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.
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. 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.
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. 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. 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. 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. 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. 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.
Phương pháp phân tích thống kê: Áp dụng phương pháp thống kê toán để xử lý kết quả thí nghiệm. 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.