Tài liệu Luận văn thạc sĩ nghiên cứu đánh giá khả năng chịu tải của sông hàn lưu vực tiếp nhận nước thải trạm xử lý nước thải hòa cường

i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn HÀ THỊ UYÊN THƯ ii NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA SÔNG HÀN - LƯU VỰC TIẾP NHẬN NƯỚC THẢI TRẠM XỬ LÝ NƯỚC THẢI HÒA CƯỜNG Học viên: Hà Thị Uyên Thư Chuyên ngành: Kỹ thuật môi trường Mã số: 60.52.03.20 Khóa: 31 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Công tác cấp phép xả nước thải vào nguồn nước đang được các cấp, các ngành quan tâm, tuy nhiên rất ít các nghiên cứu thuộc lĩnh vực này và chưa có công trình nghiên cứu đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải trên lưu vực tiếp nhận nước thải của Trạm XLNT Hòa Cường nên việc nghiên cứu ứng dụng mô hình mô phỏng chất lượng nước làm cơ sở cho đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải tại lưu vực này là rất cần thiết. Luận văn đã xác định bộ thông số mô hình thực đo (với hệ số phân hủy chất hữu cơ ứng với từng loại mẫu nước khác nhau kd = 0,117÷0,131 ngày-1; hệ số phân tán dọc Ex = 167.9 m2/s ứng với đoạn sông nghiên cứu) phục vụ cho quá trình mô phỏng chất lượng nước tại lưu vực tiếp nhận nước thải Trạm XLNT Hòa Cường. Các kết quả chạy mô phỏng kịch bản giả định cho thấy độ nhạy của mô hình đối với ảnh hưởng của các yếu tố như hiệu suất xử lý của các trạm xử lý, các yếu tố phát triển kinh tế - xã hội trong tương lai khi sử dụng mô hình toán 1 chiều này để đánh giá khả năng tiếp nhận của nguồn nước tại lưu vực nghiên cứu. Từ khóa - đánh giá khả năng tiếp nhận; Sông Hàn; mô hình chất lượng nước; hệ số phân hủy chất hữu cơ; hệ số phân tán dọc. RESEARCH ON ASSESSMENT TO THE CAPABILITY OF HAN RIVERS BASIN WATER RECEIPT OF HOA CUONG WASTEWATER TREATMENT STATION Abstract: The licensing of discharge of waste water into water resources is of interest to all levels and sectors, but very few studies in this area have been conducted and there has not been a study to assess the potential for receiving wastewater in the next basin. Receiving wastewater from Hoa Cuong Wastewater Treatment Station, the study on the application of water quality simulation model as a basis for assessment of wastewater receiving capacity in this basin is very necessary. The dissertation has defined the set of parameters of the actual model (with the coefficient of decomposition of organic material for different types of water samples kd = 0.117 ÷ 0.131 day-1, the vertical dispersion coefficient Ex = 167.9 m2/ s corresponding to the river section research) for water quality simulation in the catchment area of wastewater treatment plant Hoa Cuong Wastewater Treatment Station. The simulation run results assume that the sensitivity of the model to the influence of factors such as the processing power of the treatment stations, the elements of socio-economic development in the future when Use this one-dimensional mathematical model to assess the acceptability of water resources in the study basin. Keywords: evaluate capacity of receiving wastewater; Han river; water quality model; coefficient of decomposed organic matter; vertical dispersion coefficient. iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .........................................................................................................i MỤC LỤC..................................................................................................................iii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT........................................................................... v DANH MỤC CÁC HÌNH...........................................................................................vi DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................viii MỞ ĐẦU..................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài.....................................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu................................................................................................1 a) Mục tiêu tổng quát...................................................................................................1 b) Mục tiêu cụ thể........................................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu............................................................................2 a) Đối tượng nghiên cứu..............................................................................................2 b) Phạm vi nghiên cứu .................................................................................................2 4. Phương pháp nghiên cứu .........................................................................................2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài..................................................................3 a) Ý nghĩa khoa học.....................................................................................................3 b) Ý nghĩa thực tiễn .....................................................................................................3 6. Cấu trúc của luận văn ..............................................................................................3 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.................................5 1.1. Nguồn nước ........................................................................................................5 1.1.1. Nguồn nước và phân loại nguồn nước ...............................................................5 1.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành nguồn nước........................................5 1.1.3. Sự xáo trộn và biến đổi của nước thải trong sông ..............................................6 1.1.4. Sự chuyển hóa các chất trong dòng chảy ...........................................................9 1.1.5. Chất lượng nguồn nước và đánh giá chất lượng nguồn nước ........................... 13 1.2. Mô hình chất lượng nước .................................................................................. 15 1.2.1. Khái niệm .......................................................................................................15 1.2.2. Phân loại và phạm vi ứng dụng MHCLN ........................................................ 16 1.2.3. Các phương pháp đánh giá, dự báo chất lượng nước và khả năng tiếp nhận ....16 1.2.4. Ứng dụng MHCLN trong đánh giá, dự báo chất lượng nước và khả năng tiếp nhận ........................................................................................................................ 17 1.2.5. Phương pháp đánh giá theo bảo toàn khối lượng theo chất ô nhiễm................. 21 1.2.6. Mô hình toán 1 chiều....................................................................................... 24 1.2.7. Mô hình MIKE................................................................................................ 28 1.3. Tổng quan về lưu vực sông Vu Gia - Hàn.......................................................... 33 1.3.1. Giới thiệu lưu vực sông Vu Gia - Hàn ............................................................. 33 1.3.2. Các nguồn gây ô nhiễm trên lưu vực sông Vu Gia - Hàn .................................35 1.3.3. Nguồn thải tại lưu vực nghiên cứu...................................................................37 1.3.4. Diễn biến chất lượng nước lưu vực sông Vu Gia - Hàn ...................................39 iv 1.3.5. Đánh giá chung ............................................................................................... 41 CHƯƠNG II. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..... 43 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu......................................................................43 2.1.1. Đối tượng nghiên cứu...................................................................................... 43 2.1.2. Phạm vi nghiên cứu......................................................................................... 44 2.2. Nội dung nghiên cứu ......................................................................................... 45 2.2.1. Thu thập tài liệu, số liệu liên quan...................................................................45 2.2.2. Đánh giá Trạm XLNT Hòa Cường ..................................................................48 2.2.3. Đánh giá chất lượng nước sông và xác định các thông số cho lưu vực nghiên cứu ........................................................................................................................ 49 2.2.4. Thiết lập các mô hình chất lượng nước nghiên cứu .........................................54 2.2.5. Đề xuất dự báo chất lượng nước theo các kịch bản..........................................56 2.3. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................... 57 2.3.1. Phương pháp thống kê..................................................................................... 57 2.3.2. Phương pháp quan trắc và phân tích chất lượng nước......................................57 2.3.3. Phương pháp mô hình toán học .......................................................................58 2.3.4. Phương pháp đánh giá ..................................................................................... 59 CHƯƠNG III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU................................................................. 60 3.1. Đánh giá Trạm XLNT Hòa Cường ....................................................................60 3.1.1. Hiện trạng Trạm XLNT Hòa Cường................................................................ 60 3.1.2. Chất lượng nước thải trước và sau khi xử lý của Trạm XLNT Hòa Cường ......62 3.1.3. Đánh giá Trạm XLNT Hòa Cường ..................................................................64 3.2. Đánh giá chất lượng nước sông và kết quả xác định các thông số mô hình cho lưu vực nghiên cứu ..........................................................................................................65 3.2.1. Đánh giá chất lượng nước sông lưu vực nghiên cứu ........................................65 3.2.3. Kết quả xác định các thông số mô hình chất lượng nước .................................70 3.4. Kết quả mô phỏng từ các mô hình .....................................................................72 3.4.1. Kết quả mô phỏng đánh giá khả năng tiếp nhận theo mô hình Thông tư 02:2009/TT-BTNMT.................................................................................................72 3.4.2. Kết quả mô phỏng, đánh giá khả năng tiếp nhận theo mô hình toán 1 chiều ....76 3.4.3. So sánh kết quả mô phỏng từ các mô hình....................................................... 77 3.5. Đề xuất mô phỏng chất lượng nước theo các kịch bản .......................................78 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 80 1. KẾT LUẬN........................................................................................................... 80 2. KIẾN NGHỊ ..........................................................................................................80 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 82 PHỤ LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (bản sao) v BOD BTNMT COD CP CSDL DHI DO HD KB KCN KDC KNTN KNTNNT KT-XH MHCLN NĐ QCVN QCCP QĐ TCVN TNXLNT TT XLNT WQI DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Nhu cầu oxi sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand) Bộ Tài nguyên và Môi trường Nhu cầu oxi hóa học (Chemical Oxygen Demand) Chính phủ Cơ sở dữ liệu Viện Thuỷ lực Đan Mạch Oxy hòa tan (Dissolved Oxygen) Thủy động lực (Hydro Dynamic) Kịch bản Khu công nghiệp Khu dân cư Khả năng tiếp nhận Khả năng tiếp nhận nước thải Kinh tế - xã hội Mô hình chất lượng nước Nghị định Quy chuẩn Việt Nam Quy chuẩn cho phép Quyết định Tiêu chuẩn Việt Nam Thoát nước xử lý nước thải Thông tư Xử lý nước thải Chỉ số chất lượng nước vi DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 Tên hình Trang Sự xáo trộn của nước thải theo chiều rộng sông Sự xáo trộn của nước thải theo chiều sâu và chiều rộng sông Nồng độ chất ô nhiễm thay đổi theo chiều ngang sông Nồng độ các chất ô nhiễm suy giảm theo chiều dọc sông Sơ đồ các quá trình chuyển hoá các chất hữu cơ trong dòng chảy Chu trình Nito trong nguồn nước Sơ đồ cấu trúc sự thay đổi BOD trong dòng chảy Sơ đồ cân bằng oxy trong nguồn nước Sơ đồ mô tả phương trình liên tục Sơ đồ dòng chảy giữa hai mặt cắt tính toán Bản đồ địa hình và mạng lưới sông TP Đà Nẵng Hệ thống sông Vu Gia – Thu Bồn Thủy điện sông Bung 5 Vị trí đường ống xả thải ra sông Hàn của trạm XLNT Hòa Cường Sự cố năm 2010 tại chân cầu Hòa Xuân Bọt xuất hiện tại thời điểm khảo sát Vùng nước tù tại khu vực tiếp nhận Hàm lượng TSS trong nước sông Vu Gia – Hàn Kết quả quan trắc độ mặn tại các vị trí Bản đồ lưu vực nghiên cứu của đề tài Đoạn sông nghiên cứu Vị trí các mặt cắt trên hệ thống sông Hàn Mặt cắt tại khu vực nghiên cứu trên sông Cẩm Lệ (tại cầu Hòa Xuân) Bản đồ lưu vực sông Vu Gia - Hàn Mẫu nước thải đầu vào và đầu ra của Trạm XLNT Hòa Cường Vị trí các điểm lấy mẫu khi sông có dòng chảy tại lưu vực tiếp nhận Vị trí các điểm lấy mẫu theo khoảng cách và biên khi sông có dòng chảy Mẫu nước sông tại các vị trí theo chiều dọc sông khi có dòng chảy Khảo sát và lấy mẫu thực địa Vị trí các điểm lấy mẫu khi triều đứng tại lưu vực tiếp nhận Vị trí các điểm lấy mẫu biên khi triều đứng Mẫu nước sông tại các vị trí theo chiều ngang sông khi triều đứng Mặt cắt vị trí lấy mẫu khi sông có dòng chảy 7 7 8 8 9 10 11 12 28 29 33 35 36 38 38 38 39 39 41 43 44 46 46 47 48 49 50 50 50 51 51 51 52 vii Số hiệu Tên hình hình 2.15 Mặt cắt vị trí lấy mẫu khi triều đứng Sơ đồ thiết lập và mô phỏng chất lượng nước theo Thông tư 2.16 02:2009/TT-BTNMT 2.17 Sơ đồ quá trình mô phỏng chất lượng nước Sơ đồ thiết lập và mô phỏng chất lượng nước theo mô hình toán 1 2.18 chiều 3.1 Kết quả quan trắc pH và độ kiềm trong nước thải 3.2 Kết quả quan trắc TSS trong nước thải 3.3 Kết quả quan trắc BOD5 và COD trong nước thải 3.4 Kết quả quan trắc Tổng N và NH4+ trong nước thải 3.5 Kết quả quan trắc Tổng P và Coliform trong nước thải 3.6 Hiệu suất xử lý của Trạm XLNT Hòa Cường 3.7 Giá trị pH trong nước sông Hàn tại lưu vực tiếp nhận 3.8 Hàm lượng TSS trong nước sông Hàn tại lưu vực tiếp nhận 3.9 Hàm lượng BOD5 trong nước sông Hàn tại lưu vực tiếp nhận 3.10 Hàm lượng coliform trong nước sông Hàn tại lưu vực tiếp nhận 3.11 Hàm lượng NO3- trong nước sông Hàn tại lưu vực tiếp nhận 3.12 Hàm lượng NH4+ trong nước sông Hàn tại lưu vực tiếp nhận 3.13 Hàm lượng PO43- trong nước sông Hàn tại lưu vực tiếp nhận Kết quả quan trắc chất lượng nước sông tại các vị trí khi có dòng 3.14 chảy 3.15 Kết quả quan trắc chất lượng nước sông tại các vị trí khi triều đứng Đồ thị thể hiện tốc độ phân hủy chất hữu cơ theo từng loại mẫu 3.16 nước 3.17 Sơ đồ đơn giản đánh giá khả năng tiếp nhận Đồ thị thể hiện kết quả tính toán khả năng tiếp nhận tại lưu vực 3.18 nghiên cứu 3.19 Sơ đồ đánh giá khả năng tiếp nhận chi tiết Nồng độ BOD5 theo khoảng cách x từ nguồn thải về phía hạ lưu 3.20 1000m Nồng độ BOD5 theo khoảng cách x từ nguồn thải về phía hạ lưu 3.21 150m 3.22 Kết quả so sánh nồng độ BOD5 thực đo và mô phỏng mô hình Nồng độ BOD5 theo khoảng cách x từ nguồn thải về phía hạ lưu 3.23 1000m ứng với mỗi kịch bản Nồng độ BOD5 theo khoảng cách x từ nguồn thải về phía hạ lưu 3.24 150m ứng với mỗi kịch bản Trang 52 54 55 56 62 62 63 63 63 64 65 66 66 66 67 67 67 68 69 71 72 74 75 76 76 77 78 79 viii DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 1.1 1.2 2.1 2.2 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 Tên bảng Các mức độ xáo trộn chất ô nhiễm trong sông Ô nhiễm coliform ở một số vị trí hạ lưu sông Vu Gia - Hàn Một số phương pháp sử dụng trong quá trình nghiên cứu Một số thiết bị được sử dụng trong quá trình nghiên cứu Kích thước các thông số của hồ kỵ khí Các thông số đánh giá hiệu quả xử lý nước thải theo công nghệ kỵ khí Bảng giá Ex của 1 số dòng chảy Kết quả tính toán hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ Các số liệu đầu vào để tính toán theo mô hình Kết quả tính toán tải lượng ô nhiễm Trang 9 40 56 57 60 6465 70 70 73 73 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Sông Hàn có ý nghĩa rất quan trọng đối với sự phát triển kinh tế - xã hội của thành phố Đà Nẵng, ngoài việc giữ vai trò tạo cảnh quan đô thị, phát triển du lịch đặc trưng cho thành phố, Sông Hàn còn là nơi cung cấp nước quan trọng cho các hoạt động sinh hoạt, sản xuất của toàn khu vực. Bên cạnh đó, sông Hàn cũng là nguồn tiếp nhận các nguồn xả thải nhân tạo sinh ra từ các vùng lân cận phân bố dọc theo dòng sông bao gồm nước thải từ khu xử lý tập trung, từ các cơ sở kinh doanh, dịch vụ vừa và nhỏ… Trong đó có nước thải sau xử lý của Trạm xử lý nước thải Hòa Cường. Tuy nhiên, về lâu dài, sông Hàn không có khả năng chịu đủ tải do các hoạt động phát triển của thành phố trong thời gian đến. Hiện tại, các Trạm xử lý nước thải tập trung của thành phố nói chung và Trạm XLNT Hòa Cường nói riêng đang đứng trước nhiều nguy cơ và thách thức. Trong tương lai cùng với sự gia tăng dân số, tốc độ đô thị hóa nhanh sẽ làm cho lượng nước thải về Trạm XLNT Hòa Cường gia tăng nhanh chóng. Bên cạnh đó, chất lượng nước thải sau xử lý từ Trạm XLNT Hòa Cường xử lý chưa tốt, chưa được quản lý chặt chẽ nên khi xả ra lưu vực tiếp nhận còn mùi hôi, nhiều bọt, ít nhiều sẽ gây ô nhiễm đến chất lượng nước Sông Hàn đặc biệt tại lưu vực tiếp nhận. Do đó, rất cần đánh giá khả năng chịu tải của lưu vực tiếp nhận nước thải. Trong những năm gần đây, Bộ Tài nguyên và Môi trường cũng đã ban hành Thông tư 02/2009/TT-BTNMT Quy định đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước nhằm hướng dẫn cho cơ sở xin cấp phép xả thải. Tuy nhiên, việc đánh giá theo Thông tư này còn chung chung và phải có đủ số liệu thì mới đảm bảo độ tin cậy để phục vụ cho công tác cấp phép xả thải và quản lý bảo vệ nguồn nước tiếp nhận. Trong khi đó, đã có công trình nghiên cứu ứng dụng Mike đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải trên toàn bộ Sông Hàn, tuy nhiên, chưa có công trình cụ thể nào nghiên cứu riêng cho lưu vực tiếp nhận. Do đó, việc nghiên cứu và tìm ra phương pháp tối ưu để đánh giá khả năng chịu tải tại lưu vực tiếp nhận, làm rõ ảnh hưởng của Trạm XLNT Hòa Cường đến lưu vực tiếp nhận là rất cần thiết trong vấn đề quản lý chất lượng nguồn nước và giám sát nguồn ô nhiễm theo định hướng phát triển của thành phố Đà Nẵng - thành phố Môi trường. Trên cơ sở đó, tác giả đề xuất đề tài: “Nghiên cứu đánh giá khả năng chịu tải của Sông Hàn lưu vực tiếp nhận nước thải Trạm xử lý nước thải Hòa Cường” nhằm góp phần xây dựng công cụ hữu hiệu trong việc đánh giá khả năng chịu tải của lưu vực tiếp nhận. 2. Mục tiêu nghiên cứu a) Mục tiêu tổng quát - Sử dụng công cụ hiệu quả, phù hợp với công tác đánh giá khả năng chịu tải và diễn biến chất lượng nước tại các lưu vực tiếp nhận nước thải. 2 - Sử dụng kết quả đánh giá khả năng chịu tải để các cơ quan nhà nước quản lý, giám sát và bảo vệ chất lượng nguồn nước sông Hàn, hướng đến mục tiêu phát triển bền vững của thành phố Đà Nẵng, xây dựng Đà Nẵng – Thành phố Môi trường. b) Mục tiêu cụ thể - Đánh giá hiện tại và dự báo khả năng chịu tải của sông Hàn lưu vực tiếp nhận nước thải sau xử lý Trạm xử lý nước thải Hòa Cường theo các phương pháp khác nhau để có biện pháp quản lý, bảo vệ nguồn nước sông Hàn. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a) Đối tượng nghiên cứu - Trạm xử lý nước thải Hòa Cường (công nghệ, công suất, chất lượng nước sau xử lý của Trạm…); - Chất lượng nước Sông Hàn - Lưu vực tiếp nhận nước thải của Trạm xử lý nước thải Hòa Cường; - Sử dụng các mô hình (mô hình theo Thông tư 02:2009/TT-BTNMT và tính toán bằng phương trình lan truyền chất ô nhiễm) để đánh giá khả năng chịu tải của sông Hàn, lưu vực tiếp nhận nước thải của Trạm xử lý nước thải Hòa Cường; b) Phạm vi nghiên cứu - Phạm vi không gian: Khu vực nghiên cứu được lựa chọn là Sông Hàn - lưu vực tiếp nhận Trạm xử lý nước thải Hòa Cường (trong phạm vị cách nguồn thải với bán kính 1km về phía thượng lưu và hạ lưu). - Khoảng thời gian nghiên cứu: Xem xét đánh giá chất lượng nguồn nước và khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước tại lưu vực nghiên cứu vào mùa khô. 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thống kê: thu thập các thông tin tư liệu liên quan đến nội dung của đề tài: điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội, hiện trạng chất lượng môi trường nước mặt, hiện trạng và chất lượng nước Trạm XLNT Hòa Cường; các số liệu thủy văn dòng chảy, các loại bản đồ có liên quan,... từ các Báo cáo của địa phương, các công trình nghiên cứu về sông Hàn trong một số nghiên cứu trước đây. - Phương pháp quan trắc và phân tích: tiến hành lấy mẫu thực tế đánh giá chất lượng nước tại Trạm XLNT Hòa Cường, tại các vị trí trong phạm vi lưu vực nghiên cứu và phân tích trong phòng thí nghiệm. Bên cạnh đó, để có các hệ số áp dụng cho mô hình cũng cần phải lấy mẫu và phân tích trong phòng thí nghiệm. - Phương pháp mô hình toán học: áp dụng Mô hình toán 1 chiều và mô hình theo Thông tư 02:2009/TT-BTNMT để mô phỏng chất lượng nước mặt khu vực nghiên cứu, trong đó mô hình theo Thông tư 02:2009/TT-BTNMT tính toán theo định luật bảo toàn khối lượng và còn mô hình toán 1 chiều tính toán theo phương trình lan truyền chất ô nhiễm cho dòng chảy sông. - Phương pháp đánh giá: So sánh các chỉ tiêu chất lượng nước với các quy chuẩn Việt Nam hiện hành nhằm đánh giá chất lượng nước qua các chỉ tiêu môi 3 trường. Đồng thời so sánh các kết quả mô phỏng từ các mô hình nghiên cứu với nhau để tìm ra mô hình tối ưu để mô phỏng các kịch bản nhằm đánh giá khả năng tiếp nhận các chất ô nhiễm trong tương lai. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài a) Ý nghĩa khoa học Đóng góp sử dụng các phương pháp đánh giá – công cụ hữu ích trong việc đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải của các công trình kinh tế - xã hội đối với nguồn tiếp nhận. Kết quả nghiên cứu đề tài có thể góp phần hỗ trợ xây dựng cơ sở lý luận cho công tác quản lý về tài nguyên nước cụ thể là vấn đề cấp giấy phép xả thải đồng thời việc nghiên cứu dự báo chất lượng nước và đánh giá khả năng tiếp nhận dưới sự trợ giúp của mô hình toán 1 chiều để tính toán lan truyền chất ô nhiễm trong dòng chảy sông là rất hiệu quả và cần thiết trong công tác quy hoạch KT - XH như hiện nay. b) Ý nghĩa thực tiễn Kết quả nghiên cứu của đề tài là nguồn tư liệu tham khảo, góp phần cung cấp bộ thông số để chạy mô hình chất lượng nước. Kết quả của đề tài sẽ cung cấp cho địa phương một công cụ có thể giám sát, đánh giá theo dõi sự thay đổi của nguồn xả thải có tác động như thế nào đến chất lượng nguồn nước; góp phần phục vụ sự phát triển bền vững kinh tế-xã hội trên lưu vực. Đây là tài liệu tham khảo cho các công trình nghiên cứu tiếp theo. Từ kết quả của đề tài, chúng ta có thể áp dụng để nghiên cứu ở những lưu vực có tính chất tương đồng. 6. Cấu trúc của luận văn MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài 2. Mục tiêu nghiên cứu 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 4. Phương pháp nghiên cứu 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 6. Cấu trúc của luận văn CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Nguồn nước 1.2. Mô hình chất lượng nước 1.3. Hiện trạng lưu vực sông Hàn CHƯƠNG II. ĐỐI TƯỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2.2. Nội dung nghiên cứu 2.3. Phương pháp nghiên cứu 4 CHƯƠNG III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1. Kết quả dữ liệu số liệu thu thập được 3.2. Đánh giá Trạm XLNT Hòa Cường 3.3. Kết quả mô phỏng từ các mô hình 3.4. Đề xuất các kịch bản mô hình KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO 5 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Nguồn nước 1.1.1. Nguồn nước và phân loại nguồn nước 1.1.1.1. Nguồn nước Nước là yếu tố chủ yếu của hệ sinh thái, là nhu cầu cơ bản của mọi sự sống trên trái đất và cần thiết cho các hoạt động kinh tế-xã hội của loài người. Nguồn nước bao gồm nước trong khí quyển, nước mặt, nước dưới đất, nước biển và đại dương. Các nguồn nước hầu hết là tài nguyên tái tạo, nằm trong chu trình tuần hoàn của nước, dưới các dạng: mây, mưa, trong các vật thể chứa nước: sông, suối, đầm, ao, hồ,… nước dưới đất có áp và không có áp ở tầng nông hay tầng sâu của đất đá và nước ở các vùng biển và đại dương thế giới. 1.1.1.2. Phân loại nguồn nước - Theo mục đích sử dụng được chia thành các loai nguồn nước: cấp cho sinh hoạt, và các mục đích khác như giải trí, tiếp xúc với nguồn nước và nuôi trồng các loại thuỷ sản. - Theo độ mặn thường theo nồng độ muối trong nguồn nước được chia thành nước ngọt, nước lợ và nước mặn. - Theo vị trí nguồn nước chia thành các nguồn nước mặt (sông, suối, ao, hồ...), nước ngầm. 1.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành nguồn nước Các yếu tố ảnh hướng đến sự hình thành nguồn nước bao gồm hai nhóm: các yếu tố tác động trực tiếp, gián tiếp và các yếu tố điều khiển các quá trình hình thành chất lượng nước diễn ra trong dòng chảy. 1.1.2.1. Các yếu tố tác động trực tiếp và gián tiếp Các yếu tố tác động trực tiếp và gián tiếp bao gồm: Khoáng vật, thổ nhưỡng, sinh vật và con người. Các yếu tố này tác động làm cho nồng độ các chất trong nước tăng lên và giảm đi. a) Khoáng vật: - Quá trình khoáng vật hoá: diễn ra rất phức tạp, phụ thuộc vào đặc điểm của thành phần khoáng vật: nhan thạch hiếu nước, kỵ nước và ngậm nước. Các loại muối: NaCl, CaCO3, CaSO4... - Khoáng vật phong hoá: allluminoSilicat (nhôm silic) chiếm phần lớn trong lớn vỏ trái đất phong hoá chuyển vào nước. - Khoáng vật sét: thành phần chính của nhan thạch. b) Thổ nhưỡng (đất trồng) Khác với thành phần khoáng vật, thổ nhưỡng ngoài các thành phần vô cơ (9095%) trong đất trồng còn có các thành phần hữu cơ và hữu cơ khoáng vật. Thành phần hữu cơ có nguồn gốc: sản phẩm phân huỷ gốc động vật, thực vật và sản phẩm của các 6 quá trình sinh hoá trong đất. Sự xâm nhập vào môi trường nước phụ thuộc vào các yếu tố khí tượng thuỷ văn, địa hình, lượng mưa và cường độ mưa. c) Sinh vật và con người Các sinh vật có vai trò rất đa dạng và rộng rãi. Thực hiện các chu trình sinh -địa - hoá: điều chỉnh cân bằng sinh thái, tạo năng suất sinh học sơ cấp (tảo, phù du...) và các chất hữu cơ ban đầu (vi khuẩn cố định đạm)... Các hoạt động phát triển gây ô nhiễm nguồn nước. 1.1.2.2. Các yếu tố điều khiển Các yếu tố điều khiển bao gồm: khí hậu, địa hình, chế độ thuỷ văn, sự phát triển của hệ thực vật thuỷ sinh. Khí hậu: ảnh hưởng trực tiếp đến lưu lượng và nồng độ các chất, nhiệt độ ảnh hưởng đến các phản ứng hoá học, sinh học... Địa hình: ảnh hưởng gián tiếp đến các quá trình khoáng hoá, xói mòn và rửa trôi bề mặt. Chế độ thuỷ văn: thành phần của nước, nồng độ các chất hoá học trong nước phụ thuộc vào dòng chảy. Chiều dài dòng chảy, diện tích lưu vực. 1.1.2.3. Các quá trình hình thành chất lượng nước Quá trình khuếch tán: là quá trình dịch chuyển các chất hoà tan, phân tán trong nước do ảnh hưởng của gradient nồng độ. Tuân thủ theo định luật Fick Quá trình chuyển khối do khuếch tán đối lưu. Vận chuyển (tải các chất trong dòng chảy, sự xáo trộn).  Các quá trình vận chuyển các chất vào trong nguồn nước: Thuỷ phân: phản ứng trao đổi giữa nước và các loại khoáng chất. Hoà tan: phá huỷ cấu trúc mạng tính thể của các loại muối và phân ly thành các dạng ion.  Các quá trình tách các vật chất khỏi nguồn nước Bao gồm các Quá trình lắng: do tỷ trọng, nồng độ vượt giới hạn bảo hoà, quá trình hấp phụ, quá trình keo tụ, các quá trình phản ứng giữa các hợp chất và các quá trình sinh thái chất lượng nước. 1.1.3. Sự xáo trộn và biến đổi của nước thải trong sông Để có cơ sở và căn cứ đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước, trước hết chúng ta cần xem xét các hiện tượng xảy ra khi có một nguồn nước thải đổ vào một đoạn sông nào đó. Sau khi nước thải được xả vào sông sẽ có đồng thời 2 quá trình xảy ra là: - Quá trình xáo trộn vật lý giữa nước thải vào nước sông; - Quá trình khoáng hóa các chất bẩn hữu cơ trong nước sông. 1.1.3.1. Sự xáo trộn nước thải theo độ rộng sông Trên một đoạn sông, có một nguồn nước thải đổ vào tại một bên bờ phải của sông (Hình 1.1). Nếu kể từ điểm xả thì phải đến một khoảng cách nhất định (Ly) nào 7 đó, nước thải mới có thể hòa trộn với nước sông đạt đến một độ rộng nhất định (Y). Khi độ rộng xáo trộn Y bằng độ rộng Bsông là lúc nước thải đã xáo trộn trên cả bề rộng sông. Điểm xả Qxả, Cxả Hình 1.1. Sự xáo trộn của nước thải theo chiều rộng sông Tuy nhiên, trong thực tế cũng có nhiều trường hợp xảy ra khi nguồn xả có lưu lượng nhỏ và sông rộng có lượng lớn thì nước thải chỉ có thể xáo trộn với nước sông và lan truyền ở một phần của mặt cắt ngang sông và chỉ đạt đến mức tối đa với chiều rộng là Y’. Như vậy, trong trường hợp thứ nhất khi độ rộng xáo trộn Y bằng độ rộng Bsông là lúc nước thải đã xáo trộn trên cả bề rộng sông, thì việc tính toán đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải của sông được tính toán cho cả bề rộng sông. Nhưng trong trường hợp thứ hai, phần sông có chiều rộng bên trái là (Bsông-Y’) không tham gia vào việc tiếp nhận nước thải, nên khả năng tiếp nhận nước thải của sông chỉ có thể được tính toán trên chiều rộng là Y’, tức là phần sông bên phải có nước thải xáo trộn với nước sông. 1.1.3.2. Sự xáo trộn của nước thải theo độ sâu sông Nếu được xả trên mặt và tại giữa sông (Hình 1.2), thì phải đến một khoảng cách nào đó, nước thải mới có thể hòa trộn với nước sông đạt đến một độ sâu nhất định (Z). Khi nước thải đã hòa trộn với nước sông ở đáy sông thì có thể coi là nước thải đã xáo trộn trên toàn bộ chiều sâu của sông. Trong trường hợp nước thải được “xả ngầm”, thì quá trình xáo trộn của nước thải vào nước sông theo chiều thẳng đứng bao gồm cả hai quá trình xáo trộn từ vị trí miệng ống xả đến mặt nước và xáo trộn từ vị trí miệng ống xả xuống đến đáy sông. Điểm xả A(x, y, z) Hình 1.2. Sự xáo trộn của nước thải theo chiều sâu và chiều rộng sông 8 1.1.3.3. Biến đổi nồng độ chất ô nhiễm của nước thải vào nước sông Khi nước thải hòa trộn với nước sông, nồng độ chất ô nhiễm có trong nước thải (Cxả) sẽ biến đổi theo không gian và thời gian. Trên một mặt cắt ngang sông (Hình 1.3), trong vùng chịu ảnh hưởng của nước thải, nồng độ chất ô nhiễm là C1, C2; trong vùng chưa bị ảnh hưởng nước thải, nồng độ chất ô nhiễm là C3 (là nồng độ chất ô nhiễm có sẵn trong sông, hay Csông). Qsông v Csông Điểm xả Qxả, Cxả Hình 1.3. Nồng độ chất ô nhiễm thay đổi theo chiều ngang sông Nồng độ các chất ô nhiễm thường bị suy giảm theo chiều dọc sông vì một số lý do như bị phân hủy, biến đổi, lắng đọng... Đây chính là quá trình tự làm sạch của sông. Khi nồng độ chất ô nhiễm giảm xuống có nghĩa là khả năng tiếp nhận nước thải của sông tăng lên. Hình 1.4. Nồng độ các chất ô nhiễm suy giảm theo chiều dọc sông 1.1.3.4. Mức độ xáo trộn Trong thực tế, có một câu hỏi được đặt ra là khi nào thì một chất ô nhiễm có trong nước thải được coi là đã xáo trộn hòan toàn với nước sông. Như vậy, cần phải có tiêu chí nào đó về sự khác biệt của nồng độ chât ô nhiễm để đánh giá mức độ xáo trộn. Các nhà khoa học đã đưa ra một số phương pháp khác nhau để đánh giá mức độ xáo trộn. Trong số đó, cách đơn giản và tiện lợi nhất là dùng tỷ số giữa sự khác biệt về nồng độ (C) tại các vị trí khác nhau trên một mặt cắt ngang sông (kể cả theo chiều ngang và theo chiều sâu của sông) so với giá trị trung bình của nồng độ chất ô nhiễm (Ctb) trên mặt cắt ngang sông đó. Đó là tỷ số C/Ctb. Tác giả đã tổng hợp thông tin từ nhiều tài liệu khác nhau và trình bày trong bảng dưới đây các mức độ xáo trộn của chất ô nhiễm trong sông được đánh giá theo tỷ số C/Ctb. 9 Bảng 1.1. Các mức độ xáo trộn chất ô nhiễm trong sông Giá trị của tỷ số C/Ctb Mức độ xáo trộn < 0,10 Hoàn toàn 0,10 - 0,30 Khá 0,30 - 0,50 Trung bình > 0,50 Kém Khi phạm vi lan truyền và xáo trộn của nước thải vào nước sông chỉ diễn ra ở một phần mặt cắt ngang sông và đạt mức tối đa đến một độ rộng là Y thì có thể coi phạm vi xáo trộn đó đặc trưng bởi tỷ số Y/B. Đây là một yếu tố quan trọng trong việc đánh giá KNTN của sông khi nước thải không xáo trộn hoàn toàn với nước sông.[7] 1.1.4. Sự chuyển hóa các chất trong dòng chảy Sự chuyển hóa các chất trong dòng chảy là tổng hợp các quá trình thuỷ động học, thuỷ hoá, sinh học ...diễn ra trong nguồn nước. Dưới góc độ sinh thái, đây là khả năng đảm bảo sự tự ổn định của hệ sinh thái khi có tác động từ bên ngoài. Quá trình chuyển hóa - phân huỷ các chất hữu cơ nhờ các loại vi sinh vật... Sự chuyển hóa các chất trong dòng chảy có liên quan đến tất cả các quá trình sinh thái trong hệ sinh thái dòng chảy sông. Các quá trình sinh thái, mối quan hệ giữa các quá trình diễn ra trong dòng chảy khi tiếp nhận các chất thải từ các nguồn bên ngoài được mô tả hình 1.5. Hình 1.5. Sơ đồ các quá trình chuyển hoá các chất hữu cơ trong dòng chảy Từ sơ đồ ở hình 1.5 cho thấy sự thay đổi nồng độ các chất hữu cơ dễ phân hủy trong dòng chảy có liên quan đến các quá trình: vật lý, hóa học và sinh học diễn ra 10 trong dòng chảy. Các quá trình phân hủy sinh học, chuyển hóa đều có liên quan đến các quá trình sinh thái diễn ra trong dòng chảy: sự phát triển của thực vật nước, và các quá trình có liên quan khác ... 1.1.4.1. Chu trình nitơ trong nguồn nước và quá trình nitrat hóa Chu trình tuần hoàn nitơ Nitơ cùng với phốt pho và các bon là các thành phần dinh dưỡng chủ yếu ảnh hưởng đến sự sản xuất trong thủy vực nước. Tồn tại trong nước dưới một số dạng như Nitơ hữu cơ, nitơ amôn, nitơrit, nitrat...Chu trình nitơ trong nước được mô tả trong hình 1.6. Quá trình nitrat hóa Quá trình amôn hóa các hợp chất hữu cơ có chứa nitơ, như urê CO(NH2)2, nhóm amin...do từ các nguồn thải đưa vào dòng chảy được thực hiện bởi các vi sinh vật gây thối rửa theo các phản ứng thủy phân sau. CO  NH 2  2  2 H 2 O  NH 4  2 CO3  NH 4  2 CO3 2NH 3  CO2  H 2O Sau đó trong nước xảy ra quá trình nitrat hóa, chuyển hóa amomonia thành nitrat. Đây là quá trình hai giai đoạn được thực hiện bởi các vi sinh vật tự dưỡng, ở đó chúng sử dụng các bon vô cơ (CO2) là nguồn cácbon. Nguồn thải Nitơ hữu cơ Nitơ hữu cơ Chết Nguồn thải NH4+ Thủy phân NH4-N oxy Nitrosomona Nitơ thực vật Nitơ động vật N2 NO2-N oxy Nitrobacter Nguồn thải NO3- N03-N Khử Nitrat Hình 1.6. Chu trình Nito trong nguồn nước Các phản ứng đặc trưng cho quá trình này được biểu thị bằng các phương trình sau: NH 4  O2 NO2  H   H 2O NO2  O2 NO3 Quá trình oxy hóa nitrit thành nitrat thường diễn ra rất nhanh hơn nhiều so với quá trình nitrat hóa. Phản ứng của quá trình có thể được viết lại là NH 4  O2 NO3  H 2O  H 