/ngày, trong đó phát sinh do nguồn NTSX là 51 tấn/ngày và

do nguồn NTSH là 28 tấn/ngày Tỷ lệ đóng góp thải lượng chất ô nhiễm của nguồn NTSX chiếm từ 64,6% (đối với thông số thải lượng COD) đến 95,4 % (đối với thông số thải lượng TSS) (Bảng 4; Hình 6) [4]

Bảng 4 Hàm lượng và thải lượng một số chất ô nhiễm thải vào sông Tô Lịch

12

tích là 17,3 tấn/ngày Tổng thải lượng chất ô nhiễm tính theo BOD5 trong sông Tô Lịch

là 45,7 tấn/ngày, trong đó thải lượng BOD5 do nước sông là 41,8 tấn/ngày, do bùn trầm tích chỉ là 3,9 tấn/ngày Tổng thải lượng Nts trong sông Tô Lịch là 11,5 tấn/ngày, trong

đó do nước sông là 11 tấn/ngày và do bùn trầm tích là 0,5 tấn/ngày [4]

Hình 6 Tỷ lệ đóng góp thải lượng theo nguồn thải của một số chất ô nhiễm thải vào sông Tô Lịch

Nguồn: Tổng hợp [4, 34]

1.2 Tổng quan về ô nhiễm các hợp chất hữu cơ trong nước sông

1.2.1 Phân loại các hợp chất hữu cơ

Dựa vào khả năng có thể bị phân hủy dưới tác dụng của vi sinh vật, các chất hữu

cơ có trong môi trường nước thường được chia thành hai loại:

a) Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học

Đó là các hợp chất protein, hidratcacbon, chất béo có nguồn gốc động vật và thực vật Đây là các chất gây ô nhiễm chính có nhiều trong nước thải sinh hoạt (khoảng 60 – 80% lượng chất hữu cơ thuộc loại dễ bị phân hủy sinh học), nước thải từ các xí nghiệp chế biến thực phẩm Các hợp chất này chủ yếu làm suy giảm oxy hòa tan trong nước

13

dẫn đến suy thoái tài nguyên thủy sản và làm giảm chất lượng nước cấp sinh hoạt Có thể biểu diễn quá trình phân hủy các chất hữu cơ thuộc loại này bằng sơ đồ chuyển hóa dưới đây:

 Phân hủy hiếu khí:

Chất hữu cơ + O2(hòa tan trong nước) vi sinh vật hiếu khí→ CO2 + H2O + năng lượng Các vi sinh vật sử dụng oxy ở dạng hòa tan trong nước để phân hủy chất hữu cơ

và làm suy giảm hàm lượng oxy trong nước

 Phân hủy kỵ khí:

Chất hữu cơ vi sinh vật kỵ khí→ CH4 + axit hữu cơ Chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học thường ảnh hưởng có hại đến các nguồn lợi thủy sản bởi khi bị phân hủy, các chất hữu cơ này sẽ làm suy giảm hàm lượng oxy hòa tan trong môi trường nước, qua đó ảnh hưởng tới quá trình sinh sống và dẫn đến hiện tượng chết tôm, cá và các động vật thủy sinh

b) Các chất hữu cơ bền vững

Các chất hữu cơ có độc tính cao thường là các chất bền vững, khó bị vi sinh vật phân hủy trong môi trường Một số chất hữu cơ có khả năng tồn lưu lâu dài trong môi trường và tích lũy sinh học trong cơ thể sinh vật Do có khả năng tích lũy sinh học nên chúng có thể thâm nhập vào chuỗi thức ăn và qua đó đi vào trong cơ thể con người Các chất polychlorophenol (PCPs), polychlorobiphenyl (PCBs), các hydrocacbon

đa vòng ngưng tụ (PAHs), các hợp chất dị vòng N hoặc O là các hợp chất hữu cơ bền vững Những chất này thường có trong nước thải công nghiệp, nước chảy tràn từ đồng ruộng (có chứa nhiều thuốc trừ sâu, diệt cỏ, kích thích sinh trưởng…) Các hợp chất này thường là các tác nhân gây ô nhiễm nguy hiểm, ngay cả khi có mặt với nồng độ rất nhỏ trong môi trường

 Nhóm hợp chất phenol:

14

Phenol và các dẫn xuất của phenol có trong nước thải của một số ngành công nghiệp (lọc hóa dầu, sản xuất bột giấy, nhuộm,…) Các hợp chất loại này làm cho nước

có mùi, gây tác hại cho hệ sinh thái nước và sức khỏe con người, một số dẫn xuất phenol

có khả năng gây ung thư QCVN 08:2015/BTNMT quy định nồng độ tối đa của các hợp chất phenol trong nước bề mặt dùng cho mục đích sinh hoạt chỉ là 0,005 mg/L

 Nhóm hóa chất bảo vệ thực vật hữu cơ

Hiện nay có hàng trăm, thậm chí hàng ngàn các loại hóa chất bảo vệ thực vật đang được sản xuất và sử dụng với mục đích diệt sâu, côn trùng, nấm, diệt cỏ Trong số đó phần lớn là các hợp chất hữu cơ và chúng có thể được chia thành các nhóm:

 Photpho hữu cơ (malthion, methyl parathion,…)

 Clo hữu cơ (lindane, aldrin, dieldrin, DDT, 2,4-D, 2,4,5-T,…)

 Cacbamat (carbaryl, cacbofuran,…)

 Phenoxyaxetic (2,4-D, 2,4,5-T,…)

 Pyrethroid tổng hợp (allethrin, fenvalerate,…)

Hầu hết các chất này có độc tính cao đối với con người và động vật Nhiều chất trong số đó, đặc biệt là các clo hữu cơ bị phân hủy rất chậm trong môi trường, có khả năng tích lũy trong cơ thể sinh vật và con người Nhiều loại trong số các hóa chất bảo

vệ thực vật có chứa tác nhân gây ung thư

15

loại này chính là 2,3,7,8-TCDD Các chất ít độc nhất là các chất chỉ có chứa từ một đến

ba nguyên tử clo thay thế Tuy đã có các bằng chứng cho thấy dioxin là tác nhân gây ra ung thư cho động vật nhưng các bằng chứng đối với con người lại chưa chắc chắn

 Nhóm hợp chất polychlorinated biphenyl (PCBs)

PCB là nhóm hợp chất có từ 1 – 10 nguyên tử clo gắn vào các vị trí khác nhau của phân tử biphenyl và có thể có đến 209 hợp chất thuộc loại này Công nghiệp thường sản xuất được các hỗn hợp chứa nhiều loại PCB khác nhau tùy thuộc vào điều kiện, trong

đó thông thường vẫn có một ít tạp chất dioxin PCBs bền về mặt hóa học và có tính cách điện tốt nên được dùng làm dầu biến thế và tụ điện, ngoài ra chúng còn được dùng làm dầu bôi trơn, dầu thủy lực, tác nhân truyền nhiệt…

PCBs có thể làm giảm khả năng sinh sản, giảm khả năng học tập của trẻ em; chúng cũng có thể là các tác nhân gây ung thư Tuy vậy, cũng như dioxin, bằng chứng về tác hại của PCBs cũng chưa rõ ràng do nồng độ của chúng trong môi trường rất nhỏ và tác hại lại có xu hướng diễn ra sau một thời gian đủ dài

 Nhóm hợp chất hydrocacbon đa vòng ngưng tụ (PAHs)

Các hợp chất PAH thường chứa hai hay nhiều vòng thơm PAHs là sản phẩm phụ của các quá trình cháy không hoàn toàn như cháy rừng, cháy thảo nguyên, núi lửa phun trào (quá trình tự nhiên), động cơ xe máy, lò nung than cốc, sản xuất nhựa asphalt, sản xuất thuốc lá,…

Các hợp chất PAH thường gây hại khi tiếp xúc với liều lượng nhỏ trong một thời gian dài nhưng lại không gây hại đáng kể nếu chỉ dùng một liều lượng lớn trong duy nhất một lần Trong số các hợp chất PAH có 8 hợp chất được xem là các tác nhân gây ung thư Thông thường, thực phẩm hàng ngày là nguồn đưa PAHs chính vào cơ thể (95%), ngoài ra thì thuốc lá, rau không rửa sạch, ngũ cốc chưa được tinh chế, thịt cá xông khói là các nguồn khác cũng đưa một lượng đáng kể PAHs thâm nhập vào cơ thể

1.2.2 Ô nhiễm chất hữu cơ trong nước sông

Nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm hợp chất hữu cơ trong nước sông có thể do nguồn

16

gốc tự nhiên hoặc nhân tạo Sự nhiễm bẩn tự nhiên là do mưa rơi xuống mặt đất, kéo theo các chất bẩn xuống sông hồ hoặc do các sản phẩm sống, hoạt động phát triển của sinh vật, vi sinh vật thậm chí cả xác chết của chúng

Sự nhiễm bẩn nhân tạo chủ yếu do nước thải vùng dân cư đô thị, công nghiệp cũng như tàu thuyền xả ra Các tác nhân gây ô nhiễm có nguồn gốc nhân tạo điển hình có thể

kể đến như:

 Nước thải sinh hoạt: chứa rất nhiều vi sinh vật, giun sán, cả vi sinh vật gây bệnh, nhất là vi sinh vật gây bệnh đường ruột Chúng chiếm một khối lượng đáng

kể trong các chất hữu cơ trong nước thải

 Nước thải sản xuất, công nghiệp: nhiều lĩnh vực công nghiệp tiêu thụ và thải ra một lượng nước khổng lồ trong đó chứa hàm lượng chất hữu cơ rất cao, điển hình

có thể kể đến các loại hình nước thải như nước thải chăn nuôi, nước thải sản xuất tinh bột sắn, nước thải sản xuất đường mía,…

Trong nước thiên nhiên và nước thải thường tồn tại nhiều tạp chất, hợp chất hữu

cơ có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo, điển hình như protein, hợp chất hữu cơ chứa nitơ, các loại phụ gia thực phẩm, chất thải của người và động vật,… Các hợp chất hữu

cơ có thể tồn tại dưới các dạng hòa tan, keo, bay hơi hoặc không bay hơi, dễ phân hủy hoặc khó phân hủy,… Phần lớn các hợp chất hữu cơ trong nước thường đóng vai trò là

cơ chất đối với các loại vi sinh vật, nó tham gia vào quá trình dinh dưỡng và tạo năng lượng cho vi sinh vật

Hợp chất hữu cơ nói chung rất đa dạng về chủng loại, tuy nhiên việc xác định riêng

rẽ từng loại chất hữu cơ về cơ bản là công việc khá khó và tốn kém Chính vì vậy mà ta thường xác định tổng lượng chất hữu cơ và lấy đó làm thông số đại diện chung Cụ thể, một vài thông số thường được chọn trong phân tích chất hữu cơ gồm TOC, COD, BOD5,… Trong nước thải đô thị và một số loại nước thải công nghiệp điển hình, các chất hữu cơ chủ yếu đều là các cacbonhydrat ở dạng dễ phân hủy bởi hoạt động của vi sinh vật Đối với những loại nước thải có đặc tính như vậy thường xác định tổng các hợp chất hữu cơ thông qua chỉ tiêu COD và BOD5 Hai đại lượng này có mối quan hệ

Trong xử lý nước thải nói chung, các phương pháp sinh học thường được ưu tiên

sử dụng để làm sạch nước thải khỏi các chất hữu cơ hòa tan và một số chất vô cơ như

H2S, các sunfit, amoniac, nitơ,… Phương pháp này dựa trên cơ sở sử dụng hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm trong nước thải Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng Trong quá trình dinh dưỡng, chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên sinh khối của chúng được tăng lên Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa

Như vậy, nước thải có thể được xử lý bằng phương pháp sinh học sẽ được đặc trưng bởi chỉ tiêu BOD hoặc COD Để có thể xử lý bằng phương pháp này, nước thải sản xuất cần không chứa các chất độc và tạp chất, các muối kim loại nặng hoặc nồng độ của chúng không được vượt quá nồng độ cực đại cho phép và có tỷ số BOD/COD ≥ 0,5 Các quá trình sinh học dùng trong xử lý nước thải đều có xuất xứ trong tự nhiên Nhờ thực hiện các biện pháp tăng cường hoạt động của vi sinh vật trong các công trình nhân tạo, quá trình làm sạch các chất bẩn diễn ra nhanh hơn Trong thực tế hiện nay người ta vẫn tiến hành xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học ở điều kiện tự nhiên

và điều kiện nhân tạo tùy thuộc vào khả năng kinh phí, yêu cầu công nghệ, địa lý cùng hàng loạt các yếu tố khác Nói chung, các quá trình sinh học trong xử lý nước thải gồm

2 quá trình chính là “hiếu khí” và “kị khí”

1.3.2 Phương pháp hóa lý

Như đã nêu ở trên, các phương pháp xử lý chất hữu cơ sử dụng quá trình sinh học với những ưu điểm như dễ vận hành và thân thiện với môi trường thường luôn được ưu tiên lựa chọn Tuy nhiên khi mà ngày nay, sự hiện diện của các hợp chất cao phân tử,

18

các vật liệu chịu nhiệt đang ngày càng gia tăng trong các dòng nước thải, các quá trình sinh học thông thường dường như không thể xử lý hoàn toàn được các thành phần ô nhiễm đó Chính vì lẽ đó, sự xuất hiện những công nghệ mới hơn có khả năng chuyển hóa các hợp chất khó phân hủy về dạng ít độc hại hoặc chuỗi hợp chất có phân tử khối thấp hơn để rồi từ đó lại có thể áp dụng các phương pháp sinh học thuần túy là điều hết sức cần thiết

Một trong số các công nghệ đó là công nghệ oxy hóa hóa học có sử dụng các hợp chất oxy hóa mạnh như H2O2, O3, ClO2, KMnO4, K2FeO4,… để oxy hóa các chất ô nhiễm trở về dạng ít độc hơn hay chuyển hóa chúng về dạng có thể kiểm soát được Tuy vậy, công nghệ oxy hóa hóa học có sử dụng các tác nhân oxy hóa như O3 hay H2O2 lại cho năng suất phân hủy không thực sự ấn tượng Do đó, quá trình oxy hóa cấp tiến với khả năng khai thác được hoạt tính cao từ các gốc tự do hydroxyl thể hiện trong các phản ứng oxy hóa đã bùng lên một công nghệ đầy hứa hẹn cho quá trình xử lý nước thải chứa các hợp chất hữu cơ chịu nhiệt Một vài công nghệ điển hình có thể kể đến như hệ Fenton, hệ quang-Fenton, oxy hóa ướt xúc tác, ozon hóa, quang xúc tác,…đều nằm trong nhóm phương pháp oxy hóa cấp tiến Các công nghệ trên chủ yếu khác nhau ở nguồn gốc tạo thành gốc tự do [20]

Một trong số những phương pháp hóa lý khác cũng cho khả năng xử lý tốt các hợp chất hữu cơ khó phân hủy đó là phương pháp hấp phụ Trong vài thập kỷ qua, quá trình hấp phụ đã đạt được tầm quan trọng như là kỹ thuật phân tách và thanh lọc hiệu quả sử dụng trong các quá trình xử lý nguồn nước nói chung và nước thải nói riêng Hấp phụ

là quá trình mà theo đó thì một chất rắn hấp phụ có thể đính lên nó một hợp chất hòa tan trong nước và do đó loại bỏ được các thành phần ra khỏi pha lỏng Quá trình hấp phụ đã được ứng dụng rộng rãi trong các quá trình công nghiệp cho nhiều mục đích tách chiết

và thanh lọc khác nhau Quá trình loại bỏ kim loại, các chất ô nhiễm mang màu và không mang màu từ các nguồn nước thải được coi như một ứng dụng quan trọng của quá trình hấp phụ sử dụng các chất hấp phụ thích hợp [20]

1.3.3 Công nghệ ứng dụng trong xử lý chất hữu cơ trong nước thải

bề mặt, máy thổi khí,…

Bể UASB: là quá trình xử lý sinh học kỵ khí, trong đó nước thải sẽ được phân phối

từ dưới lên và được khống chế vận tốc phù hợp Cấu tạo của bể UASB thông thường bao gồm: hệ thống phân phối nước đáy bể, tầng xử lý và hệ thống tách pha Nước thải được phân phối từ dưới lên qua lớp bùn kỵ khí, tại đây sẽ diễn ra quá trình phân hủy chất hữu cơ bởi các vi sinh vật; hệ thống tách pha phía trên làm nhiệm vụ tách các pha rắn – lỏng – khí, qua đó thì các chất khí sẽ bay lên và được thu hồi, bùn sẽ rơi xuống đáy bể và nước sau xử lý sẽ theo máng lắng chảy qua công trình xử lý tiếp theo

Công nghệ AAO: là quá trình xử lý sinh học liên tục dùng nhiều hệ vi sinh vật khác nhau: yếm khí (Anaerobic), thiếu khí (Anoxic), hiếu khí (Oxic) để xử lý nước thải Quá trình xử lý như vậy cho hiệu quả xử lý cao, đặc biệt với nước thải có hàm lượng hữu cơ, nitơ và photpho cao Tùy vào thành phần nước thải mà thể tích các vùng kỵ khí, thiếu khí, hiếu khí khác nhau

Công nghệ MBR: là công nghệ hiện đại sử dụng màng lọc, được ứng dụng khá phổ biến hiện nay vì những ưu điểm vượt trội Công nghệ MBR là sự kết hợp của cả phương pháp sinh học và lý học Mỗi đơn vị MBR được cấu tạo gồm nhiều sợi rỗng liên kết với nhau, mỗi sợi rỗng lại cấu tạo giống như một màng lọc với các lỗ lọc rất nhỏ mà một số

vi sinh không có khả năng xuyên qua Các đơn vị MBR này sẽ liên kết với nhau thành những module lớn hơn và đặt vào các bể xử lý Cơ chế hoạt động của vi sinh vật trong công nghệ MBR cũng tương tự như bể bùn hoạt tính hiếu khí nhưng thay vì tách bùn sinh học bằng công nghệ lắng thì công nghệ MBR lại tách bằng màng

cụ thể chính là khả năng đồng hóa các chất thải mà dòng sông có thể phục hồi lại chất lượng ban đầu của nó Khả năng này được xác định bởi các tính chất đặc trưng của dòng sông, kể cả điều kiện khí hậu [13] Quá trình tự làm sạch của nguồn nước có thể chia làm 2 giai đoạn:

 Quá trình xáo trộn, pha loãng giữa các dòng chất bẩn với khối lượng nước nguồn Đó là quá trình vật lý thuần túy

 Quá trình tự làm sạch với nghĩa riêng của nó Đó là quá trình khoáng hóa các chất bẩn hữu cơ – hay rộng hơn, đó là quá trình chuyển hóa, phân hủy các chất bẩn hữu cơ nhờ các thủy sinh vật, vi sinh vật Ở mức độ nhất định, dù ít dù nhiều, tất cả những cơ thể sống đó đều tham gia vào quá trình, đồng thời chúng sinh trưởng, sinh sản và chết đi, cứ thế sinh khối của chúng tăng lên

21

Quá trình tự làm sạch các chất thải hóa học hoàn toàn phụ thuộc vào lưu tốc của dòng sông Trong quá trình di chuyển xuống hạ lưu, nồng độ các chất này giảm rất nhanh

do lưu lượng nước trong lưu vực chảy vào sông tăng lên Có nhiều hóa chất phản ứng

và tiêu tán do hấp thụ hoặc phân rã sinh học Các vi khuẩn trong nước thải sinh hoạt bị giảm về số lượng do pha loãng, trước hết do điều kiện môi trường không thuận lợi cho

sự phát triển của chúng như thiếu dinh dưỡng, tác động của nhiệt độ và quan hệ của các sinh vật trong chuỗi thức ăn [13]

Vùng trộn nước thải với nước sông là vùng không thể tránh khỏi ô nhiễm Chính

vì vùng này có thể tạo nên một vùng ngăn chặn sự di chuyển của cá và các sinh vật sống dưới nước nên cần được giới hạn ở mức tối thiểu Nếu như trên cùng một dòng sông có một số điểm thải gần nhau thì vùng trộn này cần được bố trí nằm dọc theo cùng một phía tạo cho các sinh vật sống dưới nước một dòng di chuyển liên tục ở phía bờ đối diện [13]

Rất nhiều chất thải trong nước thải sinh hoạt và công nghiệp chứa các chất hữu cơ khi bị sinh vật phân hủy làm giảm nồng độ oxy hòa tan của nước sông Khi nồng độ oxy giảm xuống, số lượng các loài thủy sinh cũng có xu hướng giảm theo Vì vậy chỉ số nồng độ oxy hòa tan là một trong những chỉ số quan trọng nhất để đánh giá chất lượng nước sông

Một dòng sông bị nhiễm bẩn do các hợp chất hữu cơ được chia thành bốn vùng theo dòng chảy như trên Hình 7 Vùng ngay sau điểm thải là vùng phân rã, ở đây nồng

độ oxy hòa tan giảm rất nhanh do các vi khuẩn đã sử dụng để phân hủy các hợp chất hữu cơ trong nước thải Tiếp đến là vùng phân hủy mạnh các chất hữu cơ, nồng độ oxy hòa tan giảm tới mức thấp nhất Trong vùng này thường xảy ra cả quá trình phân hủy

kỵ khí bùn ở đáy sông, phát sinh mùi hôi thối Đây là môi trường không thuận lợi cho các động vật bậc cao như tôm cá sinh sống Ngược lại, vi khuẩn và nấm phát triển mạnh nhờ sự phân hủy các hợp chất hữu cơ làm giảm BOD và tăng hàm lượng amoniac Ở vùng tái sinh, tốc độ hấp thụ oxy lớn hơn tốc độ sử dụng oxy nên nồng độ oxy hòa tan tăng dần Ở đây amoniac được các vi sinh vật nitrat hóa; các loài giáp xác và các loài cá

22

có khả năng chịu đựng,… tái xuất hiện và tảo phát triển mạnh do hàm lượng các chất dinh dưỡng vô cơ từ quá trình phân hủy các chất hữu cơ tăng lên Vùng cuối cùng là vùng nước sạch, nồng độ oxy được phục hồi trở lại bằng mức ban đầu, còn chất hữu cơ gần như bị phân hủy hết, môi trường nước ở đây đảm bảo cho sự sống bình thường của các loài động vật và thực vật [13]

Hình 7 Ảnh hưởng của ô nhiễm do các chất hữu cơ tới chất lượng dòng sông

23

b) Yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ oxy hòa tan

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ oxy hòa tan trong nước sông như lượng các chất thải sử dụng oxy, quá trình quang hợp của thực vật, quá trình hô hấp của các loài thủy sinh trong đó, sự bổ sung oxy do các nhánh sông hòa nhập vào và quá trình hấp thụ oxy từ khí quyển… Bên cạnh đó, các yếu tố về nhiệt độ, áp suất hay độ cao so với mực nước biển và độ muối cũng ảnh hưởng rất lớn đến khả năng hòa tan oxy vào nguồn nước nói chung và nước thải nói riêng

Trong mối tương quan điển hình, lượng oxy hòa tan trong nước bão hòa sẽ cao hơn đối với nguồn nước có nhiệt độ thấp hơn Nhiệt độ nước cao sẽ dẫn đến sự gia tăng về các dao động phân tử, về cơ bản sẽ làm giảm số lượng không gian trống sẵn có giữa các phân tử nước và như vậy sẽ khó để các phân tử oxy có thể len lỏi vào đó Độ cao (chiều sâu) so với mực nước biển hay áp suất khí quyển cũng ảnh hưởng đến hàm lượng oxy trong nước do sự khác nhau về mật độ phân tán của oxy hiện hữu Vì mật độ oxy trong khí quyển sẽ thấp hơn tại khi tăng dần độ cao nên nồng độ oxy hòa tan bão hòa sẽ thấp hơn trong nước tại mực nước biển, nơi có mật độ oxy khí quyển dày hơn [38]

Bảng 5 Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ cao đến nồng độ oxy hòa tan trong nước

Nguồn: Engineering Toolbox, 2016 [21]

1.4 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Xử lý nước thải chứa các thành phần chất hữu cơ bằng các biện pháp sinh học là rất phổ biến không chỉ trong đại đa số các ngành công nghiệp sản xuất nói riêng mà còn ứng dụng cho loại hình nước thải sinh hoạt hay nước thải đô thị nói chung bởi tính khả thi và tính kinh tế cao của các phương pháp này mang lại Bên cạnh đó, phương pháp

xử lý sinh học có ưu điểm lớn so với các phương pháp xử lý khác ở chỗ chi phí thấp và tính ổn định cao, đặc biệt là hiệu quả xử lý cao ở thời gian lưu ngắn đối với các loại nước thải chứa các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học

Đối với các loại hình nước thải với đặc trưng chứa các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy nói riêng, hiện nay các loại nước thải dạng này đã được nghiên cứu, ứng dụng các

26

phương pháp, hệ thống xử lý một cách rộng rãi và khoa học Nhìn chung, các nghiên cứu vẫn chủ yếu được thực hiện trong phòng thí nghiệm hoặc quy mô pilot thí điểm Đối với nguồn nước thải sinh hoạt, nhóm tác giả Trần Thị Việt Nga và cs (2012) [12] đã nghiên cứu xử lý nước thải đô thị bằng phương pháp sinh học kết hợp màng vi lọc Mô hình phòng thí nghiệm với công suất 5 – 10 L/h ở các chế độ tuần hoàn bùn khác nhau cho kết quả sau 150 ngày vận hành đạt được hiệu suất xử lý chất hữu cơ rất

ổn định với hiệu suất lớn hơn 90%, hệ thống không phải sử dụng các nguồn bổ sung chất hữu cơ hay các hóa chất trợ lắng

Nhóm tác giả Đặng Hạ và Đào Vĩnh Lộc đến từ Trường Đại học Yersin Đà Lạt (2014) [1] cũng đã có nghiên cứu ứng dụng công nghệ SWIM-BED vào trong xử lý nước thải sinh hoạt Mô hình SWIM-BED quy mô phòng thí nghiệm với các thông số vận hành chính như thời gian lưu nước 6,5 – 10 giờ, pH dao động 6,5 – 8 và nồng độ oxy hòa tan duy trì trong khoảng 2 – 3 mg/l sau 90 ngày hoạt động cho hiệu suất xử lý COD lần lượt là 80,1%, 75,7% và 74,1% đối với các tải trọng hữu cơ tương ứng là 0,5; 1,0 và 1,5 km/m3.ngày

Nhóm tác giả Phạm Khánh Huy và cs (2012) [9] đã có nghiên cứu ứng dụng mô hình hồ thủy sinh nuôi bèo lục bình để xử lý nước thải sinh hoạt với hiệu quả xử lý đối với COD, BOD5 đạt khoảng 70%, chất lượng nước thải sau xử lý đạt mức A theo QCVN 14:2008/BTNMT và QCVN 40:2011/BTNMT

Tác giả Trương Thanh Cảnh và cs (2006) [14] từ Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – HCM đã thành công trong nghiên cứu xử lý nước thải đô thị bằng công nghệ sinh học kết hợp lọc dòng ngược USBF Kết quả nghiên cứu cho thấy mô hình USBF rất thích hợp cho xử lý nước thải đô thị, hiệu quả xử lý COD và BOD5 lần lượt vào khoảng 85% và 90% Việc kết hợp 3 mô đun thiếu khí – hiếu khí – lọc ngược trong một quá trình xử lý tạo ra ưu điểm lớn trong việc nâng cao hiệu quả xử lý

Tác giả Nguyễn Thị Như Quyên (2012) [7] từ quá trình nghiên cứu hiện trạng môi trường nước sông Tô Lịch đoạn từ Hoàng Quốc Việt đến Ngã Tư Sở đã xây dựng được

mô hình thống kê miêu tả sự phụ thuộc các thông số nước sông Tô Lịch và phân bố các

27

thông số theo chiều dài sông trong khu vực nghiên cứu

Nghiên cứu của nhóm tác giả Phạm Mạnh Cổn và cs (2012) [10] về chất lượng nước mặt khu vực nội thành Hà Nội cũng cho thấy nước sông đang trong trạng thái ô nhiễm về các chất hữu cơ, dinh dưỡng N, P có nguồn gốc nhân sinh Giá trị Nts dao động trong khoảng từ 2,7 – 15,6 mg/l, Pts dao động trong khoảng 0,13 – 0,71 mg/l, thông số COD quan trắc được dao động trong khoảng 7 – 60 mg/l Các mẫu quan trắc trong nghiên cứu này được thực hiện trong các đợt trong lũ và sau lũ nhằm đánh giá sự ảnh hưởng của nước mưa đến chất lượng nước mặt, kết quả cho thấy sự khác biệt có ý nghĩa thống kê về chất lượng nước trong lũ và sau lũ

Các nghiên cứu ngoài nước liên quan đến đối tượng nước thải sinh hoạt được thực hiện rộng rãi trên rất nhiều quốc gia, khu vực và đều đạt được những kết quả khả quan Nghiên cứu của Carlos M và cs (2016) [17] tại Brazil đã áp dụng mô hình mô phỏng kết hợp các quá trình kỵ khí và hiếu khí trong việc xử lý đồng thời chất hữu cơ và nitơ Kết quả thí nghiệm cho thấy với tỷ lệ COD/NO3- là 10 và thời gian lưu nước là 15 giờ

sẽ cho hiệu quả xử lý đồng thời cả chất hữu cơ và nitơ đạt ổn định

Nhóm tác giả Steven D M và Frederic D L L (2016) [35] đến từ Úc đã có những

so sánh phân tích tổng hợp về các công nghệ xử lý, loại bỏ yếu tố chất hữu cơ vi lượng khỏi nước thải sinh hoạt Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng công nghệ được sử dụng rộng rãi nhất là phương pháp bùn hoạt tính truyền thống và ít phổ biến là phương pháp lọc sinh học nhỏ giọt, cả hai phương pháp này đều cho hiệu quả loại bỏ tổng thể các chất hữu cơ vi lượng là tương đối thấp Phương pháp lọc màng được cho là có khả năng đạt được hiệu quả loại bỏ tốt nhất nhưng lại gặp nhược điểm là vấn đề ổn định và khả thi về kinh tế Xử lý bằng hệ thống mương oxy hóa có thể mang tính kinh tế hơn mà vẫn đạt được hiệu quả loại bỏ chất hữu cơ vi lượng tương đối cao

28

CHƯƠNG 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu

2.1.1 Chất lượng nguồn nước sông Tô Lịch

Những năm đầu thập kỷ 90 của thế kỷ 20, sông Tô Lịch bắt đầu có hiện tượng ô nhiễm Từ năm 1997, Công ty cấp thoát nước Hà Nội đã điều tra và xây dựng phương

án xử lý ô nhiễm môi trường hệ thống sông Tô Lịch Từ năm 1999 đến 2003, Viện hoá học các hợp chất thiên nhiên đã nghiên cứu chất lượng nước hệ thống sông Nhuệ và sông Tô Lịch bằng cách tiến hành quan trắc theo từng tháng một số chỉ tiêu về DO, độ đục, NO3-, PO43-, NH4+, Pts,… Sở Tài nguyên và Môi trường Hà Nô ̣i cũng đã tiến hành quan trắc lưu vực sông Tô Li ̣ch vào mùa khô và mùa mưa hàng năm Theo đó, chất lượng nước sông ngày càng ô nhiễm nghiêm trọng [7]

Từ năm 1999 đến nay, đã có nhiều đơn vị lập đề án nghiên cứu, khảo sát, đề xuất các biện pháp “giải cứu” lưu vực sông Tô Lịch (bao gồm cả sông Sét, sông Nhuệ, sông Kim Ngưu, sông Lừ) Cụ thể, từ năm 1997, Công ty Cấp thoát nước Hà Nội đã điều tra

và xây dựng phương án xử lý ô nhiễm môi trường hệ thống sông Tô Lịch Năm 2003, sông Tô Lịch bắt đầu được nạo vét và kè hai bên bờ theo dự án thoát nước TPHN (giai đoạn 1) nên chất lượng nước sông được cải thiện một phần

Năm 2014, cùng với đề xuất xây dựng hệ thống cống thu gom và nhà máy xử lý nước thải, Sở Tài nguyên và Môi trường đề xuất hai biện pháp giải cứu tình trạng ô nhiễm ở sông Tô Lịch, bao gồm: Đưa nước từ sông Hồng vào sông Tô Lịch, thông qua

hệ thống hồ lắng để giảm lượng phù sa trước khi đưa nước chảy vào sông Tô Lịch tại điểm cống Nghĩa Đô (chảy dọc công viên Nghĩa Đô và đường Nguyễn Khánh Toàn) Mục tiêu đề ra là biến sông Tô Lịch thành một địa điểm du lịch hấp dẫn, người dân có thể đi dạo hai bên bờ sông

Tuy nhiên, sau nhiều năm khởi xướng, các dự án XLNT đối với sông Tô Lịch và các con sông khác vẫn chưa đi vào triển khai, hàng triệu người dân hai bên bờ sông vẫn phải chịu đựng mùi hôi thối từ hàng nghìn m3nước thải đủ loại, bốn dòng sông thoát nước chính của Hà Nội đều đang trong tình trạng ô nhiễm, đặc biệt là các vùng hạ lưu

Hệ thiết bị được thiết kế phục vụ nghiên cứu gồm 3 cột ống nhựa đại diện cho 3

mô đun với các điều kiện thí nghiệm khác nhau Cột ống được sử dụng trong nghiên cứu

30

là loại ống nhựa acrylic trong suốt, đường kính ống  = 90 mm, chiều dài ống L = 2000

mm và độ dày thành ống W = 3 mm Các mô đun trong nghiên cứu được thiết kế với chiều cao cột nước là 4 m, vì vậy hai cột ống với chiều dài mỗi cột là 2 m sẽ được ghép lại với nhau bằng mặt bích được gia công từ nhựa mica có sử dụng keo dán, tổng cộng cần 6 ống kích thước 90×3×2000 cho 3 mô đun Đáy của các cột có bố trí thêm van xả nước thải, phục vụ cho quá trình thay nước cũng như lau dọn vệ sinh sau các lần tiến hành thí nghiệm

Máy thổi khí sử dụng trong hệ thí nghiệm là model XU125D6 của Đức với các thông số kỹ thuật: áp suất thổi khí 1,3 bar; lưu lượng thổi khí là 2,7 m3/phút và công suất tiêu thụ là 50W Lưu lượng kế đo dòng khí sử dụng trong hệ thí nghiệm là loại có van điều tiết, model DK 800-6 với dải đo dao động từ 50 – 500 lít/giờ

Mẫu nước sử dụng cho hệ sục khí là mẫu lấy tại điểm quan trắc số 6 – Cầu Lủ Sở

dĩ lựa chọn vị trí lấy mẫu này làm đại diện cho nước sông Tô Lịch bởi đây là địa điểm nằm tại khu vực trung lưu của sông Tô Lịch, không quá gần về thượng nguồn hay hạ nguồn Quá trình đánh giá khả năng xử lý chất hữu cơ của biện pháp sục khí được thực hiện gián tiếp thông qua việc theo dõi sự biến động của hai thông số chính là DO và COD trong nước thải theo thời gian sục khí

2.3 Phương pháp nghiên cứu

Trình tự và các phương pháp thực hiện nghiên cứu của luận văn được trình bày khái quát trong Hình 10 dưới đây

31

Hình 10 Sơ đồ trình tự, phương pháp nghiên cứu

Quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn có thể khái quát qua 5 bước chính:

 Bước 1: Thu thập, tham khảo và tổng quan các tài liệu liên quan đến vấn đề nghiên cứu

 Bước 2: Khảo sát hiện trường và tiến hành lựa chọn khu vực, phạm vi nghiên cứu