Tài liệu Nghiên cứu xây dựng mô hình đánh giá khả năng tự làm sạch của nước song, ứng dụng cho sông nhuệ đoạn chảy qua thành phố hà nội

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Đỗ Thị Hiền NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TỰ LÀM SẠCH CỦA NƯỚC SÔNG, ỨNG DỤNG CHO SÔNG NHUỆ ĐOẠN CHẢY QUA THÀNH PHỐ HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội, 2016 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Đỗ Thị Hiền NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TỰ LÀM SẠCH CỦA NƯỚC SÔNG, ỨNG DỤNG CHO SÔNG NHUỆ ĐOẠN CHẢY QUA THÀNH PHỐ HÀ NỘI Chuyên ngành: Hóa môi trường Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Lê Thị Trinh PGS.TS. Trần Hồng Côn Hà Nội, 2016 LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS. Trần Hồng Côn đã tin tưởng giao đề tài và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu làm luận văn. Em xin được gửi lời biết ơn sâu sắc tới cô giáo TS. Lê Thị Trinh, Khoa Môi trường, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội. Cô đã tận tình giúp đỡ, dạy bảo và hướng dẫn em trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn. Em cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô giáo là cán bộ quản lý tại Phòng thí nghiệm Khoa Môi trường, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình. Đồng thời em xin gửi lời cám ơn đến các thầy, cô giáo trong Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, người thân trong gia đình, bạn bè và các anh, chị đồng nghiệp đã truyền đạt kiến thức, giúp đỡ và ủng hộ em trong suốt thời gian qua. Em xin chân thành cảm ơn! Học viên cao học Đỗ Thị Hiền MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN ......................................................................................... 3 1.1. Khả năng tự làm sạch của nguồn nước ................................................................. 3 1.1.1. Giới thiệu chung về khả năng tự làm sạch của nguồn nước ...................... 3 1.1.2. Các quá trình xảy ra khi nước tự làm sạch ................................................. 3 1.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tự làm sạch của nguồn nước ............ 7 1.2. Khả năng tiếp nhận chất thải của nguồn nước .................................................... 16 1.2.1. Khái niệm khả năng tiếp nhận chất thải của nguồn nước ........................ 16 1.2.2. Các yếu tố tác động đến khả năng tiếp nhận chất thải của nguồn nước .. 17 1.3. Tổng quan về phương pháp, mô hình đánh giá khả năng tự làm sạch và khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm của nguồn nước ........................................................... 17 1.3.1. Đánh giá khả năng tự làm sạch của nguồn nước dựa trên khoảng cách từ nguồn thải ........................................................................................................... 17 1.3.2. Đánh giá khả năng tự làm sạch của nguồn nước dựa trên tải lượng chất ô nhiễm .................................................................................................................. 18 1.3.3. Đánh giá khả năng tự làm sạch của nguồn nước bằng phương pháp mô hình hóa .............................................................................................................. 19 1.3.4. Đánh giá khả năng tiếp nhận chất thải của nguồn nước theo thông tư số 02/2009/TT-BTNMT ......................................................................................... 20 1.3. Tổng quan về sông Nhuệ .................................................................................... 23 1.3.1. Giới thiệu chung về sông Nhuệ ................................................................ 23 1.3.2. Hiện trạng chất lượng nước sông Nhuệ ................................................... 25 CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........ 28 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 28 2.2. Cách tiếp cận ....................................................................................................... 28 2.3. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu ....................................................................... 28 2.3.1. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................. 28 2.3.2. Nội dung nghiên cứu ................................................................................ 29 2.4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 29 2.5. Thực nghiệm ....................................................................................................... 29 2.5.2. Xây dựng mô hình nghiên cứu ................................................................. 33 2.5.3. Đánh giá khả năng tự làm sạch của nước sông trong mô hình ................ 35 2.5.4. Đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm của nước sông Nhuệ bằng mô hình ..................................................................................................................... 36 2.5.6. Phương pháp phân tích các thông số chất lượng nước ............................ 40 CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................................... 42 3.1. Kết quả đánh giá chất lượng nước sông Nhuệ và khảo sát quá trình tự làm sạch theo khoảng cách từ nguồn thải ................................................................................. 42 3.2.1. Kết quả đo nhanh các thông số nhiệt độ, pH, DO trong mô hình ............ 44 3.2.2. Đánh giá khả năng tự làm sạch đối với các thông số ............................... 47 3.3. Kết quả đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm của nước sông Nhuệ trong mô hình ...................................................................................................................... 54 3.3.1. Khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm a = Lls/2 ....... 55 3.3.2. Khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm a = Lls........... 56 3.3.3. Khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm a = 2Lls......... 58 3.3.4. Khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm a = 10Lls....... 59 3.3.5. Khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm a = 50Lls....... 60 3.3.6. Khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm a = 100Lls..... 61 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 66 PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 69 DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 2.1. Các vị trí lấy mẫu khảo sát ........................................................................... 30 Bảng 2.2. Mô tả các điều kiện lấy mẫu khảo sát chất lượng nước sông Nhuệ ............. 32 Bảng 2.3. Ký hiệu các vị trí lấy mẫu tại mô hình ......................................................... 34 Bảng 2.4. Thiết bị đo đạc các thông số đo nhanh ......................................................... 40 Bảng 2.5. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu trong Phòng thí nghiệm ....................... 41 Bảng 3.1. Kết quả phân tích chất lượng nước sông Nhuệ............................................. 42 Bảng 3.2. Khả năng tự làm sạch của sông Nhuệ trên một đơn vị chiều dài qua 4 đợt quan trắc ........................................................................................................................ 43 Bảng 3.3. Kết quả phân tích COD................................................................................. 47 Bảng 3.4.Tốc độ tự làm sạch của nước sông đối với thông số COD ............................ 49 Bảng 3.5. Kết quả phân tích hàm lượng NH4+ .............................................................. 49 Bảng 3.6. Tốc độ tự làm sạch của nước sông đối với thông số NH4+ ........................... 51 Bảng 3.7. Kết quả phân tích hàm lượng NO3- ............................................................... 51 Bảng 3.8. Kết quả phân tích hàm lượng tổng P ............................................................ 53 Bảng 3.9. Tốc độ tự làm sạch của nước sông đối với thông số tổng P ......................... 54 Bảng 3.10. Kết quả đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm a = Lls/2.......................................................................................................................... 55 Bảng 3.11. Kết quả đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm a = Lls ............................................................................................................................. 56 Bảng 3.12. Khả năng tiếp nhận của nước sông khi giá trị thêm a = Lls ........................ 57 Bảng 3.13. Kết quả đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm 2Lls ................................................................................................................................. 59 Bảng 3.14. Kết quả đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm 10Lls ............................................................................................................................... 59 Bảng 3.15. Kết quả đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm 50Lls ............................................................................................................................... 60 Bảng 3.16. Kết quả đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm 100Lls ............................................................................................................................. 61 Bảng 1. Kết quả đo nhanh các thông số nhiệt độ, pH, DO trong mô hình đánh giá khả năng tự làm sạch của nước sông ................................................................................... 70 DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1.1. Phân chia các vùng của dòng chảy theo khả năng tự làm sạch của nguồn nước ................................................................................................................................. 7 Hình 1.2. Sự thay đổi DO theo khoảng cách về phía hạ lưu tính từ điểm nhận nước thải ......................................................................................................................................... 9 Hình 1.3. Mối quan hệ giữa nồng độ DO và số vi sinh vật ở các vùng khác nhau ......... 9 Hình 1.4. Độ hoà tan oxy trong nước ở các nhiệt độ khác nhau ................................... 14 Hình 1.5. Sự hoà tan oxy trong dòng chảy rối .............................................................. 15 Hình 1.6. Sự hoà tan oxy trong dòng chảy chậm .......................................................... 15 Hình 1.7. Đường cong diễn biến DO điển hình ............................................................ 20 Hình 1.8. Bản đồ lưu vực sông Nhuệ - Đáy trên địa bàn Hà Nội ................................. 25 Hình 2.1. Sơ đồ vị trí lấy mẫu ....................................................................................... 31 Hình 2.2. Cống thải ngay trước vị trí SN1 .................................................................... 31 Hình 2.3. Sơ đồ các mô hình thí nghiệm đánh giá khả năng tự làm sạch của nước sông trong phòng thí nghiệm ................................................................................................. 33 Hình 2.4. Hình ảnh mô hình đánh giá khả năng tự làm sạch của nước sông trong phòng thí nghiệm...................................................................................................................... 33 Hình 2.5. Sơ đồ quy trình thực nghiệm đánh giá khả năng tự làm sạch bằng mô hình 36 Hình 2.6. Sơ đồ quy trình thực nghiệm đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm bằng mô hình .......................................................................................................................... 40 Hình 3.1. Diễn biến thông số nhiệt độ .......................................................................... 45 Hình 3.2. Diễn biến thông số pH................................................................................... 45 Hình 3.3. Diễn biến thông số DO .................................................................................. 46 Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của thông số COD ........................................... 48 Hình 3.5. Diễn biến thông số NH4+ ............................................................................... 50 Hình 3.6. Diễn biến thông số NO3- ............................................................................... 52 Hình 3.7. Diễn biến thông số tổng P ............................................................................. 53 Hình 1.a. Sông Nhuệ tại vị trí SN1 ngày 21/3/2016 ..................................................... 72 Hình 1.b. Sông Nhuệ tại vị trí SN2 ngày 21/3/2016 ..................................................... 72 Hình 2. Hình ảnh của mẫu nước nghiên cứu trong các cột ........................................... 72 Hình 3. Các mẫu nước lấy từ mô hình sau 3 ngày tự làm sạch..................................... 72 Hình 4.a. Mẫu nước ở 3 cột trước khi bắt đầu thêm nước thải giả định ....................... 72 Hình 4.b. Mẫu nước ở 3 cột sau khi thêm nước thải giả định a = 100Lls .................... 72 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT BOD : Nhu cầu oxy sinh hóa BHC : Benzen hecxa clorua COD : Nhu cầy oxy hóa học CSUL : Khả năng tự làm sạch trên một đơn vị chiều dài DDT : Diclo diphenyl tricloetan DO : Oxy hòa tan trong nước DObh : Lượng oxy hão hòa trong nước QCVN : Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia QCCP : Quy chuẩn cho phép TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam TN : Tổng nitơ TP : Tổng photpho MỞ ĐẦU Sông, hồ là những công trình thiên nhiên hoặc nhân tạo, là nguồn cung cấp nước mặt, đồng thời là nơi tiếp nhận nước mưa, nước thải sinh hoạt, công nghiệp… Ở những điều kiện bình thường, trong nguồn nước sẽ diễn ra một chu trình kín của sự cân bằng giữa sự sống của các loài động thực vật và vi sinh vật. Sự sống của chúng có quan hệ tương hỗ với nhau. Khi nguồn nước bị ô nhiễm bởi nước thải sinh hoạt và công nghiệp sẽ tạo thành một dư lượng chất gây phá vỡ chu trình. Tuy nhiên, sau một khoảng cách nào đó từ nguồn ô nhiễm tùy thuộc lượng các chất ô nhiễm, lưu lượng nước nguồn,… những chu trình bình thường sẽ được phục hồi trở lại. Sự phục hồi này gọi là sự tự làm sạch. Mỗi nguồn nước đều có khả năng tự làm sạch của nó. Ví dụ như khi một dòng sông bị ô nhiễm bởi các chất hữu cơ nó sẽ khôi phục lại trạng thái sạch ban đầu bởi các quá trình tự nhiên như hiện tượng pha loãng, lắng cặn, quá trình khử chất ô nhiễm bởi sinh vật. Tuy nhiên, hiện nay hầu hết các nguồn nước mặt như sông ngòi đều đang phải “oằn mình” gánh chịu vô số các nguồn thải khác nhau được đổ xuống làm cho dòng sông ngày càng bị ô nhiễm. Trong số đó không thể không nhắc tới sông Nhuệ, một con sông điển hình về mức độ ô nhiễm mà hầu hết mọi người đều biết đến. Sông Nhuệ là một phụ lưu của sông Đáy. Sông dài khoảng 76 km, chảy qua địa phận thành phố Hà Nội và tỉnh Hà Nam. Trong những năm gần đây, sự phát triển kinh tế - xã hội trên sông Nhuệ diễn ra rất mạnh mẽ, đem lại nhiều lợi ích kinh tế góp phần nâng cao đời sống cho người dân. Tuy nhiên, ngoài những lợi ích mang lại thì tình trạng ô nhiễm môi trường nói chung và môi trường nước nói riêng trên sông Nhuệ ngày càng gia tăng, gây ảnh hưởng đến sức khoẻ cho cộng đồng dân cư sống quanh vùng. Sông Nhuệ đoạn chảy qua thành phố Hà Nội là nơi tiếp nhận nước thải sinh hoạt, nước thải làng nghề tại các vùng ven sông. Bên cạnh đó, tình trạng đổ phế thải, 1 rác thải xuống sông còn phổ biến. Chính vì luôn phải tiếp nhận lượng chất thải quá lớn nên dòng sông đã bị ô nhiễm nghiêm trọng. Nghiên cứu khả năng tự làm sạch của nguồn nước là một trong những cơ sở khoa học để đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm, từ đó đưa ra các biện pháp phù hợp nhằm kiểm soát và xử lý ô nhiễm nguồn nước. Xuất phát từ thực tiễn trên, chúng tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu xây dựng mô hình đánh giá khả năng tự làm sạch của nước sông, ứng dụng cho sông Nhuệ đoạn chảy qua thành phố Hà Nội”. Đây là kết quả nghiên cứu ban đầu, mang tính thăm dò và định hướng thông qua những thử nghiệm ở điều kiện đơn giản. Để có cơ sở khoa học thực hiện các nghiên cứu tiếp theo ở mức độ sâu hơn và hoàn thiện hơn. 2 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: 1. Lê Huy Bá (2009), Sinh thái môi trường học cơ bản (Fundamental environmental ecology), NXB Đại học Quốc gia TP.HCM. 2. Bộ Tài Nguyên và Môi Trường (2009), Thông tư số 02/2009/TT-BTNMT, Thông tư quy định đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước. 3. Đặng Kim Chi (2011), Hóa học môi trường, NXB Khoa học và kỹ thuật. 4. Nguyễn Chí Công (2007), Nghiên cứu cơ sở khoa học đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước phục vụ công tác cấp phép xả nước thải, Báo cáo tổng kết đề tài cấp bộ Tài nguyên và Môi trường. 5. Trương Kim Cương (2016), “Hiện trạng và diễn biến chất lượng nước sông Nhuệ”, Báo cáo 55 năm Viện quy hoạch thủy lợi 1961 – 2016, tr. 204-207. 6. Nguyễn Bắc Giang, Nguyễn Thị Mai Dung (2012), “Đánh giá khả năng tiếp nhận chất thải của đầm Cầu Hai, Thừa Thiên Huế”, Tạp chí Khoa học, Đại học Huế, tập 73, số 4, năm 2012. 7. Bùi Tá Long (2008), Mô hình hóa môi trường, NXB ĐHQG TPHCM. 8. Nguyễn Thanh Sơn và cộng sự (2011), “Khảo sát hiện trạng tài nguyên nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy”, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, Khoa học tự nhiên và công nghệ 27, số1S (2011), tr. 227-234. 9. Phan Minh Thụ, Tôn Nữ Mỹ Nga (2015), “Khả năng tự làm sạch sinh học và lý học của nước đầm Thủy Triều, Khánh Hòa”, Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản, số 1/2015, tr. 57-62. 10. Tổng Cục Môi Trường (2010), Chương trình quan trắc tổng thể môi trường nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy giai đoạn 2010-2015, Hà Nội. 11. Lê Thị Trinh (2015), Giáo trình Hóa kỹ thuật môi trường ứng dụng, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội. 66 12. Mai Văn Trịnh, Bùi Thị Phương Loan, Đỗ Thanh Định (2011), “Thực trạng sử dụng nước sông Nhuệ cho sản xuất nông nghiệp”, Tạp chí Khoa học và công nghệ nông nghiệp Việt Nam, số 3(24). 13. Trung tâm quan trắc môi trường (2014), Báo cáo kết quả quan trắc môi trường nhiệm vụ: “Quan trắc môi trường nước lưu vực sông Nhuệ - Đáy” đợt 1 năm 2014, Hà Nội. Tiếng Anh: 14. APHA (1998), Standard Methods for the Examination of Water and Waste Water, 20th edition, Washington, DC. 15. Butts, T. A., Kothandaraman, V., Evans, R. L. (1973), Practical Considerations for Assessing the Waste Assimilative Capacity of Illinois Streams, Illinois State Water Survey. 16. Carolyn Brown, Bruce Rodgers (2014), “Protecting surface water quality from wastewater discharges through assimilative capacity studies”, Environmental Science & Engineering Magazine, May/June 2014, pp. 42-44. 17. Duncan Mara, Nigel Horan (2003), Handbook of Water and Wastewater Microbiology, School of Civil Engineering, University of Leeds, UK. 18. Hans-Joachim Jördening, Josef Winter (2005), Environmental Biotechnology Concepts and Applications, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim. 19. Khemlal Mahto, Indeewar Kumar (2015), “The Self Purification Model for Water Pollution”, International Journal Of Mathematics And Statistics Invention, Volume 3, Issue 1, pp. 17-32. 20. M.Hanelore (2013), “The process of self-purification in the rivers”, SGEM2013 Conference Proceedings, pp. 409-416. 67 21. Omole, D.O., Adewumi, I.K., Longe, E.O., Ogbiye, A.S. (2012), “Study of Auto Purification Capacity of River Atuwara in Nigeria”, International Journal of Engineering and Technology, Vol. 2, No. 2, pp. 229-235. 22. Shimin Tian, Zhaoyin Wang, Hongxia Shang (2011), “Study on the Selfpurification of Juma River”, Procedia Environmental Sciences, 11, pp. 1328–1333. 23. Streeter, H.W., Phelps, E.B. (1925), “A Study of the Pollution and Natural Purification of the Ohio River”, Public Health Bulletin, No 146, Public Health Service, Washington DC. 24. Taurai Bere (2005), The impact of sewage effluent and natural self-purification in the upper Chinyika River below hatcliffe sewage works, Harare, University of Zimbabwe, Zimbabwe. 25. Unesco, “Dispersion and self-purification of pollutants in surface water systems”, Technical papers in hydrology, 23. 26. Yi-Chao Lee, Chen-Cheng Yang, Chao-Shi Chen, Shui-Ping Chang, Ching-Gung Wen, Chih-Sheng Lee (2007), “Analysis of the Assimilative Capacity with Various Dimensional Water Quality Models in the Tseng-Wen Reservoir (Taiwan)”, Proceedings of the 2nd IASME/WSEAS International Conference on Water Resources, Hydraulics & Hydrology, Slovenia. 68