Tài liệu Nghiên cứu sự hình thành và phát tán hydrosunfua từ sông tô lịch

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _______________________ Nguyễn Hữu Huấn NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TÁN HYĐROSUNFUA TỪ SÔNG TÔ LỊCH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Hà Nội - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _______________________ Nguyễn Hữu Huấn NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TÁN HYĐROSUNFUA TỪ SÔNG TÔ LỊCH Chuyên ngành: Môi trường đất và nước Mã số: 62 85 02 05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TSKH. Nguyễn Xuân Hải 2. PGS. TS. Trần Yêm Hà Nội - 2015 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể cán bộ hướng dẫn. Các kết quả nghiên cứu trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Các trích dẫn sử dụng trong luận án đã ghi rõ tên tài liệu tham khảo và tác giả của tài liệu đó. Tác giả luận án Nguyễn Hữu Huấn ! LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án này, tác giả đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của PGS.TSKH. Nguyễn Xuân Hải, và PGS.TS. Trần Yêm, những người Thầy đã trực tiếp hướng dẫn và chỉ dẫn những định hướng nghiên cứu, kiến thức chuyên môn, và hơn hết là truyền cho tác giả lòng đam mê khoa học và tinh thần tự giác trong học tập nghiên cứu. Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc về sự giúp đỡ quý báu này với các Thầy, những người đã hết lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tác giả học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn tới các Thầy, Cô và tập thể cán bộ trong Khoa Môi trường, Phòng Sau Đại học, Trường ĐHKHTN, ĐHQG Hà Nội đã đóng góp những ý kiến chân thành, bổ ích giúp tác giả nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến tập thể cán bộ Phòng thí nghiệm Nông nghiệp số 18, Viện Nước, Tưới tiêu và Môi Trường, và Trung tâm Nghiên cứu Quan trắc và Mô hình hóa Môi trường, Trường ĐHKHTN, ĐHQG Hà Nội đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả có thể hoàn thiện luận án này. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới lãnh đạo các cơ quan nơi tác giả công tác, đồng nghiệp tại Công ty Cổ phần tư vấn xây dựng điện 1, và Viện Nước, Tưới tiêu & Môi trường đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận án này. Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới những người thân yêu trong gia đình, đã luôn ở bên cạnh và động viên tác giả cả về vật chất và tinh thần để tác giả vững tâm hoàn thành luận án của mình. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc về tất cả sự giúp đỡ quý báu này! Tác giả luận án Nguyễn Hữu Huấn ! MỤC LỤC LỜI  CAM  ĐOAN LỜI  CÁM  ƠN MỤC LỤC 1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 5 DANH MỤC CÁC BẢNG 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ,  ĐỒ THỊ 8 MỞ ĐẦU 12 1. Sự cần thiết nghiên cứu của luận án 12 2.  Ý  nghĩa  khoa  học và thực tiễn của luận án 14 3. Mục tiêu nghiên cứu 15 4. Những  đóng  góp  mới của luận án 15 Chương  1:  TỔNG QUAN TÀI LIỆU 17 1.1. Chu trình sunfua 17 1.1.1. Nguồn phát sinh sunfua 17 1.1.2. Các dạng  sunfua  trong  môi  trường  nước 19 1.2. Tính chất lý, hóa học của H2S 20 1.2.1. Tính chất lý, hóa học của H2S, SO2 và VOSC 20 1.2.2. Quá trình ô xy hóa sunfua 22 1.2.3. Quá trình kết tủa sunfua 24 1.3.  Tác  động  môi  trường của khí H2S 26 1.3.1.  Độc tính của khí H2S 26 1.3.2.  Quá  trình  ăn  mòn  có  nguồn gốc sinh học trong HTTN 28 1.3.3.  Ăn  mòn  kim  loại và vật liệu sơn  trong  không  khí  có  H2S 33 1.4. Quá trình hình thành sunfua và các yếu tố ảnh  hưởng  đến quá trình này trong HTTN thải 34 1.4.1. Quá trình hình thành sunfua trong HTTN thải 34 1.4.2. Các yếu tố ảnh  hưởng  đến sự hình thành sunfua trong HTTN thải 38 1.4.2.1. Thế ô xy hóa khử 38 1 1.4.2.2. Nhiệt  độ 40 1.4.2.3. Chất hữu  cơ 41 1.4.2.4. pH 41 1.4.2.5.  Hàm  lượng sunfat 42 1.4.3. Mô hình dự báo sự hình thành sunfua trong HTTN thải 42 1.5. Quá trình phát tán H2S trong HTTN thải 46 1.5.1. Tiếp cận lý thuyết 46 1.5.2. Mô hình tiếp cận dựa trên lý thuyết màng kép 46 1.5.3. Phát thải H2S từ đất ngập  nước 49 1.6. Các biện pháp xử lý ô nhiễm H2S trong HTTN thải 50 1.6.1. Quá trình chuyển  hóa  lưu  huỳnh  trong  nước thải 50 1.6.2. Các biện pháp xử lý 51 Chương  2:   ĐỐI   TƯỢNG, NỘI   DUNG   VÀ   PHƯƠNG   PHÁP   NGHIÊN   CỨU 54 2.1.  Đối  tượng nghiên cứu 54 2.1.1. Hệ thống  thoát  nước thải trung tâm TPHN 54 2.1.2.  Các  hướng  thoát  nước  chính  lưu  vực sông Tô Lịch 56 2.1.3.  Kênh  thoát  nước cấp I 56 2.1.4. Phạm vi nghiên cứu 59 2.2.  Phương  pháp  nghiên  cứu 60 2.2.1.  Phương  pháp  thực hiện 60 2.2.2.  Phương  pháp  lấy mẫu và bảo quản mẫu 61 2.2.3.  Phương  pháp  phân  tích  các  mẫu  nước, trầm tích và không khí 66 2.2.4.  Phương  pháp  phân  tích  dự báo phát thải H2S 67 2.2.5.  Phương  pháp  đánh  giá  chỉ số ô nhiễm  môi  trường  nước mặt 68 2.2.6.  Phương  pháp  tính  hệ số trầm tích 69 2.2.7. Mô hình METI-LIS 69 2.2.7.1.  Mô  hình  cơ  sở Gauss 69 2.2.7.2. Mô hình METI-LIS và hiệu chỉnh mô hình 70 2 2.2.8. Thời  gian  và  điều kiện  khí  tượng thời  điểm lấy mẫu 72 Chương  3:  KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 74 3.1. Hiện trạng HTTN thải TPHN 74 3.2. Chất  lượng trầm  tích  và  nước sông Tô Lịch 77 3.2.1. Chất  lượng trầm tích trên sông Tô Lịch 77 3.2.2. Chất  lượng  nước trên sông Tô Lịch 79 3.3. Biến  động một số tính chất hóa-lý trong trầm  tích  và  nước sông Tô Lịch 86 3.3.1.  Động thái Eh trong trầm  tích  và  nước sông Tô Lịch 86 3.3.2.  Động thái pH trong trầm tích và  nước sông Tô Lịch 92 3.3.3.  Động thái sunfua và H2S  trong  nước sông Tô Lịch 95 3.4. Một số yếu tố ảnh  hưởng  đến sự hình  thành  sunfua  trong  nước sông Tô Lịch 97 3.4.1. Quan hệ giữa  hàm  lượng sunfua và Eh 97 3.4.2. Quan hệ giữa Lg[S]/[SO4] và Eh 99 3.4.3. Quan hệ giữa  hàm  lượng sunfua và sunfat 101 3.4.4. Quan hệ giữa  hàm  lượng sunfua và pH 104 3.4.5. Quan hệ giữa  hàm  lượng sunfua và ion kim loại 105 3.4.6. Quan hệ giữa  hàm  lượng sunfua và COD, BOD5 106 3.4.7. Quan hệ giữa  hàm  lượng sunfua và nhiệt  độ 107 3.4.8. Quan hệ giữa  hàm  lượng sunfua và DO 109 3.5. Mô hình dự báo khả năng  hình  thành  sunfua  trên  sông  Tô  Lịch 112 3.6. Phát thải H2S trên sông Tô Lịch 115 3.6.1. Kiểm  định mô hình phát thải H2S 115 3.6.2. Thời gian tồn  lưu  của H2S  trong  môi  trường  nước và không khí 118 3.7. Kiểm  định mô hình lan truyền khí H2S 119 3.7.1. Kết quả quan trắc  hàm  lượng H2S trong không khí 119 3.7.2. Tỷ lệ phát thải H2S từ nước sông Tô Lịch 119 3.7.3. Kiểm  định mô hình METI-LIS 120 3 3.7.4. Áp dụng mô hình METI-LIS cho sông Tô Lịch 123 3.8.   Cơ   sở khoa học và giải pháp kỹ thuật giảm thiểu ô nhiễm H2S từ nước sông Tô Lịch 125 3.8.1.  Cơ  sở khoa học 125 3.8.2.   Đề xuất giải pháp kỹ thuật giảm thiểu ô nhiễm H2S từ sông Tô Lịch 126 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 128 Kết luận 128 Kiến nghị 129 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN  ĐẾN LUẬN ÁN 130 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT 131 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG ANH 133 PHỤ LỤC 150 4 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT Ý  nghĩa Từ viết tắt 1 BOD Nhu cầu ô xy sinh hóa 2 CHC Chất hữu  cơ 3 COD Nhu cầu ô xy hóa học 4 DO Ô xy hòa tan 5 Eh Thế ô xy hóa khử 6 HTTN Hệ thống  thoát  nước 7 KLN Kim loại nặng 8 KPT Không phân tích 9 KTT Khu tiêu thoát 10 MIC Ăn  mòn  bê  tông  có  nguồn gốc sinh học 11 MPB Vi sinh vật sinh khí mê tan 12 NTBV Nước thải bệnh viện 13 NTCN Nước thải công nghiệp 14 NTDV Nước thải kinh doanh dịch vụ 15 NTSH Nước thải sinh hoạt 16 NTSX Nước thải sản xuất (tính bằng NTCN + NTDV) 17 SBOD Nhu cầu ô xy sinh hóa của trầm tích 18 SCOD Nhu cầu ô xy hóa học của trầm tích 19 SOB Vi sinh vật ô xy hóa sunfua 20 SOD Nhu cầu ô xy của trầm tích 21 SRB Vi sinh vật khử sunfat 22 TSS Chất rắn  lơ  lửng 23 TPHN Thành phố Hà Nội 24 VOSC Chất hữu  cơ  bay  hơi  chứa  lưu  huỳnh 25 VSV Vi sinh vật 26 WQI Chỉ số chất  lượng  nước 5 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng  1.1.  Ước tính về nguồn khí H2S trên thế giới 17 Bảng 1.2. Thời gian tồn  lưu  trong  không  khí  của một số loại khí (ngày) 19 Bảng 1.3. So sánh tính chất vật lý và hóa của H2S, SO2 và VOSC. 21 Bảng 1.4. Mức  độ độc tiềm  năng  của một số chất  độc hại  quy  đổi  tương   đương  hợp chất para-Diclorobenzen 26 Bảng 1.5. Tốc  độ ăn  mòn  bê  tông  do  MIC  gây  ra 33 Bảng 1.6. Khoảng giá trị Eh thích hợp  để sinh khí H2S và CH4 do VSV trong HTTN thải 39 Bảng 1.7. Một số công thức dự báo sự hình thành sunfua 44 Bảng 1.8. Mức phát thải của H2S từ một số nguồn khác nhau 50 Bảng 2.1. Thông tin chính về các con sông khu vực trung tâm TPHN 54 Bảng 2.2. Vị trí lấy mẫu  nước, trầm tích và quan trắc tỷ lệ phát thải khí H2S trên sông Tô Lịch 62 Bảng 2.3. Vị trí lấy mẫu khí H2S khu vực  Đập Thanh Liệt 62 Bảng  2.4.  Các  phương  pháp  phân  tích  chất  lượng  nước 66 Bảng  2.5.  Các  phương  pháp  phân  tích  chất  lượng trầm tích, và không khí 67 Bảng 2.6. Các thông số áp dụng tính tỷ lệ phát thải khí H2S 68 Bảng  2.7.  Thông  tin  chung  các  đợt lấy mẫu  môi  trường 72 Bảng  3.1.  Lưu  lượng xả nước thải (m3/ngày) khu vực trung tâm TPHN 74 Bảng 3.2. Phân vùng các tiểu  KTT  nước dọc theo sông Tô Lịch 77 Bảng 3.3. Một số thông số chất  lượng trầm tích sông Tô Lịch 78 Bảng 3.4. Hàm lượng và thải  lượng một số chất ô nhiễm xả vào sông Tô Lịch 81 Bảng 3.5. Thải  lượng một số chất ô nhiễm ở trầm  tích  và  nước sông Tô Lịch 82 Bảng 3.6. Chỉ số WQI của  nước sông Tô Lịch  giai  đoạn 2009 ÷ 2013 82 Bảng 3.7. Giá trị chỉ số WQI trên sông Tô Lịch  giai  đoạn  2003  đến 2013 85 Bảng 3.8. Giá trị Eh  trong  nước và trầm tích trên sông Tô Lịch 86 6 Bảng 3.9. Giá trị pH nước tầng mặt sông Tô Lịch theo mùa 93! Bảng 3.10. Động thái sunfua và H2S theo mùa (giai đoạn 2009 ÷ 2013) 95! Bảng 3.11. So sánh lượng H2S trong giai đoạn từ 1999 ÷ 2000 đến 2009 ÷ 2013 96! Bảng 3.12. Giá trị Eh và sunfua trong nước tầng mặt trên sông Tô Lịch 98! Bảng 3.13. So sánh hệ số tương quan (R2) giữa Eh và hàm lượng sunfua với Eh và Lg[S]/[SO4] trong tầng nước mặt trên sông Tô Lịch 101! Bảng 3.14. Diễn biến hàm lượng sunfua, sunfat trong nước tầng mặt trên sông Tô Lịch 102! Bảng 3.15. Động thái sunfua và pH trong nước sông Tô Lịch 104! Bảng 3.16. Hàm lượng sunfua, Fe, và As trong nước tầng mặt sông Tô Lịch 105! Bảng 3.17. Hàm lượng sunfua và giá trị COD, BOD5 trong nước tầng mặt trên sông Tô Lịch 107! Bảng 3.18. Hàm lượng sunfua và nhiệt độ trong nước sông Tô Lịch 109! Bảng 3.19. Quan hệ giữa sunfua và DO 110! Bảng 3.20. Tỷ lệ phát thải H2S từ nước sông Tô Lịch 116! Bảng 3.21. So sánh mức phát thải của H2S trong nước sông Tô Lịch với các nghiên cứu trước đây 116! Bảng 3.22. Kết quả quan trắc và dự báo bằng mô hình METI-LIS 119! Bảng 3.23. Tỷ lệ phát thải khí H2S (RH2S) từ sông Tô Lịch 120! Bảng 3.24. Kết quả quan trắc và dự báo bằng mô hình METI-LIS 123! 7 ! DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ,  ĐỒ THỊ Hình  1.1.  Sơ  đồ chuyển hoá sunfua trong HTTN thải 18 Hình  1.2.  Độ hòa tan của các dạng  sunfua  thay  đổi theo giá trị pH trong môi  trường  nước (ở 20 0C, NaCl 2 %) 20 Hình  1.3.  Sơ  đồ sự tồn tại và các quá trình chuyển hóa của sunfua 20 Hình  1.4.  Chu  trình  lưu  huỳnh trong màng sinh học của HTTN thải 22 Hình 1.5. Sự ô xy hóa sunfua theo các trạng thái ôxy hóa của  lưu  huỳnh 23 Hình 1.6. Độ hòa tan của một số sunfua kim loại theo giá trị pH 25 Hình 1.7. Dải phạm  vi  độc tính của H2S 28 Hình 1.8. Quá trình MIC trong HTTN thải 30 Hình 1.9. Quan hệ tỷ lệ sunfua hình thành với chiều dầy lớp bùn 37 Hình 1.10. Sự phân tầng của ô xy (nét liền) và H2S   (nét   đứt) trong hồ Solar 38 Hình  1.11.  Điều kiện  môi  trường  liên  quan  đến sự hình thành sunfua 40 Hình 1.12. Quan hệ giữa pH và tốc  độ hình thành sunfua 41 Hình 1.13. Mô hình lý thuyết màng kép 47 Hình 1.14. Sự chuyển hóa các dạng sunfua trong môi  trường  nước ở 20 0 C 48 Hình  1.15.  Các  quá  trình  liên  quan  đến chu trình sunfua trong HTTN thải 51 Hình  1.16.  Các  phương  pháp  xử lý H2S  trong  nước thải 53 Hình  2.1.  Các  KTT  và  các  sông  thoát  nước thải trung tâm TPHN 55 Hình  2.2.  Sơ  đồ phương  pháp  nghiên  cứu 60 Hình  2.3.  Sơ  đồ vị trí lấy mẫu 61 Hình  2.4.  Sơ  đồ vị tri quan trắc khí H2S khu vực  Đập Thanh Liệt 63 Hình  2.5.  Sơ  đồ mô tả cân bằng vật chất trong hộp lấy mẫu kín 64 Hình  2.6.  Sơ  đồ lấy mẫu  đánh  giá  mức phát thải khí 64 Hình 2.7. Thiết kế hộp lấy mẫu  đánh  giá  mức phát thải H2S 65 Hình 2.8. Lấy mẫu quan trắc tỷ lệ phát thải H2S trên sông Tô Lịch 66 Hình 3.1. Tỷ lệ xả NTSH của khu vực trung tâm TPHN vào các KTT 75 8 Hình 3.2. Tỷ lệ các loại nước thải của khu vực trung tâm TPHN 76! Hình 3.3. So sánh thành phần cấp hạt trầm tích sông Tô Lịch (2005 ÷ 2012) 79! Hình 3.4. Tổng lượng trầm tích lắng đọng và thải lượng các chất ô nhiễm lắng đọng trong trầm tích sông Tô Lịch 80! Hình 3.5. Tỷ lệ đóng góp thải lượng một số chất ô nhiễm theo nguồn thải vào sông Tô Lịch 81! Hình 3.6. Tỷ lệ đóng góp của các thông số hóa-lý và VSV trong chỉ số WQI 83! Hình 3.7. Diễn biến WQI nước sông Tô Lịch 2009 ÷ 2013 84! Hình 3.8. Quan hệ giữa WQI và tỷ lệ tiêu thoát NTSH trên sông Tô Lịch 85! Hình 3.9. So sánh chỉ số WQI giai đoạn 2003 đến 2013 85! Hình 3.10. Giá trị Eh trong trầm tích, nước tầng mặt và nước tầng đáy trên sông Tô Lịch 87! Hình 3.11. Diễn biến Eh tầng nước mặt dọc theo sông Tô Lịch 88! Hình 3.12. Diễn biến Eh tầng nước mặt theo tỷ lệ tiêu thoát nước mưa trên sông Tô Lịch 89! Hình 3.13. Diễn biến Eh tầng nước mặt theo tỷ lệ tiêu thoát NTSH trên sông Tô Lịch 89! Hình 3.14. Quan hệ Eh và nồng độ sunfua 91! Hình 3.15. Giá trị pH tầng mặt nước sông Tô Lịch 93! Hình 3.16. Giá trị pH của các tầng nước và trầm tích sông Tô Lịch 93! Hình 3.17. Quan hệ giữa pH và tỷ lệ tiêu thoát nước mưa trên sông Tô Lịch 94! Hình 3.18. Quan hệ giữa pH và tỷ lệ thải NTSH trên sông Tô Lịch 94! Hình 3.19. Quan hệ H2S trong nước và tỷ lệ tiêu thoát NTSH trên sông Tô Lịch (2009÷2013) 96! Hình 3.20. So sánh hàm lượng H2S (mg/L) trong nước sông Tô Lịch giai đoạn từ 1999÷2000 đến 2009÷2013. 97! 9 ! Hình 3.21. Diễn biến  hàm  lượng  sunfua  và  Eh  trong  nước tầng mặt trên sông Tô Lịch 97 Hình 3.22. Quan hệ giữa  Eh  và  hàm  lượng sunfua của  nước tầng mặt trên sông Tô Lịch  trong  mùa  mưa  (a)  và  mùa  khô  (b) 99 Hình 3.23. Quan hệ giữa Eh với Lg[S]/[SO4] trong tầng   nước mặt trên sông Tô Lịch  theo  mùa  mưa  (a)  và  mùa  khô  (b) 100 Hình 3.24. Quan hệ giữa Eh với Lg[S]/[SO4] trong tầng   nước   đáy   trên   sông Tô Lịch vào mùa khô 101 Hình 3.25. Diễn biến   hàm  lượng  sunfua  và  sunfat  theo  mùa  trong   nước tầng mặt trên sông Tô Lịch 103 Hình 3.26. Quan hệ giữa   hàm   lượng sunfua và sunfat trong tầng   nước mặt trên sông Tô Lịch 103 Hình 3.27. Diễn biến sunfua và pH trên sông Tô Lịch 104 Hình 3.28. Diễn biến  hàm  lượng sunfua và Fe, As trên sông Tô Lịch mùa khô 106 Hình 3.29. Diễn biến  hàm  lượng sunfua và Fe, As trên sông Tô Lịch mùa mưa 106 Hình 3.30. Quan hệ sunfua, COD và BOD5 trên sông Tô Lịch  mùa  mưa 108 Hình 3.31. Quan hệ sunfua, COD và BOD5 trên sông Tô Lịch mùa khô 108 Hình 3.32. Quan hệ sunfua và nhiệt  độ trong  nước tầng mặt trên sông Tô Lịch 109 Hình 3.33. Giá trị sunfua và DO theo mùa 110 Hình 3.34. Quan hệ hàm  lượng sunfua và DO trên sông Tô Lịch (n=32) 111 Hình 3.35. Quan hệ giữa khả năng  hình  thành  sunfua  và  DO 111 Hình 3.36. Quan hệ giữa  hàm  lượng H2S dự báo và quan trắc 114 Hình 3.37. Tỷ lệ đóng  góp  các  yếu tố chi phối  đến  lượng H2S hình thành được dự báo từ mô hình 115 Hình 3.38. Quan hệ giữa giá trị dự báo và thực nghiệm của mức phát thải H2S 117 10 Hình 3.39. Giá trị quan trắc H2S khu vực Thôn Trung và Bằng A 119 Hình 3.40. Kết quả kiểm  định mô hình METI-LIS 122 Hình 3.41. Kết quả quan trắc và dự báo từ mô hình METI-LIS 122 Hình 3.42. Quan hệ giữa  hàm  lượng H2S quan trắc và giá trị dự báo từ mô hình METI-LIS 123 Hình 3.43. Lan truyền ô nhiễm H2S từ sông Tô Lịch 124 Hình  3.44.  Sơ  đồ thiết bị sục  khí  cưỡng bức kiểu ống chữ U 127 11 MỞ ĐẦU 1. Sự cần thiết nghiên cứu của luận án Trong thời kỳ hiện  đại hoá, công nghiệp hoá, cùng với  quá  trình  đô  thị hoá ở Việt Nam nói chung và mở rộng phát triển Thành phố Hà Nội (TPHN) nói riêng, nhu cầu về nước cho các hộ dùng  nước ngày một  gia  tăng,  mức xả nước thải sinh hoạt (NTSH) và nước thải sản xuất (NTSX) cũng  gia  tăng.  Do  vậy, chất  lượng môi trường   nước cũng   đang   ngày   càng bị suy giảm nghiêm trọng,   đặc biệt là nguồn nước mặt. Các nguồn gây ô nhiễm trên các hệ thống  thoát  nước (HTTN) ngày càng xuất hiện nhiều,  đa  dạng và khó kiểm soát [15, 16, 108]. Ở khu vực trung tâm TPHN, bốn con sông đóng  vai  trò  như  là  hệ thống kênh cấp I cho HTTN bao gồm: sông Tô Lịch, Sông Lừ, sông Sét và sông Kim   Ngưu.   Tổng  lượng  nước thải của khu vực trung tâm TPHN năm  2009  ước tính vào khoảng 750.000 m3/ngày   đêm,   trong   đó   chỉ có khoảng 10 % là nước thải đã   được xử lý, phần còn lại  được xả thải ra sông chưa qua xử lý [147].  Theo  đánh  giá  chung,  tất cả các  dòng  sông  này  đều  đang  bị ô nhiễm nặng do tải  lượng lớn của các chất hữu  cơ   (CHC),  vô  cơ,  vi sinh vật (VSV)…  Các con sông trong khu vực trung tâm TPHN, đều có mầu   đen   đặc (do   lượng CHC 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 nhân dân [5,7, 15, 16, 101, 102, 147]. 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 ô nhiễm nặng cả về phương  diện CHC, kim loại nặng (KLN) và VSV [81, 104, 106]. Chất  lượng  nước trên sông Tô Lịch  không  đáp  ứng  được tiêu chuẩn chất  lượng  nước  tưới về phương   diện ô nhiễm KLN theo tiêu chuẩn  nước  tưới của WHO và có thể gây ô nhiễm  đất và  tích  lũy  trong  sản phẩm nông nghiệp [105], về phương  diện các CHC 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  [122]. 12 Cơ  chế hình thành sunfua trong  môi  trường  đất ngập  nước liên quan chặt chẽ đến quá trình phân giải CHC do hoạt  động của VSV khử sunfat (Sulfate Reducing Bacteria - SRB). Sự hình thành sunfua  trong  nước thải không chỉ phụ thuộc  vào  đặc trưng  khí  hậu, tính chất vật lý của HTTN như  vận tốc dòng chảy,  độ dốc, thời gian lưu…  mà  còn  phụ thuộc nhiều vào các tính chất hóa học của  nước thải  như  pH,  thế ô xy hóa - khử (Redox Potential - Eh), nhu cầu ô xy sinh học (Biological Oxygen Demand - BOD5)...  Trong  đó  các yếu tố ảnh  hưởng  chính  đến sự hình thành sunfua là: Sunfat, Eh, pH, nhiệt  độ (T) và BOD5 [70, 142, 153]. Hiện nay, có nhiều mô hình dự báo quá trình hình thành sunfua trong HTTN thải đã  được công bố trên thế giới, nhưng việc áp dụng các mô hình này bị hạn chế do ảnh  hưởng của các yếu tố khí hậu (vùng, miền) và phụ thuộc nhiều  vào  đặc  trưng   của HTTN cũng  như  tính  chất của  nước thải [61, 66]. Việc áp dụng các mô hình dự báo   trong   điều kiện ở Việt Nam cần phải có sự kiểm chứng tính phù hợp và xây dựng các hệ số phù hợp với  đặc  điểm riêng của HTTN, hoặc cần phải phát triển xây dựng mô hình dự báo riêng. Đặc biệt là khi áp dụng  trong  điều kiện HTTN thải kết hợp trên hệ thống kênh hở (sông  thoát  nước thải)  như  ở TPHN [102]. Ở Việt   Nam,   đã   có   một số nghiên cứu về hệ thống cấp   thoát   nước, môi trường các sông, tuy nhiên chưa  đề cập,  chú  ý  đến nguồn xả thải, cơ  chế hình thành và khả năng  phát  thải một số khí  độc có ảnh  hưởng sức khoẻ người dân và gây thiệt hại cho HTTN. Các nghiên cứu về khí H2S và các CHC bay  hơi  có  chứa  lưu  huỳnh (Volatile Organic Sulfur Compound - VOSC) còn thiếu  định  lượng, 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 của  nước ngoài. Các nghiên cứu  trong  nước  cũng  chưa  đề cập  đến các hoạt  động kiểm chứng các mô hình dự báo, thực nghiệm  đo  đạc phát thải khí H2S từ các HTTN thải, các mô hình dự báo lan truyền khí H2S và ảnh  hưởng của khí H2S  đến tuổi thọ của các công  trình  cũng  như  môi  trường và sức khoẻ của cộng  đồng [15, 16, 74, 148]. Do  đó,  việc nghiên cứu về cơ  chế hình thành sunfua và phát tán khí H2S, từ đó  đề xuất  được giải pháp giảm thiểu sự hình thành sunfua và khả năng  phát thải khí 13 H2S trên hệ thống  sông  thoát  nước thải  trong  điều kiện cụ thể ở Việt Nam là rất cần thiết, có   ý   nghĩa   khoa   học và thực tiễn cao. Xuất phát từ những mối liên quan và những vấn  đề bất cập nói trên, luận án đã  được tiến hành. 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,   cơ   chế phát thải, lan truyền và khuếch tán của khí H2S  trong  điều kiện thực tế của hệ thống kênh hở,  sông  thoát  nước thải ở TPHN. Luận  án  đã  đóng  góp  cơ  sở khoa học trong việc  xác  định các yếu tố chi phối chính   đến quá trình hình thành sunfua trong hệ thống   sông   thoát   nước 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 trong   điều kiện thực tế 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 mô hình METI-LIS, và hiệu chỉnh mô hình này trong nghiên cứu của luận  án  cũng  là  cơ  sở khoa học  để có thể hiệu chỉnh, và áp dụng rộng rãi mô hình METI-LIS vào thực tiễn trong công tác dự báo khả năng  lan  truyền chất ô nhiễm từ nguồn 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 (nguồn phát thải từ các hoạt  động sản xuất  nông  nghiêp,  chăn  nuôi,  nhà  máy  xử lý nước thải…)  cũng  như  nguồn  có  độ cao thấp  hơn  mặt  đất (kênh hở,  sông  thoát  nước thải, ao, hồ ổn  định  nước thải…). Luận  án  đã  cải tiến và thiết kế thiết bị lấy mẫu quan trắc tại hiện  trường  để xác  định tỷ lệ phát thải các chất khí từ mặt  nước. Thiết bị lấy mẫu quan trắc tỷ lệ phát thải khí H2S cải tiến không chỉ áp dụng  được cho việc quan trắc tỷ lệ phát thải khí H2S từ mặt  nước mà còn mở ra khả năng  áp dụng  đối với nhiều loại  khác  như   CH4, NO2,  NO…  phát  thải từ đất ngập  nước, hay từ môi  trường  đất.  Đóng  góp  về 14 mặt thực tiễn của giải pháp thiết kế cải tiến thiết bị lấy mẫu quan trắc tỷ lệ phát thải khí từ đất  và  đất ngập  nước  là  cơ  sở giúp cho hoạt  động thực nghiệm  đo  đạc phát thải các loại khí từ đất,  đất ngập  nước với  xu  hướng  tăng  tính  định  lượng của các nghiên cứu,   cũng   như   khả năng   kiểm chứng   các   mô   hình   toán   liên   quan   đến phát thải và lan truyền, khuếch tán các chất khí từ môi  trường  đất  và  đất ngập  nước vào trong không khí ở Việt Nam. 3. Mục tiêu nghiên cứu Đánh  giá  hiện trạng chất  lượng  nước sông Tô Lịch; Đánh  giá  sự hình thành và phát tán H2S từ sông Tô Lịch; Đề xuất giải pháp kỹ thuật giảm thiểu ô nhiễm khí H2S từ nước thải trên hệ thống  sông  thoát  nước thải TPHN. 4. Những  đóng  góp  mới của luận án - Kết quả nghiên cứu 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  trung   bình của khí H2S  trong  môi  trường  nước, thời gian tồn  lưu  trung  bình  của khí H2S trong  không  khí  và  độ cao ảnh  hưởng trong  điều kiện khí hậu ở Việt Nam, góp phần làm  rõ  cơ  sở khoa học của việc  trao  đổi chất của khí H2S từ pha lỏng sang pha khí. - Luận  án  đã  thiết kế, cải tiến thiết bị lấy mẫu quan trắc tỷ lệ phát thải khí H2S từ mặt  nước phù hợp với  điều kiện thực tế ở Việt  Nam,  qua  đó  hoàn  thiện khả năng  áp  dụng  phương  pháp  lấy mẫu quan trắc tỷ lệ phát thải khí H2S từ mặt  nước, đồng thời mở ra  cơ  hội áp dụng cho việc quan trắc tỷ lệ phát thải của các chất khí khác từ môi  trường  đất  và  đất ngập  nước. - 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. - Luận án còn là nghiên cứu  đầu tiên xây dựng  được mô hình dự báo tỷ lệ hình   thành   sunfua   trong   nước thải dựa trên một số thông số chính của chất   lượng nước trong sông  thoát  nước thải (kênh hở) phù hợp với  điều kiện thực tiễn ở Việt 15 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. - 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 giá trị Eh đối với quá trình hình thành sunfua trên sông Tô Lịch thuộc HTTN thải TPHN. Từ đó  đề xuất giải pháp sục  khí  cưỡng bức  để kiểm soát Eh trong  nước thải nhằm giảm thiểu khả năng  hình  thành  sunfua  góp  phần cải thiện chất  lượng  nước trên hệ thống  sông  thoát  nước thải TPHN. 16