Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Vấn đề ô nhiễm nguồn nước tại các lưu vực sông (LVS) do nước thải sinh hoạt (NTSH) chưa qua xử lý hoặc xử lý không đạt quy chuẩn trước khi xả thải là thực trạng bức thiết tại Việt Nam. Mặc dù các đề án bảo vệ môi trường đã được triển khai cho LVS Cầu (năm 2006), LVS Nhuệ - Đáy (năm 2007) và LVS Đồng Nai (năm 2008), tình trạng ô nhiễm và suy thoái chất lượng nước mặt tại các khu vực đô thị, khu công nghiệp và làng nghề vẫn diễn biến nghiêm trọng.

Lưu vực sông Cầu có tổng diện tích tự nhiên 6.030 km², bao gồm địa bàn của 6 tỉnh: Bắc Kạn, Thái Nguyên, Bắc Giang, Bắc Ninh, Hải Dương, Vĩnh Phúc và 3 huyện (Mê Linh, Đông Anh, Sóc Sơn) thuộc thành phố Hà Nội. Mạng lưới thủy văn toàn lưu vực gồm các sông chính và nhánh có tổng chiều dài khoảng 1.600 km, tổng lượng dòng chảy đạt 4,5 tỷ m³/năm, độ dốc lòng sông trung bình 16,1%. Dân số toàn lưu vực khoảng 8,1 triệu người, trong đó dân số đô thị năm 2016 đạt gần 1,8 triệu người (chiếm 22,22%). Tốc độ tăng trưởng kinh tế của các tỉnh ven sông Cầu năm 2016 duy trì ở mức cao: Thái Nguyên (15,2%), Bắc Giang (10,4%), Vĩnh Phúc (10,1%), Bắc Ninh (9,2%), Hải Dương (7,9%), Bắc Kạn (6,7%), so với mức tăng trưởng trung bình cả nước là 6,21%.

Tổng lưu lượng NTSH phát sinh trên toàn LVS Cầu ước tính khoảng 780.000 m³/ngày, riêng khu vực đô thị chiếm khoảng 170.000 m³/ngày. Hệ thống thoát nước (HTTN) tại các đô thị chủ yếu là mạng lưới cống chung, chỉ thu gom và xử lý được từ 40% đến 70% lượng NTSH phát sinh. Phần lớn các dự án đầu tư nhà máy xử lý nước thải (XLNT) tập trung chỉ phục vụ khu vực nội thành. Tại các khu dân cư vùng ven đô và nông thôn, NTSH chưa có hệ thống thu gom và trạm xử lý hoàn chỉnh mà thoát tự phát theo rãnh đất hoặc cống tự xây đổ trực tiếp ra ao, hồ, kênh mương, ruộng trũng và sông suối. Đến cuối năm 2014, cả nước chỉ có 8,8% số xã đạt tiêu chí môi trường trong Chương trình mục tiêu quốc gia về xây dựng nông thôn mới. Tại tỉnh Bắc Kạn, tính đến hết năm 2017 chỉ có 9/110 xã đạt tiêu chí môi trường; tại Bắc Giang, trạm XLNT tập trung Tân Tiến mới đáp ứng 50% NTSH đô thị, trong khi 9 huyện còn lại chưa có hệ thống thu gom và xử lý tập trung.

Theo Quy hoạch HTTN và XLNT LVS Cầu đến năm 2030 (được phê duyệt ngày 25/01/2013), hình thức thoát nước phi tập trung được định hướng áp dụng cho các khu dân cư độc lập và vùng ven đô. Các công nghệ xử lý cơ học - sinh học hiếu khí tập trung (như bùn hoạt tính hiếu khí aeroten, mương oxy hóa, bể phản ứng sinh học theo mẻ SBR) đòi hỏi chi phí đầu tư, năng lượng vận hành và bảo dưỡng cao, cùng với yêu cầu kỹ thuật quản lý phức tạp, nên không thích hợp cho các khu dân cư phân tán ven đô. Ngược lại, hồ sinh học (HSH) và bãi lọc trồng cây (BLTC) là các công trình xử lý sinh thái trong điều kiện tự nhiên, có chi phí đầu tư và vận hành thấp, quản lý đơn giản và tận dụng được diện tích đất, ao hồ sẵn có tại vùng ven đô. Tuy nhiên, khi vận hành riêng rẽ, mỗi công trình đều bộc lộ hạn chế: HSH có hàm lượng chất lơ lửng (SS) ở dòng ra cao do sự phát triển của tảo và dễ phát sinh mùi tại hồ kỵ khí; BLTC có hiệu suất xử lý nitơ hạn chế (30-50%), có nguy cơ tắc nghẽn lớp vật liệu lọc và tốn kém chi phí vật liệu sỏi lọc.

Khoảng trống nghiên cứu của luận án là: Việc kết hợp hai loại công trình HSH và BLTC trong một dây chuyền công nghệ nhằm khắc phục nhược điểm riêng rẽ, tối ưu hóa quá trình chuyển hóa các chất ô nhiễm và xác định các thông số động học phân hủy chất bẩn để phục vụ tính toán thiết kế cho điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội vùng ven đô LVS Cầu.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Đánh giá được hiệu quả xử lý NTSH bằng các mô hình công nghệ kết hợp BLTC với HSH và HSH với BLTC.
  2. 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.
  3. 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.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình xử lý nước thải sinh hoạt bằng công nghệ kết hợp bãi lọc trồng cây và hồ sinh học.
  • Phạm vi nghiên cứu: Nước thải sinh hoạt tại các khu dân cư ven đô thuộc lưu vực sông Cầu.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trong và ngoài nước

Luận án đã tổng quan các công trình nghiên cứu theo ba hướng chính liên quan đến công nghệ xử lý sinh thái nước thải:

1. Hướng nghiên cứu ứng dụng hồ sinh học (HSH):

  • Trên thế giới: Công trình HSH đầu tiên được xây dựng tại San Antonio, Texas (Mỹ) vào năm 1901 với diện tích 275 ha, sâu 1,4 m. Thập niên 1940-1960 ghi nhận hàng trăm hệ thống tại Bắc Dakota và Texas; đến nay Mỹ có hơn 8.000 trạm XLNT bằng HSH (chiếm trên 50% tổng số nhà máy XLNT đô thị). Pháp có hơn 2.500 trạm HSH (chiếm 20%), Đức có khoảng 3.000 trạm trên tổng số 10.000 trạm XLNT. Nhiều hệ thống HSH quy mô lớn phục vụ các đô thị đông dân như HSH Dandora (Kenya, phục vụ 1 triệu dân) và HSH AlSamar (Jordan, phục vụ 2,6 triệu dân).
  • Tại Việt Nam: Nghiên cứu của Trần Hiếu Nhuệ và Trần Đức Hạ (1985) đã đề xuất quy trình keo tụ - lắng kết hợp HSH bảo vệ nguồn nước Hà Nội. Hiện nay, cả nước có 17 nhà máy XLNT đô thị ứng dụng HSH tại các địa phương: Buôn Ma Thuột, TP. Hồ Chí Minh (Bình Hưng Hòa), Đà Lạt, Đà Nẵng (Sơn Trà, Hòa Cường, Phú Lộc, Ngũ Hành Sơn), Phan Rang, Đồng Hới (Đức Ninh), Thanh Hóa, Bỉm Sơn, Quảng Trị, Đông Hà, Tam Kỳ, Thái Hòa, Đồng Xoài, Ninh Bình. Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam đã triển khai mô hình bể kỵ khí vách ngăn ABR kết hợp HSH tại Tân Hòa (Quốc Oai, Hà Nội, năm 2003) và thị trấn Lim (Tiên Du, Bắc Ninh, công suất 30 m³/ngày).

2. Hướng nghiên cứu ứng dụng bãi lọc trồng cây (BLTC):

  • Trên thế giới: Nghiên cứu bắt đầu từ Đức (thập niên 1950) và Mỹ (thập niên 1960-1970). Kathe Seidel (1965) tại Đức phát triển bãi lọc ngầm dòng chảy ngang (HF) và bãi lọc ngầm dòng chảy thẳng đứng (VF). Đến nay, Đức có khoảng 50.000 hệ thống HF, Bắc Mỹ có 8.000 hệ thống, Vương quốc Anh có 1.000 hệ thống, Italy có 300, Đan Mạch có 200, Cộng hòa Séc có 160 hệ thống. Các hệ thống VF được lắp đặt phổ biến tại Hà Lan và Bỉ với hơn 250 công trình từ năm 1994. Nghiên cứu tổng hợp tại 14 quốc gia cho thấy bãi lọc HF đạt hiệu suất xử lý BOD (85%), COD (75%), SS (83%), Coliform (92%), nhưng hiệu suất xử lý dinh dưỡng chỉ đạt 41% TN và 42% TP.
  • Tại Việt Nam: Nguyễn Việt Anh và cộng sự (2006, 2010) tại Trường Đại học Xây dựng đã nghiên cứu bãi lọc ngầm dòng chảy thẳng đứng và phát triển hệ thống bể tự hoại cải tiến BASTAF kết hợp bãi lọc HF tại Xuân Mai, Hoài Đức (Hà Nội), Chợ Mới, Chợ Rã (Bắc Kạn), Nước Hai (Cao Bằng). Dương Đức Tiến và cộng sự (2006) thử nghiệm đất ngập nước nhân tạo tại Minh Nông, Bến Gót (Việt Trì). VIWASEEN (2010) áp dụng bể BASTAF kết hợp bãi lọc ngầm tại Mai Châu (Hòa Bình), Tiền Hải (Thái Bình), Yên Mỹ (Hưng Yên). Chương trình ODA Phần Lan các giai đoạn I, II, III (2004-2016) đầu tư trạm xử lý BASTAF - BLTC công suất 100-500 m³/ngày tại 8 tỉnh miền Bắc. Ngô Diễm Thùy Trang và Han Brix (2012) nghiên cứu bãi lọc HF trồng sậy tại Đồng bằng sông Cửu Long với tải lượng thủy lực HLR 31 và 62 mm/ngày. Thái Vân Anh và Lê Thị Cẩm Chi (2016) khảo sát bãi lọc VF trồng sậy, cỏ vetiver, cỏ nến với tải lượng hữu cơ OLR 175-700 kg COD/ha.ngày. Nguyễn Xuân Cường và Nguyễn Thị Loan (2016) nghiên cứu mô hình tích hợp HF - VF - FWS tại Đông Hà (Quảng Trị).

3. Hướng nghiên cứu kết hợp HSH và BLTC:

  • Trên thế giới: Mô hình DEWATS do tổ chức BORDA (Đức) chuyển giao từ năm 1993 với hơn 500 hệ thống tại Indonesia, Ấn Độ, Philippines, Trung Quốc, Nam Phi và Việt Nam. Công trình kết hợp 2 hồ tùy tiện (4,4 ha) và 4 bãi lọc FWS (4,6 ha) xây dựng từ năm 1972 tại Vermontville, Michigan (Mỹ) xử lý nước thải cho 825 dân, đạt nồng độ đầu ra BOD₅ = 3,5 mg/L, TSS = 4,2 mg/L, TP = 0,24 mg/L.
  • Tại Việt Nam: Dự án xử lý NTSH làng Đào Xá (Bắc Ninh, năm 2008) công suất 200 m³/ngày gồm bể lắng sơ bộ, bãi lọc HF và HSH; mô hình DEWATS tại Trung tâm cứu hộ gấu Tam Đảo (Vĩnh Phúc), làng bún Khắc Niệm (Bắc Ninh), Kiêu Kị (Gia Lâm, Hà Nội), Bệnh viện Đa khoa Kim Bảng (Hà Nam); Trung tâm Tư vấn và Công nghệ Môi trường (CECT) triển khai trạm xử lý tại thị trấn Me (Ninh Bình, công suất 950 m³/ngày) và Bách Quang (Sông Công, Thái Nguyên, công suất 750 m³/ngày); Viện Khoa học và Kỹ thuật Môi trường (IESE) xây dựng chuỗi HSH kết hợp 4 bãi lọc (CB1-CB4) công suất 36.000 m³/ngày tại Công ty Formosa Hà Tĩnh (năm 2017).

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Các công trình kết hợp HSH và BLTC tại Việt Nam trước đây phần lớn dừng lại ở quy mô thử nghiệm hoặc dự án trình diễn, chưa có đánh giá định lượng dài hạn về cơ chế vận hành qua các mùa. Một số công trình bị quá tải hoặc hoạt động cầm chừng do thiếu mạng lưới thu gom (như tại Đào Xá, Me, Bách Quang). Quan trọng hơn, các nghiên cứu chưa xác định được hệ số phân hủy động học ($k$) của các chất ô nhiễm chính ($BOD_5$, nitơ, phốt pho) đối với từng công trình đơn vị trong chuỗi kết hợp dưới điều kiện khí hậu miền Bắc, dẫn đến việc thiếu cơ sở thông số khoa học để tính toán thiết kế chuẩn hóa đáp ứng yêu cầu xả thải Cột A QCVN 14:2008/BTNMT.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

1. Động học chuyển hóa chất bẩn trong hồ sinh học:

  • Chu trình Cacbon: Quá trình phân hủy chất hữu cơ diễn ra theo cơ chế kỵ khí tại lớp bùn đáy và hiếu khí tại tầng nước mặt có sự cộng sinh giữa tảo và vi khuẩn. Vi khuẩn hiếu khí oxy hóa chất hữu cơ tạo $CO_2$, nước và muối khoáng; tảo quang hợp hấp thụ $CO_2$ và giải phóng $O_2$.
  • Chu trình Nitơ và Phốt pho: Nitơ hữu cơ được amôni hóa thành $NH_4^+$, sau đó nitrit hóa bởi vi khuẩn Nitrosomonas và nitrat hóa bởi Nitrobacter: $$NH_4^+ + 2O_2 \rightarrow NO_3^- + 2H^+ + H_2O$$ Quá trình khử nitrat thành khí $N_2$ diễn ra trong vùng thiếu khí nhờ vi khuẩn Pseudomonas, Micrococcus, Achromobacter, Bacillus: $$6NO_3^- + 5CH_3OH \rightarrow 3N_2 + 5CO_2 + 7H_2O + 6OH^-$$ Phốt pho hòa tan ($PO_4^{3-}$) được vi sinh vật và tảo hấp thụ hoặc kết tủa dạng khoáng không tan $[Ca_5(PO_4)_3OH]$, $Ca_3(PO_4)_2$, $Mg_3(PO_4)_2$ trong điều kiện pH cao vào ban ngày.
  • Động học phân hủy chất hữu cơ: Phản ứng oxy hóa chất hữu cơ tuân theo động học bậc 1: $$\frac{dL}{dt} = -kL \Rightarrow L_t = L_0 e^{-kt}$$ Ở trạng thái khuấy trộn hoàn toàn ổn định đối với chuỗi $n$ hồ nối tiếp: $$L_t = \frac{L_0}{(1 + k_1 t_1)(1 + k_2 t_2)...(1 + k_n t_n)}$$ Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hệ số phản ứng $k$ tuân theo phương trình Arrhenius: $$k_T = k_{20} \cdot \theta^{(T - 20)}$$ (với $\theta$ của hồ hiếu khí: 1,03-1,04; hồ tùy tiện: 1,05-1,06; hồ kỵ khí: 1,06-1,085).
  • Mô hình diệt khuẩn và ký sinh trùng: Hiệu quả khử vi khuẩn chỉ thị theo Marais (1974): $$B_e = \frac{B_i}{1 + K_T \cdot t_m}$$ với $K_T = 2,6(1,19)^{T-20}$. Tỷ lệ tiêu diệt trứng giun sán ($R$, %) theo thời gian lưu nước ($\theta$, ngày): $$R = 100 \left[ 1 - 0,14 \exp(-0,38\theta) \right]$$ (với $\theta > 11$ ngày, hiệu suất tách trứng giun sán đạt $>99,48%$).

2. Động học chuyển hóa chất bẩn trong bãi lọc trồng cây:

  • Phân loại gồm bãi lọc dòng chảy bề mặt (FWS) và bãi lọc ngầm (SSF: chảy ngang HF, chảy đứng VF).
  • Chuyển hóa các chất dựa trên chu trình sinh địa hóa của Reddy và Delaune (2008): Tốc độ amôni hóa dao động 0,004-0,53 g N/m².ngày; tốc độ nitrat hóa đạt 0,01-2,15 g N/m².ngày (trung bình 0,048 g N/m².ngày, tiêu thụ 4,3 mg $O_2$/mg $NH_4^+$ và 8,64 mg $HCO_3^-$/mg $NH_4^+$-N); tốc độ khử nitrat đạt 0,003-1,02 g N/m².ngày; tốc độ cố định nitơ từ 0,03 đến 46,2 g N/m².năm.
  • Sự tích tụ phốt pho trong đất/bùn đạt $>75$ g/m².năm trong BLTC xử lý nước thải thông qua các dạng khoáng kết tủa: Apatite $Ca_5(Cl,F)(PO_4)_3$, Hydroxylapatite $Ca_5(OH)(PO_4)_3$, Variscite $Al(PO_4)\cdot 2H_2O$, Strengite $Fe(PO_4)\cdot 2H_2O$, Vivianite $Fe_3(PO_4)_2\cdot 8H_2O$, và Wavellite $Al_3(OH)_3(PO_4)_2\cdot 5H_2O$.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án áp dụng 6 phương pháp nghiên cứu đồng bộ:

  1. Phương pháp tổng quan thu thập tài liệu: Thu thập dữ liệu thứ cấp về điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội, hạ tầng thoát nước LVS Cầu, quy chuẩn kỹ thuật và các kết quả nghiên cứu công nghệ HSH, BLTC trong và ngoài nước.
  2. Phương pháp khảo sát thực địa: Khảo sát hiện trạng phát sinh, thu gom và xả thải NTSH tại các đô thị và điểm dân cư ven sông Cầu nhằm xác định thành phần nước thải đầu vào và lựa chọn địa điểm đặt mô hình thực nghiệm.
  3. Phương pháp nghiên cứu phân tích thực nghiệm: Thiết kế, lắp đặt và vận hành hệ thống mô hình thử nghiệm kết hợp BLTC và HSH; lấy mẫu phân tích các thông số ô nhiễm ($pH$, $SS$, $COD$, $BOD_5$, $TN$, $NH_4^+$, $NO_3^-$, $TP$, $PO_4^{3-}$, Coliform) theo quy trình chuẩn; quan trắc sự thích ứng, tốc độ sinh trưởng và đo đạc sinh khối thực vật.
  4. Phương pháp phân tích thống kê: Xử lý và tính toán số liệu phân tích thực nghiệm bằng các công cụ toán học thống kê để xác định các hệ số phân hủy động học ($k$).
  5. Phương pháp đối chiếu so sánh: Đối chiếu các giá trị hiệu suất xử lý và hệ số động học tìm được với các công trình nghiên cứu tương đồng trong nước và quốc tế.
  6. Phương pháp lấy ý kiến chuyên gia: Tổ chức hội thảo khoa học chuyên ngành để tiếp thu nhận xét, phản biện từ các nhà khoa học nhằm hoàn thiện giải pháp công nghệ.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

  • Cơ sở dữ liệu điều tra nguồn thải của Bộ Tài nguyên và Môi trường trên LVS Cầu.
  • Số liệu quy hoạch thoát nước LVS Cầu theo Quyết định số 2010/QĐ-TTg và Quyết định số 26/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ.
  • Dữ liệu thực nghiệm đo đạc từ hệ thống mô hình thí nghiệm kết hợp HSH và BLTC.
  • Hệ thống tiêu chuẩn, quy chuẩn quốc gia: TCVN 7957:2008, QCVN 14:2008/BTNMT, QCVN 40:2011/BTNMT, QCVN 52:2013/BTNMT, Thông tư 04/2015/TT-BXD.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về nước thải sinh hoạt và ứng dụng công nghệ hồ sinh học, bãi lọc trồng cây trong xử lý nước thải sinh hoạt

Chương 1 hệ thống hóa các vấn đề lý luận và thực tiễn về tính chất nước thải sinh hoạt, phân tích ưu nhược điểm của hai hình thức quản lý thoát nước tập trung và phi tập trung, đồng thời tổng hợp hiện trạng thu gom, xử lý nước thải tại các khu dân cư ven đô LVS Cầu cùng bức tranh tổng thể các công trình HSH, BLTC đã triển khai.

Nước thải sinh hoạt được hình thành từ hai nguồn chính: nước đen (từ nhà vệ sinh, chứa phân, nước tiểu, vi sinh vật gây bệnh) và nước xám (từ tắm giặt, nấu ăn, tẩy rửa, chứa xà phòng, dầu mỡ, hóa chất). Lưu lượng NTSH xác định theo công thức: $$Q_{ww} = 10^{-3} \cdot k \cdot q \cdot P$$ (trong đó $q$ là tiêu chuẩn dùng nước, L/người.ngày; $k$ là hệ số chuyển hóa sang nước thải, lấy từ 0,8 đến 0,9; $P$ là dân số tính toán, người).

Thông số ô nhiễm Nồng độ lớn nhất (mg/L) Nồng độ trung bình (mg/L) Nồng độ nhỏ nhất (mg/L)
Chất rắn tổng số (TS) 1.230 720 390
Chất rắn hòa tan (TDS) 860 500 270
Chất rắn lơ lửng (TSS) 400 210 120
$BOD_5$ 350 190 110
$COD$ 800 430 250
Nitơ tổng số ($TN$) 70 40 20
Nitơ hữu cơ ($N_{org}$) 25 15 8
Amôni ($NH_4^+-N$) 45 25 12
Phốt pho tổng số ($TP$) 12 7 4
Clorua ($Cl^-$) 90 50 30
Dầu mỡ 100 90 50

So sánh nồng độ ô nhiễm giữa hai dòng nước xám và nước đen:

Chỉ tiêu phân tích Nước xám - Giá trị cao (mg/L) Nước xám - Giá trị thấp (mg/L) Nước đen - Giá trị cao (mg/L) Nước đen - Giá trị thấp (mg/L)
$BOD_5$ 400 10 600 300
$COD$ 700 200 1.500 900
$TN$ 30 8 300 100
$TP$ 7 2 40 20

Theo Thông tư 04/2015/TT-BXD, các hình thức XLNT phi tập trung được phân chia thành:

  • XLNT phi tập trung tại chỗ: áp dụng cho hộ gia đình đơn lẻ, lưu lượng $<50$ m³/ngày.
  • XLNT phi tập trung theo cụm: quy mô 50 - 200 m³/ngày.
  • XLNT phi tập trung theo khu vực: quy mô 200 - 1.000 m³/ngày.

Thực trạng ứng dụng công nghệ HSH trong xử lý nước thải đô thị tại Việt Nam được luận án thống kê chi tiết qua 17 nhà máy:

STT Tên nhà máy XLNT Công suất (m³/ngày.đêm) Năm xây dựng Công nghệ xử lý áp dụng
1 TP. Buôn Ma Thuột 8.125 2006 Chuỗi hồ kỵ khí, hồ tùy tiện và hồ hoàn thiện
2 Bình Hưng Hòa - TP. Hồ Chí Minh 30.000 2008 Hồ hiếu khí và hồ hoàn thiện
3 TP. Đà Lạt 7.400 2006 Bể lắng 2 vỏ – bể lọc nhỏ giọt và hồ hoàn thiện
4 Sơn Trà - TP. Đà Nẵng 15.000 2006 Hồ kỵ khí có phủ bạt
5 Hòa Cường - TP. Đà Nẵng 36.000 2006 Hồ kỵ khí có phủ bạt
6 Phú Lộc - TP. Đà Nẵng 36.000 2006 Hồ kỵ khí có phủ bạt
7 Ngũ Hành Sơn - TP. Đà Nẵng 8.629 2006 Hồ kỵ khí có phủ bạt
8 TP. Phan Rang 5.000 2012 Hồ hiếu khí
9 Đức Ninh - TP. Đồng Hới 10.000 2014 Hồ sinh học hiếu khí và hồ hoàn thiện
10 TP. Thanh Hóa 15.000 2015 Chuỗi hồ kỵ khí, hồ tùy tiện, hồ hoàn thiện
11 Bỉm Sơn - Thanh Hóa 1.500 2016 Hồ kỵ khí, hồ tùy tiện
12 TP. Quảng Trị 2.000 2016 Hồ hiếu khí
13 TP. Đông Hà 5.000 2016 Hồ hiếu khí
14 Tam Kỳ - Quảng Nam 8.000 2016 Hồ kỵ khí, hồ tùy tiện
15 Thái Hòa - Nghệ An 5.000 2016 Hồ kỵ khí, hồ tùy tiện
16 Đồng Xoài - Bình Phước 15.000 2016 Hồ kỵ khí, hồ tùy tiện
17 TP. Ninh Bình 15.000 2016 Hồ kỵ khí, hồ tùy tiện, hồ hiếu khí

Chương 1 rút ra nhận xét: Vùng ven đô LVS Cầu chưa được bao phủ bởi mạng lưới thoát nước tập trung. Việc xử lý phân tán bằng các công trình sinh thái kết hợp HSH và BLTC là giải pháp thích hợp, vừa tận dụng địa hình tự nhiên, vừa có chi phí thấp, cho phép dễ dàng chuyển đổi công năng khi hạ tầng đô thị mở rộng sau 10-20 năm.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết của công nghệ hồ sinh học và bãi lọc trồng cây trong xử lý nước thải sinh hoạt

Chương 2 thiết lập cơ sở toán học và cơ chế sinh học cho toàn bộ quá trình xử lý chất bẩn trong hai loại công trình đơn vị:

  1. Hồ sinh học:
  • Phân loại kỹ thuật: Hồ kỵ khí có chiều sâu 2,5-5,0 m, thời gian lưu nước (HRT) từ 1-20 ngày, tải trọng hữu cơ 200-500 kg $BOD_5$/ha.ngày. Hồ tùy tiện có chiều sâu 1,0-2,0 m (phổ biến 1,5-2,0 m). Hồ hiếu khí làm sạch triệt để có chiều sâu nông hơn nhằm tiếp nhận ánh sáng mặt trời.
  • Cơ chế phân hủy sinh học: Quá trình lên men kỵ khí gồm hai pha: pha axit hóa tạo các axit hữu cơ và sinh khối mới, pha kiềm hóa chuyển hóa axit hữu cơ thành khí $CH_4$, $CO_2$, $H_2O$ và $NH_3$ nhờ vi khuẩn sinh metan. Quá trình hiếu khí oxy hóa chất hữu cơ thành $CO_2$, $H_2O$ và $PO_4^{3-}$ nhờ oxy hòa tan từ quang hợp của tảo.
  • Động học chất hữu cơ: Xác định $k$ thực nghiệm dựa trên phương trình cân bằng vật chất $Q \cdot L_0 - Q \cdot L_t - k \cdot L_t \cdot V = 0$, dẫn xuất công thức nồng độ dòng ra $L_t = \frac{L_0}{1 + k \cdot t}$ và hiệu suất xử lý $E = \frac{k \cdot t}{1 + k \cdot t} \cdot 100%$. Tham chiếu công thức Trần Đức Hạ (1985) đối với các hồ tại Hà Nội: $k = 0,229 \cdot t^{-0,656}$.
  1. Bãi lọc trồng cây:
  • Phân loại: BLTC dòng chảy bề mặt (FWS) với các nhóm thực vật trôi nổi, lá nổi, thực vật chìm hoặc thực vật ngập một phần; BLTC dòng chảy ngầm (SSF) gồm dòng chảy ngang (HF) và dòng chảy đứng (VF từ trên xuống hoặc từ dưới lên).
  • Cơ chế chuyển hóa: Quá trình chuyển hóa nitơ bao gồm sự bay hơi amoniac (xảy ra mạnh khi $pH > 8,0$, đạt cực đại tại $pH = 9,3$), quá trình amôni hóa, nitrat hóa (tiêu thụ oxy và độ kiềm), khử nitrat trong điều kiện yếm khí của lớp vật liệu lọc, quá trình oxy hóa kỵ khí amôni (ANAMMOX), và sự hấp thụ của thực vật vào mô sinh khối. Phốt pho được loại bỏ chủ yếu qua cơ chế lưu giữ lâu dài trong bùn đáy, hấp phụ trên bề mặt hạt vật liệu và phản ứng kết tủa khoáng vô cơ.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của luận án

  1. Xác định được hệ số phân hủy chất hữu cơ ($k$) của hồ tùy tiện và hồ hiếu khí trong điều kiện tự nhiên và đặc tính nước thải sinh hoạt khu dân cư ven đô lưu vực sông Cầu.
  2. Xác định được hệ số phân hủy chất hữu cơ, các hợp chất của nitơ ($TN$, $NH_4^+$, $NO_3^-$) và phốt pho ($TP$, $PO_4^{3-}$) của bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm nằm ngang (HF) và bãi lọc trồng cây dòng chảy mặt (FWS) trong xử lý NTSH khu dân cư ven đô lưu vực sông Cầu.
  3. Đề xuất được các mô hình công nghệ kết hợp bãi lọc trồng cây và hồ sinh học đạt tiêu chuẩn Cột A của QCVN 14:2008/BTNMT, đồng thời làm rõ phạm vi ứng dụng kỹ thuật của từng mô hình đối với các khu dân cư ven đô LVS Cầu.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Áp dụng mô hình kết hợp HSH và BLTC theo hình thức XLNT phi tập trung (quy mô cụm 50-200 m³/ngày hoặc khu vực 200-1.000 m³/ngày) cho các khu dân cư ven đô LVS Cầu chưa kết nối được mạng lưới thu gom tập trung.
  • Tận dụng hệ thống ao hồ tự nhiên và vùng trũng sẵn có tại các xã ven đô để cải tạo thành hồ sinh học, kết hợp xây dựng bãi lọc trồng cây nhằm giảm thiểu kinh phí đền bù giải phóng mặt bằng và tạo cảnh quan sinh thái.
  • Sử dụng các hệ số phân hủy thực nghiệm đã xác định trong luận án để tính toán dung tích, diện tích bề mặt và thời gian lưu thủy lực ($HRT$) tối ưu cho các công trình HSH và BLTC khi lập dự án đầu tư xây dựng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm gắn liền với điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa miền Bắc (LVS Cầu) với hai mùa đông - hạ rõ rệt, do đó các hệ số phân hủy động học cần được hiệu chỉnh nhiệt độ khi áp dụng cho các vùng khí hậu khác.
  • Nghiên cứu chỉ tập trung vào đối tượng nước thải sinh hoạt hữu cơ từ khu dân cư nông thôn và ven đô; không áp dụng trực tiếp cho các nguồn nước thải có chứa thành phần kim loại nặng, độc chất hoặc chất ô nhiễm vô cơ công nghiệp.
  • Mô hình công nghệ sinh thái đòi hỏi diện tích chiếm đất nhất định và yêu cầu kiểm soát chế độ thủy lực chặt chẽ để tránh hiện tượng tắc nghẽn lớp vật liệu lọc trong các bãi lọc ngầm sau thời gian dài vận hành.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tiếp tục theo dõi, đánh giá diễn biến hoạt động của mô hình kết hợp trong thời gian dài hạn qua nhiều chu kỳ thời tiết khác nhau để đánh giá tốc độ tích lũy bùn và chu kỳ tái sinh lớp vật liệu lọc.
  • Nghiên cứu mở rộng khả năng tối ưu hóa thực vật bản địa có sinh khối cao, giá trị kinh tế và khả năng hấp phụ chất dinh dưỡng tốt trong các bãi lọc trồng cây tại LVS Cầu.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên: Chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường, Kỹ thuật Hạ tầng Đô thị, Quản lý Môi trường tham khảo khung lý thuyết, phương pháp xác định hệ số động học và chuỗi phản ứng chuyển hóa sinh địa hóa trong xử lý nước thải tự nhiên.
  • Kỹ sư thiết kế và chuyên gia tư vấn môi trường: Sử dụng các công thức tính toán, mô hình động học bậc 1, phương trình Arrhenius và các thông số thực nghiệm để thiết kế trạm XLNT phân tán cho các khu đô thị mới, khu nghỉ dưỡng, làng nghề và cụm dân cư ven đô.
  • Cơ quan quản lý nhà nước và chính quyền địa phương: Các Sở Tài nguyên và Môi trường, Sở Xây dựng các tỉnh thuộc LVS Cầu sử dụng làm cơ sở khoa học để phê duyệt dự án, lập quy hoạch thoát nước nông thôn và thực hiện tiêu chí môi trường trong xây dựng nông thôn mới.

Nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu

  • Khung lý thuyết và mô hình toán học về chu trình Cacbon, Nitơ, Phốt pho trong đất ngập nước và hồ sinh học.
  • Bảng dữ liệu tổng hợp hiện trạng kỹ thuật của 17 nhà máy XLNT đô thị ứng dụng HSH tại Việt Nam.
  • Dữ liệu thực nghiệm về nồng độ các chất ô nhiễm trong các dòng nước xám, nước đen và phương pháp luận thiết kế chuỗi công trình sinh thái kết hợp đạt QCVN 14:2008/BTNMT Cột A.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao các công nghệ xử lý nước thải tập trung thông thường (aeroten, SBR, mương oxy hóa) không phù hợp cho vùng ven đô LVS Cầu?

Các công nghệ xử lý cơ học - sinh học nhân tạo đòi hỏi chi phí đầu tư xây dựng lớn, tiêu tốn nhiều điện năng vận hành, chi phí bảo trì thiết bị cơ điện cao và yêu cầu đội ngũ kỹ sư vận hành có trình độ chuyên môn cao. Ngoài ra, việc đầu tư mạng lưới cống thu gom tập trung chiếm 80-90% tổng kinh phí toàn hệ thống. Tại vùng ven đô mật độ dân cư chưa cao, hạ tầng chưa đồng bộ nên mô hình tập trung này gây lãng phí và khó khả thi.

2. Ưu và nhược điểm khi sử dụng riêng rẽ công trình Hồ sinh học (HSH) và Bãi lọc trồng cây (BLTC) là gì?

  • Hồ sinh học: Ưu điểm là chi phí thấp, dễ xây dựng, khả năng chịu sốc tải và diệt vi sinh vật gây bệnh cao; nhược điểm là hàm lượng chất lơ lửng ($SS$) đầu ra cao do tảo phát triển, diện tích chiếm đất lớn và dễ phát sinh mùi hôi tại hồ kỵ khí.
  • Bãi lọc trồng cây: Ưu điểm là hiệu quả xử lý $BOD$, $COD$, $SS$ cao, thân thiện môi trường và tạo cảnh quan; nhược điểm là hiệu quả khử nitơ tổng số thấp (chỉ đạt 30-50%), nguy cơ tắc nghẽn vật liệu lọc nếu nồng độ $SS$ đầu vào cao, tốn chi phí mua sỏi/vật liệu lọc.

3. Quá trình nitrat hóa và khử nitrat trong HSH và BLTC diễn ra nhờ các nhóm vi sinh vật nào?

Quá trình nitrat hóa chuyển $NH_4^+$ thành $NO_3^-$ diễn ra trong điều kiện hiếu khí nhờ vi khuẩn Nitrosomonas (chuyển thành $NO_2^-$) và Nitrobacter (chuyển thành $NO_3^-$). Quá trình khử nitrat chuyển $NO_3^-$ thành khí $N_2$ diễn ra trong điều kiện thiếu khí/yếm khí nhờ các vi khuẩn dị dưỡng như Pseudomonas, Micrococcus, Achromobacter, Bacillus, Aeromonas và Vibrio.

4. Mô hình động học phản ứng bậc 1 biểu diễn quá trình suy giảm chất hữu cơ trong HSH được tính toán như thế nào?

Phương trình vi phân phản ứng có dạng $\frac{dL}{dt} = -kL$, dẫn xuất nồng độ chất hữu cơ còn lại sau thời gian $t$ là $L_t = L_0 e^{-kt}$. Ở điều kiện khuấy trộn hoàn toàn ổn định, nồng độ dòng ra của một hồ được tính bằng $L_t = \frac{L_0}{1 + kt}$. Đối với chuỗi $n$ hồ nối tiếp, nồng độ dòng ra tổng thể là $L_t = \frac{L_0}{(1 + k_1 t_1)(1 + k_2 t_2)...(1 + k_n t_n)}$.

5. Tiêu chuẩn xả thải mục tiêu mà luận án hướng tới là gì?

Mục tiêu chất lượng nước đầu ra của luận án là đạt giá trị giới hạn Cột A theo Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt QCVN 14:2008/BTNMT, cho phép xả thải an toàn vào các nguồn nước mặt tiếp nhận hoặc tái sử dụng cho mục đích tưới tiêu nông nghiệp.

Kết luận

Luận án tiến sĩ đã giải quyết vấn đề cấp bách về kiểm soát ô nhiễm nước thải sinh hoạt tại các khu dân cư ven đô lưu vực sông Cầu bằng giải pháp sinh thái kết hợp bãi lọc trồng cây và hồ sinh học. Thông qua phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và mô hình hóa động học, luận án đã xác định các hệ số phân hủy $k$ của các chất ô nhiễm chính ($BOD_5$, nitơ, phốt pho) cho từng công trình đơn vị trong điều kiện tự nhiên khu vực nghiên cứu. Kết quả này cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu kỹ thuật để thiết kế các trạm xử lý nước thải phi tập trung chi phí thấp, đảm bảo chất lượng nước đầu ra đạt Cột A QCVN 14:2008/BTNMT, phục vụ công tác bảo vệ môi trường lưu vực và hỗ trợ tiêu chí môi trường trong xây dựng nông thôn mới.