Tài liệu Nghiên cứu, đánh giá một số chất ô nhiễm chủ yếu trong sông cầu bây – hà nội, đề xuất giải pháp xử lý nước thải phù hợp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN PHƯƠNG QUÝ NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ CHẤT Ô NHIỄM CHỦ YẾU TRONG SÔNG CẦU BÂY – HÀ NỘI, ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI PHÙ HỢP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN PHƯƠNG QUÝ NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ CHẤT Ô NHIỄM CHỦ YẾU TRONG SÔNG CẦU BÂY – HÀ NỘI, ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI PHÙ HỢP Chuyên ngành: Môi trường Đất và Nước Mã số: 62-85-02-05 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS Vũ Đức Toàn 2. PGS.TS Nguyễn Phương Mậu HÀ NỘI, NĂM 2016 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Nguyễn Phương Quý i LỜI CÁM ƠN Tác giả xin trân trọng cám ơn PGS.TS. Vũ Đức Toàn, PGS.TS. Nguyễn Phương Mậu và các cán bộ bộ môn Quản lý Môi trường, Khoa Môi trường và các thành viên trong các hội đồng bảo vệ Tiểu luận tổng quan, chuyên đề, hội thảo khoa học đã đóng góp ý kiến cho nghiên cứu của tôi. Tôi cũng xin được cảm ơn ban lãnh đạo Công ty Cổ phần Đầu tư Xây dựng và Thương mại Phú Điền, Công ty Cổ phần Đầu tư Phát triển Môi trường SFC Việt Nam đã tạo cho tôi có điều kiện được thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm thuận lợi. Xin cảm ơn các đồng nghiệp, bạn bè, đặc biệt là gia đình đã luôn động viên, tạo điều kiện cho tôi hoàn thành Luận án Tiến sĩ này. ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ..............................................................................................vi DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................... viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ....................................................ix MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cần thiết của vấn đề nghiên cứu ......................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................................... 3 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu ...............................................................................4 3.1. Đố i tươ ̣ng nghiên cứu..................................................................................4 3.2. Pha ̣m vi nghiên cứu .....................................................................................4 4. Phương pháp nghiên cứu .........................................................................................4 5. Nô ̣i dung nghiên cứu ............................................................................................... 5 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .................................................................................6 6.1. Ý nghĩa khoa học ........................................................................................6 6.2. Ý nghĩa thực tiễn .........................................................................................6 7. Cấu trúc của luận án ................................................................................................ 6 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ...................................8 1.1 Hiện trạng, kết quả nghiên cứu trước đây về sông Cầu Bây ............................. 8 1.2 Lịch sử hệ thống thoát nước, thu gom nước thải đô thị ...................................12 1.2.1 Ở các nước trên thế giới ............................................................................12 1.2.2 Tại Việt Nam và lưu vực sông Cầu Bây ...................................................15 1.3 Các thông số ô nhiễm chủ yếu, các quy định về chất lượng môi trường .........18 1.3.1 Các thông số ô nhiễm chủ yếu trong nước thải đô thị và của nước thải lưu vực sông Cầu Bây ..................................................................................................18 1.3.2 Các quy định chất lượng nước và trầm tích sông, nước thải, bùn thải .....22 1.3.2.1 Chất lượng nước sông............................................................................22 1.3.2.2 Chất lượng trầm tích ..............................................................................23 1.3.2.3 Chất lượng nước thải sau xử lý ............................................................. 23 1.3.2.4 Chất lượng bùn thải từ quá trình xử lý nước thải..................................25 1.4 Đặc tính chung của nước thải đô thị, đặc thù tại Việt Nam ............................. 25 1.4.1 Đặc tính chung của nước thải đô thị .........................................................25 1.4.2 Đặc thù nước thải đô thị Việt Nam ........................................................... 28 1.5 Các giải pháp công nghệ xử lý nước thải đô thị ..............................................34 1.5.1 Các công nghệ xử lý nước thải đô thị trên thế giới ...................................34 1.5.2 Các công nghệ xử lý nước thải đô thị đang áp dụng tại Việt Nam ...........38 1.6 Kết luận Chương 1 ........................................................................................... 44 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN, GIẢ THUYẾT, PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU ....................................................................................................46 2.1 Các cơ sở khoa học .......................................................................................... 46 2.1.1 Cơ sở quá trình xử lý thông số COD, BOD5:............................................46 iii 2.1.2 Cơ sở quá trình xử lý thông số TN, NH3: .................................................47 2.1.3 Cơ sở quá trình xử lý thông số TP: ........................................................... 48 2.1.4 Cơ sở quá trình xử lý thông số SS và PCB ...............................................49 2.1.5 Cơ sở thực tiễn các công nghệ đã áp dụng tại Việt Nam .......................... 50 2.1.6 Các quá trình phản ứng, cơ sở tính toán thiết kế công nghệ SBR ............56 2.1.6.1 Mô tả công nghệ SBR ............................................................................56 2.1.6.2 Cơ sở tính toán thiết kế công nghệ SBR ................................................60 2.2 Cơ sở qua thực tế vận hành nhà máy xử lý nước thải Yên Sở .........................63 2.2.1 Mô tả nhà máy xử lý nước thải Yên Sở ....................................................63 2.2.2 Cơ sở qua thực tế vận hành nhà máy xử lý nước thải Yên Sở ..................67 2.3 Giả thuyết trên cơ sở khoa học và từ thực tiễn, thiết lập quy trình công nghệ 69 2.3.1 Các giả thuyết ............................................................................................ 69 2.3.2 Mô tả mô hình được thiết lập cho công nghệ mới (L-SBR) .....................70 2.4 Trình tự thực hiện và mô tả các thí nghiệm .....................................................73 2.5 Các phương tiện, mô hình thí nghiệm.............................................................. 75 2.5.1 Vị trí, thời gian lấy mẫu ............................................................................75 2.5.2 Phương tiện đo đạc, lấy mẫu hiện trường .................................................76 2.5.3 Tính toán thiết kế, mô tả vận hành mô hình bể thí nghiệm.......................78 2.6 Kết luận Chương 2 ........................................................................................... 80 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ NƯỚC VÀ TRẦM TÍCH SÔNG CẦU BÂY ............................................................................................................81 3.1 Lưu lượng nước thải ........................................................................................81 3.2 Các thông số ô nhiễm chủ yếu trong nước sông Cầu Bây ............................... 82 3.3 PCB trong trầm tích sông Cầu Bây ..................................................................84 3.3.1 Hiện trạng ô nhiễm PCB trong trầ m tić h sông Cầ u Bây ........................... 84 3.3.2 Đánh giá thành phần các đồng phân của PCB trong trầm tích sông Cầu Bây ...................................................................................................................88 3.4 Khả năng ảnh hưởng đến sinh thái do tồn lưu PCB trong trong trầm tích sông Cầu Bây .....................................................................................................................89 3.5 Nước thải lưu vực sông Cầu Bây .....................................................................90 3.6 Kết luận Chương 3 ........................................................................................... 93 CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ .............94 4.1 Kết quả các thí nghiệm nghiên cứu, thảo luận .................................................94 4.1.1 Nghiên cứu biến thiên hiệu suất xử lý N trong quá trình điều chỉnh MLSS và lưu lượng xử lý tại nhà máy XLNT Yên Sở .....................................................94 4.1.2 Thí nghiệm 1: xác định MLSS tối ưu cho xử lý TN khi không bổ sung C từ bên ngoài ...........................................................................................................96 4.1.3 Thí nghiệm 2: nghiên cứu hiệu suất xử lý các thông số bởi mô hình LSBR khi duy trì MLSS ở mức tối ưu ...................................................................100 iv Tính toán thiết kế, đánh giá hiệu quả và khả năng áp dụng công nghệ L-SBR ... ........................................................................................................................109 4.3 Kết luận Chương 4 .........................................................................................114 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHI ..................................................................................... 116 ̣ 1. Kế t quả đạt được của luận án .........................................................................116 1.1. Kết quả đạt được trong nghiên cứu tổng quan ........................................116 1.2. Kết quả đạt được trong nghiên cứu cơ sở khoa học và thực tiễn, giả thuyết .................................................................................................................116 1.3. Kết quả đạt được trong nghiên cứu về nước và trầm tích sông Cầu Bây117 1.4. Kết quả đạt được trong nghiên cứu giải pháp công nghệ........................117 2. Những đóng góp mới của luận án ..................................................................118 3. Hướng nghiên cứu tiếp theo ...........................................................................118 4. Kiế n nghi ........................................................................................................ 118 ̣ DANH MỤC CÔNG TRÌNH, BÀI BÁO ĐÃ CÔNG BỐ ..........................................119 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................120 PHỤ LỤC ....................................................................................................................129 4.2 v DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1-1. Bản đồ lưu vực sông Cầu Bây.......................................................................11 Hình 1-2 Mô hình giếng tách (CSO) và hệ thống thu gom chung ................................ 13 Hình 1-3. Thành phần các chất ô nhiễm chủ yếu trong các nguồn nước thải ...............20 Hình 1-4. BOD5 và các tỷ lệ với TN, TP của nước thải các nhà máy XLNT Việt Nam .......................................................................................................................................33 Hình 1-5. Phân bố số lượng, % các nhà máy XLNT Việt Nam theo BOD5:TN ...........33 Hình 1-6. Sơ đồ mô tả công nghệ CAS .........................................................................40 Hình 1-7. Sơ đồ mô tả công nghệ A2O ..........................................................................40 Hình 1-8. Sơ đồ mô tả công nghệ OD ...........................................................................40 Hình 1-9. Sơ đồ mô tả công nghệ TF ............................................................................41 Hình 1-10. Sơ đồ mô tả công nghệ SBR .......................................................................41 Hình 1-11. Sơ đồ mô tả công nghệ hồ ...........................................................................41 Hình 2-1. Sơ đồ xử lý P trong quá trình bùn hoạt tính ..................................................49 Hình 2-2. Phân bố số lượng, công suất các công nghệ áp dụng tại Việt Nam ..............53 Hình 2-3. Suất chiếm đất một số nhà máy XLNT tại Việt Nam ...................................54 Hình 2-5. Suất đầu tư một số nhà máy XLNT tại Việt Nam .........................................54 Hình 2-6. Chi phí vận hành một số nhà máy XLNT tại Việt Nam ............................... 55 Hình 2-7. Các pha phản ứng SBR nhóm (A) (SBR cơ bản) ..........................................58 Hình 2-8. Các pha phản ứng SBR nhóm (B) .................................................................58 Hình 2-9. Các pha phản ứng SBR nhóm (C): SBR cải tiến / C-Tech ........................... 59 Hình 2-10. Các pha phản ứng SBR nhóm (D)............................................................... 59 Hình 2-11. Các pha phản ứng L-SBR ...........................................................................59 Hình 2-11. Ký hiệu mức nước, thời gian các pha trong chu kỳ của SBR/C-Tech ........61 Hình 2-12. Các giai đoạn (pha) của SBR cơ bản và SBR/C-Tech ................................ 64 Hình 2-15. Sơ đồ công nghệ, bể SBR/C-Tech nhà máy XLNT Yên Sở .......................65 Hình 2-14. Mô tả các pha bể SBR/C-Tech và L-SBR...................................................71 Hình 2-16. Các giai đoạn vận hành L-SBR ...................................................................72 Hình 2-18 Mô hình thí nghiệm công nghệ L-SBR ........................................................80 Hình 3-1. Biến thiên lưu lượng nước thải lưu vực sông Cầu Bây .................................81 Hình 3-2. Nồng độ các thông số ô nhiễm trong nước sông Cầu Bây ............................ 84 Hình 3-3. Nồng độ PCB trong các mẫu trầm tích sông Cầu Bây ..................................86 Hình 3-4. Phân bố của các DL-PCB có độc tính cao trong trầm tích sông Cầu Bây ....87 Hình 3-5. Phần trăm trung bình của PCB chỉ thị so với tổng 6 PCB ............................ 89 Hình 3-6. Giá trị TEQ của các mẫu trầm tích sông Cầu Bây ........................................90 Hình 4-1. Các pha phàn ứng bể SBR/C-Tech nhà máy XLNT Yên Sở ........................94 Hình 4-2. BOD5, TN của nhà máy XLNT Yên Sở trong thời gian nghiên cứu ............95 Hình 4-3. TN xử lý được biến thiên theo F(N)/M tại nhà máy XLNT Yên Sở trong thời gian nghiên cứu .............................................................................................................96 vi Hình 4-4. BOD5, SS, TN, MLSS trong thí nghiệm trên mô hình SBR/C-Tech, L-SBR .......................................................................................................................................97 Hình 4-5. SVI, MLSS trong thí nghiệm trên mô hình SBR/C-Tech, L-SBR................98 Hình 4-6. TN xử lý được biến thiên theo F(N)/M trong thí nghiệm trên mô hình SBR/CTech và L-SBR ..............................................................................................................99 Hình 4-7. Hình ảnh thí nghiệm trên mô hình SBR/C-Tech, L-SBR ...........................100 Hình 4-8. BOD5 trong thí nghiệm trên mô hình L-SBR tại MLSS tối ưu...................101 Hình 4-9. COD trong thí nghiệm trên mô hình L-SBR tại MLSS tối ưu ....................101 Hình 4-10. SS trong thí nghiệm trên mô hình L-SBR tại MLSS tối ưu ......................102 Hình 4-11. NH4+-N trong thí nghiệm trên mô hình L-SBR tại MLSS tối ưu..............102 Hình 4-12. TN trong thí nghiệm trên mô hình L-SBR tại MLSS tối ưu .....................103 Hình 4-13. TP trong thí nghiệm trên mô hình L-SBR tại MLSS tối ưu ......................103 Hình 4-14. PCB trong thí nghiệm trên mô hình L-SBR tại MLSS tối ưu ...................104 Hình 4-15. Biến thiên BOD5 trong thí nghiệm trên mô hình L-SBR tại MLSS tối ưu .....................................................................................................................................105 Hình 4-16. Biến thiên NH4+-N trong thí nghiệm trên mô hình L-SBR tại MLSS tối ưu .....................................................................................................................................105 Hình 4-17. Biến thiên TN trong thí nghiệm trên mô hình L-SBR tại MLSS tối ưu ...106 Hình 4-18. Biến thiên TP trong thí nghiệm trên mô hình L-SBR ...............................106 Hình 4-19. TN được xử lý biến thiên theo F(N)/M trong thí nghiệm trên mô hình LSBR tại MLSS tối ưu ...................................................................................................106 Hình 4-20. Hiệu suất xử lý ∑PCB trong thí nghiệm trên mô hình L-SBR .................108 Hình 4-21. Hiệu suất xử lý PCB theo nồng độ PCB trong nước thải chưa xử lý trong thí nghiệm trên mô hình L-SBR ..................................................................................109 vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1-1. Quy chuẩn cho phép đối với nước sông Cầu Bây ........................................23 Bảng 1-2. Quy chuẩn cho phép đối với nước thải sau xử lý của lưu vực sông Cầu Bây .......................................................................................................................................24 Bảng 1-3. Phân loại 4 mức theo độ đậm đặc của nước thải sinh hoạt ........................... 26 Bảng 1-4. Phân loại 3 mức theo độ đậm đặc của nước thải sinh hoạt ........................... 27 Bảng 1-5. Tải lượng ô nhiễm theo đầu người của các nước và Hà Nội ........................27 Bảng 1-6. Đặc tính nước thải đô thị thu gom chung .....................................................28 Bảng 1-7. Nồng độ các thông số theo thiết kế và thực tế vận hành trong nước thải chưa xử lý của các nhà máy XLNT tại Việt Nam ..................................................................30 Bảng 1-8. Ước tính BOD5, SS của nước thải sinh hoạt lưu vực sông Cầu Bây ............30 Bảng 1-9. Quy trình công nghệ xử lý nước thải đô thị ..................................................34 Bảng 1-10. Các công nghệ xử lý sinh học .....................................................................35 Bảng 1-11. Thống kê các công nghệ xử lý nước thải đô thị theo EPA .........................37 Bảng 2-1. Sự khác nhau cơ bản về pha phản ứng của các nhóm SBR .......................... 60 Bảng 2-2 Chu kỳ vận hành bể SBR/C-Tech của Nhà máy XLNT Yên Sở ...................65 Bảng 2-3. Các thông số thiết kế và thực tế vận hành tại nhà máy XLNT Yên Sở ........66 Bảng 2-4. Khác nhau chính giữa L-SBR so với SBR cơ bản, SBR/C-Tech .................73 Bảng 2-5. Tính toán thiết kế mô hình SBR/C-Tech, L-SBR .........................................79 Bảng 3-1. Lưu lượng nước thải lưu vực sông Cầu Bây ................................................81 Bảng 3-2 Nồng độ trung bình 4 đợt phân tích các thông số trong nước sông Cầu Bây 83 Bảng 3-3. PCB trong các mẫu trầm tích sông Cầu Bây ................................................85 Bảng 3-4 Nồng độ ΣPCB trong trầm tích tại một số nơi trên thế giới .......................... 87 Bảng 3-5 Nồng độ DL-PCBs trong trầm tích tại một số nơi trên thế giới ....................87 Bảng 3-6. Phần trăm của 6PCB chỉ thị so với PCB tổng trong một số thương phẩm ...88 Bảng 3-7. Kết quả phân tích nước thải lưu vực Sông Cầu Bây ....................................91 Bảng 4-1. Các mức MLSS tối ưu ..................................................................................98 Bảng 4-2. SVI, MLSS trong thí nghiệm trên mô hình SBR/C-Tech, L-SBR ...............98 Bảng 4-3. Lượng TN được xử lý theo MLSS, F(N)/M .................................................100 Bảng 4-4: Nồng độ PCB qua các công đoạn xử lý ......................................................108 Bảng 4-5. Tính toán chi phí đường dùng để bổ sung nguồn C cho nhà máy XLNT Yên Sở đạt được QCVN cột A ............................................................................................110 Bảng 4-6. Tỷ lệ f(C/N) theo kết quả thí nghiệm trên mô hình L-SBR ...........................111 Bảng 4-7. Tỷ lệ (C/N) tối ưu trong nước thải, bùn được sử dụng để xử lý N .............111 Bảng 4-8. Yếu tố hiệu quả, fC/N của các công nghệ .....................................................111 Bảng 4-9. TNvào tối đa để TNra đạt QCCP tương ứng tỷ lệ BOD5:TN khác nhau ......112 viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AS Activated sludge: Bùn hoạt tính. AO Anaerobic Aerobic: Công nghệ gồm 2 quá trình yếm khí và hiếu khí. AO Anaerobic Anoxic Oxic: Công nghệ gồm 3 quá trình yếm khí, thiết khí, hiếu khí. bA Hệ số phân rã nội sinh tự dưỡng. bH Hệ số tỷ lệ hô hấp nội sinh. BOD5 Biological Oxygen Demand: Nhu cầu oxy sinh học sau 5 ngày. BOD5,vào BOD5 trong nước thải chưa xử lý. BOD5,ra BOD5 trong nước thải sau xử lý. BOD5:TN Tỷ lệ nồng độ thông số BOD5 so với thông số TN. BOD5:TP Tỷ lệ nồng độ thông số BOD5 so với thông số TP. BTNMT Bộ Tài nguyên và Môi trường. CAS Convetional Activated Sludge: Công nghệ xử lý sinh học bùn hoạt tính truyền thống dạng liên tục. C Cacbon. COD Chemical Oxygen Demand: Nhu cầu oxy hoá học. CODvào COD trong nước thải chưa xử lý. CODra COD trong nước thải sau xử lý. 2 COD:BOD5 Tỷ lệ nồng độ thông số COD so với thông số BOD5. CSI Phần có thể phân hủy sinh học trong COD (mg/l) CSO Combined Sewage Overflow: (Giếng tách) chảy tràn cống chung (hay còn gọi là Giếng tách). C-Tech Một kiểu công nghệ SBR cải tiến. DL-PCB Dioxin-like PCB: PCB đồng phẳng. E Hiệu suất xử lý (các thông số ô nhiễm). ETN ứng với thông số TN, EBOD ứng với thông số BOD5. EPA Environmental Protection Agency (of United State): Cơ quan bảo vệ môi trường (của Hoa Kỳ). fC/N Hiệu xử lý TN của từng công nghệ theo tỷ lệ BOD5:TN. fE Phần trơ bùn vi sinh. F/M Tỷ số thức ăn (BOD5) được cung cấp trên lượng vi sinh vật trong bể sục khí. F(N)/M Tỷ số tổng N Kjeldahl được cung cấp trên lượng vi sinh vật trong bể sục khí. HAc Axit axetic (CH3COOH). iSS,COD Hệ số chuyển đổi COD trong SS (gSS/gCOD). ix KCN Khu công nghiệp. kf Hệ số nguồn tiếp nhận (áp dụng trong các QCVN). kq Hệ số lưu lượng (áp dụng trong các QCVN) L-SBR (Công nghệ do nghiên cứu sinh nghiên cứu và đặt tên) Low carbon source Sequencing Batch Reactor: Giải pháp công nghệ cho nước thải có nguồn C thấp, phát triển trên cơ sở công nghệ SBR. M1÷11 Ký hiệu các điểm lấy mẫu trong sông Cầu Bây. Max Maximum hay tối đa Min Minimum hay tối thiểu MLSS Mixed Liquor Suspended Solids: hỗn hợp chất rắn (bùn hoạt tính) lơ lửng (trong bể sục khí) MXT Tổng lượng bùn sinh học trong bể xử lý SBR. N Nitơ. N hữu cơ. Nhc + Nồng độ N trong amoniac. + NH4 -Nvào NH4+-N trong nước thải chưa xử lý. NH4+-Nra NH4+-N trong nước thải sau xử lý. NOx NO2- và NO3-. NOX Khả năng nitrat hóa (mgN/l). ORT Total Oxygen Riquirement: Tổng nhu cầu oxy. P Phốt pho. PAO Phosphorus Accumulating Organisms: Vi sinh vật tích lũy P. PBDE Chất POP: Polybrominated diphenyl ethers. PCB Chất POP: polychlorinated biphenyl. PCBvào PCB trong nước thải chưa xử lý. PCBra PCB trong nước thải sau xử lý. ∑PCB Tổng PCB. NH4 -N Tổng 6 PCB gồm PCB 28, 52, 101, 138, 153, 180. PHB poly‐β‐hydroxybutyrate. POP Persistent Organic Pollutant: Chất hữu cơ khó phân hủy. PXT Lượng bùn sinh học sinh ra (kg/ngày). Q Lưu lượng nước thải. QCCP Quy chuẩn cho phép – là các thông số thỏa mãn các quy chuẩn, tiêu chuẩn hiện hành (đối với trường hợp cụ thể được đề cập). QCVN Quy chuẩn Việt Nam. RAS Recycle Activated Sludge: Bùn hoạt tính hồi lưu. x SBR Sequencing Batch Reactor: Bể phản ứng theo mẻ. SCADA Supervisory Control And Data Acquisition: Hệ thống giám sát điều khiển và thu thập dữ liệu. SS Suspended Solid: Chất rắn lơ lửng. SSvào SS trong nước thải chưa xử lý. SSra SS trong nước thải sau xử lý. SVI Chỉ số lắng của bùn (ml/g). TA Thời gian hiếu khí (của một chu kỳ SBR). TAN Thời gian yếm khí (của một chu kỳ SBR). TAOX Thời gian thiếu khí (của một chu kỳ SBR). TC Tổng thời gian của 1 chu kỳ bể SBR. TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam. TEF Toxic equipvalent factor: Hệ số độ độc tương đương. TF Tricking filter: Lọc (sinh học) nhỏ giọt. TN Nồng độ N tổng số (nitơ Kjeldahl). TNvào TN trong nước thải chưa xử lý. TNra TN trong nước thải sau xử lý. TOC Total Organic Carbon: Tổng hàm lượng C hữu cơ. TP Nồng độ P tổng số. TPvào TP trong nước thải chưa xử lý. TPra TP trong nước thải sau xử lý. TS+D Thời gian lắng + rút nước (của một chu kỳ SBR). EX Tuổi bùn hiệu dụng (trong thời gian hiếu khí (TA) + thiếu khí (TAOX) X Tuổi bùn tổng cộng. UASB Upflow anaerobic sludge blanket: bể xử lý sinh học dòng chảy ngược qua tầng bùn kỵ khí. US EPA United State Environmental Protection Agency: Cơ quan bảo vệ môi trường Hoa Kỳ. V0 Phần thể tích bể để chứa bùn lắng (trong bể SBR). VFA Volatile Fatty Acids: Axit béo bay hơi. VSV Vi sinh vật. VT Tổng thể tích (hiệu dụng) bể SBR. VW Tổng bùn phải thải bỏ mỗi chu kỳ (của bể SBR). WAS Wastage Activated Sludge: Bùn hoạt tính (dư) thải sau quá trình xử lý sinh học. X Ký hiệu nồng độ thông số ô nhiễm trong nước thải. xi XFS1 Nồng độ chất rắn cố định trong nước thải vào (mg/l). XI1 Phần trơ trong COD (mgCOD/l). XLNT Xử lý nước thải. XNO Nồng độ NO3—N trong nước thải sau xử lý (mg/l) YA Hệ số năng suất tự dưỡng. YH Hệ năng suất dị dưỡng. YNA Năng suất tự dưỡng thực. YNH Năng suất dị dưỡng thực. xii MỞ ĐẦU 1. Tính cần thiết của vấn đề nghiên cứu Sự phát triển của các đô thị thường gắn liền với các con sông. Lịch sử hệ thống thoát nước và xử lý nước thải đô thị cho thấy cơ bản diễn ra theo một tiến trình chung là “ô nhiễm trước, xử lý sau”. Khi đô thị chưa phát triển, nước thải chưa nhiều nên các sông tiếp nhận nước thải đô thị có khả năng tự làm sạch bằng phân hủy tự nhiên các chất ô nhiễm. Đô thị phát triển, lượng nước thải tăng vượt quá khả năng tự làm sạch, gây ô nhiễm các con sông. Hầu như chỉ khi tình trạng ô nhiễm có tác động đáng kể đến cuộc sống thì con người mới bắt đầu tìm kiếm giải pháp xử lý. Công tác cải thiện môi trường cho các sông ô nhiễm thực hiện bằng thu gom nước thải, xử lý đạt quy chuẩn trước khi xả vào sông hoặc các nguồn tiếp nhận khác. Quá trình đô thị hóa tại Việt Nam đang diễn ra nhanh chóng hơn bao giờ hết kể từ khi đổi mới năm 1986. Tuy nhiên, cho đến nay mới chỉ có 10% lượng nước thải đô thị được thu gom và xử lý, mới chỉ có khoảng 30 nhà máy xử lý nước thải (XLNT) đô thị được xây dựng và đang vận hành. Những con sông bắt nguồn từ các khu vực trong đô thị nay đã trở thành nơi thoát nước thải chưa xử lý, trở thành “cống thoát chung nước thải, nước mưa đô thị”. Sông Cầu Bây là một trong những con sông đã trở thành “cống thoát chung nước thải, nước mưa đô thị”, đang bị ô nhiễm nghiêm trọng. Cầu Bây là sông đào, các kênh nhánh phía thượng lưu bắt nguồn từ các phường Gia Thụy, Bồ Đề, Giang Biên, Việt Hưng thuộc quận Long Biên, Hà Nội; chảy qua quận Long Biên, huyện Gia Lâm và hạ lưu đổ vào hệ thống thủy nông Bắc Hưng Hải tại cửa xả Xuân Thụy, xã Kiêu Kỵ, Gia Lâm, sông có tổng chiều dài khoảng 13km. Mặc dù đang bị ô nhiễm nhưng nước sông Cầu Bây hiện vẫn là nguồn tưới tiêu cho canh tác nông nghiệp khu vực Long Biên – Gia Lâm, đồng thời đang là nguồn gây ô nhiễm cho hệ thống thủy nông Bắc Hưng Hải. Hệ thống thủy nông Bắc Hưng Hải phục vụ việc tưới tiêu và thoát úng cho một vùng tứ giác được giới hạn bởi sông Hồng ở phía Tây, sông Đuống ở phía Bắc, sông Thái Bình ở phía Đông, và sông Luộc ở phía Nam có diện tích tự nhiên hơn 200.000ha, trong đó đất nông nghiệp khoảng 110.000ha, dân số gần 3 triệu người, bao gồm một phần hoặc 1 toàn bộ tỉnh Hưng Yên, Hải Dương, Bắc Ninh, Hà Nội. Như vậy, tình trạng ô nhiễm của sông Cầu Bây đang ảnh hưởng đến một vùng rộng lớn, gây ô nhiễm nguồn nước tưới tiêu, tác động trực tiếp đến sức khỏe con người. Việc đánh giá được mức độ ô nhiễm của sông Cầu Bây, nghiên cứu được giải pháp công nghệ xử lý phù hợp cho nước thải lưu vực sông Cầu Bây có ý nghĩa quan trọng. Quy hoạch hệ thống thoát nước lưu vực sông Cầu Bây phù hợp với kinh nghiệm ở các nước phát triển và đang phát triển trước Việt Nam là hệ thống thoát chung trên cơ sở hiện trạng; hệ thống thoát riêng được xây dựng tại các khu đô thị mới, khu công nghiệp tạo thành hệ thống thoát hỗn hợp chung và riêng. Tuy nhiên, do hệ thống thoát nước chưa hoàn chỉnh nên nước thải, nước mưa những khu được thu gom riêng cuối cùng vẫn xả vào cống chung hiện trạng, do đó cuối cùng vẫn là cống chung. Nước thải đô thị nói chung gồm nhiều nguồn từ sinh hoạt hộ gia đình, văn phòng, các cơ sở dịch vụ; từ các cơ sở giết mổ gia súc, gia cầm tập trung hoặc trong các chợ truyền thống; từ các cơ sở công nghiệp tập trung đến quy mô hộ gia đình; từ quá trình chứa, thu gom, vận chuyển, xử lý rác và các nguồn khác. Do đó tính chất, thành phần các chất ô nhiễm trong nước thải thải gom chung mang tính đặc thù từng đô thị. Mặt khác, quy định về giới hạn nồng độ các thông số ô nhiễm trong nước thải sau xử lý của các quốc gia là khác nhau, đồng thời phụ thuộc vùng tiếp nhận nước thải sau xử lý, nên một giải pháp công nghệ xử lý nước thải phù hợp với quốc gia này, địa phương này có thể sẽ không phù hợp với quốc gia, địa phương khác. Vì lý do đó nên việc xác định được tính chất của nước thải đầu vào, yêu cầu nước thải sau xử lý để có giải pháp công nghệ phù hợp là cần thiết. Hệ thống thu gom và nhà máy XLNT thường được xây dựng đồng thời, khó có điều kiện để lấy mẫu phân tích xác định được đặc tính nước thải chung của toàn lưu vực cần xử lý, trong lúc chưa có nhiều nhà máy XLNT tại Việt Nam để tham khảo. Do đó, trước đây khi thiết kế nhà máy XLNT phải giả định các thông số trong nước thải đầu vào nên thường không chính xác. Thực tế hầu hết các nhà máy XLNT đang vận hành tại Việt Nam có nồng độ các thông số ô nhiễm trong nước thải đầu vào chênh lệch lớn so với giả định để tính toán thiết kế, làm tăng chi phí vận hành, hoặc/và lãng phí đầu tư. 2 Lưu vực sông Cầu Bây có vị trí địa hình đặc thù, bao bởi đê sông Hồng và sông Đuống nên nước thải toàn lưu vực hầu như đã tập trung về sông Cầu Bây, tạo điều kiện để có thể lấy mẫu, phân tích xác định tính chất nước thải của lưu vực mặc dù chưa có hệ thống thu gom tập trung. Vì vậy, một trong những mục đích của luận án là lấy mẫu phân tích xác định tính chất nước thải của lưu vực sông Cầu Bây để nghiên cứu giải pháp công nghệ xử lý phù hợp. Ngoài ra, việc nghiên cứu các yếu tố về tính phổ biến, diện tích chiếm đất, chi phí đầu tư, vận hành của các nhà máy XLNT tại Việt Nam giúp có thêm cơ sở trong lựa chọn công nghệ nghiên cứu. Đô thị lưu vực sông Cầu Bây mang tính đặc trưng của một đô thị Việt Nam nói chung, là đô thị đang phát triển, vừa có nông thôn vừa có đô thị cũ xen lẫn đô thị mới; vừa có nước thải sản xuất, vừa có nước thải sinh hoạt. Đặc biệt, không như một số quốc gia khác, văn hóa sinh hoạt của người Việt Nam giữa các vùng miền cơ bản là có sự tương đồng, do đó nước thải lưu vực sông Cầu Bây có thể đại diện được cho tính đặc thù của phàn lớn các đô thị Việt Nam. Vì vậy, giải pháp công nghệ phù hợp cho nước thải lưu vực sông Cầu Bây cũng sẽ phù hợp cho nhiều đô thị khác tại Việt Nam. Luận án “Nghiên cứu, đánh giá một số chất ô nhiễm chủ yếu trong sông Cầu Bây – Hà Nội, đề xuất giải pháp xử lý nước thải phù hợp” đáp ứng tính cần thiết của các vấn đề nghiên cứu. 2. Mục đích nghiên cứu - Đánh giá được mức độ ô nhiễm của một số chất ô nhiễm chủ yếu trong nước và trầ m tích sông Cầu Bây. - Đánh giá và xác định được đặc tính chủ yếu của nước thải lưu vực sông Cầu Bây làm cơ sở cho việc nghiên cứu lựa chọn công nghệ xử lý phù hợp. - Đề xuất được giải pháp công nghệ xử lý nước thải phù hợp cho xử lý nước thải trên lưu vực sông Cầu Bây. 3 3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 3.1. Đố i tượng nghiên cứu - Các chất ô nhiễm trong nước, trầm tích sông Cầu Bây, trong nước thải lưu vực sông Cầu Bây; - Công nghệ xử lý nước thải đô thị. 3.2. Pha ̣m vi nghiên cứu - Phạm vi vùng nghiên cứu là toàn bộ lưu vực sông Cầu Bây tính đến vị trí cửa chảy vào hệ thống thủy nông Bắc Hưng Hải. - Phạm vi chất ô nhiễm nghiên cứu là các chất hữu cơ dễ phân hủy (thông số COD, BOD5); chất hữu cơ khó phân hủy điển hình (PCB); thông số chất răn lơ lửng (SS); các thông số nitơ, phốt pho (NH4+-N, TN, TP). - Công nghệ xử lý nước thải được nghiên cứu, phát triển trên cơ sở công nghệ được lựa chọn theo hiệu quả thực tế đang áp dụng tại Việt Nam. 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp khảo sát, điều tra nhằm thu thập số liệu liên quan đến lưu vực sông Cầu Bây, các nhà máy xử lý nước thải đang vận hành và chuẩn bị vận hành tại Việt Nam nhằm đánh giá được mức độ ô nhiễm của sông Cầu Bây, đặc tính nước thải đặc thù của lưu vực sông Cầu Bây so với các lưu vực khác và đánh giá hiệu quả các công nghệ đang áp dụng. - Phương pháp kế thừa và phân tích tổng hợp, thống kê các số liệu thu thập được trong các tài liệu và các kết quả đã được nghiên cứu để rút ra các kết luận, cơ sở cho nghiên cứu; - Phương pháp mô hình thực nghiệm để nghiên cứu, phát triển công nghệ và kiểm nghiệm các kết quả nghiên cứu của luận án. Luận án này có điểm khác biệt là ngoài mô hình thí nghiệm, đã thực hiện nghiên cứu trên nhà máy xử lý nước thải Yên Sở đang vận hành. 4 5. Nô ̣i dung nghiên cứu 1) Nghiên cứu, đánh giá mức độ ô nhiễm của một số chất ô nhiễm chủ yếu trong nước và trầ m tích sông Cầu Bây: - Khảo sát, xác định các nguồn nước thải chính vào sông Cầu Bây, xác định các điểm lấy mẫu; - Đánh giá mức độ ô nhiễm so với quy chuẩn cho phép (QCCP) về nước mặt đối với các thông số ô nhiễm gồm COD, BOD5, SS, NH4+-N, TN, TP, PCB bằng lấy mẫu phân tích đối với nước sông; - Đánh giá tồn lưu PCB bằng lấy mẫu phân tích đối với trầm tích sông. 2) Nghiên cứu, đánh giá, xác định tính chất nước thải lưu vực sông Cầ u Bây: - Xác định lưu lượng nước thải lưu vực sông Cầ u Bây bằng đo đạc; - Đánh giá mức độ ô nhiễm các thông số COD, BOD5, SS, NH4+-N, TN, TP, PCB so với QCCP bằng lấy mẫu phân tích hiện trường tại điểm M10 đại diện cho nước thải lưu vực sông Cầu Bây; xác định tính đặc trưng của các thông số ô nhiễm so với nước thải đô thị thông thường đã nghiên cứu và nước thải đầu vào các nhà máy XLNT tại Việt Nam đang vận hành; 3) Nội dung nghiên cứu giải pháp công nghệ xử lý nước thải phù hợp với tính chất nước thải lưu vực sông Cầ u Bây: - Nghiên cứu lý thuyết cơ chế các quá trình phản ứng và cơ sở của các quá trình xử lý trong các công nghệ đang áp dụng tại Việt Nam; - Nghiên cứu đặc điểm các công nghệ đang áp dụng tại Việt Nam về hiệu quả xử lý các thông số, tính phổ biến, diện tích chiếm đất, suất đầu tư, chi phí vận hành; - Nghiên cứu các thông số chính từ quá trình vận hành tại nhà máy XLNT Yên Sở, Hà Nội công nghệ SBR/C-Tech; - Tính toán thiết kế các mô hình thí nghiệm về công nghệ nghiên cứu; - Thực nghiệm, nghiên cứu hiệu quả xử lý các thông số chủ yếu bằng các thí nghiệm trên mô hình công nghệ L-SBR và công nghệ so sánh, đối chứng là SBR/C-Tech. 5 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 6.1. Ý nghĩa khoa học - Qua nghiên cứu và phân tích thực nghiệm các chất ô nhiễm chủ yếu đã đánh giá được sông Cầu Bây bị ô nhiễm, đặc biệt là có tồn lưu PCB ở nồng độ cao đáng kể. Kết quả thu được có thể sử dụng để đưa ra các cảnh báo kịp thời nhằm giảm thiểu các tác động đến môi trường và sức khỏe con người; - Qua nghiên cứu và phân tích thực nghiệm đã đánh giá được các chất ô nhiễm chủ yếu và đặc tính của nước thải lưu vực sông Cầu Bây đó là nước thải có BOD5 thấp, TN cao; đồng thời bị ô nhiễm PCB; - Qua nghiên cứu và ứng dụng các mô hình thực nghiệm luận án đã xây dựng được cơ sở khoa học cho việc áp dụng công nghệ L-SBR để xử lý nước thải lưu vực sông Cầu Bây làm cơ sở cho ứng dụng trong thực tế. 6.2. Ý nghĩa thực tiễn - Phát triển được giải pháp công nghệ mới L-SBR để xử lý nước thải lưu vực sông Cầu Bây có tính chất đặc thù BOD5 thấp, TN cao đạt QCCP cột A nhưng không phải bổ sung nguồn C từ bên ngoài, tiến kiệm chi phí vận hành. 7. Cấu trúc của luận án Cấ u trúc của Luâ ̣n án bao gồ m phần mở đầu; 4 chương; phần kết luận và kiến nghị; phần danh mục các công trình nghiên cứu đã công bố; tài liệu tham khảo; phục lục. - Phần mở đầ u: tính cần thiết của vấn đề nghiên cứu; mục đích nghiên cứu; đối tượng và phạm vi nghiên cứu; phương pháp nghiên cứu; nô ̣i dung nghiên cứu; ý nghĩa khoa học và thực tiễn; tính mới và thực tiễn của luâ ̣n án; - Chương 1. Tổ ng quan các vấ n đề nghiên cứu: phân tích, đánh giá các công trình nghiên cứu, các tài liê ̣u đã có của các tác giả trong và ngoài nước liên quan đến các nô ̣i dung nghiên cứu của luâ ̣n án; nêu những vấn đề còn tồn tại; chỉ ra những vấn đề mà luâ ̣n án cần tập trung nghiên cứu, giải quyết; - Chương 2. Cơ sở khoa học và thực tiễn, giả thuyế t, phương tiện nghiên cứu: trình bày các cơ sở khoa học và các cơ sở qua kinh nghiệm thực tiễn để đưa ra các lựa chọn và giả thuyết giải quyết các vấn đề cần giải quyết đối với công nghệ. 6