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" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Ứng Thị Thuý Hà, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Lều Thọ Bách và PGS.TS Trần Thị Hiền Hoa, 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).
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Trong quy hoạch không gian đô thị, hệ thống mặt nước tự nhiên và nhân tạo giữ vai trò điều hòa khí hậu, tiêu thoát nước mưa, tạo cảnh quan sinh thái và tiếp nhận nước thải. Tuy nhiên, tốc độ đô thị hóa nhanh cùng hạ tầng thu gom nước thải chưa đồng bộ khiến phần lớn hồ đô thị tại Việt Nam bị suy thoái chất lượng nước nghiêm trọng. Đa số các thông số ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng như $\text{BOD}_5$, $\text{COD}$, $\text{NH}_4^+$, $\text{PO}_4^{3-}$ đều vượt quy chuẩn QCVN 08-MT:2015/BTNMT (cột B1), trong khi nồng độ ô-xy hòa tan ($\text{DO}$) giảm xuống mức rất thấp.
Để xử lý nước hồ ô nhiễm, giải pháp sinh thái bãi lọc trồng cây ($\text{Constructed Wetlands - CW}$) là hướng tiếp cận chi phí thấp, thân thiện với môi trường và phù hợp điều kiện khí hậu nhiệt đới. Tuy vậy, hạn chế kỹ thuật lớn nhất của bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm là nồng độ $\text{DO}$ nội tại thấp, làm suy giảm đáng kể hiệu suất chuyển hóa nitơ (quá trình nitrat hóa). Biện pháp làm thoáng tự nhiên bằng đập tràn hay thác tràn truyền thống có hiệu quả hòa tan ô-xy hạn chế và chiếm nhiều diện tích. Việc ứng dụng hệ thống định hình dòng chảy dạng thác ($\text{flowforms cascade - FC}$) giúp tạo các xoáy cuộn dòng chảy dạng số "8", tăng diện tích tiếp xúc pha khí - nước và nâng cao hiệu quả bổ cập $\text{DO}$. Tại Việt Nam, các nghiên cứu về hệ thống định hình dòng chảy còn rất hạn chế, trước đó mới chỉ có thử nghiệm sơ khởi trên đối tượng nước rỉ rác bãi chôn lấp (năm 2016). Do đó, việc nghiên cứu kết hợp hệ thống định hình dòng chảy với bãi lọc trồng cây nhằm cải thiện chất lượng nước hồ đô thị bị ô nhiễm bởi nước thải sinh hoạt là yêu cầu cấp thiết.
Mục tiêu nghiên cứu
Luận án xác định 3 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:
- Chế tạo mẫu định hình dòng chảy; đánh giá hiệu quả làm thoáng của hệ thống định hình dòng chảy với mẫu định hình dòng chảy được chế tạo.
- Đánh giá tác động của hệ thống định hình dòng chảy và điều kiện vận hành bãi lọc trồng cây 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 bãi lọc trồng cây kết hợp mẫu định hình dòng chảy 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: Nghiên cứu thực nghiệm tại hiện trường được triển khai tại hồ nhỏ Kim Liên, quận Đống Đa, Thành phố Hà Nội (đây là hồ điển hình tiếp nhận trực tiếp nước thải sinh hoạt đô thị); kết hợp các thử nghiệm thủy lực và bổ cập ô-xy trong phòng thí nghiệm.
- Phạm vi thời gian: Dữ liệu quan trắc hiện trạng môi trường các hồ đô thị Hà Nội được thu thập và phân tích định kỳ từ tháng 11/2019 đến tháng 4/2020 ($n = 6$).
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Luận án đã tổng hợp các hướng nghiên cứu và giải pháp kiểm soát ô nhiễm nước hồ trên thế giới và tại Việt Nam:
Các hướng nghiên cứu quốc tế
- Phương pháp hóa học: Sử dụng chất diệt tảo $\text{CuSO}_4$ tại Pháp [72] và chuỗi hồ Fairmont (Minnesota) [67], thuốc diệt cỏ fluridone tại hồ Istokpoga (Florida) [99], bổ sung muối sắt và nitrat ($\text{FeCl}_3$, $\text{Ca(OH)}_2$, $\text{Ca(NO}_3\text{)}_2$) để xử lý phốt pho và bùn đáy hồ Lillesjon [137]. Các phương pháp này có tác dụng tức thời nhưng dễ gây tích tụ kim loại nặng và ô nhiễm thứ cấp.
- Phương pháp vật lý: Pha loãng và xả cặn đáy tại hồ chứa Xiaolangdi (Trung Quốc) [151] và hồ Lewis (Hoa Kỳ) [79]; sục khí sâu tại Hà Lan và Vương quốc Anh [40, 49]; công nghệ kết hợp lý - sinh thái PEEN tại hồ Taihu (Trung Quốc) [103]; nạo vét trầm tích đáy hồ [111, 152]; làm thoáng bằng hệ thống định hình dòng chảy kết hợp thực vật tại Thành Đô (Trung Quốc) [148], hồ Te Koutu (New Zealand) với 43 mẫu Olympya [74, 118], và hệ thống xử lý nước xám tại New South Wales (Australia) [73].
- Phương pháp sinh học: Bổ sung vi sinh vật xử lý chất hữu cơ [104]; công nghệ màng sinh học trên giá thể zeolit, gốm xốp và sợi tre [71, 142, 147]; ứng dụng bãi lọc trồng cây dòng chảy bề mặt và dòng chảy ngầm tại Trung Quốc cho các hồ phú dưỡng [53, 90]; sử dụng thực vật thủy sinh (lục bình, dong riềng, thạch xương bồ, thủy trúc, cỏ vetiver) để hấp thu dinh dưỡng [46, 64, 115, 146].
Các hướng nghiên cứu và giải pháp tại Việt Nam
- Nạo vét bùn đáy và kè bờ tại các hồ nội thành Hà Nội như Thành Công, Giảng Võ, Thiền Quang, Thanh Nhàn (giai đoạn 2001–2004) [16].
- Ứng dụng bãi lọc trồng cây: Mô hình BASTAF kết hợp bãi lọc trồng cây dòng chảy đứng [130]; chuỗi hồ sinh học kết hợp bãi lọc trồng cây dòng chảy mặt và dòng chảy ngang ngầm tại Công ty Formosa Hà Tĩnh công suất $36.000\text{ m}^3/\text{ngày}$ [2]; xử lý nước hồ bằng thực vật thủy sinh (ngổ trâu, bèo tây, cải soong, rau muống) [33]; xử lý nước hồ 29/3 (Đà Nẵng) bằng chuối hoa và cỏ đậu [29].
- Xử lý hóa - sinh kết hợp: Chế phẩm hóa chất PAC, $\text{H}_2\text{O}_2$, đồng chelate kết hợp vi sinh vật và bè thủy sinh tại hồ Xã Đàn, Trúc Bạch, Thanh Nhàn, hồ lớn Kim Liên, hồ Hai Bà Trưng, hồ Hữu Tiệp [21, 23, 30]; khối bê tông vi sinh EBB tại hồ Khương Thượng [26, 69]; xử lý 91 hồ nội thành Hà Nội bằng chế phẩm Redoxy-3C kết hợp bè thủy sinh và máy sục khí (2016–2019) [10, 11, 13, 14, 15].
- Làm giàu ô-xy: Nghiên cứu đập tràn mô phỏng bằng gạch rải đá cuội [22]; hệ thống đập tràn tại trạm xử lý nước thải Buôn Ma Thuột; mô hình thực nghiệm 7 bậc định hình dòng chảy bằng gốm kết hợp bãi lọc trồng cây xử lý nước rỉ rác (năm 2015–2016) [4].
Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết
Các công nghệ hóa học hoặc chế phẩm sinh học đòi hỏi chi phí định kỳ cao và nguy cơ tái ô nhiễm sau khi dừng xử lý. Bãi lọc trồng cây ngầm đơn thuần thiếu hụt ô-xy hòa tan cho quá trình nitrat hóa. Luận án giải quyết khoảng trống về việc chế tạo mẫu định hình dòng chảy bằng vật liệu bê tông chất lượng siêu cao (UHPC), tối ưu hóa số bậc và lưu lượng làm thoáng, đồng thời đánh giá định lượng hiệu quả tăng cường xử lý chất ô nhiễm và xác định các hệ số tốc độ động học khi tích hợp hệ thống định hình dòng chảy vào bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm ngang trong điều kiện hiện trường.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Cơ sở lý thuyết và khung phân tích
- Phân loại hồ và nguồn thải: Phân chia hồ đô thị thành 3 nhóm theo nguồn tiếp nhận (Nhóm 1: chỉ nhận nước mưa; Nhóm 2: nhận hỗn hợp nước mưa và nước thải khi mưa; Nhóm 3: thường xuyên nhận nước thải trực tiếp). Mô hình tích lũy chất bẩn từ nước mưa bề mặt xác định theo công thức:
$$M = M_{\max} (1 - e^{-K_z T})$$
(Trong đó $M_{\max}$ là lượng chất bẩn tích tụ tối đa phụ thuộc cấp đô thị, $K_z$ là hệ số động học tích lũy, $T$ là thời gian khô hạn).
- Cơ chế chuyển hóa chất ô nhiễm:
- Chuyển hóa Ni-tơ: Amôni hóa chất hữu cơ chứa nitơ thành $\text{NH}_4^+$, nitrat hóa $\text{NH}_4^+ \rightarrow \text{NO}_2^- \rightarrow \text{NO}_3^-$ trong điều kiện hiếu khí ($\text{DO} \ge 2\text{ mg/L}$), khử nitrat $\text{NO}_3^- \rightarrow \text{N}_2\text{O} \rightarrow \text{N}_2$ trong điều kiện thiếu khí/kỵ khí.
- Chuyển hóa Phốt-pho: Luân chuyển qua các dạng hòa tan vô cơ ($\text{DIP}$), hữu cơ ($\text{DOP}$), dạng hạt ($\text{PIP}$, $\text{POP}$), hấp phụ lên bề mặt vật liệu lọc và lắng đọng đáy hồ.
- Cơ chế trong bãi lọc trồng cây ($\text{CW}$): Lắng trọng lực, lọc cơ học qua vật liệu lọc (đá dăm, sỏi, xỉ), hấp phụ hóa lý, phân hủy sinh học hiếu khí/kỵ khí của màng vi sinh vật bám dính, và hấp thụ dinh dưỡng của rễ cây thủy trúc.
- Nguyên lý thủy động lực học hệ thống định hình dòng chảy ($\text{Flowform}$): Cấu tạo lòng mẫu định hình dòng chảy tạo xung động đối lưu, biến đổi dòng chảy phẳng thành dòng chảy xoáy cuộn tuần hoàn dạng số "8", tăng cường tối đa bề mặt tiếp xúc giữa nước và không khí quyển để hòa tan ô-xy tự nhiên mà không cần năng lượng sục khí cưỡng bức.
- Mô hình động học xử lý: Sử dụng mô hình động học bậc một theo diện tích $k - C^*$ của Kadlec và Knight (1996) cùng mô hình dòng chảy ngầm của Reed S.C và cộng sự (1995) để tính toán hệ số tốc độ xử lý ($k$).
Phương pháp nghiên cứu thực tế
- Phương pháp khảo sát thực địa và quan trắc: Lấy mẫu định kỳ và phân tích chất lượng nước tại 9 hồ đặc trưng trên địa bàn Hà Nội.
- Phương pháp chế tạo mẫu: Sử dụng công nghệ bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) với tỷ lệ phối trộn tối ưu nhằm đảm bảo độ bền cơ học, chống thấm và bề mặt nhẵn bóng cho mẫu định hình dòng chảy.
- Phương pháp thực nghiệm mô hình:
- Thí nghiệm làm thoáng: Khảo sát hệ thống định hình dòng chảy 8 bậc với các dải lưu lượng $Q = 100 \div 400\text{ L/h}$ trong phòng thí nghiệm và hiện trường để theo dõi biến thiên $\text{DO}$.
- Thí nghiệm mô hình bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm ngang (HSSF): Kích thước thực tế đặt tại bờ hồ nhỏ Kim Liên, trồng cây thủy trúc, sử dụng vật liệu lọc sỏi và đá dăm. Vận hành qua 2 giai đoạn: Giai đoạn 1 (GĐ1 - bãi lọc trồng cây đơn thuần) và Giai đoạn 2 (GĐ2 - bãi lọc trồng cây kết hợp hệ thống định hình dòng chảy).
- Phương pháp lấy mẫu và phân tích chỉ tiêu: Tiến hành theo các Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) và Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater đối với các thông số: nhiệt độ, $\text{pH}$, $\text{DO}$, $\text{TSS}$, $\text{COD}$, $\text{BOD}_5$, $\text{NH}_4^+\text{-N}$, $\text{TN}$, $\text{PO}_4^{3-}\text{-P}$, $\text{TP}$.
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
Chương 1 cung cấp bức tranh toàn cảnh về 636 hồ đô thị thuộc 46 tỉnh, thành phố tại Việt Nam. Về mục đích sử dụng: 94% số hồ (598 hồ) điều tiết nước mưa; 55,5% (353 hồ) tiếp nhận nước thải sinh hoạt kết hợp điều tiết nước mưa; 11,5% tạo cảnh quan; 2,5% (16 hồ) gắn liền di tích lịch sử; 4,25% (27 hồ) nuôi cá; 1,87% (12 hồ) chứa nước thải.
Tại Hà Nội, khảo sát trên 122 hồ (tổng diện tích $10,74\text{ km}^2$) cho thấy 86% hồ (105 hồ) tiếp nhận nước thải sinh hoạt; 80,3% (98 hồ) đã được kè bờ; 41,8% (51 hồ) có cống bao tách nước thải. Khảo sát chi tiết 86 hồ nội thành ghi nhận phần lớn bị ô nhiễm hữu cơ và phú dưỡng; chỉ có 5/86 hồ đạt chuẩn $\text{COD}$, $\text{BOD}_5$ nhưng vẫn có $\text{NH}_4^+$ hoặc $\text{PO}_4^{3-}$ vượt chuẩn.
| STT |
Tên thành phố |
Số hồ khảo sát |
$\text{DO}$ ($\text{mg/L}$) |
$\text{COD}$ ($\text{mg/L}$) |
$\text{NH}_4^+\text{-N}$ ($\text{mg/L}$) |
$\text{PO}_4^{3-}$ ($\text{mg/L}$) |
| -- |
QCVN 08-MT:2015 (B1) |
-- |
$\ge 4$ |
$30$ |
$0,9$ |
$0,3$ |
| 1 |
Đà Nẵng |
9 hồ |
$1,8 \div 5,8$ |
$22,75 \div 83,53$ |
$0,51 \div 1,2$ |
$0,11 \div 1,68$ |
| 2 |
Huế |
9 hồ |
$4,17 \div 4,77$ |
$21,43 \div 53,07$ |
$0,27 \div 1,75$ |
$0,02 \div 2,15$ |
| 3 |
Bà Rịa - Vũng Tàu |
9 hồ |
$4,2 \div 5,2$ |
$18,3 \div 60,7$ |
$0,06 \div 1,67$ |
$0,12 \div 0,17$ |
| 4 |
Hải Phòng |
9 hồ |
$3,93 \div 5,43$ |
$34,8 \div 51,6$ |
$0,14 \div 5,36$ |
$0,02 \div 1,79$ |
| 5 |
Việt Trì |
9 hồ |
$3,8 \div 4,7$ |
$21,17 \div 76,05$ |
$0,03 \div 0,46$ |
$0,02 \div 0,28$ |
| 6 |
Cần Thơ |
9 hồ |
$3,1 \div 4,6$ |
$31,43 \div 48,17$ |
$0,07 \div 0,81$ |
$0,12 \div 0,14$ |
Dữ liệu quan trắc 9 hồ đại diện tại Hà Nội cho thấy mức độ suy thoái môi trường nước nghiêm trọng:
| STT |
Tên hồ (Phân nhóm) |
Nhiệt độ ($^\circ\text{C}$) |
$\text{DO}$ ($\text{mg/L}$) |
$\text{COD}$ ($\text{mg/L}$) |
$\text{TN}$ ($\text{mg/L}$) |
$\text{TP}$ ($\text{mg/L}$) |
| 1 |
Hồ Cẩn (Nhóm 1) |
$26,0 \pm 5,2$ |
$3,8 \pm 0,4$ |
$57,5 \pm 8,8$ |
$3,5 \pm 0,8$ |
$2,5 \pm 1,0$ |
| 2 |
Hồ Bảy Gian (Nhóm 1) |
$24,9 \pm 5,3$ |
$3,8 \pm 0,4$ |
$53,8 \pm 7,3$ |
$4,0 \pm 0,9$ |
$1,7 \pm 0,5$ |
| 3 |
Hồ Tân Mai (Nhóm 2) |
$25,6 \pm 5,2$ |
$2,6 \pm 0,5$ |
$75,6 \pm 5,4$ |
$6,7 \pm 0,7$ |
$1,9 \pm 0,3$ |
| 4 |
Hồ Hố Mẻ (Nhóm 2) |
$25,4 \pm 5,8$ |
$2,8 \pm 0,7$ |
$68,0 \pm 7,0$ |
$6,1 \pm 0,8$ |
$2,6 \pm 0,7$ |
| 5 |
Hồ nhỏ Kim Liên (Nhóm 3) |
$25,0 \pm 5,4$ |
$0,1 \pm 0,1$ |
$188,3 \pm 32,4$ |
$25,9 \pm 5,0$ |
$3,4 \pm 0,6$ |
| 6 |
Hồ Hai Bà Trưng (Nhóm 3) |
$25,1 \pm 5,4$ |
$2,7 \pm 0,4$ |
$83,1 \pm 14,1$ |
$8,9 \pm 1,8$ |
$2,1 \pm 0,6$ |
| 7 |
Hồ Cá Bác Hồ (Nhóm 1) |
$25,1 \pm 5,6$ |
$4,5 \pm 0,4$ |
$46,1 \pm 6,8$ |
$3,3 \pm 0,3$ |
$1,6 \pm 0,5$ |
| 8 |
Hồ KĐT Văn Phú (Nhóm 2) |
$24,8 \pm 6,3$ |
$3,8 \pm 0,4$ |
$60,3 \pm 5,8$ |
$4,8 \pm 0,4$ |
$2,3 \pm 0,4$ |
| 9 |
Hồ Ngọc Thụy (Nhóm 3) |
$24,8 \pm 5,5$ |
$3,6 \pm 0,3$ |
$74,6 \pm 7,6$ |
$5,9 \pm 0,9$ |
$2,6 \pm 0,6$ |
Chỉ duy nhất Hồ Cá Bác Hồ đạt chuẩn $\text{DO}$ ($\ge 4\text{ mg/L}$); hồ nhỏ Kim Liên bị ô nhiễm nặng nhất với $\text{DO} = 0,1\text{ mg/L}$, $\text{COD}$ đạt $188,3\text{ mg/L}$ (vượt 6,28 lần quy chuẩn), $\text{TN} = 25,9\text{ mg/L}$ và $\text{TP} = 3,4\text{ mg/L}$.
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 phân tích cơ chế xử lý các chất ô nhiễm trong các loại hình bãi lọc trồng cây: dòng chảy bề mặt ($\text{FWS}$), dòng chảy ngầm đứng ($\text{VF}$) và dòng chảy ngầm ngang ($\text{HF/HSSF}$). Bãi lọc $\text{HSSF}$ có ưu thế xử lý $\text{BOD}_5$ và $\text{TSS}$ cao nhưng thiếu hụt $\text{DO}$ nghiêm trọng ở các vùng sâu, làm hạn chế quá trình ô-xy hóa amoni.
Chương này trình bày nguyên lý thủy lực của mẫu định hình dòng chảy: khi nước chảy qua lòng máng uốn lượn có tính đối xứng hoặc phi đối xứng, trọng lực kết hợp hình học lòng máng tạo nên chuyển động xoáy số "8", cuốn không khí vào dòng chất lỏng, làm tăng hệ số truyền khối ô-xy quyển. Việc kết hợp hệ thống định hình dòng chảy phía trước bãi lọc trồng cây cung cấp nguồn $\text{DO}$ đầu vào dồi dào, thúc đẩy vi khuẩn hiếu khí hoạt động ở đoạn đầu bãi lọc và hỗ trợ quá trình nitrat hóa diễn ra triệt để trước khi chuyển sang các vùng yếm khí tiếp theo.
Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm
Nội dung chương trình bày quy trình chế tạo mẫu định hình dòng chảy bằng vật liệu bê tông chất lượng siêu cao ($\text{UHPC}$) với độ bền cơ học cao, chịu mài mòn và ổn định bề mặt sau hơn 2 năm vận hành thực tế.
Quy mô thực nghiệm tại hồ nhỏ Kim Liên được thiết kế đồng bộ:
- Hệ thống định hình dòng chảy gồm chuỗi 8 bậc thang liên hoàn.
- Bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm ngang ($\text{HSSF}$) có lớp vật liệu lọc sỏi đỡ và đá dăm kích thước hạt tiêu chuẩn, mặt bãi cấy trồng cây thủy trúc với mật độ thích hợp.
- Thiết lập các điểm lấy mẫu và đo $\text{DO}$ dọc theo chiều dài bãi lọc.
- Vận hành kiểm chứng qua 2 giai đoạn:
- Giai đoạn 1 (GĐ1): Nước hồ cấp trực tiếp vào bãi lọc trồng cây không qua làm thoáng.
- Giai đoạn 2 (GĐ2): Nước hồ chảy qua hệ thống 8 bậc định hình dòng chảy trước khi vào bãi lọc trồng cây, thử nghiệm ở các mức lưu lượng khác nhau ($Q = 100 \div 400\text{ L/h}$).
Chương 4: Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Chương 4 phân tích các dữ liệu thực nghiệm thu được:
- Khả năng bổ cập $\text{DO}$ của hệ thống định hình dòng chảy: Qua 8 bậc định hình dòng chảy, nồng độ $\text{DO}$ trong nước hồ tăng dần từ mức gần bằng $0\text{ mg/L}$ lên tới $5,6\text{ mg/L}$. Mức tăng $\text{DO}$ diễn ra mạnh nhất ở 4–6 bậc đầu tiên và đạt tiệm cận bão hòa ở bậc thứ 8.
- Hiệu suất xử lý nước hồ của hai giai đoạn vận hành:
- Khi không kết hợp hệ thống định hình dòng chảy (GĐ1), bãi lọc trồng cây đạt hiệu suất xử lý chất hữu cơ và $\text{TSS}$ ở mức trung bình, tuy nhiên hiệu quả xử lý amoni ($\text{NH}_4^+\text{-N}$) và tổng nitơ ($\text{TN}$) rất thấp do thiếu $\text{DO}$ nội tại.
- Khi kết hợp hệ thống định hình dòng chảy (GĐ2), nồng độ $\text{DO}$ dọc theo chiều dài bãi lọc được duy trì ở mức cao ($> 2\text{ mg/L}$ ở nửa chiều dài đầu bãi lọc), giúp hiệu suất xử lý $\text{NH}_4^+\text{-N}$ và $\text{TN}$ tăng vọt. Nước sau xử lý tại GĐ2 đạt quy chuẩn QCVN 14:2008/BTNMT cột B đối với hầu hết các chỉ tiêu.
- Xác định hệ số tốc độ động học ($k$): Luận án tính toán thành công các hệ số tốc độ xử lý $k_{\text{BOD}5}$, $k{\text{NH}4\text{-N}}$, $k{\text{TN}}$, $k_{\text{PO}4\text{-P}}$, $k{\text{TSS}}$ theo mô hình Kadlec & Knight và mô hình Reed S.C trong điều kiện thực tế vận hành tại Việt Nam.
- Đề xuất sơ đồ công nghệ ứng dụng: Xây dựng giải pháp kỹ thuật bãi lọc trồng cây kết hợp hệ thống định hình dòng chảy áp dụng cho 3 nhóm hồ đô thị, tận dụng mái taluy bờ kè hiện hữu để bố trí bậc định hình dòng chảy tạo cảnh quan và tuần hoàn nước hồ.
Kết quả và những đóng góp mới
Những đóng góp mới của luận án
- Định lượng khả năng bổ cập ô-xy: Luận án đã xác định được mức độ cải thiện của hàm lượng ô-xy hòa tan ($\text{DO}$) thông qua hệ thống định hình dòng chảy được chế tạo bằng vật liệu $\text{UHPC}$. Hàm lượng $\text{DO}$ có thể tăng lên tới $5,6\text{ mg/L}$ đối với nước hồ đô thị bị ô nhiễm nặng.
- Khẳng định hiệu quả nâng cao chất lượng xử lý: Luận án đã chứng minh thực nghiệm rằng hiệu quả xử lý các chất ô nhiễm của bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm - ngang ($\text{HSSF}$) được tăng cường đáng kể khi nước hồ được làm thoáng sơ bộ bằng hệ thống định hình dòng chảy, đặc biệt là quá trình nitrat hóa chuyển hóa $\text{NH}_4^+\text{-N}$ và loại bỏ $\text{TN}$.
- Thiết lập thông số động học thực tế: Luận án đã xác định được hệ số tốc độ xử lý 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 hệ thống định hình dòng chảy và bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm ngang trong điều kiện hiện trường tại Việt Nam.
Kiến nghị và giải pháp đề xuất
- Ứng dụng giải pháp kết hợp hệ thống định hình dòng chảy và bãi lọc trồng cây $\text{HSSF}$ cho các hồ đô thị thuộc nhóm tiếp nhận nước thải sinh hoạt hoặc hỗn hợp nước mưa - nước thải.
- Tận dụng độ dốc của bờ kè, taluy hồ hiện hữu để lắp đặt chuỗi bậc định hình dòng chảy, vừa làm giàu ô-xy tự nhiên, vừa tạo điểm nhấn cảnh quan sinh thái mặt nước.
- Ban hành hướng dẫn tính toán thiết kế bãi lọc trồng cây kết hợp định hình dòng chảy dựa trên các hệ số động học thực nghiệm đã xác định trong luận án.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế: Nghiên cứu thực nghiệm hiện trường mới tập trung tại hồ nhỏ Kim Liên (đại diện cho nước hồ ô nhiễm bởi nước thải sinh hoạt đô thị); các biến động thời tiết theo mùa có thể ảnh hưởng đến tốc độ sinh trưởng của thực vật thủy trúc và hoạt tính màng sinh học vi sinh vật.
- Hướng nghiên cứu tiếp:
- Mở rộng thử nghiệm mô hình đối với các nguồn nước mặt tiếp nhận nước thải công nghiệp nhẹ hoặc nước rỉ rác có nồng độ chất ô nhiễm phức tạp hơn.
- Nghiên cứu chu kỳ cắt tỉa, thu hoạch sinh khối cây thủy trúc tối ưu để thu hồi triệt để lượng nitơ, phốt pho tích lũy.
- Đánh giá hiện tượng bồi lắng, tắc nghẽn vật liệu lọc theo thời gian dài và các biện pháp hoàn nguyên bãi lọc.
Giá trị tham khảo
- Đối với nghiên cứu sinh, học viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Môi trường / Cấp thoát nước: Luận án cung cấp bộ cơ sở dữ liệu quan trắc chi tiết về hiện trạng hồ đô thị Hà Nội; bản vẽ cấu tạo, tỷ lệ cấp phối vật liệu $\text{UHPC}$ đúc mẫu định hình dòng chảy; cùng phương pháp luận tính toán các hệ số động học xử lý ô nhiễm trong bãi lọc trồng cây ngầm ngang.
- Đối với cơ quan quản lý đô thị và đơn vị thoát nước: Đề tài cung cấp giải pháp công nghệ sinh thái tuần hoàn nước chi phí thấp, tận dụng taluy bờ kè hồ đô thị để cải thiện chất lượng nước, ngăn ngừa hiện tượng phú dưỡng và tạo cảnh quan công cộng bền vững.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm ngang truyền thống lại cần kết hợp hệ thống định hình dòng chảy?
Bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm ngang ($\text{HSSF}$) có nhược điểm lớn là nồng độ ô-xy hòa tan nội tại rất thấp do dòng nước chảy ngầm dưới lớp vật liệu lọc, không tiếp xúc trực tiếp với không khí. Việc thiếu hụt $\text{DO}$ làm ức chế quá trình nitrat hóa chuyển hóa $\text{NH}_4^+$ thành $\text{NO}_3^-$. Kết hợp hệ thống định hình dòng chảy trước bãi lọc giúp bổ cập $\text{DO}$ lên đến $5,6\text{ mg/L}$, cung cấp đủ ô-xy cho vi sinh vật hiếu khí hoạt động ở phần đầu bãi lọc.
2. Mẫu định hình dòng chảy trong nghiên cứu được chế tạo bằng vật liệu gì và có ưu điểm gì?
Mẫu định hình dòng chảy được nghiên cứu và chế tạo bằng bê tông chất lượng siêu cao ($\text{UHPC}$). Vật liệu này có cường độ cơ học cao, chống thấm tốt, tạo bề mặt nhẵn bóng giúp duy trì ổn định dòng xoáy hình số "8", không bị rêu bám gây cản trở dòng chảy và có độ bền cao sau nhiều năm sử dụng ngoài trời.
3. Nồng độ DO biến đổi như thế nào qua các bậc định hình dòng chảy?
Thực nghiệm cho thấy nồng độ $\text{DO}$ tăng dần theo từng bậc của hệ thống định hình dòng chảy. Nước hồ ban đầu có $\text{DO}$ xấp xỉ $0,1\text{ mg/L}$ sau khi qua 8 bậc định hình dòng chảy có thể đạt mức tối đa $5,6\text{ mg/L}$. Mức tăng $\text{DO}$ diễn ra mạnh nhất qua 4 đến 6 bậc đầu tiên và ổn định ở các bậc tiếp theo.
4. Kết quả khảo sát 86 hồ nội thành Hà Nội cho thấy thực trạng chất lượng nước ra sao?
Hầu hết 86 hồ nội thành Hà Nội đều bị ô nhiễm hữu cơ và phú dưỡng, nước có màu đen hoặc xanh đậm và có mùi hôi. Chỉ có 5/86 hồ (hồ Công viên Cầu Giấy, Thủ Lệ, Ngọc Khánh, Thanh Nhàn 1, Trung Tự) có hàm lượng chất hữu cơ ($\text{COD}$, $\text{BOD}_5$) nằm trong giới hạn cho phép, nhưng các hồ này vẫn bị ô nhiễm amoni ($\text{NH}_4^+$) hoặc phốt phát ($\text{PO}_4^{3-}$) vượt quy chuẩn QCVN 08-MT:2015/BTNMT.
Kết luận
Công trình của nghiên cứu sinh Ứng Thị Thuý Hà đã giải quyết thành công bài toán nâng cao hiệu quả xử lý nước hồ đô thị ô nhiễm bằng giải pháp kết hợp hệ thống định hình dòng chảy và bãi lọc trồng cây dòng chảy ngầm ngang. Nghiên cứu đã làm chủ công nghệ chế tạo mẫu định hình dòng chảy bằng bê tông siêu tính năng $\text{UHPC}$, chứng minh khả năng bổ cập ô-xy hòa tan tự nhiên đạt $5,6\text{ mg/L}$ qua chuỗi 8 bậc làm thoáng. Kết quả thực nghiệm tại hồ nhỏ Kim Liên khẳng định hiệu suất xử lý vượt trội của hệ thống đối với các hợp chất hữu cơ, chất rắn lơ lửng và các dạng nitơ, phốt pho, đồng thời xác lập các thông số động học tin cậy phục vụ thiết kế các công trình xử lý nước hồ đô thị trong điều kiện thực tế tại Việt Nam.
