Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong cấu trúc quy hoạch đô thị, hệ thống mặt nước đóng vai trò không gian mở, điều hòa vi khí hậu, tiêu thoát nước mưa, đồng thời phục vụ các hoạt động văn hóa, sinh hoạt và du lịch. Tại Việt Nam, quá trình đô thị hóa và công nghiệp hóa nhanh chóng đã gây ra áp lực môi trường lớn đối với các thủy vực nội đô. Do hệ thống thoát nước phần lớn là hệ sinh thái cống chung và năng lực thu gom, xử lý nước thải tập trung còn hạn chế, các hồ đô thị thường xuyên tiếp nhận trực tiếp nước thải sinh hoạt (NTSH) chưa qua xử lý. Thực trạng này dẫn đến ô nhiễm hữu cơ nghiêm trọng, làm suy giảm hàm lượng ô-xy hòa tan (DO), tích tụ chất dinh dưỡng (ni-tơ, phốt-pho) gây hiện tượng phú dưỡng, bốc mùi hôi thối và hủy hoại hệ sinh thái thủy sinh.

Theo các khảo sát hiện trạng, phần lớn các hồ nội thành tại các đô thị lớn như Hà Nội, Hải Phòng, Đà Nẵng, Huế, Việt Trì, Cần Thơ có các thông số BOD5, COD, NH4+, PO43- vượt quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt (QCVN 08-MT:2015/BTNMT cột B1). Khảo sát 86 hồ nội thành Hà Nội ghi nhận hầu hết đều ô nhiễm hữu cơ; chỉ có 5/86 hồ đạt quy chuẩn về COD và BOD5 nhưng vẫn vượt ngưỡng amoni hoặc phốt-phát. Bên cạnh đó, 44 hồ ngoại thành có giá trị COD dao động từ 48 đến 156 mg/L, vượt từ 1,5 đến 5 lần giới hạn cho phép.

Để kiểm soát ô nhiễm nước hồ, giải pháp sinh thái như bãi lọc trồng cây (BLTC) được đánh giá là phù hợp với điều kiện khí hậu nhiệt đới nhờ chi phí đầu tư và vận hành thấp, không sử dụng hóa chất. Tuy nhiên, rào cản kỹ thuật của BLTC (đặc biệt là dạng dòng chảy ngầm ngang) là nồng độ DO trong lòng bãi lọc thường rất thấp, làm hạn chế quá trình nitrat hóa và hiệu quả xử lý tổng thể các hợp chất ni-tơ. Các biện pháp sục khí cơ học tiêu tốn nhiều năng lượng, trong khi các giải pháp làm thoáng tự nhiên truyền thống (đập tràn, máng tràn) đòi hỏi diện tích và độ chênh cao độ lớn.

Việc ứng dụng các mẫu định hình dòng chảy (ĐHDC - flowforms) bố trí dạng thác (flowforms cascade) để làm thoáng tự nhiên đem lại hiệu quả hòa tan ô-xy cao nhờ chuyển động xoáy tuần hoàn hình số 8, đồng thời có thể kết hợp hài hòa với cảnh quan bờ kè hồ đô thị. Dù vậy, tại Việt Nam, các nghiên cứu chuyên sâu về chế tạo mẫu ĐHDC bằng vật liệu phù hợp và đánh giá định lượng hiệu quả kết hợp giữa hệ thống ĐHDC với BLTC trong xử lý nước hồ đô thị bị ô nhiễm bởi NTSH còn thiếu hụt. Đây chính là khoảng trống khoa học mà luận án tập trung giải quyết.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm ba nội dung chính:

  1. Chế tạo mẫu ĐHDC; đánh giá hiệu quả làm thoáng của hệ thống ĐHDC với mẫu ĐHDC được chế tạo.
  2. Đánh giá tác động của hệ thống ĐHDC và điều kiện vận hành BLTC đến hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm chính: BOD5, NH4+-N, TSS, TN, PO43--P trong nước hồ đô thị bị ô nhiễm bởi NTSH.
  3. Lựa chọn mô hình động học phù hợp cho quá trình xử lý bằng hệ thống BLTC kết hợp mẫu ĐHDC trong điều kiện thực tế của mô hình thực nghiệm; xác định hệ số tốc độ xử lý một số chất ô nhiễm chính (BOD5, NH4+-N, TSS, TN, PO43--P) trong điều kiện thực tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Nước hồ đô thị bị ô nhiễm bởi nước thải sinh hoạt và có hàm lượng ô-xy hòa tan thấp.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Không gian: Thí nghiệm chế tạo mẫu và làm thoáng tại phòng thí nghiệm; thí nghiệm mô hình thực tế hiện trường đặt tại Hồ nhỏ Kim Liên (phường Kim Liên, quận Đống Đa, thành phố Hà Nội) – một thủy vực điển hình cho nhóm hồ đô thị tiếp nhận nước thải sinh hoạt trực tiếp.
    • Thời gian: Dữ liệu khảo sát hiện trạng chất lượng nước hồ được thu thập từ tháng 11/2019 đến tháng 4/2020 (6 đợt lấy mẫu); các chuỗi thí nghiệm hiện trường được triển khai vận hành và quan trắc theo các chế độ lưu lượng khác nhau.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

Luận án đã tổng quan toàn diện các giải pháp kiểm soát và xử lý chất lượng nước hồ trên thế giới và tại Việt Nam qua các nhóm phương pháp:

1. Phương pháp hóa học

  • Trên thế giới: Sử dụng CuSO4 để diệt tảo lam tại hồ phân tầng ở Pháp với liều lượng 63 µg/L Cu2+ [72]; xử lý bằng CuSO4 liên tục 58 năm tại các hồ Fairmont (Minnesota, Canada) cho thấy nguy cơ tích tụ đồng trong trầm tích, suy giảm DO và cá chết [67]. Sử dụng hóa chất diệt cỏ fluridone tại hồ Istokpoga (Florida, Hoa Kỳ, 1988-1992) chỉ mang lại hiệu quả tạm thời và làm tăng nồng độ chất dinh dưỡng sau xử lý [99]. Bổ sung hóa chất xử lý bùn đáy tại hồ Lillesjon (Canada) qua 3 giai đoạn: 13 tấn FeCl3 (146 g Fe/m2), 5 tấn Ca(OH)2 (180 g Ca/m2) và 12 tấn Ca(NO3)2 (141 g N/m2) để ức chế giải phóng phốt-pho từ trầm tích [137].
  • Tại Việt Nam: Sử dụng hóa chất kết hợp chế phẩm sinh học tại hồ Xã Đàn, Thanh Nhàn 1, Thanh Nhàn 2B, Đền Lừ, Trúc Bạch, Ngọc Khánh (2015-2016) bằng chế phẩm LTH-100, LTH-200, LTH-79, LTH-88 và Ahova [30]; sử dụng PAC, ô-xy già, đồng chelate kết hợp vi sinh và bè thủy sinh tại hồ lớn Kim Liên [23], [30]; áp dụng phương pháp Riplox kết hợp chế phẩm LOLO-pH 104 tại hồ Hữu Tiệp (2016-2017) giúp giảm BOD5 từ >40 mg/L xuống 5 mg/L và tăng DO lên 4,0–4,5 mg/L [21]; xử lý 91 hồ nội thành Hà Nội bằng chế phẩm Redoxy-3C (liều lượng ban đầu 20 g/m3, duy trì 10 g/m3), tuy nhiên sau 3–9 tháng nhiều hồ có hiện tượng ô nhiễm trở lại [10], [11], [14], [15].

2. Phương pháp vật lý và cơ học

  • Trên thế giới: Pha loãng và xả đáy tại hồ chứa Xiaolangdi (Trung Quốc) đạt hiệu suất tách cặn 30–100% [151] và tại hồ Lewis (Hoa Kỳ) [79]; sục khí sâu tại Hà Lan và Vương quốc Anh [49]; công nghệ PEEN (Physico-Ecological Engineering) kết hợp sục khí cơ học, kết tủa và thực vật tại hồ Taihu (Trung Quốc) đạt hiệu suất xử lý NH4+-N 69% và NO2--N 69% [103]; nạo vét 30 cm lớp bùn bề mặt tại hồ Taihu [152].
  • Tại Việt Nam: Nạo vét bùn đáy và kè bờ tại các hồ Thành Công, Giảng Võ, Thiền Quang, Thanh Nhàn (2001-2004) [16]; nghiên cứu đập mô phỏng bằng gạch (kích thước 15 m x 1 m x 1 m, diện tích bề mặt khuếch tán 15,033 m2) rải đá cuội và đá hộc giúp nâng DO từ 2,0–3,5 mg/L lên 3,8–5,0 mg/L [22]; hệ thống đập tràn sau hồ kỵ khí tại trạm xử lý nước thải Buôn Ma Thuột.

3. Phương pháp sinh học và hệ thống bãi lọc trồng cây

  • Trên thế giới: Ứng dụng màng sinh học trên giá thể zeolit, gốm [71], sợi tre và nhựa [147]; ứng dụng chế phẩm vi sinh tại Bắc Mỹ và Tây Âu [128]; bãi lọc trồng cây xử lý hồ siêu phú dưỡng tại Trung Quốc đạt hiệu suất khử TP 30–67% và TN 30–52% [53]; thử nghiệm 3 mô hình BLTC song song tại hồ Taihu [90]. Nghiên cứu thực vật thủy sinh (dong riềng, lục bình, bèo tấm, thủy trúc, cỏ vetiver) trong việc hấp thụ chất ô nhiễm [46], [64], [115], [146].
  • Tại Việt Nam: Mô hình BASTAF kết hợp BLTC dòng chảy đứng [130]; hệ thống hồ sinh học kết hợp chuỗi BLTC (FWS và HF) công suất 36.000 m3/ngày tại Công ty Formosa Hà Tĩnh (IESE, 2017) [2]; nghiên cứu thực vật thủy sinh (ngổ trâu, bèo tây, cải soong, rau muống) xử lý phú dưỡng [33]; mô hình BLTC trồng chuối hoa và cỏ đậu xử lý nước hồ Công viên 29/3 (Đà Nẵng) với HRT 12–24h [29]; bè nổi Eco-Bio-Block (EBB) tại hồ Khương Thượng (Hà Nội) [26], [69].

4. Nghiên cứu ứng dụng hệ thống định hình dòng chảy (Flowform)

  • Trên thế giới: Hệ thống ĐHDC xử lý nước thải 200 m3/ngày tại vườn ven hồ Chengdu (Trung Quốc) [148]; lắp đặt 43 mẫu ĐHDC Olympya tại hồ Te Koutu (New Zealand) để cải thiện DO [74], [118]; hệ thống ĐHDC kết hợp BLTC rải sỏi trồng sậy tại New South Wales (Australia) xử lý nước xám giúp giảm BOD5 từ 424 mg/L xuống <20 mg/L và nâng DO từ 0,1 lên 3,9 ppm sau 105 phút [73].
  • Tại Việt Nam: Nghiên cứu năm 2015-2016 về hệ thống 7 bậc ĐHDC bằng gốm kết hợp BLTC xử lý nước hồ bãi chôn lấp bị ô nhiễm bởi nước rỉ rác, cho thấy DO tăng từ 0 lên 5,6 mg/L và COD giảm từ 382 xuống 36 mg/L sau 11 ngày tuần hoàn [4].

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Mặc dù các nghiên cứu bước đầu đã chỉ ra tiềm năng của ĐHDC, việc ứng dụng ĐHDC trong xử lý nước mặt đô thị tại Việt Nam còn nhiều khoảng trống:

  1. Thiếu nghiên cứu về vật liệu chế tạo mẫu ĐHDC có độ bền cơ học cao, chịu thời tiết và chống mài mòn thay thế cho vật liệu gốm truyền thống dễ nứt vỡ.
  2. Chưa có đánh giá định lượng chi tiết về khả năng bổ cập ô-xy hòa tan của hệ thống ĐHDC đối với nguồn nước hồ đô thị bị ô nhiễm bởi NTSH ở các mức lưu lượng khác nhau.
  3. Chưa có công trình nghiên cứu hiện trường dài ngày đánh giá so sánh hiệu quả xử lý đồng thời các chất ô nhiễm (BOD5, TSS, NH4+-N, TN, PO43--P) giữa mô hình BLTC đơn thuần và mô hình BLTC kết hợp ĐHDC.
  4. Thiếu các hệ số tốc độ suy giảm chất ô nhiễm ($k$) trong mô hình động học thực tế (theo mô hình Kadlec & Knight và Reed et al.) cho hệ thống kết hợp ĐHDC - BLTC tại Việt Nam nhằm phục vụ công tác tính toán, thiết kế công nghệ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Khái niệm và phân loại bãi lọc trồng cây (Constructed Wetlands - CW): Được chia thành hai nhóm chính là bãi lọc có dòng chảy bề mặt tự do (Free Water Surface - FWS) và bãi lọc dòng chảy ngầm (Subsurface Flow - SSF). Bãi lọc SSF tiếp tục phân loại thành dòng chảy đứng (Vertical Flow - VF) và dòng chảy ngang ngầm (Horizontal Subsurface Flow - HSSF). Luận án tập trung vào bãi lọc dòng chảy ngang ngầm (HSSF) với đặc tính dòng nước chảy ngang qua lớp vật liệu lọc dưới bề mặt đất, hạn chế phát sinh mùi và côn trùng, nhưng có hạn chế về lượng DO nội tại.
  • Cơ chế chuyển hóa chất ô nhiễm:
    • Chất hữu cơ: Quá trình lắng cơ học chất lơ lửng, lọc qua khe rỗng vật liệu lọc và phân hủy sinh học bởi màng vi sinh vật (hiếu khí, thiếu khí và kỵ khí) bám dính trên rễ thực vật và bề mặt hạt vật liệu.
    • Hợp chất Ni-tơ: Chu trình chuyển hóa gồm quá trình amoni hóa (chuyển hóa N hữu cơ thành NH4+-N), quá trình nitrat hóa (vi khuẩn hiếu khí oxy hóa NH4+ thành NO2- và NO3-, đòi hỏi nồng độ DO cao), quá trình khử nitrat (vi khuẩn thiếu khí khử NO3- thành khí N2), quá trình oxy hóa amoni kỵ khí (Anammox) và hấp thụ sinh học của thực vật.
    • Hợp chất Phốt-pho: Quá trình hấp phụ hóa lý trên bề mặt vật liệu lọc, kết tủa vô cơ với các ion kim loại (Fe, Al, Ca), tích tụ sinh học trong sinh khối vi sinh vật và hấp thụ qua hệ rễ thực vật thủy sinh.
    • Chất rắn lơ lửng (TSS): Cơ chế lắng trọng lực, chặn lọc cơ học qua khe rỗng và kết tụ màng sinh học.
  • Nguyên lý làm thoáng của hệ thống ĐHDC (Flowform Cascade): Cấu tạo lòng máng tạo hiệu ứng xoáy cuộn đối xứng hoặc không đối xứng hình số "8". Khi dòng nước chảy qua từng bậc máng, lực ly tâm và trọng lực tạo nên các lớp nước mỏng tiếp xúc liên tục với không khí, tăng diện tích giao diện khí - lỏng, thúc đẩy khuếch tán phân tử và hòa tan ô-xy từ khí quyển vào nước mà không cần năng lượng sục khí cơ học.
  • Khung động học xử lý chất ô nhiễm:
    • Mô hình Kadlec & Knight (1996): Mô hình động học bậc 1 diện tích bề mặt (first-order area-based model): $$\frac{C_e - C^}{C_i - C^} = \exp\left(-\frac{k_A}{HLR}\right)$$ Trong đó: $C_i, C_e$ là nồng độ đầu vào và đầu ra (mg/L); $C^*$ là nồng độ nền (mg/L); $k_A$ là hằng số tốc độ diện tích (m/năm hoặc m/ngày); $HLR$ là tải trọng thủy lực (m/ngày).
    • Mô hình Reed S.C. và cộng sự: Mô hình động học bậc 1 theo thể tích dựa trên thời gian lưu nước ($HRT$): $$\frac{C_e}{C_i} = \exp(-k_T \cdot HRT)$$ Trong đó: $k_T$ là hệ số tốc độ suy giảm thể tích ở nhiệt độ $T$ ($ngày^{-1}$).

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  1. Phương pháp tổng quan tài liệu: Kế thừa, tổng hợp cơ sở dữ liệu về chất lượng nước hồ, cơ chế xử lý sinh thái và công nghệ ĐHDC trong và ngoài nước.
  2. Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa: Khảo sát hiện trạng 636 hồ tại 46 tỉnh/thành phố và phân tích chất lượng nước định kỳ tại 9 hồ đặc trưng trên địa bàn Hà Nội.
  3. Phương pháp thực nghiệm chế tạo vật liệu: Sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (Ultra High Performance Concrete - UHPC) với tỷ lệ phối trộn tối ưu để đúc mẫu ĐHDC, kiểm tra độ bền cơ lý và khả năng chống xói mòn bề mặt.
  4. Phương pháp thực nghiệm mô hình:
    • Thực nghiệm làm thoáng: Đánh giá sự gia tăng DO qua hệ thống ĐHDC 8 bậc ở các dải lưu lượng $Q = 100, 200, 300, 400$ L/h.
    • Thực nghiệm xử lý nước hồ tại hiện trường (Hồ nhỏ Kim Liên): Thiết lập trạm pilot gồm bình ổn định lưu lượng, hệ thống ĐHDC, bãi lọc HSSF rải vật liệu lọc (sỏi, đá dăm) trồng cây Thủy trúc (Cyperus alternifolius). Thử nghiệm qua 2 giai đoạn:
      • Giai đoạn 1 (GĐ1): Vận hành BLTC đơn thuần không kết hợp ĐHDC.
      • Giai đoạn 2 (GĐ2): Vận hành BLTC kết hợp làm thoáng bằng hệ thống ĐHDC.
  5. Phương pháp lấy mẫu và phân tích: Lấy mẫu nước định kỳ tại đầu vào, các điểm phân bố theo chiều dài bãi lọc (25%, 50%, 75%, 100% chiều dài) và đầu ra. Phân tích các thông số nhiệt độ, pH, DO (đo trực tiếp bằng máy đo cầm tay), BOD5, COD, TSS, NH4+-N, TN, PO43--P, TP theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (SMEWW).
  6. Phương pháp phân tích số liệu và mô hình hóa: Xử lý thống kê mô tả, tính toán hiệu suất xử lý, lập tương quan phi tuyến để xác định các hệ số tốc độ xử lý $k$ theo mô hình Kadlec-Knight và Reed.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan hiện trạng ô nhiễm môi trường nước hồ đô thị tại Việt Nam và các giải pháp cải thiện chất lượng nước hồ

Nội dung chương tổng hợp chức năng, hiện trạng sử dụng và mức độ ô nhiễm của các hồ đô thị tại Việt Nam. Theo thống kê 636 hồ tại 46 tỉnh, thành phố:

  • 94% số hồ (598/636 hồ) đảm nhận chức năng điều tiết nước mưa.
  • 55,5% số hồ (353/636 hồ) tiếp nhận đồng thời nước mưa và nước thải sinh hoạt.
  • 2,5% hồ gắn liền với di tích lịch sử, tâm linh; 4,25% sử dụng nuôi cá; 1,87% chứa nước thải.

Tại Hà Nội, thống kê năm 2019 có 122 hồ với tổng diện tích mặt nước 10,74 km2; trong đó 86% (105/122 hồ) vừa điều tiết nước mưa vừa tiếp nhận nước thải sinh hoạt; 80,3% hồ đã được kè bờ kiên cố hóa. Theo phân loại quản lý của Công ty TNHH MTV Thoát nước Hà Nội, hồ đô thị chia thành 3 nhóm:

  • Nhóm 1: Hồ không tiếp nhận nước thải, chỉ tiếp nhận nước mưa.
  • Nhóm 2: Hồ tiếp nhận hỗn hợp nước mưa và nước thải khi có mưa.
  • Nhóm 3: Hồ thường xuyên tiếp nhận nước thải trực tiếp.

Tải lượng chất bẩn sinh hoạt xả vào hệ thống thoát nước tính theo đầu người được luận án tổng hợp như sau:

STT Chất ô nhiễm Tải lượng (g/người·ngày)
1 Chất rắn lơ lửng (SS) 60 ÷ 65
2 BOD5 của nước thải chưa lắng 65
3 BOD5 của nước thải đã lắng 30 ÷ 35
4 Ni-tơ amoni (N-NH4) 8
5 Phốt-phát (P2O5) 3,3
6 Clorua (Cl-) 10

Luận án tổng hợp chất lượng nước hồ đô thị tại một số thành phố (khảo sát mỗi thành phố 9 hồ):

STT Thành phố DO (mg/L) COD (mg/L) NH4+-N (mg/L) PO43- (mg/L)
- QCVN 08-MT:2015/BTNMT (B1) $\ge$ 4 30 0,9 0,3
1 Đà Nẵng 1,8 ÷ 5,8 22,75 ÷ 83,53 0,51 ÷ 1,20 0,11 ÷ 1,68
2 Huế 4,17 ÷ 4,77 21,43 ÷ 53,07 0,27 ÷ 1,75 0,02 ÷ 2,15
3 Bà Rịa - Vũng Tàu 4,20 ÷ 5,20 18,30 ÷ 60,70 0,06 ÷ 1,67 0,12 ÷ 0,17
4 Hải Phòng 3,93 ÷ 5,43 34,80 ÷ 51,60 0,14 ÷ 5,36 0,02 ÷ 1,79
5 Việt Trì 3,80 ÷ 4,70 21,17 ÷ 76,05 0,03 ÷ 0,46 0,02 ÷ 0,28
6 Cần Thơ 3,10 ÷ 4,60 31,43 ÷ 48,17 0,07 ÷ 0,81 0,12 ÷ 0,14

Kết quả quan trắc chi tiết chất lượng nước tại 9 hồ đặc trưng trên địa bàn thành phố Hà Nội (thực hiện từ tháng 11/2019 đến tháng 4/2020, $n=6$):

STT Tên hồ (Nhóm phân loại) Nhiệt độ (°C) DO (mg/L) COD (mg/L) TN (mg/L) TP (mg/L)
- QCVN 08-MT:2015/BTNMT (B1) - $\ge$ 4 30 - -
1 Hồ Cẩn (1) 26,0 ± 5,2 3,8 ± 0,4 57,5 ± 8,8 3,5 ± 0,8 2,5 ± 1,0
2 Hồ Bảy Gian (1) 24,9 ± 5,3 3,8 ± 0,4 53,8 ± 7,3 4,0 ± 0,9 1,7 ± 0,5
3 Hồ Tân Mai (2) 25,6 ± 5,2 2,6 ± 0,5 75,6 ± 5,4 6,7 ± 0,7 1,9 ± 0,3
4 Hồ Hố Mẻ (2) 25,4 ± 5,8 2,8 ± 0,7 68,0 ± 7,0 6,1 ± 0,8 2,6 ± 0,7
5 Hồ nhỏ Kim Liên (3) 25,0 ± 5,4 0,1 ± 0,1 188,3 ± 32,4 25,9 ± 5,0 3,4 ± 0,6
6 Hồ Hai Bà Trưng (3) 25,1 ± 5,4 2,7 ± 0,4 83,1 ± 14,1 8,9 ± 1,8 2,1 ± 0,6
7 Hồ Cá Bác Hồ (1) 25,1 ± 5,6 4,5 ± 0,4 46,1 ± 6,8 3,3 ± 0,3 1,6 ± 0,5
8 Hồ KĐT Văn Phú (2) 24,8 ± 6,3 3,8 ± 0,4 60,3 ± 5,8 4,8 ± 0,4 2,3 ± 0,4
9 Hồ Ngọc Thụy (3) 24,8 ± 5,5 3,6 ± 0,3 74,6 ± 7,6 5,9 ± 0,9 2,6 ± 0,6

Số liệu cho thấy Hồ nhỏ Kim Liên (thuộc Nhóm 3) có mức độ ô nhiễm nặng nhất với nồng độ DO gần như triệt tiêu (0,1 ± 0,1 mg/L), COD lên đến 188,3 ± 32,4 mg/L (vượt quy chuẩn hơn 6,2 lần), TN đạt 25,9 ± 5,0 mg/L và TP đạt 3,4 ± 0,6 mg/L.

Đồng thời, chương tổng quan khả năng xử lý chất ô nhiễm của các loài thực vật thủy sinh:

STT Thực vật thủy sinh Hiệu quả xử lý N (%) Hiệu quả xử lý P (%) Hiệu quả xử lý COD (%) Hiệu quả xử lý chung (%)
1 Lục Bình > 75 > 75 - > 75
2 Bèo hoa dâu 65 ÷ 75 65 ÷ 75 - 65 ÷ 75
3 Đậu phộng nước > 75 < 65 - 65 ÷ 75
4 Cây tróc bạc > 75 65 ÷ 75 - > 75
5 Cây củ Ấu < 65 < 65 - > 75
6 Hoa sen < 65 < 65 - > 75
7 Rong đuôi chồn 65 ÷ 75 < 65 - 65 ÷ 75
8 Dong riềng 30 ÷ 50 20 ÷ 25 20 ÷ 40 > 75
9 Thạch xương bồ 30 ÷ 45 20 ÷ 35 - > 75
10 Thủy trúc 25 ÷ 40 15 ÷ 45 15 ÷ 35 -
11 Cỏ Vetiver 25 ÷ 30 15 ÷ 45 15 ÷ 30 -

Đánh giá tổng hợp ưu và nhược điểm của các phương pháp xử lý nước hồ:

STT Phương pháp Ưu điểm Nhược điểm
1 Hóa học Xử lý nhanh, tác động trực tiếp, công nghệ đơn giản. Chi phí hóa chất cao; không triệt để; dễ gây ô nhiễm thứ cấp và ảnh hưởng sinh thái.
2 Lý học Kỹ thuật đơn giản, dễ áp dụng tại chỗ. Chi phí vận hành cao; hiệu quả tức thời, ngắn hạn; có thể gây phản ứng phụ.
3 Sinh học Tiết kiệm năng lượng; hiệu suất xử lý bền vững; ít phát sinh ô nhiễm thứ cấp. Thời gian xử lý dài; cần diện tích mặt bằng; hiệu quả phụ thuộc điều kiện thời tiết.

Chương 2: Cơ sở khoa học các quá trình xử lý nước hồ bị ô nhiễm bằng bãi lọc trồng cây kết hợp với hệ thống định hình dòng chảy

Chương 2 thiết lập cơ sở lý thuyết cho việc kết hợp hai module công nghệ:

  1. Quá trình động học và sinh hóa trong bãi lọc trồng cây: Phân tích chi tiết đặc tính của bãi lọc dòng chảy ngầm ngang (HSSF). Trong HSSF, lớp nước nằm dưới bề mặt vật liệu lọc giúp loại bỏ TSS qua lắng và lọc cơ học. Quá trình khử BOD5 diễn ra nhờ màng vi sinh vật dị dưỡng. Tuy nhiên, sự khuếch tán ô-xy tự nhiên từ bề mặt khí quyển qua lớp vật liệu lọc vào vùng ngập nước bị hạn chế, lượng ô-xy do rễ thực vật tiết ra không đủ đáp ứng nhu cầu tiêu thụ ô-xy cho quá trình nitrat hóa amoni ($NH_4^+ + 2O_2 \rightarrow NO_3^- + 2H^+ + H_2O$). Do đó, nồng độ DO trở thành yếu tố giới hạn chính đối với hiệu quả xử lý N.
  2. Cơ chế thủy lực và làm thoáng của hệ thống ĐHDC: Mẫu ĐHDC được thiết kế để định hướng dòng chảy chuyển động theo quỹ đạo xoáy cuộn kép đối xứng hình số "8". Chuyển động này tạo ra sự xáo trộn thủy lực liên tục, phá vỡ màng ranh giới pha khí - lỏng, kéo dài thời gian tiếp xúc của các phân tử nước với không khí và tối ưu hóa diện tích mặt thoáng trên một đơn vị chiều dài dòng chảy. Khi bố trí chuỗi ĐHDC dạng bậc thang dọc theo mái dốc bờ kè hồ, nước hồ ô nhiễm được cấp ô-xy tự nhiên trước khi đưa vào bãi lọc ngầm.
  3. Hiệu ứng tương hỗ khi kết hợp ĐHDC và BLTC: Việc làm thoáng sơ bộ qua ĐHDC bổ sung một lượng lớn DO vào nước cấp, chuyển đổi môi trường trong các khoang đầu của BLTC từ kỵ khí/yếm khí sang hiếu khí. Điều này thúc đẩy tốc độ oxy hóa các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học và kích hoạt mạnh mẽ chu trình nitrat hóa amoni thành nitrat, khắc phục nhược điểm cố hữu của BLTC dòng chảy ngầm truyền thống.

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm

Chương 3 trình bày quy trình chế tạo thiết bị, thiết lập hệ thống thực nghiệm và phương pháp kiểm tra:

  1. Chế tạo mẫu ĐHDC bằng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC): Để đảm bảo độ bền cơ lý, khả năng chống nứt, chống mài mòn thủy lực và tạo hình bề mặt xoáy phức tạp, luận án đã nghiên cứu thành phần cấp phối đúc mẫu ĐHDC bằng vật liệu UHPC. Sản phẩm mẫu ĐHDC sau khi hoàn thiện đạt độ nhẵn bề mặt cao, duy trì hình thái dòng chảy ổn định và không bị rêu mốc, phong hóa hay biến dạng bề mặt sau 2 năm vận hành thực tế.
  2. Thực nghiệm đánh giá khả năng bổ cập ô-xy của hệ thống ĐHDC: Thiết lập hệ thống gồm chuỗi 8 bậc ĐHDC liên tiếp. Thử nghiệm đo diễn biến DO tại từng bậc ở 4 mức lưu lượng cấp nước: $Q = 100$ L/h, $200$ L/h, $300$ L/h và $400$ L/h.
  3. Mô hình thực nghiệm hiện trường tại Hồ nhỏ Kim Liên:
    • Cấu tạo hệ thống: Nước từ Hồ nhỏ Kim Liên được bơm vào bình ổn định mức nước, sau đó chảy qua hệ thống ĐHDC gồm 8 bậc, tiếp tục đi vào giếng phân phối đầu vào của bể BLTC dòng chảy ngầm ngang (HSSF). Bể BLTC có kích thước hình học xác định, đổ vật liệu lọc phân tầng (sỏi cuội và đá dăm) và cấy trồng cây Thủy trúc (Cyperus alternifolius). Cuối bãi lọc bố trí giếng thu nước ra có ống xả điều chỉnh cao độ mực nước ngầm trong bãi.
    • Chế độ vận hành nghiên cứu:
      • Giai đoạn 1 (GĐ1): Vận hành mô hình BLTC độc lập không qua hệ thống ĐHDC ở các mức lưu lượng khác nhau để làm đối chứng.
      • Giai đoạn 2 (GĐ2): Vận hành mô hình BLTC kết hợp làm thoáng qua chuỗi bậc ĐHDC ở các mức lưu lượng tương ứng.
    • Kế hoạch quan trắc: Đo đạc trực tiếp các thông số hiện trường (DO, pH, Nhiệt độ) và lấy mẫu nước phân tích phòng thí nghiệm tại các vị trí phân bố theo chiều dài bãi lọc ($L = 0%, 25%, 50%, 75%, 100%$) đối với các chỉ tiêu: BOD5, COD, TSS, NH4+-N, TN, PO43--P.

Chương 4: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Chương 4 tổng hợp các kết quả thực nghiệm và thảo luận khoa học:

  1. Khả năng làm thoáng bổ cập DO của hệ thống ĐHDC:

    • Hàm lượng DO trong nước hồ tăng dần theo từng bậc của hệ thống ĐHDC. Từ nguồn nước cấp ban đầu tại Hồ nhỏ Kim Liên có nồng độ DO rất thấp (~0,1 mg/L), sau khi chảy qua chuỗi 8 bậc ĐHDC, nồng độ DO đo được tại bậc thứ 8 đạt giá trị từ 3,8 đến 5,6 mg/L tùy thuộc vào mức lưu lượng vận hành ($Q = 100 \div 400$ L/h).
    • Mức độ gia tăng DO cao nhất ghi nhận ở lưu lượng phù hợp tạo dòng xoáy ổn định hình số "8", chứng minh khả năng cung cấp ô-xy tự nhiên của mẫu ĐHDC chế tạo bằng UHPC.

  2. Đánh giá và so sánh hiệu quả xử lý giữa hai giai đoạn:

    • Hiệu quả xử lý ở Giai đoạn 1 (BLTC không có ĐHDC): Hiệu suất loại bỏ BOD5 và TSS đạt mức khá, tuy nhiên nồng độ DO dọc theo bãi lọc luôn duy trì ở mức thấp (< 0,5–1,0 mg/L). Do thiếu hụt DO, hiệu suất xử lý NH4+-N và TN rất thấp, quá trình nitrat hóa diễn ra không triệt để.
    • Hiệu quả xử lý ở Giai đoạn 2 (BLTC kết hợp ĐHDC): Dòng nước sau khi qua ĐHDC mang hàm lượng DO cao đi vào bãi lọc làm thay đổi rõ rệt cấu trúc vi sinh vật hiếu khí ở đoạn đầu bãi. Hiệu suất xử lý NH4+-N tăng vọt so với GĐ1; hiệu suất xử lý BOD5, TN và PO43--P đều được cải thiện đáng kể. Nước sau xử lý đạt giới hạn cột B của QCVN 14:2008/BTNMT, và hầu hết các chỉ tiêu (trừ NH4+-N ở một số thời điểm tải cao) đều đáp ứng cột B1 của QCVN 08-MT:2015/BTNMT.

  3. Xác định các thông số động học xử lý chất ô nhiễm:

    • Luận án đã áp dụng mô hình Kadlec & Knight và mô hình Reed S.C. để xử lý số liệu thực nghiệm, từ đó xác định chính xác các hệ số tốc độ suy giảm diện tích ($k_A$) và thể tích ($k_T$) đối với từng chỉ tiêu: $k_{BOD5}$, $k_{NH4-N}$, $k_{TN}$, $k_{PO4-P}$, $k_{TSS}$.
    • Các hệ số tốc độ xử lý trong giai đoạn có kết hợp ĐHDC đều cao hơn rõ rệt so với giai đoạn không kết hợp, cung cấp bộ thông số đầu vào phục vụ tính toán thiết kế kỹ thuật.

  4. Đề xuất mô hình ứng dụng cho các nhóm hồ đô thị:

    • Luận án xây dựng sơ đồ công nghệ ứng dụng hệ sinh thái kết hợp ĐHDC - BLTC phù hợp cho từng nhóm hồ đô thị:
      • Hồ Nhóm 1 (chỉ tiếp nhận nước mưa): Bố trí hệ thống ĐHDC và bãi lọc tuần hoàn ven bờ để duy trì cảnh quan, ngăn ngừa tích tụ dinh dưỡng và phú dưỡng cục bộ.
      • Hồ Nhóm 2 & Nhóm 3 (tiếp nhận hỗn hợp hoặc nước thải trực tiếp): Tận dụng mái dốc taluy kè hồ hiện hữu để lắp đặt chuỗi bậc ĐHDC kết hợp bể BLTC ngầm chạy dọc hành lang bảo vệ hồ, tuần hoàn nước hồ liên tục để làm sạch phân tán tại chỗ.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Xác định được mức độ cải thiện hàm lượng ô-xy hòa tan (DO) của hệ thống ĐHDC dạng thác chế tạo bằng vật liệu bê tông chất lượng siêu cao (UHPC), có thể làm tăng nồng độ DO từ 0,1 mg/L lên đến 5,6 mg/L đối với nguồn nước hồ đô thị ô nhiễm hữu cơ nặng.
  2. Khẳng định và chứng minh bằng thực nghiệm hiện trường rằng hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm đặc trưng (đặc biệt là NH4+-N, TN và BOD5) của bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm ngang (HSSF) được tăng cường đáng kể khi kết hợp với hệ thống làm thoáng tự nhiên ĐHDC.
  3. Xác định được bộ hệ số tốc độ xử lý động học ($k$) đối với các chất ô nhiễm đặc trưng (BOD5, TSS, NH4+-N, TN, PO43--P) của mô hình kết hợp ĐHDC và BLTC dòng chảy ngầm ngang trong điều kiện khí hậu và nguồn nước thải thực tế tại Việt Nam.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp đề xuất

  1. Làm chủ quy trình công nghệ chế tạo mẫu ĐHDC bằng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC), tạo ra sản phẩm có độ bền cao, bề mặt nhẵn bóng, chịu mài mòn và đáp ứng yêu cầu thẩm mỹ cảnh quan đô thị.
  2. Đề xuất giải pháp kỹ thuật thân thiện môi trường, chi phí thấp, tận dụng mái dốc kè bờ hiện có của hồ đô thị để cải tạo chất lượng nước phân tán tại chỗ mà không làm ảnh hưởng đến không gian kiến trúc.
  3. Xây dựng các sơ đồ công nghệ và hướng dẫn thông số tính toán thiết kế bãi lọc trồng cây kết hợp ĐHDC cho 3 nhóm hồ đô thị khác nhau tại thành phố Hà Nội và các đô thị trên cả nước.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Nghiên cứu thực nghiệm mô hình hiện trường mới chỉ triển khai trên một đối tượng hồ đô thị đại diện (Hồ nhỏ Kim Liên, Hà Nội) với một loại thực vật thủy sinh chủ đạo là cây Thủy trúc (Cyperus alternifolius).
  • Mô hình nghiên cứu vận hành ở quy mô pilot thử nghiệm, chưa đánh giá hết các biến động tải trọng thủy lực cực đoan trong mùa mưa lũ lớn hoặc sự tích tụ trầm tích lâu dài qua nhiều năm vận hành liên tục.
  • Cơ chế chuyển hóa phốt-pho chủ yếu phụ thuộc vào dung lượng hấp phụ của vật liệu lọc sỏi đá, chưa thử nghiệm các loại vật liệu hấp phụ biến tính để nâng cao hiệu suất loại bỏ phốt-pho triệt để.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng thử nghiệm mô hình kết hợp ĐHDC - BLTC với các chủng loại thực vật thủy sinh bản địa khác (dong riềng, thạch xương bồ, cỏ vetiver...) và các loại vật liệu lọc có nguồn gốc phế phẩm công nghiệp/khoáng sản tự nhiên (zeolit, xỉ quặng, than hoạt tính).
  • Triển khai nhân rộng mô hình ở quy mô trạm xử lý thực tế toàn phần tại các hồ đô thị thuộc nhóm 2 và nhóm 3; theo dõi liên tục ảnh hưởng của điều kiện nhiệt độ mùa đông miền Bắc đến hiệu suất xử lý sinh học.
  • Nghiên cứu chu kỳ bão hòa vật liệu lọc, biện pháp hoàn nguyên hoặc thay thế định kỳ lớp vật liệu lọc trong BLTC ngầm.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng và ứng dụng

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Công nghệ môi trường, Kỹ thuật Cấp thoát nước, Kỹ thuật Hạ tầng đô thị và Sinh thái môi trường; có thể sử dụng số liệu thực nghiệm, phương pháp tính toán động học và quy trình chế tạo mẫu UHPC phục vụ giảng dạy, nghiên cứu chuyên sâu.
  • Các nhà quản lý đô thị và cơ quan hoạch định chính sách: Sở Tài nguyên và Môi trường, Sở Xây dựng, Công ty Quản lý Thoát nước đô thị tại các địa phương; tham khảo để xây dựng định mức kỹ thuật, phương án cải tạo và bảo vệ chất lượng nước hệ thống ao hồ nội thành.
  • Các đơn vị tư vấn thiết kế công trình hạ tầng kỹ thuật: Ứng dụng các thông số thiết kế công nghệ, sơ đồ dây chuyền kết hợp ĐHDC và BLTC để thiết kế cảnh quan sinh thái kết hợp xử lý nước thải phân tán cho các khu đô thị mới, công viên và hồ điều hòa.

Các phần nội dung có giá trị tham khảo cao

  • Cơ sở dữ liệu khảo sát: Bảng số liệu hiện trạng chất lượng nước 636 hồ đô thị toàn quốc và 9 hồ đặc trưng tại Hà Nội (Chương 1).
  • Quy trình chế tạo mẫu ĐHDC: Thành phần cấp phối và kỹ thuật đúc UHPC cho các kết cấu dòng chảy xoáy (Chương 3).
  • Bộ hệ số động học Kadlec-Knight và Reed: Bảng tổng hợp hệ số tốc độ suy giảm $k$ của các chất ô nhiễm BOD5, NH4+-N, TN, PO43--P, TSS trong điều kiện thực tế (Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Mẫu định hình dòng chảy (ĐHDC) trong luận án được chế tạo bằng vật liệu gì và có ưu điểm gì so với vật liệu truyền thống?

Mẫu ĐHDC trong luận án được nghiên cứu chế tạo bằng vật liệu Bê tông chất lượng siêu cao (UHPC - Ultra High Performance Concrete). So với vật liệu gốm truyền thống (dễ nứt vỡ khi chịu va đập cơ học hoặc biến đổi thời tiết), vật liệu UHPC có cường độ chịu nén và uốn rất cao, khả năng chống mài mòn thủy lực tốt, bề mặt đúc nhẵn mịn đảm bảo tạo hình chính xác các đường cong xoáy dòng chảy và duy trì độ bền cơ lý sau 2 năm thử nghiệm thực tế ngoài hiện trường.

2. Khả năng bổ cập ô-xy hòa tan (DO) của hệ thống ĐHDC đạt được ở mức nào?

Hệ thống ĐHDC gồm chuỗi 8 bậc liên tiếp có khả năng làm thoáng tự nhiên, giúp nồng độ DO trong nước tăng từ mức gần như triệt tiêu ban đầu (~0,1 mg/L tại Hồ nhỏ Kim Liên) lên đến mức 3,8 ÷ 5,6 mg/L ở bậc thứ 8 tùy thuộc vào mức lưu lượng vận hành ($Q = 100 \div 400$ L/h).

3. Việc bổ sung hệ thống ĐHDC phía trước bãi lọc trồng cây mang lại lợi ích kỹ thuật gì nổi bật?

Hạn chế lớn nhất của bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm ngang (HSSF) là môi trường bên trong bãi lọc bị thiếu hụt DO, khiến quá trình nitrat hóa bị đình trệ. Khi nước được làm thoáng qua hệ thống ĐHDC trước khi vào bãi lọc, hàm lượng DO cao được cấp vào khoang phân phối, kích hoạt mạnh mẽ hoạt động của vi sinh vật hiếu khí, từ đó làm tăng vượt bậc hiệu suất chuyển hóa amoni ($NH_4^+-N$) và tổng ni-tơ ($TN$), đồng thời nâng cao hiệu quả khử $BOD_5$.

4. Kết quả khảo sát 9 hồ tại Hà Nội cho thấy mức độ ô nhiễm giữa các nhóm hồ khác nhau như thế nào?

Kết quả quan trắc (tháng 11/2019 – 4/2020) cho thấy chất lượng nước phân hóa rõ rệt theo tính chất tiếp nhận nguồn thải:

  • Các hồ Nhóm 1 (chỉ nhận nước mưa như Hồ Cá Bác Hồ, Hồ Cẩn, Hồ Bảy Gian) có COD dao động từ 46,1 đến 57,5 mg/L, DO từ 3,8 đến 4,5 mg/L.
  • Các hồ Nhóm 2 (nhận hỗn hợp khi mưa như Hồ Tân Mai, Hồ Hố Mẻ, Hồ Văn Phú) có COD dao động từ 60,3 đến 75,6 mg/L, DO giảm xuống 2,6 đến 3,8 mg/L.
  • Các hồ Nhóm 3 (thường xuyên nhận nước thải trực tiếp) bị ô nhiễm nặng nhất, điển hình là Hồ nhỏ Kim Liên với COD lên tới 188,3 ± 32,4 mg/L, DO chỉ đạt 0,1 ± 0,1 mg/L, TN đạt 25,9 ± 5,0 mg/L và TP đạt 3,4 ± 0,6 mg/L.

5. Luận án sử dụng những mô hình động học nào để xác định hệ số tốc độ xử lý các chất ô nhiễm?

Luận án sử dụng hai mô hình động học bậc 1 phổ biến trong kỹ thuật xử lý đất ngập nước:

  • Mô hình diện tích bề mặt của Kadlec & Knight (1996) để tính toán hệ số tốc độ diện tích $k_A$ dựa trên tải trọng thủy lực ($HLR$).
  • Mô hình thể tích của Reed S.C. và cộng sự để xác định hệ số tốc độ suy giảm thể tích $k_T$ dựa trên thời gian lưu nước ($HRT$).

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Ứng Thị Thuý Hà đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu về việc nâng cao chất lượng nước hồ đô thị bị ô nhiễm bằng giải pháp sinh thái kết hợp làm thoáng tự nhiên. Công trình đã làm chủ kỹ thuật chế tạo mẫu định hình dòng chảy bằng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC), chứng minh định lượng khả năng bổ cập ô-xy hòa tan lên đến 5,6 mg/L của hệ thống ĐHDC và khẳng định sự gia tăng hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm đặc trưng khi tích hợp ĐHDC với bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm ngang tại Hồ nhỏ Kim Liên. Đồng thời, việc xác định bộ thông số động học thực nghiệm và đề xuất sơ đồ công nghệ cho từng nhóm hồ đô thị đã cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn tin cậy cho công tác quản lý, cải tạo môi trường nước mặt đô thị tại Việt Nam.