Tổng quan luận án
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Trong tiến trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa và đô thị hóa nhanh tại Việt Nam, nhu cầu khai thác, sử dụng nước sạch của dân cư và doanh nghiệp tăng cao, kéo theo sự gia tăng lưu lượng nước thải sinh hoạt (NTSH), nước thải bệnh viện (NTBV) và nước thải sản xuất (NTSX). Tại các đô thị lớn ở miền Bắc, phần lớn NTSH phát sinh chưa được thu gom và xử lý đạt Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về môi trường (QCVN) hoặc Quy chuẩn kỹ thuật địa phương (QCĐP) trước khi xả vào nguồn tiếp nhận. Các dòng sông chảy qua đô thị (sông nội đô - SNĐ) như hệ thống sông Tô Lịch, Kim Ngưu, Lừ, Sét tại thành phố Hà Nội hay sông Sặt, sông Hào Thành, kênh T2 tại thành phố Hải Dương đã dần biến thành các kênh tiếp nhận và thoát nước cấp I, đối mặt với tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng, nước chuyển màu đen đậm và bốc mùi hôi thối do các khí hydro sunfua ($H_2S$), amoniac ($NH_3$), mercaptan. Bên cạnh đó, các kênh mương thoát nước tại đô thị ven như thành phố Phủ Lý (kênh A 4-8, kênh Chính Tây) và thành phố Bắc Ninh (sông Tào Khê, sông Ngũ Huyện Khê, kênh Kim Đôi) cũng chịu áp lực ô nhiễm ở các mức độ khác nhau.
Thực trạng đầu tư xây dựng các nhà máy xử lý nước thải (XLNT) tập trung tại các đô thị miền Bắc vẫn chưa đáp ứng kịp tốc độ phát sinh chất thải. Điển hình tại Hà Nội giai đoạn 2008–2020, tổng lượng NTSH đô thị ước tính khoảng 960.000 $\text{m}^3/\text{ngày đêm}$, nhưng 08 nhà máy XLNT tập trung (Kim Liên, Trúc Bạch, Bảy Mẫu, Yên Sở, Hồ Tây, Phú Hà, Phú Thứ, Cầu Ngà, Bắc Thăng Long - Vân Trì) mới xử lý được khoảng 296.700 $\text{m}^3/\text{ngày đêm}$ (đạt 30,9%), cùng khoảng 16.000 $\text{m}^3/\text{ngày đêm}$ được xử lý cục bộ tại các khu đô thị mới; hơn 60% lượng NTSH còn lại vẫn xả thẳng vào các thủy vực nội đô. Khoảng trống nghiên cứu thực tiễn và lý luận đặt ra là: đối với các đô thị cũ có hệ thống thoát nước (HTTN) chung cho cả nước mưa và nước thải, việc chỉ tập trung đầu tư xử lý cuối đường ống gặp nhiều trở ngại về hạ tầng và nguồn vốn. Do đó, việc nghiên cứu làm rõ bản chất, đặc trưng phân bố và các hợp phần của chất hữu cơ (CHC) trong nước sông, đồng thời thiết lập cơ sở khoa học cho các giải pháp xử lý trực tiếp trên lòng SNĐ (sục khí cưỡng bức, tăng cường khả năng tự làm sạch tự nhiên) kết hợp với các giải pháp quản lý đồng bộ là một yêu cầu cấp bách.
Mục tiêu nghiên cứu
Luận án xác định 03 mục tiêu cụ thể:
- Đánh giá đặc điểm HTTN đô thị và vai trò của SNĐ trong HTTN đô thị tại một số thành phố lớn khu vực miền Bắc của Việt Nam.
- Đánh giá hiện trạng môi trường nước SNĐ một số thành phố lớn khu vực miền Bắc của Việt Nam và đặc điểm ô nhiễm CHC (theo các thông số BOD, COD, TOC; các CHC chứa lưu huỳnh, nitơ và phốt pho; chất hoạt động bề mặt, các hợp CHC bền PAHs, nhóm kháng sinh, nhóm chất béo, nhóm các hợp chất humic…) và nguồn thải, yếu tố ảnh hưởng đến hàm lượng CHC trong nước SNĐ.
- Nghiên cứu, đề xuất giải pháp quản lý và kỹ thuật giảm thiểu ô nhiễm CHC trong nước SNĐ, bảo đảm cân bằng sinh thái và phù hợp với điều kiện thực tế các SNĐ một số thành phố lớn khu vực miền Bắc của Việt Nam.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu:
- Hệ thống sông nội đô và kênh thoát nước trong HTTN đô thị tại một số thành phố lớn miền Bắc (Hà Nội, Phủ Lý thuộc lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy; Hải Dương, Bắc Ninh thuộc lưu vực sông Cầu).
- Các thành phần ô nhiễm CHC, các thông số phân loại chất lượng nước, thông số ảnh hưởng đến sức khỏe con người trong nước SNĐ; các thông số ô nhiễm trong trầm tích có mối liên quan đến ô nhiễm CHC trong nước sông.
- Phạm vi không gian:
- Thành phố Hà Nội: Các SNĐ trung tâm gồm sông Tô Lịch, sông Kim Ngưu, sông Lừ, sông Sét và khu vực thượng nguồn sông Nhuệ.
- Thành phố Hải Dương: Các sông/kênh thoát nước nội đô trung tâm gồm sông Sặt, hệ thống Hào Thành và kênh T2.
- Thành phố Bắc Ninh: HTTN trung tâm và các sông/kênh lân cận gồm sông Tào Khê, sông Ngũ Huyện Khê, kênh T1.
- Thành phố Phủ Lý: HTTN trung tâm và các sông/kênh lân cận gồm kênh Chính Tây, kênh A 4-8, sông Châu Giang, sông Nhuệ - Đáy.
- Phạm vi thời gian: Số liệu về HTTN được thu thập giai đoạn 2005–2019; số liệu quan trắc môi trường, điều tra thực địa và phân tích phòng thí nghiệm được thực hiện vào mùa khô năm 2016, mùa mưa năm 2017 và tháng 3 năm 2019.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu trước đây
Tác giả đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến đặc tính nước thải đô thị, ô nhiễm CHC và công nghệ xử lý:
- Nghiên cứu về chất lượng nước mặt và trầm tích sông nội đô:
- Chu Anh Đào, Phạm Mạnh Cổn, Nguyễn Mạnh Khải (2010) và Phạm Mạnh Cổn và cs. (2013) nghiên cứu chất lượng nước mặt nội thành Hà Nội, xác định mức độ tích tụ chất dinh dưỡng và CHC với Tổng N từ 2,7 đến 15,6 mg/L, Tổng P từ 0,13 đến 0,71 mg/L, COD từ 7 đến 60 mg/L, đồng thời chỉ rõ sự khác biệt có ý nghĩa thống kê giữa giai đoạn trong lũ và sau lũ.
- Nguyễn Thị Như Quyên (2012) xây dựng mô hình thống kê mô tả sự phụ thuộc và phân bố các thông số chất lượng nước theo chiều dài sông Tô Lịch (đoạn Hoàng Quốc Việt đến Ngã Tư Sở).
- Nguyễn Hữu Huấn (2014) nghiên cứu trầm tích sông Tô Lịch, phân loại bùn đáy thuộc trầm tích loại A của HTTN chung, tính toán tổng tải lượng ô nhiễm đưa vào sông Tô Lịch đạt 96,3 tấn $\text{O}_2/\text{ngày}$ (theo COD), 45,7 tấn $\text{O}_2/\text{ngày}$ (theo $\text{BOD}_5$) và 11,5 tấn N/ngày; đồng thời chỉ ra quan hệ tuyến tính giữa sự hình thành sunfua trong bùn với chiều dày lớp bùn đến ngưỡng 400 µm ($0,4\text{ mm}$).
- Nghiên cứu về công nghệ xử lý nước thải sinh học và lý hóa:
- Trần Thị Việt Nga và cs. (2012) thử nghiệm mô hình sinh học kết hợp màng vi lọc (MBR) xử lý nước thải đô thị công suất 5–10 L/h, đạt hiệu suất loại bỏ CHC trên 90% sau 150 ngày vận hành ổn định.
- Đặng Hạ và Đào Vĩnh Lộc (2014) ứng dụng công nghệ giá thể bơi (SWIM-BED) ở quy mô phòng thí nghiệm, thời gian lưu 6,5–10 giờ, DO từ 2–3 mg/L, cho hiệu suất xử lý COD đạt 80,1%, 75,7% và 74,1% tương ứng với các tải trọng 0,5; 1,0 và 1,5 $\text{kg COD}/\text{m}^3$.
- Phạm Khánh Huy và cs. (2012) sử dụng hồ thủy sinh nuôi bèo lục bình xử lý NTSH, hiệu suất khử COD và $\text{BOD}_5$ đạt khoảng 70%.
- Trương Thanh Cảnh và cs. (2006) nghiên cứu công nghệ lọc dòng ngược qua tầng bùn USBF, đạt hiệu quả xử lý COD 85% và $\text{BOD}_5$ 90%.
- Carlos M. (2016) tại Brazil thiết lập mô hình kết hợp kỵ khí - hiếu khí xử lý đồng thời CHC và nitơ với tỷ lệ $\text{COD}/\text{NO}_3^--\text{N} = 10$ và thời gian lưu 15 giờ.
- Chen T. và cs. (2016) ứng dụng công nghệ lọc sinh học sục khí một phần dòng chảy ngược (U-PABF) xử lý hiệu quả nitơ và COD trong NTSH.
- Steven D. (2016) tại Úc tổng hợp so sánh các kỹ thuật loại bỏ CHC vi lượng, đánh giá hệ thống mương oxy hóa và màng lọc.
- Johannes A. và cs. (2015) khảo sát tương tác keo tụ và hấp phụ vi CHC cùng axit humic trên than hoạt tính dạng bột (PAC).
Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết
Mặc dù các nghiên cứu trước đã phân tích hiện trạng nước mặt và thử nghiệm các công nghệ đơn lẻ, phần lớn các công trình chỉ tiếp cận xử lý nước thải tại các trạm xử lý cuối nguồn hoặc trong điều kiện phòng thí nghiệm. Thiếu vắng các công trình đánh giá toàn diện và có hệ thống về sự phân tầng CHC (giữa tầng mặt và tầng đáy), sự hiện diện của các nhóm hợp chất hữu cơ đặc thù (axit humic, axit fulvic, gluxit, dư lượng thuốc kháng sinh, hợp chất hydrocacbon thơm đa vòng ngưng tụ PAHs, các hợp chất sunfua) trong mối tương quan với hệ vi sinh vật chỉ thị tại các SNĐ miền Bắc. Đồng thời, luận án tập trung giải quyết bài toán kỹ thuật sục khí cưỡng bức trên dòng chảy tự nhiên kết hợp cải tạo cảnh quan đô thị, đưa ra giải pháp kỹ thuật bổ trợ cho các đô thị chưa thể hoàn thiện ngay hệ thống thu gom nước thải riêng biệt.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Lý thuyết, khái niệm và khung phân tích
- Phân loại hợp chất hữu cơ trong môi trường nước:
- Dựa theo khả năng phân hủy sinh học: CHC dễ phân hủy sinh học (protein, gluxit, lipid chiếm 60–80% trong NTSH, tiêu thụ oxy hòa tan trong quá trình khoáng hóa hiếu khí $\text{CHC} + \text{O}_2 \rightarrow \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O}$ hoặc phân hủy kỵ khí $\text{CHC} \rightarrow \text{CH}_4 + \text{axit hữu cơ}$) và CHC bền vững khó phân hủy (PAHs, PCBs, PCPs, phenol, dioxin, hóa chất bảo vệ thực vật, dư lượng kháng sinh).
- Dựa theo thành phần cấu trúc hóa học: Hợp chất cacbon hữu cơ (OCC: gluxit, lipid, humic, fulvic), hợp chất hữu cơ chứa nitơ (ONC: protein, axit amin), hợp chất hữu cơ khác (OOC), chất hoạt động bề mặt.
- Các thông số đánh giá tổng lượng: $\text{BOD}_5$ (CHC dễ phân hủy), COD (tổng CHC dễ và khó phân hủy), TOC (tổng lượng cacbon hữu cơ).
- Lý thuyết về 4 phân vùng ô nhiễm và khả năng tự làm sạch của dòng sông:
- Vùng phân rã: Nằm ngay sau điểm xả thải, nồng độ oxy hòa tan (DO) giảm nhanh do vi khuẩn hiếu khí tiêu thụ để oxy hóa CHC.
- Vùng phân hủy mạnh: Nồng độ DO hạ xuống mức thấp nhất, xảy ra quá trình phân hủy kỵ khí ở bùn đáy, giải phóng $H_2S$, $NH_3$, tạo mùi hôi.
- Vùng tái sinh: Tốc độ tái hòa tan oxy từ không khí lớn hơn tốc độ tiêu thụ oxy, nồng độ DO tăng dần, amoni được nitrat hóa, tảo phát triển.
- Vùng nước sạch: Nồng độ DO phục hồi về trạng thái bão hòa ban đầu, CHC bị khoáng hóa gần như hoàn toàn.
- Cơ chế tích tụ và tái khuếch tán từ trầm tích: Quá trình phân hủy kỵ khí lớp bùn đáy hình thành sunfua ($\text{HS}^-$, $\text{S}^{2-}$, $\text{H}_2\text{S}$), giải phóng chất dinh dưỡng photpho hoạt tính hòa tan (orthophotphat) và kim loại nặng trở lại cột nước khi điều kiện môi trường thay đổi.
Phương pháp nghiên cứu thực tế
Luận án kết hợp đồng bộ các phương pháp nghiên cứu định tính và định lượng:
- Phương pháp thu thập tài liệu và thống kê: Kế thừa chuỗi số liệu khí tượng thủy văn, hiện trạng mạng lưới thoát nước và các quy hoạch phát triển đô thị từ năm 2005 đến năm 2019 của 04 thành phố nghiên cứu.
- Phương pháp điều tra thực địa: Khảo sát các điểm xả thải, cửa xả cống bao, giếng tách dòng (CSO), trạm bơm tiêu thoát nước và các công trình điều tiết dòng chảy (như đập Thanh Liệt trên sông Tô Lịch).
- Phương pháp lấy mẫu và phân tích phòng thí nghiệm:
- Quy mô mẫu: Thu thập 158 mẫu nước mặt (phân bổ qua 2 mùa: mùa khô 2016 và mùa mưa 2017) và 21 mẫu trầm tích tại 4 thành phố.
- Chỉ tiêu phân tích nước: DO, TSS, TOC, $\text{BOD}_5$, COD, $\text{NO}_3^--\text{N}$, $\text{NO}_2^--\text{N}$, $\text{NH}_4^+-\text{N}$, Tổng N, Tổng P, $\text{PO}_4^{3-}-\text{P}$, Sunfua ($H_2S$ quy đổi), Clorua, kim loại nặng, chất hoạt động bề mặt, hợp chất PAHs, dư lượng kháng sinh, gluxit, axit humic, axit fulvic.
- Chỉ tiêu phân tích vi sinh vật và thủy sinh: Tảo lam (Cyanobacteria / Cyanophyta), vi khuẩn kỵ khí (tùy nghi, không bắt buộc, bắt buộc), vi khuẩn Gram âm/dương, Coliform, E. coli.
- Chỉ tiêu phân tích trầm tích: Tổng N, Tổng P, PAHs, tỷ lệ chất hữu cơ và thành phần khoáng ($\text{SiO}_2$, $\text{Al}_2\text{O}_3$, $\text{Fe}_2\text{O}_3$).
- Phương pháp thực nghiệm:
- Thí nghiệm quá trình oxy hóa hóa học xúc tác: Đánh giá hiệu suất phân hủy COD theo thời gian, độ pH, nồng độ axit oxalic, nồng độ tác nhân oxy hóa $H_2O_2$ và nồng độ xúc tác $\text{Fe}^{3+}$.
- Thí nghiệm mô hình sục khí cưỡng bức đa mô đun (gồm 3 mô đun sục khí) lấy mẫu nước trực tiếp từ sông Tô Lịch: Đánh giá động thái biến đổi DO và COD tại tầng mặt và tầng đáy theo thời gian sục khí.
| Nhóm thông số quan trắc |
Chỉ tiêu chi tiết |
Quy chuẩn / Cơ sở đối chiếu |
| Thông số hóa lý cơ bản |
DO, pH, TSS, Clorua, ORP, Thế oxy hóa khử (Eh) |
QCVN 08:2023/BTNMT (Bảng 2) |
| Hợp chất hữu cơ và dinh dưỡng |
$\text{BOD}_5$, COD, TOC, $\text{NH}_4^+-\text{N}$, $\text{NO}_2^--\text{N}$, $\text{NO}_3^--\text{N}$, Tổng N, Tổng P, $\text{PO}_4^{3-}-\text{P}$ |
QCVN 08:2023/BTNMT (Mức A, B, C, D) |
| Hợp phần hữu cơ đặc thù |
Gluxit, Axit Humic, Axit Fulvic, Chất hoạt động bề mặt, Hợp chất Sunfua ($\text{H}_2\text{S}$, $\text{HS}^-$, $\text{S}^{2-}$) |
Phân tích chuyên sâu phòng thí nghiệm |
| Hợp chất hữu cơ vi lượng vết |
Hợp chất PAHs, Dư lượng thuốc kháng sinh, Hợp chất Phenol |
QCVN 08:2023/BTNMT (Bảng 1) |
| Vi sinh vật và thủy sinh |
Cyanobacteria (Tảo lam), Vi sinh vật kỵ khí, Coliform, E. coli |
Chỉ thị sinh học và vệ sinh môi trường |
| Thành phần trầm tích |
Tổng N, Tổng P, PAHs, Tỷ lệ CHC khô (10–65%), Kim loại nặng |
QCVN 43:2012/BTNMT |
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan nghiên cứu
Chương này tổng kết vị trí, vai trò của hệ thống SNĐ trên thế giới và tại Việt Nam. Tác giả phân tích các chức năng cốt lõi của SNĐ gồm 4 nhóm: cung cấp nước, điều hòa dòng chảy/thoát nước, văn hóa - xã hội và hỗ trợ sinh thái. Luận án phân tích chi tiết sự suy giảm nghiêm trọng các chức năng tự nhiên của SNĐ tại các đô thị miền Bắc:
- Chức năng điều hòa và tiêu thoát: Quá trình bê tông hóa làm tăng hệ số dòng chảy mặt, gây ngập úng đô thị cục bộ.
- Chức năng sinh thái và tiếp nhận nước thải: Nước sông thực chất biến thành NTSH chưa qua xử lý, vượt ngưỡng tự làm sạch của dòng nước.
- Hiện trạng phát sinh nước thải tại Hà Nội: Lượng nước thải xả trực tiếp vào các lưu vực sông Kim Ngưu ($\approx 254.000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$, gồm NTSH $93.000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$, NTSX $157.000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$, NTBV $4.000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$), sông Sét ($\approx 101.000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$, gồm NTSH $37.000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$, NTSX $62.000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$, NTBV $2.000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$), sông Lừ ($\approx 24.000\text{ m}^3/\text{ngày đêm}$).
- Tổng quan các nhóm chất ô nhiễm: Điểm luận chi tiết về các nhóm chất độc hại (PAHs, PCBs, PCPs, dioxin, hóa chất bảo vệ thực vật hữu cơ clo/photpho, phenol, humic/fulvic và kháng sinh), cơ chế phát sinh mùi sunfua từ lớp bùn trầm tích và tổng hợp các công nghệ xử lý sinh - hóa - lý (Aerotank, UASB, AAO, MBR, DAF, Fenton, quá trình tự làm sạch tự nhiên).
Chương 2: Nội dung và phương pháp nghiên cứu
Chương 2 trình bày toàn bộ khung thiết kế nghiên cứu từ điều tra hiện trạng, khảo sát mạng lưới thoát nước đến thực nghiệm công nghệ:
- Sơ đồ nghiên cứu tổng quát kết nối logic giữa đánh giá đặc điểm HTTN của 04 thành phố (Hà Nội, Hải Dương, Phủ Lý, Bắc Ninh) với việc phân tích chất lượng nước và trầm tích.
- Chi tiết phương pháp đo đạc, lấy mẫu 158 mẫu nước và 21 mẫu trầm tích qua mùa mưa và mùa khô; kỹ thuật phân tích các hợp chất hữu cơ OCC, ONC, OOC, axit fulvic, humic, gluxit, kháng sinh và PAHs.
- Quy trình phân tích đa dạng khu hệ vi sinh vật chỉ thị: Tảo lam (Cyanobacteria) phát triển khi thủy vực tù đọng, dư thừa dinh dưỡng; vi khuẩn kỵ khí sinh khí $H_2S$; vi khuẩn chỉ thị vệ sinh Coliform và E. coli.
- Tiêu chí đánh giá, đối chiếu dữ liệu quan trắc với Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt QCVN 08:2023/BTNMT theo cách tiếp cận phân vùng chất lượng (Mức A: Nước tốt; Mức B: Nước trung bình; Mức C: Nước xấu; Mức D: Nước rất xấu).
- Thiết kế hệ thống thí nghiệm oxy hóa hóa học xúc tác (khảo sát ảnh hưởng của pH, $H_2O_2$, $\text{Fe}^{3+}$, axit oxalic) và mô hình pilot sục khí 3 mô đun (đo biến thiên DO và COD theo tầng sâu và thời gian).
Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Chương 3 là phần trọng tâm với các kết quả thực nghiệm và phân tích dữ liệu:
- Đặc điểm HTTN và hiện trạng chất lượng nước 04 thành phố:
- Hà Nội: HTTN cống chung có cống bao và giếng tách CSO; sông Tô Lịch, Kim Ngưu, Lừ, Sét tiếp nhận phần lớn nước thải trung tâm; đập Thanh Liệt vận hành xả tối đa $30\text{ m}^3/\text{s}$ sang sông Nhuệ khi mực nước sông Nhuệ $< 3,5\text{ m}$, nhưng đóng đập vào mùa khô làm suy giảm lưu tốc dòng chảy. Nước 4 con sông nội đô có DO luôn ở mức rất thấp (tiến về 0 mg/L), các chỉ tiêu COD, $\text{BOD}_5$, TSS, $\text{NH}_4^+-\text{N}$, Sunfua ($H_2S$), Coliform, E. coli vượt nhiều lần mức quy chuẩn cho phép.
- Hải Dương: Sông Sặt, kênh Hào Thành, kênh T2 tiếp nhận NTSH và NTCN; trạm XLNT không hoạt động; bèo tây phát triển dày đặc cản trở dòng chảy; nước sông bị ô nhiễm hữu cơ nghiêm trọng.
- Bắc Ninh và Phủ Lý: Khu vực trung tâm nội đô không có hệ thống SNĐ hở mà sử dụng cống ngầm dẫn về trạm XLNT; ô nhiễm tập trung tại các kênh mương ven đô tiếp nhận nước thải sản xuất làng nghề (sông Ngũ Huyện Khê, kênh Tào Khê tại Bắc Ninh) hoặc nước thải nông nghiệp và thoát nước đô thị (kênh A 4-8, kênh Chính Tây, sông Châu Giang tại Phủ Lý).
- Đặc điểm ô nhiễm CHC trong nước SNĐ:
- Sự phân bố CHC có sự chênh lệch rõ rệt giữa tầng mặt và tầng đáy: giá trị TOC tầng đáy luôn cao hơn tầng mặt do sự lắng đọng và tích tụ bùn hữu cơ.
- Nhận diện các nhóm hợp chất đặc thù: tỷ lệ lớn hợp chất cacbon hữu cơ (OCC: gluxit, humic, fulvic), hợp chất chứa nitơ (ONC), dư lượng thuốc kháng sinh và PAHs xuất hiện trong nước mặt và trầm tích đáy; nồng độ sunfua liên quan mật thiết với sự suy giảm DO và thế oxy hóa khử ở tầng đáy.
- Kết quả thực nghiệm công nghệ và đề xuất giải pháp:
- Thí nghiệm oxy hóa hóa học xúc tác xác lập được các thông số tối ưu về nồng độ $H_2O_2$, $\text{Fe}^{3+}$, axit oxalic và khoảng pH giúp nâng cao hiệu suất phân hủy COD trong nước sông.
- Thí nghiệm sục khí cưỡng bức đa mô đun trên nước sông Tô Lịch cho thấy: thời gian sục khí giúp tăng nhanh nồng độ DO ở cả tầng mặt và tầng đáy qua từng mô đun (mô đun 1, 2, 3), thúc đẩy quá trình khoáng hóa hiếu khí làm suy giảm rõ rệt hàm lượng COD theo thời gian.
- Đề xuất giải pháp kỹ thuật: Hệ thống xử lý nước trên dòng sông dạng ống chữ U (U-Tube) kết hợp công trình tiện ích công cộng ven bờ, tạo thành cụm công trình sục khí cưỡng bức vừa tăng cường tự làm sạch vừa cải tạo cảnh quan đô thị.
| Thành phố |
Cấu trúc hệ thống thoát nước |
Thủy vực tiếp nhận chính |
Tình trạng ô nhiễm chất hữu cơ |
| Hà Nội |
Cống chung (thoát nước mưa + nước thải), có cống bao, giếng tách CSO |
Sông Tô Lịch, Kim Ngưu, Lừ, Sét, sông Nhuệ |
Rất nặng: DO xấp xỉ 0 mg/L; COD, $\text{BOD}_5$, $\text{NH}_4^+$, Sunfua, Coliform vượt chuẩn nhiều lần |
| Hải Dương |
Cống chung, trạm XLNT không hoạt động |
Sông Sặt, Hào Thành, kênh T2, hệ thống Bắc Hưng Hải |
Nặng: Bèo tây phủ kín, tích tụ bùn đáy hữu cơ, bốc mùi hôi thối |
| Bắc Ninh |
Cống ngầm thu gom nội đô về trạm XLNT tập trung |
Kênh Tào Khê, sông Ngũ Huyện Khê, Kênh T1 |
Ven đô ô nhiễm nặng do nước thải làng nghề giấy Phong Khê và nông nghiệp |
| Phủ Lý |
Cống ngầm nội đô kết hợp các trạm bơm tiêu |
Kênh A 4-8, kênh Chính Tây, sông Châu Giang, sông Đáy |
Ven đô ô nhiễm trung bình đến xấu do tiếp nhận nước thải hỗn hợp |
Kết quả và những đóng góp mới
Các đóng góp mới về lý luận và thực tiễn
- Về mặt khoa học và lý luận:
- Xác định và làm rõ đặc tính ô nhiễm CHC đa thành phần trong nước SNĐ miền Bắc, bao gồm các nhóm OCC (gluxit, axit humic, axit fulvic), ONC, chất hoạt động bề mặt, PAHs, dư lượng kháng sinh và hợp chất sunfua.
- Làm sáng tỏ quy luật phân bố ô nhiễm CHC theo tầng nước (mặt và đáy) và mối tương tác động học giữa lớp trầm tích đáy với cột nước trong điều kiện thiếu oxy.
- Cung cấp cơ sở khoa học về động học oxy hóa sinh hóa và phản ứng oxy hóa xúc tác trong điều kiện dòng chảy SNĐ.
- Về mặt thực tiễn:
- Cung cấp bộ cơ sở dữ liệu quan trắc chi tiết gồm 158 mẫu nước và 21 mẫu trầm tích phản ánh trung thực hiện trạng môi trường nước tại 04 thành phố lớn miền Bắc.
- Đề xuất mô hình kỹ thuật sục khí cưỡng bức dạng ống chữ U (U-Tube) lắp đặt trực tiếp trên lòng sông, kết hợp hài hòa với các công trình tiện ích ven bờ nhằm phục hồi nồng độ DO và giảm tải lượng COD.
Kiến nghị và giải pháp đề xuất
- Nhóm giải pháp quản lý: Hoàn thiện cơ chế chính sách BVMT lưu vực sông; kiểm soát nghiêm ngặt nguồn thải tại nguồn (NTSH, NTCN, NTBV); từng bước chuyển đổi hệ thống cống chung sang hệ thống cống nửa riêng hoặc cống riêng; di dời các cơ sở sản xuất gây ô nhiễm ra khỏi nội đô; vận hành điều tiết các công trình thủy lợi (như đập Thanh Liệt) hợp lý để duy trì dòng chảy sinh thái.
- Nhóm giải pháp kỹ thuật: Kết hợp giải pháp tập trung và phân tán; nạo vét định kỳ bùn đáy trầm tích để giảm nguồn phát sinh $H_2S$ thứ cấp; triển khai công nghệ sục khí cưỡng bức U-Tube trên các đoạn sông ô nhiễm nặng; áp dụng công nghệ oxy hóa xúc tác hoặc hồ sinh học xử lý bổ trợ.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
- Hạn chế của nghiên cứu: Do giới hạn về nguồn lực và phạm vi nghiên cứu, số liệu quan trắc thực địa tập trung trong giai đoạn 2016–2019 tại 04 đô thị đại diện ở miền Bắc; các thí nghiệm mô hình sục khí và oxy hóa hóa học chủ yếu thực hiện ở quy mô pilot và phòng thí nghiệm với nguồn nước đại diện lấy từ sông Tô Lịch.
- Hướng nghiên cứu tiếp theo:
- Mở rộng phạm vi thử nghiệm mô hình công trình U-Tube trên quy mô thực địa dài hạn tại toàn bộ tuyến sông Tô Lịch và các sông nội đô khác để hiệu chỉnh thông số vận hành theo biến động mùa.
- Nghiên cứu sâu hơn về cơ chế chuyển hóa vi sinh vật đối với các hợp chất hữu cơ vi lượng mới nổi (dư lượng dược phẩm, kháng sinh chuyên biệt) trong điều kiện sục khí cưỡng bức liên tục.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao đối với:
- Cơ quan quản lý nhà nước và hoạch định chính sách: Cục Kiểm soát ô nhiễm môi trường (Bộ Tài nguyên và Môi trường), Sở Tài nguyên và Môi trường, Sở Xây dựng các tỉnh, thành phố (Hà Nội, Hải Dương, Bắc Ninh, Hà Nam) trong việc xây dựng đề án bảo vệ môi trường lưu vực sông và quy hoạch hệ thống thoát nước đô thị.
- Đơn vị vận hành thoát nước và xử lý nước thải: Các Công ty Thoát nước đô thị có thể tham khảo mô hình công nghệ sục khí trực tiếp U-Tube và quy trình nạo vét trầm tích kiểm soát $H_2S$.
- Cơ sở đào tạo và nghiên cứu khoa học: Giảng viên, nghiên cứu sinh, học viên cao học ngành Khoa học Môi trường, Kỹ thuật Môi trường, Quản lý Môi trường sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các học phần về kiểm soát ô nhiễm nước, động học tự làm sạch của sông và phương pháp phân tích hợp chất hữu cơ đặc thù.
Câu hỏi thường gặp
1. Tỷ lệ thu gom và xử lý nước thải sinh hoạt tập trung của thành phố Hà Nội giai đoạn 2008–2020 đạt mức bao nhiêu?
Theo số liệu trong luận án, tổng lượng NTSH phát sinh khu vực đô thị Hà Nội ước khoảng 960.000 $\text{m}^3/\text{ngày đêm}$. Lượng NTSH được thu gom và xử lý tập trung tại 08 nhà máy XLNT đạt khoảng 296.700 $\text{m}^3/\text{ngày đêm}$, tương đương tỷ lệ 30,9%. Trên 60% lượng nước thải sinh hoạt còn lại chưa được thu gom xử lý đạt quy chuẩn trước khi xả ra môi trường.
2. Lưu lượng nước thải xả vào ba con sông nội đô chính của Hà Nội (Kim Ngưu, Sét, Lừ) năm 2018 được ghi nhận như thế nào?
Năm 2018, tổng lưu lượng nước thải xả vào sông Kim Ngưu ước tính xấp xỉ 254.000 $\text{m}^3/\text{ngày đêm}$ (NTSH: 93.000, NTSX: 157.000, NTBV: 4.000); sông Sét tiếp nhận khoảng 101.000 $\text{m}^3/\text{ngày đêm}$ (NTSH: 37.000, NTSX: 62.000, NTBV: 2.000); và thượng lưu sông Lừ tiếp nhận khoảng 24.000 $\text{m}^3/\text{ngày đêm}$ (NTSH: 9.000, NTSX: 14.500, NTBV: 500).
3. Bùn đáy trầm tích đóng vai trò như thế nào đối với tình trạng ô nhiễm của sông nội đô theo phát hiện của luận án?
Trầm tích đáy chứa hàm lượng hữu cơ dao động từ 10 đến 65% trọng lượng khô, là nơi tích tụ các hợp chất N, P, kim loại nặng, PAHs và vi sinh vật kỵ khí. Lớp bùn là môi trường thuận lợi hình thành sunfua sinh khí $H_2S$ (với mối quan hệ tuyến tính với chiều dày lớp bùn đến 400 µm). Khi gặp điều kiện xáo trộn hoặc thay đổi hóa lý, các chất ô nhiễm từ bùn đáy tái phân bố vào cột nước, gây ô nhiễm thứ cấp và tiêu hao oxy hòa tan.
4. Vì sao nhóm chỉ thị Tảo lam (Cyanobacteria) và vi sinh vật kỵ khí được lựa chọn phân tích trong luận án?
Tảo lam phát triển mạnh trong điều kiện nguồn nước tù đọng, chảy chậm và dư thừa chất hữu cơ/dinh dưỡng dễ phân hủy, có khả năng tiết độc tố và quang hợp trong môi trường yếm khí. Vi sinh vật kỵ khí (gồm tùy nghi, không bắt buộc và bắt buộc) là tác nhân trực tiếp phân hủy CHC trong điều kiện thiếu oxy, khử sunfat tạo ra khí độc $H_2S$, phản ánh trực tiếp mức độ suy thoái môi trường nước sông.
5. Luận án đề xuất giải pháp kỹ thuật gì để xử lý trực tiếp ô nhiễm chất hữu cơ trên lòng sông nội đô?
Luận án đề xuất mô hình công trình sục khí cưỡng bức U-Tube kết hợp không gian công cộng ven bờ. Giải pháp này bơm sục khí oxy trực tiếp vào dòng nước nhằm tăng nhanh nồng độ DO ở cả tầng mặt và tầng đáy, thúc đẩy quá trình tự làm sạch sinh hóa tự nhiên, giảm nồng độ COD và khử mùi hôi do khí sunfua phát sinh.
Kết luận
Luận án tiến sĩ của tác giả Lương Duy Hanh đã hoàn thành việc đánh giá thực trạng hệ thống thoát nước và đặc điểm ô nhiễm chất hữu cơ đa hợp phần trong nước sông nội đô tại 04 thành phố lớn miền Bắc. Thông qua chuỗi dữ liệu thực nghiệm 158 mẫu nước và 21 mẫu trầm tích, công trình làm rõ sự phân tầng chất hữu cơ, vai trò tái ô nhiễm của bùn đáy và tác động suy giảm chức năng sinh thái thủy vực. Trên cơ sở đó, luận án xác lập căn cứ khoa học cho hệ giải pháp quản lý đồng bộ và kỹ thuật sục khí cưỡng bức U-Tube trên sông, góp phần giải quyết bài toán cải thiện chất lượng môi trường nước mặt đô thị.
