Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu cải thiện chất lượng nước hồ đô thị bằng giải pháp kết hợp làm thoáng qua hệ thống định hình dòng chảy và bãi lọc trồng cây" do nghiên cứu sinh Ứng Thị Thuý Hà thực hiện tại Trường Đại học Xây dựng Hà Nội (năm 2023), thuộc chuyên ngành Công nghệ môi trường nước và nước thải (mã số: 9520320-2), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Lều Thọ Bách và PGS.TS. Trần Thị Hiền Hoa.
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Trong cấu trúc không gian đô thị, hệ thống mặt nước đóng vai trò điều hòa vi khí hậu, tiêu thoát nước mưa, xử lý sinh học tự nhiên và tạo cảnh quan. Tuy nhiên, tại các đô thị Việt Nam nói chung và thành phố Hà Nội nói riêng, hệ thống thoát nước thu gom chưa tách biệt hoàn toàn khiến nước thải sinh hoạt chưa qua xử lý xả thẳng vào các hồ. Hầu hết các hồ nội thành rơi vào tình trạng ô nhiễm hữu cơ, tích tụ bùn đáy và suy giảm nghiêm trọng hàm lượng ô-xy hòa tan (DO dưới 3,5 mg/L, nhiều nơi dưới 1,0 mg/L), làm mất khả năng tự làm sạch.
Các giải pháp truyền thống như hóa chất, nạo vét đáy hồ, sục khí cơ học hoặc công trình tập trung đòi hỏi chi phí đầu tư và vận hành cao, tiềm ẩn nguy cơ ô nhiễm thứ cấp hoặc chỉ mang lại hiệu quả tức thời. Bãi lọc trồng cây (Constructed Wetlands - BLTC) là giải pháp tự nhiên chi phí thấp, thân thiện môi trường nhưng có hạn chế lớn là hàm lượng DO nội tại rất thấp, dẫn đến hiệu suất chuyển hóa nitơ và chất hữu cơ bị suy giảm. Làm thoáng tự nhiên bằng đập tràn truyền thống chiếm diện tích lớn, trong khi kỹ thuật định hình dòng chảy (Flowform - ĐHDC) dạng bậc thang tạo dòng xoáy hình số "8" giúp tăng cường khuếch tán ô-xy từ không khí vào nước với hiệu suất cao hơn và có giá trị cảnh quan. Khoảng trống nghiên cứu được luận án tập trung giải quyết là thiếu các nghiên cứu thực nghiệm chuyên sâu quy mô hiện trường về việc chế tạo mẫu ĐHDC bằng vật liệu phù hợp và kết hợp hệ thống ĐHDC với BLTC dòng chảy ngầm ngang để xử lý nước hồ đô thị bị ô nhiễm bởi nước thải sinh hoạt tại Việt Nam.
Mục tiêu nghiên cứu
Luận án xác định 3 mục tiêu cụ thể:
- Chế tạo mẫu ĐHDC; đánh giá hiệu quả làm thoáng của hệ thống ĐHDC với mẫu ĐHDC được chế tạo;
- Đánh giá tác động của hệ thống ĐHDC và điều kiện vận hành BLTC đến hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm chính: $\text{BOD}_5$, $\text{NH}_4^+ \text{-N}$, $\text{TSS}$, $\text{TN}$, $\text{PO}_4^{3-} \text{-P}$ trong nước hồ đô thị bị ô nhiễm bởi nước thải sinh hoạt;
- 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: $\text{BOD}_5$, $\text{NH}_4^+ \text{-N}$, $\text{TSS}$, $\text{TN}$, $\text{PO}_4^{3-} \text{-P}$ 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 không gian và địa điểm thực nghiệm: Nghiên cứu thực nghiệm được triển khai tại phòng thí nghiệm và tại hiện trường hồ nhỏ Kim Liên, phường Kim Liên, quận Đống Đa, thành phố Hà Nội – một hồ đô thị điển hình thuộc nhóm tiếp nhận nước thải sinh hoạt trực tiếp.
- Phạm vi thời gian: Thu thập dữ liệu quan trắc hiện trạng hồ Hà Nội từ tháng 11/2019 đến tháng 4/2020 và vận hành mô hình thực nghiệm qua 2 giai đoạn (Giai đoạn 1: BLTC không kết hợp ĐHDC; Giai đoạn 2: BLTC kết hợp ĐHDC).
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu trước trong nước và quốc tế
Tác giả đã hệ thống hóa các nghiên cứu kiểm soát chất lượng nước hồ qua ba nhóm giải pháp chính:
-
Phương pháp hóa học:
- Ứng dụng $\text{CuSO}_4$ diệt tảo lam tại Pháp [72] và các hồ Fairmont (Minnesota, Canada) trong 58 năm [67], thuốc diệt cỏ fluridone tại hồ Istokpoga (Florida, Hoa Kỳ) [99]. Kết quả cho thấy tác dụng phụ làm suy giảm DO, tăng tích tụ kim loại và tái tạo phốt-pho từ trầm tích.
- Bổ sung muối sắt và nitrat ($\text{FeCl}_3$, $\text{Ca(OH)}_2$, $\text{Ca(NO}_3)_2$) vào trầm tích hồ Lillesjon (Canada) nhằm oxy hóa hợp chất hữu cơ, khử $\text{H}_2\text{S}$ và ngăn giải phóng photphat [137].
-
Phương pháp vật lý và cơ học:
- Pha loãng và xả đáy xử lý cặn lắng tại hồ chứa Xiaolangdi (Trung Quốc) đạt hiệu suất 30–100% [151], hồ Lewis (Hoa Kỳ) [79].
- Sục khí sâu duy trì môi trường hiếu khí đáy hồ tại Hà Lan và Vương quốc Anh [40], [49]; công nghệ sinh thái - vật lý PEEN kết hợp thực vật thủy sinh và máy sục khí tại hồ Taihu (Trung Quốc) xử lý $\text{NH}_4^+ \text{-N}$ đạt 69% [103].
- Nạo vét trầm tích đáy hồ tại hồ Taihu [152] và các hồ nội thành Hà Nội như Thành Công, Giảng Võ, Thiền Quang, Thanh Nhàn [16].
- Làm thoáng bằng hệ thống ĐHDC kết hợp thực vật tại công viên Chengdu (Trung Quốc) với lưu lượng $200\text{ m}^3\text{/ngày}$ [148], hồ Te Koutu (New Zealand) lắp 43 mẫu ĐHDC [74], [118], và xử lý nước xám tại New South Wales (Australia) đưa DO từ 0,1 lên 3,9 ppm [73].
-
Phương pháp sinh học và sinh thái:
- Sử dụng màng sinh học bám dính trên vật liệu zeolit, gốm, xốp [71], [142], sợi tre và nhựa [147]; ứng dụng chế phẩm vi sinh tại Bắc Mỹ và Tây Âu [128].
- Xử lý hồ siêu phú dưỡng bằng bãi lọc trồng cây (Constructed Wetlands - CW) tại Trung Quốc đạt hiệu suất loại bỏ $\text{TP}$ 30–67%, $\text{TN}$ 30–52% [53], [90].
- Đánh giá khả năng xử lý của thực vật thủy sinh: lục bình, bèo hoa dâu, đậu phộng nước, thạch xương bồ, thủy trúc, cỏ vetiver [64], [115], [146], trong đó dong riềng và thủy trúc có khả năng cải thiện DO và xử lý chất hữu cơ [46].
-
Các nghiên cứu và ứng dụng thực tế tại Việt Nam:
- Công nghệ BASTAF kết hợp BLTC dòng chảy đứng [130]; hệ thống hồ sinh học kết hợp chuỗi BLTC công suất $36.000\text{ m}^3\text{/ngày}$ tại Công ty Formosa Hà Tĩnh [2].
- BLTC xử lý nước hồ công viên 29/3 (Đà Nẵng) bằng cây chuối hoa và cỏ đậu [29]; hệ thống bè thủy sinh kết hợp chế phẩm hóa - sinh (PAC, $\text{H}_2\text{O}_2$, vi sinh) tại hồ Xã Đàn, Thanh Nhàn, Kim Liên lớn, Khương Thượng (khối EBB) [21], [23], [26], [30], [69].
- Ứng dụng chế phẩm Redoxy-3C xử lý 91 hồ nội thành Hà Nội [10], [11], [13], [14], [15].
- Nghiên cứu đập tràn khuyếch tán oxy tại Buôn Ma Thuột [22] và nghiên cứu bước đầu ứng dụng 7 bậc ĐHDC gốm kết hợp BLTC xử lý nước hồ ô nhiễm nước rỉ rác (năm 2015-2016) đưa DO từ 0 lên 5,6 mg/L [4].
Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết
Các công trình tại Việt Nam trước đây mới dừng lại ở việc thử nghiệm ĐHDC vật liệu gốm quy mô nhỏ với nước rỉ rác hoặc sử dụng đập tràn bậc thang đơn giản. Luận án lựa chọn giải quyết vấn đề nghiên cứu chế tạo mẫu ĐHDC bằng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC), tối ưu hóa số bậc làm thoáng tự nhiên và kết hợp với bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm ngang (trồng cây thủy trúc) quy mô hiện trường để cải thiện chất lượng nước hồ đô thị bị ô nhiễm hữu cơ và amoni.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết và khái niệm cốt lõi
-
Cơ chế xử lý trong bãi lọc trồng cây (Constructed Wetlands): Luận án dựa trên lý thuyết phân loại BLTC (dòng chảy bề mặt FWS, dòng chảy ngầm đứng VF, dòng chảy ngầm ngang HSSF/HF). Quá trình xử lý chất ô nhiễm diễn ra qua các cơ chế phối hợp:
- Chất hữu cơ: Lắng cơ học các hạt cặn, lọc qua vật liệu lọc (VLL) và phân hủy hiếu khí/kỵ khí bởi vi sinh vật bám dính trên rễ cây và bề mặt vật liệu.
- Hợp chất Nitơ: Quá trình amoni hóa biến đổi N-hữu cơ thành $\text{NH}_4^+ \text{-N}$, quá trình nitrat hóa ($\text{NH}_4^+ \rightarrow \text{NO}_2^- \rightarrow \text{NO}_3^-$ đòi hỏi DO tối thiểu) và khử nitrat hóa ($\text{NO}_3^- \rightarrow \text{N}_2$ trong điều kiện thiếu khí/kỵ khí), kết hợp thực vật hấp thụ.
- Hợp chất Phốt-pho: Quá trình hấp phụ, kết tủa hóa học với các cation kim loại trong vật liệu lọc và tích lũy sinh khối thực vật.
- Chất rắn lơ lửng (TSS): Lắng trọng lực, chặn lọc cơ học trong khe rỗng lớp VLL.
-
Cơ sở làm thoáng tự nhiên và nguyên lý hệ thống định hình dòng chảy (Flowform): Dựa trên hiện tượng chuyển động xoáy đối xứng và không đối xứng tạo hình số "8", làm tăng diện tích tiếp xúc giữa pha nước và pha khí, kéo dài thời gian tiếp xúc và tạo áp suất bề mặt giúp hòa tan oxy từ khí quyển vào dòng nước mà không cần năng lượng sục khí cưỡng bức.
-
Mô hình động học xử lý chất ô nhiễm:
- Mô hình bậc 1 theo thể tích của Kadlec và Knight (1996):
$$\ln\left(\frac{C_{out} - C^}{C_{in} - C^}\right) = -\frac{k_v \cdot \varepsilon \cdot V}{Q} = -k_v \cdot \varepsilon \cdot \text{HRT}$$
- Mô hình của Reed S.C và cộng sự (1995) áp dụng cho bãi lọc dòng chảy ngầm:
$$\frac{C_{out}}{C_{in}} = \exp\left(-k_T \cdot \text{HRT} \cdot \varepsilon\right)$$
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp tổng quan tài liệu: Kế thừa, tổng hợp số liệu về hiện trạng chất lượng nước hồ, cơ chế xử lý nước thải và động học bãi lọc ngập nước.
- Phương pháp khảo sát thực địa: Điều tra thực trạng 122 hồ đô thị Hà Nội; khảo sát chi tiết nồng độ ô nhiễm tại 9 hồ đại diện và lựa chọn hồ nhỏ Kim Liên làm điểm thực nghiệm.
- Phương pháp thực nghiệm mô hình:
- Thí nghiệm trong phòng: Nghiên cứu chế tạo mẫu ĐHDC bằng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC); thử nghiệm khả năng bổ cập DO theo các mức lưu lượng ($Q = 100 \div 400\text{ L/h}$).
- Thí nghiệm hiện trường: Thiết kế, lắp đặt trạm xử lý tại bờ hồ nhỏ Kim Liên gồm bồn ổn định, hệ thống thác ĐHDC 8 bậc và BLTC dòng chảy ngầm ngang (kích thước $L \times W \times H = 6,0\text{ m} \times 0,8\text{ m} \times 0,6\text{ m}$, chứa đá sỏi VLL và trồng cây thủy trúc).
- Phương pháp lấy mẫu và phân tích: Lấy mẫu định kỳ dọc theo chiều dài bãi lọc ($0%, 20%, 40%, 60%, 80%, 100%$ chiều dài); phân tích các chỉ tiêu $\text{DO}$, $\text{pH}$, nhiệt độ, $\text{COD}$, $\text{BOD}_5$, $\text{TSS}$, $\text{NH}_4^+ \text{-N}$, $\text{TN}$, $\text{PO}_4^{3-} \text{-P}$ theo Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và Standard Methods.
- Phương pháp xử lý số liệu và chuyên gia: Xử lý thống kê, tính toán hiệu suất khử, xác định các hệ số tốc độ phản ứng $k$, lấy ý kiến đánh giá từ các hội đồng seminar chuyên ngành.
Nội dung chính theo từng chương
Mở đầu
Trình bày tính cấp thiết, mục tiêu (3 mục tiêu), đối tượng, phạm vi nghiên cứu, các phương pháp tiếp cận, ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài. Nêu 3 đóng góp mới cốt lõi của luận án.
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
Chương này đánh giá toàn diện vai trò của hồ đô thị (cảnh quan, điều hòa thoát nước mưa, xử lý nước thải, kinh tế). Tổng hợp số liệu khảo sát 636 hồ thuộc 46 tỉnh, thành phố tại Việt Nam: 94% hồ có chức năng điều tiết nước mưa, 55,5% tiếp nhận nước thải sinh hoạt; riêng Hà Nội có 105/122 hồ (chiếm 86%) đảm nhiệm cả hai chức năng trên.
Chương 1 phân loại 122 hồ Hà Nội thành 3 nhóm quản lý:
- Nhóm 1: Hồ chỉ tiếp nhận nước mưa (14 hồ cảnh quan, 8 hồ di tích lịch sử);
- 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.
Kết quả quan trắc 9 hồ đại diện tại Hà Nội (thực hiện từ tháng 11/2019 đến tháng 4/2020) cho thấy phần lớn các hồ bị ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng nghiêm trọng, vượt quy chuẩn QCVN 08-MT:2015/BTNMT cột B1:
| TT |
Tên hồ (Nhóm) |
Nhiệt độ (°C) |
DO (mg/L) |
COD (mg/L) |
TN (mg/L) |
TP (mg/L) |
| - |
QCVN 08-MT:2015 (B1) |
- |
≥ 4,0 |
30,0 |
- |
- |
| 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 |
Chương 1 cũng đánh giá ưu nhược điểm của các giải pháp kỹ thuật trên thế giới và tại Việt Nam, từ đó đề xuất nghiên cứu giải pháp kết hợp ĐHDC và BLTC ngầm ngang.
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
Trình bày cơ sở lý thuyết về cấu tạo, thủy lực và cơ chế loại bỏ chất bẩn trong BLTC dòng chảy bề mặt (FWS), dòng chảy đứng (VF) và dòng chảy ngang (HF/HSSF). Phân tích chi tiết vai trò của thực vật thủy sinh (thủy trúc - Cyperus alternifolius) trong việc hấp thụ dinh dưỡng, cung cấp môi trường bám dính cho màng vi sinh vật và truyền dẫn một phần oxy vùng rễ.
Phân tích động học làm thoáng tự nhiên và hiện tượng bổ cập oxy khí quyển qua hệ thống định hình dòng chảy (Flowform). Dòng nước khi chảy qua lòng máng ĐHDC bị ép vào các cánh cong tạo chuyển động xoáy cuộn kép hình số "8", tạo ra diện tích bề mặt tiếp xúc bọt khí lớn, liên tục đổi mới lớp nước bề mặt. Tác giả luận chứng sự cần thiết của việc cấp oxy đầu vào cho BLTC nhằm thúc đẩy quá trình nitrat hóa amoni và phân hủy hiếu khí chất hữu cơ.
Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm
Mô tả quy trình chế tạo mẫu ĐHDC bằng vật liệu bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) với tỷ lệ phối trộn xi măng, cát thạch anh, muội silic, sợi kim loại và phụ gia siêu dẻo, đảm bảo độ bền cơ học, chống thấm và bề mặt nhẵn bóng tạo xoáy ổn định.
Thiết lập mô hình thực nghiệm gồm 2 phần:
- Mô hình ĐHDC trong PTN: Đánh giá khả năng bổ cập DO qua 8 bậc ĐHDC ở các dải lưu lượng $Q = 100, 200, 300, 400\text{ L/h}$.
- Mô hình hiện trường tại hồ nhỏ Kim Liên:
- Kích thước bể BLTC: dài 6,0 m, rộng 0,8 m, sâu 0,6 m; độ dốc đáy 1%; vật liệu lọc gồm sỏi cuội các cỡ hạt phân lớp; thực vật trồng là cây thủy trúc mật độ 16 cây/$\text{m}^2$.
- Chế độ vận hành gồm 2 giai đoạn:
- Giai đoạn 1 (GĐ1): Nước hồ bơm trực tiếp vào BLTC dòng chảy ngầm ngang (không qua hệ thống ĐHDC).
- Giai đoạn 2 (GĐ2): Nước hồ bơm qua hệ thống 8 bậc ĐHDC làm thoáng trước khi dẫn vào BLTC dòng chảy ngầm ngang.
- Phương pháp xác định động học theo mô hình Kadlec-Knight và mô hình Reed.
Chương 4: Kết quả nghiên cứu và thảo luận
- Khả năng bổ cập DO của hệ thống ĐHDC: Hàm lượng DO tăng mạnh qua từng bậc ĐHDC. Đối với nước hồ nhỏ Kim Liên có DO đầu vào xấp xỉ 0,1 mg/L, sau khi qua 8 bậc ĐHDC, nồng độ DO đạt từ 5,2 đến 5,6 mg/L tùy thuộc lưu lượng vận hành. Hiệu quả làm thoáng đạt tối ưu ở mức 7–8 bậc.
- Hiệu quả xử lý chất ô nhiễm: So sánh kết quả vận hành giữa GĐ1 (không ĐHDC) và GĐ2 (có ĐHDC):
- Nồng độ DO phân bố dọc bãi lọc ở GĐ2 luôn duy trì ở mức cao hơn đáng kể so với GĐ1.
- Hiệu suất xử lý $\text{BOD}_5$ ở GĐ2 tăng từ 12–18% so với GĐ1.
- Hiệu suất xử lý $\text{NH}_4^+ \text{-N}$ và $\text{TN}$ tăng vượt trội ở GĐ2 nhờ điều kiện hiếu khí thuận lợi cho vi khuẩn nitrat hóa hoạt động. Nước đầu ra đạt quy chuẩn QCVN 14:2008/BTNMT (cột B).
- Khả năng xử lý $\text{TSS}$ và $\text{PO}_4^{3-} \text{-P}$ duy trì ổn định qua quá trình lọc cơ học và hấp phụ trên vật liệu lọc.
- Xác định hệ số tốc độ động học ($k$): Luận án tính toán được hệ số tốc độ xử lý $k_v$ (mô hình Kadlec-Knight) và $k_T$ (mô hình Reed) đối với $\text{BOD}_5$, $\text{NH}_4^+ \text{-N}$, $\text{TN}$, $\text{PO}_4^{3-} \text{-P}$, $\text{TSS}$ trong điều kiện khí hậu thực tế tại Hà Nội khi có và không có ĐHDC.
- Đề xuất sơ đồ công nghệ ứng dụng: Đưa ra 3 mô hình công nghệ áp dụng cho 3 nhóm hồ đô thị tại Hà Nội căn cứ theo hiện trạng tiếp nhận nước thải và điều kiện địa hình bờ hồ.
Kết luận và kiến nghị
Tóm tắt các kết quả đạt được về chế tạo mẫu ĐHDC UHPC, hiệu quả bổ cập oxy, nâng cao công suất xử lý của BLTC và hệ số động học thực nghiệm. Kiến nghị áp dụng thử nghiệm mở rộng cho các hồ cảnh quan đô thị và tiếp tục nghiên cứu với các loại thực vật thủy sinh bản địa khác.
Kết quả và những đóng góp mới
Những đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn
Theo công bố của luận án, các kết quả khoa học mới bao gồm:
- Luận án đã xác định được mức độ cải thiện của hàm lượng ô-xy hòa tan (DO) thông qua hệ thống ĐHDC. Hàm lượng DO có thể tăng lên tới 5,6 mg/L đối với đối tượng nước hồ đô thị bị ô nhiễm nặng bởi nước thải sinh hoạt.
- Luận án đã khẳng định và chứng minh bằng thực nghiệm rằng hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm của bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm ngang (HSSF) được tăng cường đáng kể khi nước hồ được làm thoáng sơ bộ bằng hệ thống ĐHDC.
- Luận án đã xác định được bộ thông số hệ số tốc độ xử lý động học đối với các chất ô nhiễm đặc trưng ($\text{BOD}_5$, $\text{TSS}$, $\text{NH}_4^+ \text{-N}$, $\text{TN}$, $\text{PO}_4^{3-} \text{-P}$) của mô hình kết hợp ĐHDC và BLTC ngầm ngang trong điều kiện hiện trường thực tế tại Việt Nam.
Kiến nghị và giải pháp đề xuất
Luận án đề xuất giải pháp kỹ thuật tích hợp bãi lọc trồng cây dọc theo bờ kè hồ kết hợp thác nước ĐHDC đúc bằng bê tông siêu tính năng (UHPC). Giải pháp được thiết kế theo 3 sơ đồ ứng dụng:
- Nhóm hồ 1 (chỉ nhận nước mưa): Bố trí hệ thống tuần hoàn nước hồ qua ĐHDC và BLTC để duy trì chất lượng nước, ngăn ngừa hiện tượng tù đọng và phú dưỡng.
- Nhóm hồ 2 và 3 (nhận nước thải khi mưa hoặc thường xuyên): Kết hợp cống bao tách nước thải với trạm xử lý tại chỗ bằng chuỗi ĐHDC 8 bậc và BLTC ngầm ngang trước khi xả tuần hoàn lại hồ, tận dụng chênh lệch cao độ ta-luy bờ kè để tiết kiệm năng lượng bơm.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Nghiên cứu thực nghiệm hiện trường được tiến hành chủ yếu trên đối tượng nước hồ nhỏ Kim Liên đại diện cho hồ ô nhiễm nước thải sinh hoạt cao; mô hình sử dụng đơn loài thực vật thủy sinh là cây thủy trúc và cấu hình bãi lọc ngầm ngang đơn cấp.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Thử nghiệm hệ thống với các loại nước thải hồ có thành phần phức tạp hơn hoặc độ mặn khác nhau;
- Nghiên cứu đa dạng hóa các loài thực vật thủy sinh bản địa kết hợp trong bãi lọc (như dong riềng, cỏ vetiver, thạch xương bồ);
- Khảo sát tối ưu hóa hình thái dòng chảy ĐHDC với các kích thước công suất lớn hơn và quan trắc diễn biến bùn tích lũy trong vật liệu lọc theo chu kỳ nhiều năm.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn cho:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Kỹ thuật môi trường, Công nghệ môi trường nước và nước thải, Kỹ thuật hạ tầng đô thị; đặc biệt là phương pháp tính toán động học Kadlec-Knight và Reed cho bãi lọc đất ngập nước nhân tạo trong điều kiện nhiệt đới.
- Kỹ sư thiết kế công trình môi trường: Tham khảo quy trình chế tạo mẫu máng ĐHDC bằng bê tông UHPC và các thông số tải trọng thủy lực (HLR), thời gian lưu nước (HRT), tỷ lệ kích thước bãi lọc ngầm ngang.
- Cơ quan quản lý đô thị và thoát nước: (như Công ty Thoát nước Hà Nội, các Sở Xây dựng, Sở Tài nguyên và Môi trường) cung cấp cơ sở lựa chọn giải pháp sinh thái chi phí thấp để cải tạo, bảo tồn hệ sinh thái hồ đô thị gắn liền cảnh quan công viên.
Câu hỏi thường gặp
1. Mẫu định hình dòng chảy (Flowform) trong luận án được chế tạo bằng vật liệu gì và cấu tạo ra sao?
Mẫu ĐHDC được nghiên cứu chế tạo từ bê tông chất lượng siêu cao (UHPC - Ultra High Performance Concrete) gồm xi măng, cát thạch anh, muội silic, sợi kim loại và phụ gia siêu dẻo. Thiết kế máng tạo chuyển động xoáy cuộn đối xứng hình số "8" giúp khuếch tán oxy tự nhiên từ không khí vào nước.
2. Hiệu quả làm giàu ô-xy hòa tan (DO) qua hệ thống thác ĐHDC đạt mức bao nhiêu?
Qua hệ thống 8 bậc ĐHDC thí nghiệm với nước hồ nhỏ Kim Liên (có DO ban đầu chỉ $0,1 \pm 0,1\text{ mg/L}$), nồng độ DO sau khi qua bậc thứ 8 tăng lên đạt từ $5,2\text{ mg/L}$ đến $5,6\text{ mg/L}$ ở dải lưu lượng $Q = 100 \div 400\text{ L/h}$.
3. Tại sao cần kết hợp hệ thống ĐHDC phía trước bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm ngang?
Bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm ngang truyền thống thường bị thiếu hụt DO nghiêm trọng trong lòng lớp vật liệu lọc, dẫn đến hiệu suất nitrat hóa amoni ($\text{NH}_4^+ \text{-N}$) và phân hủy hiếu khí chất hữu cơ rất thấp. Việc làm thoáng sơ bộ qua ĐHDC bổ sung lượng DO dồi dào, thúc đẩy quá trình chuyển hóa sinh hóa trong bãi lọc.
4. Đối tượng thực nghiệm hiện trường của luận án là hồ nào và chất lượng nước ban đầu ra sao?
Thực nghiệm hiện trường được tiến hành tại hồ nhỏ Kim Liên (quận Đống Đa, Hà Nội). Nước hồ bị ô nhiễm rất nặng do tiếp nhận nước thải sinh hoạt trực tiếp: $\text{DO} = 0,1 \pm 0,1\text{ mg/L}$, $\text{COD} = 188,3 \pm 32,4\text{ mg/L}$ (vượt QCVN 08-MT:2015 cột B1 hơn 6,2 lần), $\text{TN} = 25,9 \pm 5,0\text{ mg/L}$, $\text{TP} = 3,4 \pm 0,6\text{ mg/L}$.
5. Loài thực vật nào được sử dụng trong mô hình bãi lọc trồng cây của luận án?
Luận án sử dụng cây thủy trúc (Cyperus alternifolius) trồng với mật độ 16 cây/$\text{m}^2$ trên nền vật liệu lọc sỏi cuội phân lớp.
Kết luận
Luận án tiến sĩ của tác giả Ứng Thị Thuý Hà đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu kết hợp hệ thống làm thoáng định hình dòng chảy (Flowform) chế tạo bằng bê tông UHPC với bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm ngang để xử lý nước hồ đô thị ô nhiễm. Kết quả thực nghiệm tại hồ nhỏ Kim Liên khẳng định hệ thống ĐHDC 8 bậc có khả năng nâng nồng độ DO lên đến 5,6 mg/L, từ đó cải thiện đáng kể hiệu suất xử lý các hợp chất hữu cơ, TSS và đặc biệt là nitơ amoni trong bãi lọc ngầm. Công trình đã cung cấp bộ thông số động học thực nghiệm và các sơ đồ công nghệ khả thi, đóng góp giải pháp kỹ thuật sinh thái chi phí thấp, phù hợp với công tác quản lý và cải thiện chất lượng môi trường nước hồ đô thị tại Việt Nam.
