Tài liệu Nghiên cứu mô hình kết hợp giữa bãi lọc trồng cây và hồ sinh học để xử lý nước thải khu dân cư ven đô lưu vực sông cầu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG VI THỊ MAI HƢƠNG NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH KẾT HỢP GIỮA BÃI LỌC TRỒNG CÂY VÀ HỒ SINH HỌC ĐỂ XỬ LÝ NƢỚC THẢI KHU DÂN CƢ VEN ĐÔ LƢU VỰC SÔNG CẦU Chuyên ngành: Công nghệ môi trƣờng nƣớc và nƣớc thải Mã số: 9520320-2 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. Trần Đức Hạ 2. TS. Nguyễn Đức Toàn Hà Nội, Năm 2019 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các số liệu về kết quả nghiên cứu nêu trong luận án này là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác, ngoài những phần tham khảo đã được ghi rõ trong luận án. Tác giả Vi Thị Mai Hƣơng ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .............................................. vi DANH MỤC BẢNG .................................................................................................viii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .............................................................................. x MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 1 1. Lý do lựa chọn đề tài .......................................................................................... 1 2. Mục đích nghiên cứu của luận án ..................................................................... 3 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận án ................................................ 3 4. Cơ sở khoa học của luận án ............................................................................... 3 5. Nội dung nghiên cứu của luận án ...................................................................... 4 6. Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án .............................................................. 4 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ...................................................... 5 8. Những đóng góp mới của luận án ..................................................................... 5 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NƢỚC THẢI SINH HOẠT VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HỒ SINH HỌC, BÃI LỌC TRỒNG CÂY TRONG XỬ LÝ NƢỚC THẢI SINH HOẠT ........................................................................................ 6 1.1. Tổng quan về nƣớc thải sinh hoạt .................................................................. 6 1.1.1. Đặc điểm thành phần, tính chất và lưu lượng nước thải sinh hoạt ............. 6 1.1.2. Thu gom và xử lý nước thải sinh hoạt ........................................................ 8 1.1.3. Hiện trạng thu gom và xử lý nước thải sinh hoạt các khu dân cư ven đô lưu vực sông Cầu .................................................................................................... 10 1.1.3.1. Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội lưu vực sông Cầu .................................. 10 1.1.3.2. Hệ thống thoát nước các đô thị lưu vực sông Cầu ..................................... 12 1.1.3.3. Hiện trạng thu gom và xử lý nước thải sinh hoạt các khu dân cư ven đô lưu vực sông Cầu ................................................................................................................ 12 1.2. Tổng quan những nghiên cứu ứng dụng hồ sinh học xử lý nƣớc thải sinh hoạt trên thế giới và Việt Nam............................................................................. 14 1.3. Tổng quan những nghiên cứu ứng dụng bãi lọc trồng cây xử lý nƣớc thải sinh hoạt trên thế giới và Việt Nam .................................................................... 18 iii 1.4. Tổng quan những nghiên cứu ứng dụng công nghệ kết hợp bãi lọc trồng cây và hồ sinh học để xử lý nƣớc thải sinh hoạt trên thế giới và Việt Nam .... 24 1.5. Nhận xét chung chƣơng 1 .............................................................................. 29 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÔNG NGHỆ HỒ SINH HỌC VÀ BÃI LỌC TRỒNG CÂY TRONG XỬ LÝ NƢỚC THẢI SINH HOẠT ............. 31 2.1. Cơ sở lý thuyết xử lý nƣớc thải sinh hoạt bằng hồ sinh học ...................... 31 2.1.1. Khái niệm và phân loại hồ sinh học ......................................................... 31 2.1.2. Chu trình các chất ô nhiễm đặc trưng của nước thải sinh hoạt trong hồ sinh học ................................................................................................................... 31 2.1.3. Cơ chế xử lý các chất ô nhiễm đặc trưng của nước thải sinh hoạt bằng hồ sinh học ................................................................................................................... 36 2.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình xử lý nước thải bằng hồ sinh học .... 39 2.1.5. Mô hình động học quá trình phân hủy chất hữu cơ bằng hồ sinh học ..... 41 2.2. Cơ sở lý thuyết xử lý nƣớc thải sinh hoạt bằng bãi lọc trồng cây ............. 43 2.2.1. Khái niệm và phân loại bãi lọc trồng cây ................................................. 43 2.2.2. Chu trình các chất ô nhiễm đặc trưng của nước thải sinh hoạt trong bãi lọc trồng cây............................................................................................................ 46 2.2.3. Cơ chế xử lý các chất ô nhiễm đặc trưng của nước thải sinh hoạt bằng bãi lọc trồng cây............................................................................................................ 51 2.2.4. Mô hình động học quá trình phân hủy các chất ô nhiễm bằng bãi lọc trồng cây ........................................................................................................................... 54 2.2.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý của bãi lọc trồng cây.............. 57 2.3. Nhận xét chung chƣơng 2 .............................................................................. 59 CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM .................................................... 61 3.1. Lựa chọn địa điểm nghiên cứu ..................................................................... 61 3.2. Mô hình nghiên cứu thử nghiệm .................................................................. 65 3.2.1. Thiết kế mô hình nghiên cứu thử nghiệm ................................................ 65 3.2.1.1. Nguyên tắc xử lý kết hợp hồ sinh học và bãi lọc trồng cây trong một hệ thống xử lý nước thải .................................................................................................... 65 3.2.1.2. Mục đích nghiên cứu thử nghiệm ............................................................... 65 iv 3.2.1.3. Lựa chọn mô hình nghiên cứu thử nghiệm ................................................. 65 3.2.1.4. Tính toán thiết kế mô hình thí nghiệm ........................................................ 67 3.2.2. Bố trí mặt bằng và xác định cao trình của mô hình thí nghiệm ......................... 70 3.3. Vật liệu và phƣơng pháp nghiên cứu ........................................................... 71 3.3.1. Lựa chọn vật liệu nghiên cứu ................................................................... 71 3.3.2. Quy trình vận hành mô hình thí nghiệm .................................................. 73 3.3.3. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................... 79 CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ................................ 82 4.1. Hiệu suất xử lý nƣớc thải sinh hoạt phƣờng Bách Quang của mô hình kết hợp hồ tùy tiện và bãi lọc FWS (mô hình 1) ....................................................... 82 4.1.1. Đặc trưng nước thải sinh hoạt vào mô hình 1 .......................................... 82 4.1.2. Hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt của hồ tùy tiện ................................. 83 4.1.3. Hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt của bãi lọc FWS .............................. 88 4.1.4. Hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt của mô hình 1 .................................. 92 4.2. Hiệu suất xử lý nƣớc thải sinh hoạt phƣờng Bách Quang của mô hình kết hợp bãi lọc HF và hồ hiếu khí (mô hình 2) ......................................................... 94 4.2.1. Hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt của các bãi lọc trồng cây trong mô hình 2 ...................................................................................................................... 94 4.2.2. Hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt của hồ hiếu khí .............................. 102 4.2.3. Hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt của mô hình 2 ................................ 106 4.3. So sánh, đánh giá hiệu quả xử lý nƣớc thải sinh hoạt của hai mô hình nghiên cứu ........................................................................................................... 108 4.3.1. So sánh hiệu suất xử lý nước thải sinh hoạt của hai mô hình nghiên cứu ……………………………………………………………………..…………108 4.3.2. Đánh giá khả năng áp dụng trong xử lý nước thải sinh hoạt của hai mô hình nghiên cứu .................................................................................................... 111 4.4. Kết quả theo dõi sự phát triển của cây trồng trên các bãi lọc trồng cây 115 4.5. Xác định hệ số phân hủy các chất ô nhiễm đặc trƣng của các hồ sinh học và các bãi lọc trồng cây trong mô hình thí nghiệm với điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu .................................................................................................... 119 v 4.5.1. Xác định hệ số phân hủy chất hữu cơ của các hồ sinh học trong hai mô hình thí nghiệm ..................................................................................................... 120 4.5.2. Xác định hệ số phân hủy các chất ô nhiễm đặc trưng trong nước thải sinh hoạt của các bãi lọc trồng cây trong hai mô hình thí nghiệm ............................... 122 4.5.2.1. Hệ số phân hủy chất hữu cơ (kBOD5)ở các bãi lọc trồng cây .................... 122 4.5.2.2. Hệ số phân hủy NH4+-N, NO3--N (kNH4+-N , kNO3--N ) ở các bãi lọc trồng cây……………………………………………………………..……………………………123 4.5.2.3. Hệ số chuyển hóa PO43--P (k PO43—P) ở các BLTC: .................................. 126 4.6. Đề xuất các sơ đồ công nghệ kết hợp bãi lọc trồng cây và hồ sinh học để xử lý nƣớc thải sinh hoạt khu dân cƣ ven đô lƣu vực sông Cầu .................... 128 4.6.1. Sơ đồ công nghệ kết hợp bãi lọc trồng cây và hồ sinh học để xử lý nước thải sinh hoạt khu dân cư ven đô lưu vực sông Cầu ............................................. 128 4.6.2. Sơ đồ công nghệ kết hợp hồ sinh học và bãi lọc trồng cây để xử lý nước thải sinh hoạt khu dân cư ven đô lưu vực sông Cầu ............................................. 130 4.6.3. Sơ đồ công nghệ tích hợp bãi lọc trồng cây và hồ sinh học để xử lý nước thải sinh hoạt khu dân cư ven đô lưu vực sông Cầu ............................................. 132 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 135 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................. 137 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 138 PHỤ LỤC ................................................................................................................ PL1 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ABR : Bể lọc kỵ khí có vách ngăn (Anaerobic Baffled Reactor) BLTC : Bãi lọc trồng cây BOD : Nhu cầu oxi sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand) BTNMT : Bộ Tài nguyên và Môi trường BXD : Bộ Xây dựng COD : Nhu cầu oxi hóa học (Chemical Oxygen Demand) DEWATS : Hệ thống xử lý nước thải phân tán (Decentralized Wasterwater Treament Systems) DO : Oxi hòa tan (Dissoved Oxygen) USEPA : Cục Bảo vệ Môi trường Mỹ (The United States Environmental Protection Agency) FWS : Dòng chảy bề mặt (Free Water Surface) HF : Dòng chảy ngang (Horizontal Flow) HRT : Thời gian lưu nước thủy lực (Hydraulic Retention Time) HLR : Tải trọng thủy lực (Hydraulic Loading Rate ) HSH : Hồ sinh học HTTN : Hệ thống thoát nước LVS : Lưu vực sông MGD : Mega Galong một ngày đêm MPN : Số lượng lớn nhất có thể (Most Probable Number) N : Nitơ NTSH : Nước thải sinh hoạt ODA : Viện trợ phát triển chính thức (Official Development Assistance) OLR : Tải lượng hữu cơ (Oganic loading rate) P : Phốt pho Q : Lưu lượng nước thải QCVN : Quy chuẩn Việt Nam SBR : Bể phản ứng theo mẻ (Sequency Batch Reactor) SSF : Bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm (Submerged Surface Flow) vii TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam TN : Tổng Nitơ (Total Nitrogen) TP : Tổng Phốt pho (Total Phosphorus) Tp : Thành phố TSS : Tổng chất rắn lơ lửng (Total Suspended Solid) TT : Thông tư VF : Bãi lọc ngầm trồng cây dòng chảy thẳng đứng (Vertical Flow) VSV : Vi sinh vật XLNT : Xử lý nước thải viii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Thành phần đặc trưng của nước thải sinh hoạt 6 Bảng 1.2: Thành phần tính chất nước xám và nước đen 7 Bảng 1.3: Tổng hợp các nhà máy xử lý nước thải đô thị ứng dụng công 15 nghệ hồ sinh học tại Việt Nam Bảng 3.1: Đặc trưng nước thải sinh hoạt của khu dân cư phường Bách 63 Quang, Sông Công, Thái Nguyên Bảng 3.2: Tổng hợp kết quả tính toán thiết kế mô hình 1 68 Bảng 3.3: Tổng hợp kết quả tính toán thiết kế mô hình 2 69 Bảng 3.4: Thông số vận hành của hai mô hình thí nghiệm ở giai đoạn 1 73 Bảng 3.5: Thông số vận hành của hai mô hình thí nghiệm ở giai đoạn 2 74 Bảng 3.6: Kế hoạch lấy mẫu phân tích trong các đợt thí nghiệm 78 Bảng 4.1: Kết quả phân tích nồng độ trung bình của các thông số đặc trưng 82 nước thải sinh hoạt vào mô hình 1 qua các đợt thí nghiệm Bảng 4.2: Tải lượng trung bình các chất ô nhiễm vào hồ tùy tiện trong các 84 đợt thí nghiệm (kg/ha/ngày) Bảng 4.3: Nồng độ trung bình của các thông số đặc trưng nước thải sau xử 84 lý của hồ tùy tiện trong các đợt thí nghiệm Bảng 4.4: Tải lượng trung bình các chất ô nhiễm trong nước thải vào bãi lọc 89 FWS của các đợt thí nghiệm (kg/ha/ngày) Bảng 4.5: Nồng độ trung bình của các thông số đặc trưng nước thải sau xử 89 lý của bãi lọc FWS trong các đợt thí nghiệm Bảng 4.6: Tải lượng trung bình các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt 95 vào các bãi lọc HF của mô hình 2 trong các đợt thí nghiệm Bảng 4.7: Nồng độ trung bình của các thông số ô nhiễm trong nước thải sau 96 xử lý của các bãi lọc HF của mô hình 2 qua các đợt thí nghiệm Bảng 4.8: Tải lượng trung bình các chất ô nhiễm trong nước thải vào hồ 102 hiếu khí qua các đợt thí nghiệm (kg/ha/ngày) Bảng 4.9: Nồng độ trung bình của các thông số đặc trưng nước thải sau xử 102 lý của hồ hiếu khí trong các đợt thí nghiệm ix Bảng 4.10: Tổng hợp kết quả đánh giá khả năng áp dụng của hai mô hình 112 nghiên cứu Bảng 4.11: Tổng hợp sinh khối cây chuối hoa ở bãi lọc HF2 và FWS trong 118 thời gian nghiên cứu Bảng 4.12: Kết quả theo dõi sự phát triển của cây thủy trúc trong thời gian 118 thí nghiệm Bảng 4.13: Kết quả xác định hệ số phân hủy chất hữu cơ (k, ngày-1) của các 120 HSH trong mô hình thí nghiệm Bảng 4.14: Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước thải sinh hoạt của 122 các bãi lọc trồng cây trong mô hình thí nghiệm Bảng 4.15: Hệ số tốc độ phân hủy NH4+-N trong nước thải sinh hoạt của các 124 bãi lọc trồng cây trong mô hình thí nghiệm Bảng 4.16: Hệ số tốc độ phân hủy NO3--N trong nước thải sinh hoạt của các 125 bãi lọc trồng cây trong mô hình thí nghiệm Bảng 4.17: Hệ số tốc độ phân hủy PO43--P trong nước thải sinh hoạt của các 127 bãi lọc trồng cây trong mô hình thí nghiệm Bảng 4.18: Các thông số tính toán thiết kế cho sơ đồ công nghệ kết hợp bãi 129 lọc trồng cây và hồ sinh học Bảng 4.19: Cấu tạo của các loại bãi lọc trồng cây trong hệ thống kết hợp bãi 131 lọc trồng cây và hồ sinh học x DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Bản đồ các tỉnh thuộc lưu vực sông Cầu 11 Hình 1.2: Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải DEWATS 24 Hình 1.3: Sơ đồ dây chuyền công nghệ hệ thống hồ sinh học kết hợp 28 bãi lọc trồng cây xử lý nước thải tại Công ty Fomosa Hà Tĩnh Hình 2.1: Sơ đồ chu trình cacbon trong hồ tùy tiện 32 Hình 2.2: Chu trình chuyển hóa nitơ trong hồ sinh học 33 Hình 2.3: Chu trình chuyển hóa phốt pho trong hồ sinh học 35 Hình 2.4: Các loại bãi lọc FWS 44 Hình 2.5: Các loại bãi lọc SSF 45 Hình 2.6: Chu trình Cacbon trong đất ngập nước 46 Hình 2.7: Chu trình Nitơ trong đất ngập nước 47 Hình 2.8: Chu trình Phốt pho trong đất ngập nước 50 Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải tập trung phường Bách 61 Quang, Sông Công, Thái Nguyên Hình 3.2: Sơ đồ vị trí của hệ thống xử lý nước thải phường Bách Quang 62 Sông Công, Thái Nguyên Hình 3.3: Sơ đồ vị trí lấy nước thải cho mô hình thí nghiệm trong hệ 64 thống xử lý nước thải phường Bách Quang Hình 3.4: Sơ đồ vị trí đặt mô hình thí nghiệm trong khuôn viên hệ 64 thống xử lý nước thải phường Bách Quang, Sông Công, Thái Nguyên Hình 3.5: Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt khu dân cư phường 66 Bách Quang bằng công nghệ kết hợp bãi lọc trồng cây và hồ sinh học Hình 3.6: Sơ đồ bố trí mặt bằng hai mô hình thí nghiệm 70 Hình 3.7: Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của mô hình 1 71 Hình 3.8: Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của mô hình 2 71 Hình 3.9: Vật liệu lọc sử dụng trong mô hình thí nghiệm 71 xi Hình 3.10: Cây chuối hoa trồng trong mô hình thí nghiệm 72 Hình 3.11: Cây thủy trúc được trồng trong mô hình thí nghiệm 72 Hình 3.12: Sơ đồ quy trình vận hành mô hình 1 và mô hình 2 giai đoạn 1 75 Hình 3.13: Sơ đồ quy trình vận hành mô hình 1 giai đoạn 2 76 Hình 3.14: Sơ đồ quy trình vận hành mô hình 2 giai đoạn 2 76 Hình 4.1: Hiệu suất xử lý trung bình của hồ tùy tiện theo các thông số 84 đặc trưng nước thải sinh hoạt Hình 4.2: Hiệu suất xử lý trung bình của bãi lọc FWS theo các thông số 89 đặc trưng nước thải sinh hoạt Hình 4.3: Hiệu suất xử lý trung bình của mô hình 1 theo các thông số 92 đặc trưng nước thải sinh hoạt Hình 4.4: Hiệu suất xử lý BOD5 và TSS của các bãi lọc trồng cây trong 96 mô hình 2 qua các đợt thí nghiệm Hình 4.5: Hiệu suất xử lý TN, NH4+-N, NO3--N của các bãi lọc trồng 97 cây trong mô hình 2 qua các đợt thí nghiệm Hình 4.6: Hiệu suất xử lý PO43--P của các bãi lọc trồng cây trong mô 97 hình 2 qua các đợt thí nghiệm Hình 4.7: Hiệu suất xử lý trung bình của hồ hiếu khí theo các thông số 103 đặc trưng nước thải sinh hoạt Hình 4.8: Hiệu suất xử lý trung bình của mô hình 2 theo các thông số 106 đặc trưng nước thải sinh hoạt Hình 4.9: Đồ thị so sánh khả năng xử lý BOD5 của hai mô hình nghiên 108 cứu Hình 4.10: Đồ thị so sánh khả năng xử lý TSS của hai mô hình nghiên 109 cứu Hình 4.11: Đồ thị so sánh khả năng xử lý nitơ của hai mô hình nghiên 109 cứu Hình 4.12: Đồ thị so sánh khả năng xử lý PO43--P của hai mô hình 109 nghiên cứu Hình 4.13: Sinh khối trung bình/cây theo thời gian thu hoạch tại bãi lọc 116 xii HF2 và FWS Hình 4.14: Sinh khối trung bình/cây theo thời gian thu hoạch tại bãi lọc 116 HF2 và FWS Hình 4.15: Chiều cao trung bình/cây theo thời gian thu hoạch tại bãi lọc 116 HF2 và FWS Hình 4.16: Đồ thị mối quan hệ giữa tải lượng chất hữu cơ và hệ số phân 121 hủy chất hữu cơ trong các hồ sinh học Hình 4.17: Sơ đồ công nghệ kết hợp bãi lọc trồng cây và hồ sinh học để 128 xử lý nước thải sinh hoạt các khu dân cư ven đô Hình 4.18: Sơ đồ công nghệ kết hợp hồ sinh học và bãi lọc trồng cây để 130 xử lý nước thải sinh hoạt các khu dân cư ven đô Hình 4.19: Sơ đồ tích hợp bãi lọc trồng cây và hồ sinh học để xử lý nước 132 thải sinh hoạt khu dân cư ven đô trường hợp hồ sinh học dùng làm hồ cảnh quan sinh thái Hình 4.20: Sơ đồ tích hợp bãi lọc trồng cây và hồ sinh học để xử lý nước thải sinh hoạt khu dân cư trường hợp tái sử dụng nước thải sau xử lý 133 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do lựa chọn đề tài Vấn đề ô nhiễm nguồn nước các lưu vực sông (LVS) do nước thải, đặc biệt là nước thải sinh hoạt (NTSH), chưa được xử lý hoặc xử lý chưa đạt tiêu chuẩn trước khi xả thải, đang trở thành một trong những vấn đề bức thiết tại Việt Nam. Mặc dù, Nhà nước đã phê duyệt và triển khai thực hiện Đề án bảo vệ môi trường các LVS lớn như LVS Cầu (2006), LVS Nhuệ- Đáy (2008) và LVS Đồng Nai (2007), nhưng tình trạng ô nhiễm và suy thoái chất lượng nước (đặc biệt là tại các đoạn sông chảy qua khu vực đô thị, khu công nghiệp, làng nghề…) vẫn diễn ra trầm trọng [9]. LVS Cầu là một trong những LVS lớn của nước ta, có vai trò quan trọng trong quá trình phát triển kinh tế xã hội của các tỉnh trong lưu vực. Tổng diện tích toàn lưu vực là 6.030 km2, gồm 6 tỉnh Bắc Cạn, Thái Nguyên, Bắc Giang, Bắc Ninh, Hải Dương, Vĩnh Phúc và 3 huyện của Tp.Hà Nội (Mê Linh, Đông Anh và Sóc Sơn) [7]. Lưu vực có địa hình đa dạng gồm cả địa hình đồi núi cao, trung du và đồng bằng. Trong những năm gần đây, các tỉnh trong lưu vực đều có tốc độ phát triển kinh tế đạt mức cao so với mức phát triển chung của cả nước, đặc biệt là các tỉnh Bắc Ninh, Vĩnh Phúc, Hải Dương, Hà Nội. Cơ cấu kinh tế phát triển theo hướng tăng tỷ trọng các ngành công nghiệp, dịch vụ và giảm tỷ trọng ngành nông nghiệp. Cùng với tốc độ phát triển kinh tế nhanh thì quá trình đô thị hóa tại các tỉnh thuộc LVS Cầu cũng đang diễn ra nhanh chóng. Đến năm 2016, LVS Cầu có 1,8 triệu dân sống ở đô thị chiếm 22,22% dân số toàn lưu vực [28]. Mặc dù cơ sở vật chất hạ tầng ngày càng được cải thiện, nhưng vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu, đặc biệt là các hệ thống thoát nước (HTTN) và xử lý nước thải (XLNT). HTTN các đô thị LVS Cầu phần lớn là HTTN chung xây dựng cho các trung tâm đô thị, mới chỉ thu gom xử lý được từ 40-70% lượng NTSH phát sinh [7]. Hiện nay, tại các đô thị thuộc LVS Cầu đều đã và đang triển khai các dự án thoát nước và vệ sinh môi trường nhằm nâng cấp HTTN và xây dựng các nhà máy XLNT tập trung cho đô thị, nhưng vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu. Mặt khác, các dự án này chủ yếu tập trung ở khu vực trung tâm đô thị, còn các khu vực ven đô, vùng ngoại thành do khó khăn về thu gom nên việc XLNT vẫn chưa được quan tâm đúng mức. Vì vậy NTSH các khu dân cư được dẫn theo các hệ thống cống, rãnh thoát nước do người dân xây dựng một cách tự phát, không theo quy hoạch và được thải trực tiếp 2 ra các nguồn nước lân cận như sông, suối, ao, hồ, mương dẫn nước, khu đất trũng hay các khu ruộng trũng gần nhà. Do đó, nguồn NTSH này trở thành một trong những nguồn chính gây ô nhiễm cho LVS Cầu, gây mất vệ sinh môi trường, thẩm mỹ, cảnh quan và ảnh hưởng tiêu cực đến đời sống sức khỏe cộng đồng. Chính vì vậy, việc tổ chức thu gom và xử lý NTSH các khu dân cư ven đô LVS là hết sức cần thiết. Theo nội dung của “Quy hoạch HTTN và XLNT khu vực dân cư, khu công nghiệp thuộc LVS Cầu đến năm 2030”, hình thức thoát nước phi tập trung sẽ phù hợp với các đô thị độc lập và các khu dân cư vùng ven đô của Việt Nam nói chung và LVS Cầu nói riêng. Các công nghệ XLNT áp dụng cho hệ thống XLNT tập trung tại các đô thị (như aeroten, mương oxi hóa, SBR…) với chi phí xây dựng và vận hành lớn, quản lý, vận hành phức tạp sẽ không thích hợp áp dụng cho XLNT các đô thị, khu dân cư vùng ven đô. Vì vậy, cần nghiên cứu đề xuất công nghệ XLNT thích hợp cho khu vực này. Hồ sinh học (HSH) và bãi lọc trồng cây (BLTC) là các công trình sinh thái để XLNT trong điều kiện tự nhiên, chi phí xây dựng và vận hành thấp, vận hành đơn giản, phù hợp với điều kiện đất đai sẵn có của vùng ven đô sẽ là những lựa chọn thích hợp. Mặt khác, khi đô thị phát triển đến vùng ven đô thì các công trình này có thể dễ dàng loại bỏ hoặc chuyển mục đích sử dụng mà không tốn nhiều chi phí đầu tư. Các công nghệ này đã được ứng dụng rộng rãi trong xử lý NTSH, nước thải đô thị trên khắp thế giới như các nước Châu Âu (như Đức, Pháp, Anh, Ba Lan, Hà Lan, Australia)…, các nước Châu Á (như Trung Quốc, Thái Lan, Ấn Độ, Indonesia…), Mỹ, Canada và các nước Châu Phi [120]. Tại Việt Nam, trong những năm gần đây HSH và BLTC cũng đang được quan tâm nghiên cứu ứng dụng trong xử lý nhiều loại nước thải khác nhau như NTSH, nước thải đô thị, nước rỉ rác, nước thải chăn nuôi… HSH đã được ứng dụng tại một số nhà máy XLNT đô thị ở Đà Nẵng, Tp. Hồ Chí Minh, Đà Lạt, Buôn Ma Thuột, Thanh Hóa… BLTC được ứng dụng trong xử lý NTSH tại một số tỉnh như Hòa Bình, Bắc Kạn, Cao Bằng, Tuyên Quang, Thái Bình, Hưng Yên, Hải Phòng, Thái Nguyên…[86]. Tuy nhiên khi sử dụng riêng rẽ, chúng vẫn có những nhược điểm nhất định làm hạn chế khả năng ứng dụng. Do thành phần sinh vật trong các hệ sinh thái HSH và BLTC tương đối đồng nhất nên việc nghiên cứu kết hợp hai loại công trình này để XLNT nhằm khắc phục các nhược điểm của từng công trình, nâng cao hiệu quả xử lý và tăng khả năng ứng dụng là điều phù hợp. Do tốn diện tích 3 đất xây dựng nên các công nghệ này không phù hợp áp dụng XLNT cho những khu vực thiếu đất xây dựng như các vùng trung tâm đô thị mà thích hợp XLNT với quy mô vừa và nhỏ của các khu dân cư ven đô và các đối tượng thoát nước phân tán khác. Mặt khác, khu vực ven đô là khu vực có nhiều vực nước mặt (ao, hồ) có thể tận dụng để XLNT làm giảm diện tích đất xây dựng cần thiết. Vì vậy, nghiên cứu khả năng ứng dụng kết hợp các công nghệ XLNT chi phí thấp tại Việt Nam là điều hết sức cần thiết, đặc biệt là đối với NTSH của các đối tượng thoát nước phân tán như các khu đô thị độc lập hoặc khu dân cư vùng ven đô như các khu dân cư ven đô LVS Cầu. 2. Mục đích nghiên cứu của luận án - Đánh giá được hiệu quả xử lý NTSH bằng các mô hình công nghệ kết hợp BLTC với HSH và HSH với BLTC. - Xác định được hệ số phân hủy một số chất ô nhiễm đặc trưng của NTSH trong BLTC và HSH với các điều kiện tự nhiên LVS Cầu. - Đề xuất được các mô hình công nghệ kết hợp BLTC và HSH để xử lý NTSH khu dân cư ven đô LVS Cầu đạt tiêu chuẩn Cột A, QCVN 14:2008/BTNMT. 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận án - Đối tượng nghiên cứu của luận án là mô hình xử lý NTSH bằng công nghệ kết hợp BLTC và HSH. - Phạm vi nghiên cứu của luận án là nước thải sinh hoạt các khu dân cư ven đô LVS Cầu. 4. Cơ sở khoa học của luận án HSH và BLTC là các công trình sinh thái, XLNT trong điều kiện tự nhiên, thân thiện môi trường, chi phí xây dựng và vận hành thấp, vận hành đơn giản có hiệu quả xử lý cao với các chất ô nhiễm có trong NTSH như các chất hữu cơ, chất lơ lửng, nitơ, phốt pho và các vi sinh vật gây bệnh. Tuy nhiên khi sử dụng riêng rẽ các công nghệ này trong XLNT thì vẫn có những nhược điểm nhất định làm hạn chế khả năng ứng dụng. Vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng kết hợp hai loại công trình này trong một hệ thống xử lý sẽ góp phần nâng cao hiệu quả của các công nghệ này và tăng khả năng ứng dụng trong thực tế XLNT. 4 5. Nội dung nghiên cứu của luận án - Nghiên cứu đặc trưng NTSH khu dân cư ven đô LVS Cầu điển hình làm đối tượng nghiên cứu cho mô hình thí nghiệm. - Nghiên cứu hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm trong NTSH khu dân ven đô LVS Cầu bằng mô hình công nghệ kết hợp BLTC và HSH. - Đánh giá sự thích nghi và lựa chọn các loài thực vật trồng trong các loại BLTC phù hợp với điều kiện tự nhiên LVS Cầu. - Xác định hệ số phân hủy chất hữu cơ của các loại HSH sử dụng trong mô hình thí nghiệm với điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu. - Xác định hệ số phân hủy các chất ô nhiễm đặc trưng trong NTSH của các loại BLTC sử dụng trong mô hình thí nghiệm với điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu. - Nghiên cứu đề xuất các mô hình kết hợp BLTC và HSH ứng dụng trong xử lý NTSH phù hợp với điều kiện tự nhiên và kinh tế xã hội vùng ven đô LVS Cầu. 6. Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án Trên cơ sở mục tiêu đề ra, luận án áp dụng các phương pháp nghiên cứu sau: (1). Phương pháp tổng quan thu thập tài liệu: Thu thập các tài liệu, số liệu tổng quan về NTSH, hiện trạng thu gom xử lý NTSH khu dân cư ven đô LVS Cầu, công nghệ HSH và BLTC trong xử lý NTSH trong và ngoài nước. Tổng quan, đánh giá và kế thừa các kết quả nghiên cứu đã thực hiện. (2). Phương pháp khảo sát thực địa: Tiến hành thu thập thông tin, khảo sát hiện trạng thu gom xử lý NTSH của một số đô thị và khu dân cư trên LVS Cầu để lựa chọn đối tượng nghiên cứu và địa điểm đặt mô hình nghiên cứu thử nghiệm. (3). Phương pháp nghiên cứu phân tích thực nghiệm: Lắp đặt và vận hành mô hình thử nghiệm xử lý NTSH khu dân cư ven đô LVS Cầu bằng công nghệ kết hợp BLTC và HSH; Lấy mẫu phân tích các thông số đặc trưng NTSH theo tiêu chuẩn hiện hành; Theo dõi sự phát triển của thực vật, thu hoạch và xác định sinh khối thực vật trồng trong các BLTC và nhận xét, phân tích các kết quả thu được. (4). Phương pháp phân tích thống kê: Áp dụng phương pháp thống kê toán để xử lý kết quả thí nghiệm. (5). Phương pháp đối chiếu so sánh: Tiến hành đối chiếu và so sánh các kết quả nghiên cứu của luận án với các kết quả nghiên cứu của các tác giả trong và 5 ngoài nước trên cùng lĩnh vực nghiên cứu. (6). Phương pháp lấy ý kiến chuyên gia: Tiến hành tổ chức hội thảo khoa học lấy ý kiến nhận xét đánh giá của các chuyên gia về luận án; tổng hợp, tiếp thu ý kiến và chỉnh sửa bổ sung hoàn thiện luận án. 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án a. Ý nghĩa khoa học của luận án - Đánh giá được hiệu quả xử lý NTSH khu dân cư ven đô LVS Cầu bằng mô hình công nghệ kết hợp BLTC và HSH. -Xác định được hệ số phân hủy chất ô nhiễm của các công trình BLTC và HSH làm cơ sở tính toán thiết kế và vận hành các hệ thống XLNT theo công nghệ kết hợp BLTC và HSH. - Đề xuất các mô hình kết hợp BLTC và HSH ứng dụng trong xử lý NTSH các khu dân cư ven đô LVS Cầu, đảm bảo nước thải sau xử lý đạt giá trị giới hạn cột A của QCVN 14:2008/BTNMT. b. Ý nghĩa thực tiễn của luận án - Kết quả nghiên cứu của đề tài luận án có ý nghĩa quan trọng trong việc hoàn thiện nâng cao khả năng ứng dụng các mô hình công nghệ kết hợp BLTC và HSH để xử lý NTSH khu dân cư ven đô LVS Cầu đảm bảo đạt giá trị giới hạn cột A của QCVN 14:2008/BTNMT. - Kết quả nghiên cứu của luận án là nguồn tài liệu tham khảo cho các nhà nghiên cứu, nhà quản lý lựa chọn giải pháp xử lý NTSH bằng mô hình công nghệ kết hợp BLTC và HSH cho các khu dân cư ven đô LVS Cầu và cho đào tạo đại học, cao học chuyên ngành. 8. Những đóng góp mới của luận án - Luận án đã xác định được hệ số phân huỷ chất hữu cơ của hồ tùy tiện và hồ hiếu khí trong xử lý NTSH khu dân cư ven đô LVS Cầu. - Luận án đã xác định được hệ số phân huỷ chất hữu cơ, các hợp của nitơ, phốt pho của bãi lọc HF và FWS trong xử lý NTSH khu dân cư ven đô LVS Cầu. - Luận án đã đề xuất được các mô hình công nghệ kết hợp BLTC và HSH để xử lý NTSH khu dân cư ven đô LVS Cầu đạt tiêu chuẩn Cột A của QCVN 14:2008/BTNMT và phạm vi ứng dụng của chúng. 6 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NƢỚC THẢI SINH HOẠT VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HỒ SINH HỌC, BÃI LỌC TRỒNG CÂY TRONG XỬ LÝ NƢỚC THẢI SINH HOẠT 1.1. Tổng quan về nƣớc thải sinh hoạt 1.1.1. Đặc điểm thành phần, tính chất và lưu lượng nước thải sinh hoạt NTSH là nước đã được sử dụng cho các mục đích ăn uống, sinh hoạt, tắm rửa, vệ sinh nhà cửa,… của các khu dân cư, công trình công cộng, cơ sở dịch vụ,… [19]. NTSH từ các hộ gia đình gồm hai loại chính: nước đen và nước xám. Nước đen là nước thải từ nhà vệ sinh (có phân và nước tiểu). Nước xám là nước thải từ hoạt động rửa, tắm, giặt, nước từ khu nhà bếp [2]. Trong nước xám có chứa một lượng lớn các chất hóa học bao gồm: chất tẩy rửa, xà phòng, chất béo và dầu mỡ… từ bồn rửa nhà bếp[79]. Thành phần đặc trưng của NTSH thể hiện trong Bảng 1.1. Bảng 1.1. Thành phần đặc trưng của nước thải sinh hoạt [80] Thông số ô nhiễm Nồng độ (mg/L) Lớn nhất Trung bình Nhỏ nhất Chất rắn tổng số 1.230 720 390 Chất rắn hòa tan 860 500 270 Chất rắn lơ lửng 400 210 120 BOD5 350 190 110 COD 800 430 250 TN 70 40 20 N-hữu cơ 25 15 8 NH4+-N 45 25 12 TP 12 7 4 Clorua (Cl-) 90 50 30 Dầu, mỡ 100 90 50 NTSH chứa nhiều chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học như các chất protein (65%), hydrat cacbon (25%) và các chất béo (10%) [19], [79]. NTSH chứa nhiều chất dinh dưỡng N, P là nguyên nhân gây hiện tượng phú dưỡng các nguồn nước. Các chất ô nhiễm trong NTSH có sự dao động lớn về nồng độ [2]. Giá trị đặc trưng của các chất ô 7 nhiễm chính (BOD5, COD, N, P) trong các dòng NTSH đen và xám thể hiện trong Bảng 1.2. Bảng 1.2. Thành phần tính chất nước xám và nước đen [2] Nƣớc xám Chỉ tiêu Nƣớc đen Cao(a) Thấp(b) Cao(a) Thấp(b) BOD5, mg/L 400 10 600 300 COD, mg/L 700 200 1500 900 TN, mg/L 30 8 300 100 TP, mg/L 7 2 40 20 Chú thích:(a): Giá trị cao ứng với tiêu chuẩn dùng nước thấp và có tính cả tải lượng từ nhà bếp.(b): giá trị thấp ứng với tiêu chuẩn dùng nước cao. NTSH còn chứa nhiều loại vi khuẩn, vi rút, nguyên sinh bào và giun sán là mầm gây ra các bệnh như tả, lỵ, thương hàn, bại liệt, giun, sán các loại… [2], [79]. Mức độ ô nhiễm về mặt vi sinh của nước thải thường được đánh giá thông qua các chỉ tiêu vi khuẩn đại diện: Escherichia coli và Enterococci, Coliform chịu nhiệt và Coliform tổng số, tính bằng cách đếm trực tiếp số lượng vi khuẩn hoặc xác định theo phương pháp MPN [2]. Trong nước thải đô thị, tổng số Coliform thường dao động từ 106 đến 109 MPN/100 mL [19]. Lưu lượng NTSH thường được xác định phổ biến thông qua công thức sau [79]: Qww = 10-3kqP (1.1) Trong đó: Qww: lưu lượng NTSH, m3/ngày q: lượng nước sử dụng, lít/người.ngày k: hệ số phần lượng nước sử dụng trở thành nước thải. Giá trị của k lấy bằng 0,8  0,9. P: số dân, người. NTSH có lưu lượng và tải lượng các chất ô nhiễm thay đổi trong ngày cũng như trong tuần và trong năm. Lưu lượng thấp vào ban đêm và tăng nhanh chóng vào buổi sáng và lặp lại sự tăng nhanh vào buổi trưa và buổi tối. Các hoạt động bình thường của một hộ gia đình trong tuần diễn ra phổ biến hơn những ngày cuối tuần. Trong mùa nóng, con người sử dụng nhiều nước hơn mùa lạnh nên lưu lượng NTSH cũng có sự thay đổi theo mùa trong năm.