Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Môi trường Đất và Nước (mã số: 62-85-02-05) của tác giả Nguyễn Phương Quý, được thực hiện tại Trường Đại học Thủy Lợi năm 2016 dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Vũ Đức Toàn và TS. Nguyễn Phương Mậu, tập trung giải quyết bài toán kiểm soát ô nhiễm và xử lý nước thải đô thị đặc thù tại lưu vực sông Cầu Bây, Hà Nội.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Quá trình đô thị hóa tại Việt Nam diễn ra nhanh chóng nhưng hạ tầng xử lý nước thải chưa phát triển tương xứng; đến thời điểm nghiên cứu mới chỉ có khoảng 10% lượng nước thải đô thị được thu gom, xử lý qua khoảng 30 nhà máy xử lý nước thải (XLNT) đang vận hành. Sông Cầu Bây là dòng sông hở dài khoảng 13 km, bắt nguồn từ các phường Gia Thụy, Bồ Đề, Giang Biên, Việt Hưng (quận Long Biên) và chảy qua huyện Gia Lâm trước khi đổ vào hệ thống thủy nông Bắc Hưng Hải tại cống xả Xuân Thụy (xã Kiêu Kỵ, huyện Gia Lâm). Hệ thống Bắc Hưng Hải giữ vai trò tưới tiêu và thoát úng cho diện tích tự nhiên hơn 200.000 ha (trong đó đất nông nghiệp chiếm 110.000 ha) với dân số gần 3 triệu người thuộc các tỉnh/thành Hà Nội, Bắc Ninh, Hưng Yên và Hải Dương.

Thực trạng sông Cầu Bây đã trở thành cống thoát nước chung cho nước mưa, nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp chưa qua xử lý đầy đủ, gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng và ảnh hưởng trực tiếp đến nguồn nước phục vụ canh tác nông nghiệp. Hầu hết các nhà máy XLNT tại Việt Nam được thiết kế dựa trên các giả định lý thuyết nước ngoài mà thiếu số liệu đo đạc thực tế về đặc tính nước thải đô thị thu gom chung. Nước thải đô thị Việt Nam mang đặc thù nồng độ chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học ($BOD_5$) thấp trong khi tổng nitơ ($TN$) cao, dẫn đến tỷ lệ $BOD_5:TN$ rất thấp. Điều này khiến các công nghệ truyền thống không đủ nguồn carbon hữu cơ để thực hiện quá trình khử nitrat đạt Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia (QCVN) cột A, buộc phải bổ sung nguồn carbon ngoại sinh (như mật rỉ đường, methanol) làm tăng chi phí vận hành vượt quá khả năng chi trả của ngân sách địa phương. Ngoài ra, sự tồn lưu của các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy (POPs), đặc biệt là Polychlorinated Biphenyls (PCBs) trong môi trường nước và trầm tích sông Cầu Bây cũng như khả năng loại bỏ chúng trong quá trình xử lý nước thải chưa từng được nghiên cứu hệ thống.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án được xác định gồm 3 nội dung chính:

  1. Đánh giá mức độ ô nhiễm của một số chất ô nhiễm chủ yếu trong môi trường nước và trầm tích sông Cầu Bây.
  2. Đánh giá và xác định đặc tính ô nhiễm chủ yếu của nước thải lưu vực sông Cầu Bây làm cơ sở khoa học cho việc lựa chọn công nghệ xử lý thích hợp.
  3. Đề xuất và kiểm chứng giải pháp công nghệ xử lý nước thải phù hợp với tính chất đặc thù của nước thải lưu vực sông Cầu Bây.

Giả thuyết khoa học của luận án: Có thể xử lý triệt để nitơ đạt QCVN cột A đối với loại nước thải có $BOD_5$ thấp và tỷ số $BOD_5:TN$ thấp mà không cần bổ sung nguồn carbon từ bên ngoài bằng cách cải tiến công nghệ bùn hoạt tính dạng mẻ (SBR), duy trì nồng độ bùn hoạt tính (MLSS) ở mức tối ưu cao để khai thác nguồn carbon nội bào giải phóng từ quá trình phân rã và hô hấp nội sinh của chính sinh khối vi sinh vật.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Các chất ô nhiễm trong nước và trầm tích sông Cầu Bây; các chất ô nhiễm trong nước thải lưu vực sông Cầu Bây; các giải pháp công nghệ xử lý nước thải đô thị dạng sinh học bùn hoạt tính.
  • Phạm vi không gian: Toàn bộ lưu vực sông Cầu Bây thuộc quận Long Biên và huyện Gia Lâm (Hà Nội) tính đến vị trí xả vào hệ thống thủy nông Bắc Hưng Hải (tổng diện tích lưu vực 6.405 ha).
  • Phạm vi thông số ô nhiễm: Các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy ($COD, BOD_5$); chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy điển hình ($PCB$); chất rắn lơ lửng ($SS$); các hợp chất dinh dưỡng nitơ và photpho ($NH_4^+-N, TN, TP$).
  • Phạm vi công nghệ: Tập trung nghiên cứu phát triển công nghệ bùn hoạt tính phản ứng theo mẻ cải tiến cho nguồn carbon thấp (ký hiệu: L-SBR - Low carbon source Sequencing Batch Reactor) trên cơ sở đối chứng với công nghệ SBR/C-Tech và các dữ liệu vận hành thực tế tại Nhà máy XLNT Yên Sở (công suất $200.000\text{ m}^3/\text{ngày}$).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

  1. Lịch sử phát triển hệ thống thoát nước và thu gom nước thải:

    • Các công trình nghiên cứu của Mays (2001), Haestad Methods và Walski (2007), Melosi (2000) về lịch sử phát triển mạng lưới thoát nước đô thị từ thời cổ đại đến hiện đại ở châu Âu và Bắc Mỹ, khẳng định hệ thống cống chung (Combined Sewer System) kết hợp giếng tách dòng (Combined Sewer Overflow - CSO) và cống bao (Interceptor) là giải pháp thực tế phổ biến trước khi chuyển đổi sang cống riêng hoàn toàn.
    • Các bài học cải tạo sông ô nhiễm tại châu Á: Nghiên cứu của Kim (1995), Seoul Solution (2014) và Ki Young-Ran (2014) về dự án phục hồi sông Cheonggyecheon (Hàn Quốc); nghiên cứu của Joshi, Tortajada và Biswas (2012) về chương trình làm sạch sông Singapore.
    • Tại Việt Nam: Các đồ án Quy hoạch tổng thể Thoát nước Hà Nội do JICA lập (QHTT 1995, HAIDEP 2007), Quy hoạch thoát nước Thủ đô Hà Nội đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050 (QHTNHN 2013 theo Quyết định 725/QĐ-TTg), cùng các báo cáo nghiên cứu khả thi dự án cải thiện môi trường nước tại TP. Hồ Chí Minh (kênh Đôi - Tẻ, Nhiêu Lộc - Thị Nghè, Tân Hóa - Lò Gốm, Tham Lương - Bến Cát) của CDM (1999), Black & Veatch (2001, 2002) và SCE (2013).

  2. Đặc tính nước thải đô thị và cơ chế xử lý sinh học:

    • Nghiên cứu của Henze et al. (1996, 2008), Metcalf & Eddy (2013, 2014), Crites và Tchobanoglous (1998), Degremont (2006), và US-EPA (2010) về các quá trình sinh học oxy hóa carbon, nitrat hóa, khử nitrat và khử photpho sinh học tích lũy (PAO).
    • Nghiên cứu về công nghệ SBR và SBR cải tiến (C-Tech, CAST): Wilderer et al. (2000), Goronszy et al. (1997, 1998), Demoulin et al. (2008, 2014), Vives Fabregas (2004), Villez et al. (2010), Jonsson (2005). Các nghiên cứu này chỉ ra hệ số nhu cầu $BOD_5:TN$ lý thuyết để khử nitơ dao động từ 3,0 đến 5,0 kg $BOD_5$/kg $N$.

  3. Hiện trạng ô nhiễm sông Cầu Bây và chất ô nhiễm POPs/PCB:

    • Các khảo sát chất lượng nước sông Cầu Bây của Sở Tài nguyên và Môi trường Hà Nội (2012), Đại học Nông nghiệp 1 (2012) cho thấy $TSS$ và $NH_4^+-N$ vượt quy chuẩn nhiều lần. Nghiên cứu của Vũ Đức Toàn và Nguyễn Phương Quý (2012) về sự hiện diện của PBDE trong trầm tích sông Cầu Bây.
    • Các công trình nghiên cứu về tồn lưu PCB trong trầm tích và nước thải đô thị: Minh et al. (2004), Hong et al. (2008), Romano et al. (2013), Duong et al. (2010), Katsoyiannis và Samara (2004), Bergqvist et al. (2006).

Khoảng trống nghiên cứu được luận án lựa chọn

Các nghiên cứu trước đây về sông Cầu Bây chỉ dừng lại ở các đợt quan trắc đơn lẻ một số thông số hóa lý thông thường trong nước sông, chưa có nghiên cứu đánh giá toàn diện về lưu lượng, đặc tính nước thải của toàn bộ lưu vực cũng như chưa khảo sát sự tồn lưu và phân bố của các đồng phân PCB trong trầm tích. Về mặt công nghệ xử lý, các tài liệu trong nước chưa phân tích sâu tính đặc thù tỷ lệ $BOD_5:TN$ thấp của nước thải cống chung Việt Nam và chưa có công trình nào nghiên cứu cải tiến chu trình vận hành công nghệ SBR nhằm tận dụng carbon nội sinh từ bùn hoạt tính để khử nitơ đạt QCVN cột A mà không cần bổ sung hóa chất ngoại sinh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Cơ chế chuyển hóa chất hữu cơ và dinh dưỡng: Phân hủy sinh học hiếu khí các hợp chất carbon ($BOD_5, COD$); quá trình nitrat hóa 2 bước bởi vi khuẩn tự dưỡng ($Nitrosomonas$ oxy hóa $NH_4^+$ thành $NO_2^-$, $Nitrobacter$ oxy hóa $NO_2^-$ thành $NO_3^-$); quá trình khử nitrat bởi vi khuẩn dị dưỡng chuyển hóa $NO_3^-$ thành khí $N_2$ trong điều kiện thiếu khí (Anoxic).
  • Cơ chế phân rã nội sinh: Khi nguồn carbon cơ chất trong nước thải bị cạn kiệt, vi sinh vật dị dưỡng sử dụng chính các hợp chất hữu cơ cấu tạo tế bào hoặc sản phẩm phân rã tế bào (Poly-$\beta$-hydroxybutyrate - PHB, axit béo bay hơi VFA) làm chất cho electron để khử nitrat. Tốc độ hô hấp nội sinh được mô hình hóa qua hệ số phân rã nội sinh $b_H$ ($ng\grave{a}y^{-1}$).
  • Cơ chế loại bỏ PCB: Hợp chất PCB có tính kỵ nước cao (hệ số phân bố octanol-nước $\log K_{ow}$ lớn), cơ chế loại bỏ trong hệ thống sinh học gồm hai con đường: hấp phụ vào pha rắn (bùn hoạt tính) và thải bỏ qua bùn dư; phân hủy sinh học hiếu khí/thiếu khí bởi các chủng vi sinh vật thích nghi.

Phương pháp nghiên cứu

  1. Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa và quan trắc môi trường:

    • Thiết lập 9 vị trí cửa xả chính ($M_1 \div M_9$) dọc tuyến sông Cầu Bây đại diện cho các nguồn thải sinh hoạt, công nghiệp (KCN Sài Đồng, Đài Tư), nước rỉ rác (bãi rác Kiêu Kỵ) và nước tiêu nông nghiệp; vị trí $M_{10}$ tại cống xả Xuân Thụy (cuối sông Cầu Bây trước khi xả vào hệ thống Bắc Hưng Hải) và vị trí $M_{11}$ trên dòng chính Bắc Hưng Hải.
    • Quan trắc lưu lượng bằng phương pháp đo vận tốc dòng chảy qua mặt cắt ướt (tiêu chuẩn NEMS).
    • Lấy mẫu nước và mẫu trầm tích tầng mặt (0 - 15 cm) theo tiêu chuẩn TCVN và Standard Methods (APHA, 2012).

  2. Phương pháp phân tích phòng thí nghiệm:

    • Các thông số $COD, BOD_5, SS, NH_4^+-N, TN, TP$ được phân tích bằng các thiết bị đo quang phổ, phương pháp chuẩn độ, phá mẫu theo Standard Methods.
    • Phân tích hợp chất PCB (gồm 6 PCB chỉ thị: PCB 28, 52, 101, 138, 153, 180 và các Dioxin-like PCB: DL-PCBs) bằng phương pháp sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS) theo hướng dẫn của US-EPA 1668B sau khi chiết Soxhlet và làm sạch mẫu qua cột sắc ký silica gel/alumina. Đánh giá độc tính tương đương (TEQ) dựa trên hệ số TEF theo phân loại của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO 2005).

  3. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm mô hình và thu thập dữ liệu nhà máy thực tế:

    • Thu thập chuỗi số liệu vận hành liên tục tại Nhà máy XLNT Yên Sở (công suất $200.000\text{ m}^3/\text{ngày}$, công nghệ SBR/C-Tech) trong điều kiện có bổ sung và không bổ sung đường công nghiệp.
    • Chế tạo và vận hành mô hình thí nghiệm pilot tại hiện trường gồm 2 bể phản ứng song song: bể SBR/C-Tech (đối chứng) và bể L-SBR (cải tiến) với thể tích hiệu dụng mỗi bể khoảng $70\text{ lít}$, vận hành tự động bằng hệ thống rơle thời gian, van điện từ và máy sục khí điều khiển DO.
    • Tiến hành 2 giai đoạn thí nghiệm: (1) Thí nghiệm 1 khảo sát các mức MLSS khác nhau ($2.500 \div 6.000\text{ mg/l}$) để xác định giá trị MLSS tối ưu cho hiệu quả khử nitơ mà không cần bổ sung carbon; (2) Thí nghiệm 2 vận hành L-SBR tại MLSS tối ưu để đánh giá hiệu suất xử lý đồng thời các thông số $BOD_5, COD, SS, NH_4^+-N, TN, TP$ và $PCB$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan các vấn đề nghiên cứu

Chương 1 tổng hợp các điều kiện tự nhiên, kinh tế - xã hội, hiện trạng phát sinh nước thải lưu vực sông Cầu Bây và tổng quan lý thuyết, kinh nghiệm thực tiễn về công nghệ XLNT đô thị.

  • Nguồn thải lưu vực sông Cầu Bây: Tổng diện tích lưu vực 6.405 ha (đất nông nghiệp ~800 ha). Dân số năm 2013 là 393.000 người (lưu lượng nước thải sinh hoạt $35.800\text{ m}^3/\text{ngày}$); dự báo đến năm 2030 là 442.000 người ($125.000\text{ m}^3/\text{ngày}$) và năm 2050 là 513.000 người ($183.000\text{ m}^3/\text{ngày}$). Nước thải công nghiệp phát sinh từ hơn 60 cơ sở (chiếm ưu thế là cơ khí 40%, hóa chất - mỹ phẩm - dược phẩm 18%, dệt may 10%) và 2 KCN tập trung (Sài Đồng, Đài Tư) với tổng lưu lượng khoảng $25.000\text{ m}^3/\text{ngày}$. Nước rỉ rác từ bãi chôn lấp Kiêu Kỵ phát sinh khoảng $200\text{ m}^3/\text{ngày}$ chưa qua hệ thống xử lý hoàn chỉnh.
  • Quy chuẩn áp dụng: Luận án tổng hợp các bộ quy chuẩn kỹ thuật quốc gia để xác định Quy chuẩn cho phép (QCCP) áp dụng cho nước thải sau xử lý của lưu vực Cầu Bây (QCTĐHN 02:2014/BTNMT cột A và QCVN 40:2011/BTNMT cột A với hệ số lưu lượng $k_q = 0,9$ và hệ số nguồn tiếp nhận $k_r = 0,9$).
Thông số ô nhiễm Đơn vị Nước mặt sông Cầu Bây (QCCP) Nước thải sau xử lý (QCCP cột A, $k_q=k_r=0,9$)
$COD$ mg/l 30 60,7
$BOD_5$ mg/l 15 24,3
$SS$ mg/l 100 40,5
$NH_4^+-N$ mg/l 0,5 4,05
$TN$ mg/l Không quy định 16,2
$TP$ mg/l 0,3 3,24
$\Sigma PCB$ mg/l Không quy định 0,00243
  • Tính chất đặc thù nước thải đô thị Việt Nam: Khảo sát các nhà máy XLNT đang vận hành tại Việt Nam (Yên Sở, Hồ Tây, Bình Hưng, Đà Lạt, Buôn Ma Thuột...) cho thấy nồng độ $BOD_5$ đầu vào thực tế chỉ dao động từ 40 đến $120\text{ mg/l}$ (thấp hơn nhiều so với giả định thiết kế $150 \div 250\text{ mg/l}$). Tỷ lệ $BOD_5:TN$ trung bình là 1,71 (dao động $1,62 \div 4,10$), thấp hơn mức điển hình của nước thải sinh hoạt thế giới ($3,33 \div 5,50$) và nước thải cống chung thế giới ($12,94 \div 15,00$).

Chương 2: Cơ sở khoa học và thực tiễn, giả thuyết, phương tiện nghiên cứu

Chương 2 thiết lập cơ sở lý thuyết, phân tích kinh nghiệm vận hành thực tế và xây dựng quy trình công nghệ L-SBR.

  • So sánh các công nghệ xử lý sinh học áp dụng tại Việt Nam: Tác giả phân tích 6 loại hình công nghệ gồm: Bùn hoạt tính truyền thống (CAS), Kỵ khí - Thiếu khí - Hiếu khí ($A^2O$), Mương oxy hóa (OD), Lọc nhỏ giọt (TF), Bể phản ứng theo mẻ (SBR/C-Tech) và Hồ sinh học. Công nghệ SBR/C-Tech thể hiện ưu thế về diện tích chiếm đất nhỏ ($0,25 \div 0,35\text{ m}^2/\text{m}^3$), chi phí đầu tư và điện năng vận hành thấp, khả năng kiểm soát linh hoạt các pha hiếu khí - thiếu khí trong cùng một bể.
Chu trình pha phản ứng công nghệ L-SBR đề xuất:
[Làm đầy - Thiếu khí / Khử Nitơ] -> [Sục khí gián đoạn / Nitrat hóa & Khử Nitơ] -> [Lắng tĩnh] -> [Rút nước trong] -> [Xả bùn dư]
(Tận dụng nguồn Carbon nội sinh từ phân rã sinh khối vi sinh vật ở nồng độ MLSS cao)
  • Thực tiễn tại Nhà máy XLNT Yên Sở: Nhà máy sử dụng công nghệ SBR/C-Tech công suất $200.000\text{ m}^3/\text{ngày}$. Nước thải đầu vào có $BOD_5 \approx 60 \div 85\text{ mg/l}$, $TN \approx 35 \div 45\text{ mg/l}$ ($BOD_5:TN < 2,0$). Khi vận hành ở chế độ thiết kế thông thường ($MLSS \approx 2.500 \div 3.000\text{ mg/l}$), nước sau xử lý chỉ đạt $TN \approx 25 \div 30\text{ mg/l}$ (vượt QCVN cột A). Để đạt $TN \le 20\text{ mg/l}$, nhà máy từng phải bổ sung 0,12 kg đường/$\text{m}^3$ nước thải, làm tăng chi phí vận hành thêm 2.172 đồng/$\text{m}^3$ (tương đương phát sinh gần 200 tỷ đồng/năm).
  • Cải tiến công nghệ L-SBR: Điều chỉnh tỷ lệ pha làm đầy thiếu khí, tăng thời gian tiếp xúc giữa bùn hoạt tính đậm đặc với nước thải vào, kéo dài tuổi thọ bùn ($\theta_x$) và tăng nồng độ $MLSS$ lên mức $4.500 \div 5.500\text{ mg/l}$ nhằm thúc đẩy quá trình hô hấp nội sinh cung cấp carbon hữu cơ cho vi khuẩn khử nitrat.

Chương 3: Kết quả nghiên cứu về nước và trầm tích sông Cầu Bây

Chương 3 trình bày các số liệu đo đạc thực nghiệm về lưu lượng và nồng độ các chất ô nhiễm trong hệ thống sông Cầu Bây.

  • Lưu lượng dòng chảy: Đo đạc tại 9 cửa xả chính và điểm $M_{10}$ cho thấy lưu lượng xả dao động mạnh giữa mùa khô và mùa mưa, trung bình đạt $106.244\text{ m}^3/\text{ngày}$ tại cống Xuân Thụy ($M_{10}$).
  • Chất lượng nước sông Cầu Bây: Nước sông bị ô nhiễm chất hữu cơ và phú dưỡng nghiêm trọng. Giá trị trung bình của 4 đợt phân tích tại các điểm quan trắc: $COD = 45 \div 128\text{ mg/l}$ (vượt QCCP từ 1,5 đến 4,3 lần); $BOD_5 = 25 \div 78\text{ mg/l}$ (vượt QCCP từ 1,7 đến 5,2 lần); $SS = 112 \div 340\text{ mg/l}$; $NH_4^+-N = 8,5 \div 24,6\text{ mg/l}$ (vượt QCCP từ 17 đến 49 lần); $TP = 1,1 \div 3,8\text{ mg/l}$ (vượt QCCP từ 3,7 đến 12,6 lần).
  • Hiện trạng tồn lưu PCB trong trầm tích: Phân tích 11 vị trí lấy mẫu trầm tích ($M_1 \div M_{11}$) xác định tổng nồng độ PCB ($\Sigma PCB$) dao động từ 1,84 đến $18,62\text{ }\mu\text{g/kg}$ trọng lượng khô. Nồng độ cao tập trung tại các điểm tiếp nhận nước thải công nghiệp gần KCN Đài Tư ($M_4$) và KCN Sài Đồng ($M_3, M_5$). Trong đó, nhóm 6 PCB chỉ thị chiếm từ 45% đến 68% tổng hàm lượng PCB. Giá trị đương lượng độc tính sinh học $TEQ$ dao động từ 0,004 đến $0,082\text{ pg-TEQ/g}$. Toàn bộ các mẫu trầm tích đều nằm trong giới hạn tối đa cho phép của QCVN 43:2012/BTNMT đối với trầm tích nước ngọt ($22,7\text{ }\mu\text{g/kg}$).
  • Đặc tính nước thải tại cửa xả $M_{10}$: Nồng độ các thông số trung bình gồm $COD = 168\text{ mg/l}$, $BOD_5 = 84,6\text{ mg/l}$, $SS = 142\text{ mg/l}$, $NH_4^+-N = 36,4\text{ mg/l}$, $TN = 48,3\text{ mg/l}$, $TP = 4,8\text{ mg/l}$, $\Sigma PCB = 0,0045\text{ mg/l}$. Tỷ số $BOD_5:TN = 1,75$, khẳng định tính chất thiếu hụt carbon nghiêm trọng.

Chương 4: Kết quả nghiên cứu về giải pháp công nghệ

Chương 4 phân tích kết quả vận hành mô hình thực nghiệm L-SBR và đánh giá tính khả thi kinh tế - kỹ thuật.

  • Xác định mức MLSS tối ưu: Thí nghiệm 1 với các dải nồng độ bùn $MLSS$ từ 2.500 đến $6.000\text{ mg/l}$ chỉ ra rằng khi tăng $MLSS$ lên $4.800 \div 5.200\text{ mg/l}$, hiệu suất xử lý $TN$ tăng từ 48% lên 72% mà không làm suy giảm khả năng lắng của bùn (chỉ số thể tích bùn $SVI$ duy trì ở mức ổn định $95 \div 115\text{ ml/g}$).
  • Hiệu suất xử lý các thông số ô nhiễm của mô hình L-SBR:
Thông số ô nhiễm Đầu vào ($mg/l$) Đầu ra ($mg/l$) Hiệu suất xử lý ($E%$) QCCP cột A ($mg/l$) Đánh giá
$BOD_5$ 84,6 5,7 93,3% 24,3 Đạt chuẩn
$COD$ 168,0 28,4 83,1% 60,7 Đạt chuẩn
$SS$ 142,0 14,8 89,6% 40,5 Đạt chuẩn
$NH_4^+-N$ 36,4 1,8 95,1% 4,05 Đạt chuẩn
$TN$ 48,3 13,5 72,0% 16,2 Đạt chuẩn
$TP$ 4,8 2,1 56,3% 3,24 Đạt chuẩn
$\Sigma PCB$ 0,0045 0,0024 46,6% 0,00243 Đạt chuẩn
  • Yếu tố hiệu quả xử lý nitơ ($f_{C/N}$): Luận án tính toán hệ số hiệu quả sử dụng carbon $f_{C/N}$ của công nghệ L-SBR đạt $0,66 \div 1,10$ (đối với carbon từ bùn) và $1,32 \div 1,54$ (đối với carbon từ nước thải), cao hơn đáng kể so với công nghệ SBR truyền thống ($0,30 \div 0,60$) và $A^2O$ ($0,40 \div 0,60$).
  • Cơ chế và hiệu suất loại bỏ PCB: Tổng hiệu suất loại bỏ $\Sigma PCB$ đạt 46,6%, trong đó phân hủy sinh học đóng góp 28,6% và hấp phụ vào sinh khối bùn thải bỏ đóng góp 18,0%.
  • Đánh giá kinh tế - kỹ thuật: So với SBR/C-Tech tiêu chuẩn, công nghệ L-SBR yêu cầu thể tích bể tăng 6% (chi phí xây dựng tăng nhẹ 2 - 3%) và nhu cầu cung cấp oxy tăng 7% (chi phí điện năng tăng tối đa 3,5%). Tuy nhiên, do loại bỏ hoàn toàn nhu cầu bổ sung đường ngoại sinh, công nghệ giúp tiết kiệm chi phí vận hành rất lớn: đối với lưu vực sông Cầu Bây (công suất tính toán $106.244\text{ m}^3/\text{ngày}$) tiết kiệm tối thiểu 100 tỷ đồng/năm; đối với Nhà máy XLNT Yên Sở tiết kiệm gần 200 tỷ đồng/năm.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Cung cấp bộ cơ sở dữ liệu quan trắc toàn diện đầu tiên về lưu lượng, tải lượng các thông số ô nhiễm thông thường ($COD, BOD_5, SS, NH_4^+-N, TN, TP$) và mức độ tồn lưu, phân bố các đồng phân hợp chất khó phân hủy $PCB$ trong nước và trầm tích sông Cầu Bây.
  2. Xác lập luận cứ khoa học về tính chất đặc thù của nước thải đô thị thu gom chung tại Việt Nam: nồng độ chất hữu cơ thấp ($BOD_5 < 100\text{ mg/l}$) nhưng nitơ cao ($TN > 40\text{ mg/l}$), tỷ lệ $BOD_5:TN$ thấp ($1,62 \div 4,10$, trung bình 1,71).
  3. Chứng minh cơ sở khoa học của việc khai thác nguồn carbon nội bào từ quá trình phân rã nội sinh của sinh khối vi sinh vật ở nồng độ $MLSS$ cao ($4.800 \div 5.200\text{ mg/l}$) trong bể phản ứng bùn hoạt tính dạng mẻ để khử nitrat triệt để, nâng cao hệ số hiệu quả $f_{C/N}$ lên mức $0,66 \div 1,10$.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp đề xuất

  1. Phát triển và chuẩn hóa quy trình công nghệ L-SBR (Low carbon source Sequencing Batch Reactor) chuyên biệt cho nước thải đô thị có nồng độ hữu cơ và tỷ lệ $BOD_5:TN$ thấp, cho phép nước sau xử lý đạt QCCP cột A mà không phải tiêu tốn hóa chất/carbon bổ sung.
  2. Xác định cơ chế loại bỏ và định lượng tỷ lệ phân hủy sinh học (28,6%) cùng tỷ lệ hấp phụ tách pha qua bùn dư (18,0%) của hợp chất $PCB$ trong hệ thống bùn hoạt tính.
  3. Đề xuất giải pháp quy hoạch, xây dựng tuyến cống bao và giếng tách dòng CSO dọc hai bờ sông Cầu Bây để thu gom toàn bộ nước thải đưa về trạm xử lý tập trung áp dụng công nghệ L-SBR trước khi xả trả lại nguồn nước phục vụ hệ thống thủy nông Bắc Hưng Hải.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Các đợt đo đạc lưu lượng và phân tích chất lượng nước, trầm tích chủ yếu phản ánh điều kiện thủy văn trong thời gian nghiên cứu, chưa bao quát đầy đủ sự biến động theo chu kỳ nhiều năm.
  • Nghiên cứu thực nghiệm công nghệ L-SBR mới được triển khai ở quy mô mô hình pilot hiện trường đối chứng với số liệu Nhà máy XLNT Yên Sở, chưa có điều kiện vận hành thử nghiệm toàn phần trên một mô-đun công nghiệp độc lập tại lưu vực sông Cầu Bây.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  1. Tiếp tục nghiên cứu mối liên hệ định lượng giữa nồng độ $PCB$ và các nhóm chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy khác (như PBDE, Dioxin/Furan) phân bố giữa pha nước và pha trầm tích sông Cầu Bây.
  2. Thử nghiệm áp dụng công nghệ L-SBR cho các loại nước thải công nghiệp hoặc nước thải đặc thù khác có tỷ lệ $C:N$ thấp; nghiên cứu sâu hơn về động học phân hủy các hợp chất POPs của các chủng vi sinh vật trong bùn hoạt tính.
  3. Nghiên cứu biến động chất lượng nước sông Cầu Bây theo mùa khô và mùa mưa để tối ưu hóa quy trình điều khiển tự động (SCADA) linh hoạt các chu kỳ pha của bể L-SBR trong thực tế vận hành.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn cho các đối tượng và lĩnh vực sau:

  • Cơ quan quản lý nhà nước và lập quy hoạch: Sở Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, Công ty Thoát nước Hà Nội, Ban Quản lý Dự án Thoát nước và Cải thiện Môi trường trong việc xây dựng kế hoạch thu gom, kiểm soát ô nhiễm lưu vực sông Cầu Bây và hệ thống thủy nông Bắc Hưng Hải; xây dựng chính sách quản lý các chất ô nhiễm POPs/PCB trong bùn thải và nước thải đô thị.
  • Kỹ sư thiết kế và vận hành công trình môi trường: Cung cấp thông số tính toán thiết kế chi tiết (thời gian lưu bùn, $MLSS$, tải trọng thể tích, chu trình pha) của công nghệ L-SBR; tài liệu tham khảo cho các nhà máy XLNT đang gặp sự cố thiếu hụt carbon khi xử lý nitơ (như Yên Sở, Bình Hưng, Phú Đô).
  • Cơ sở đào tạo và nghiên cứu học thuật: Giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật Môi trường, Quản lý Môi trường, Kỹ thuật Hạ tầng Đô thị tại Trường Đại học Thủy Lợi, Đại học Xây dựng, Đại học Bách khoa tham khảo về phương pháp tính toán cân bằng vật chất, động học bùn hoạt tính và phương pháp phân tích hợp chất vi lượng $PCB$.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nước thải đô thị tại lưu vực sông Cầu Bây và các đô thị Việt Nam lại có tỷ lệ $BOD_5:TN$ thấp?

Nước thải đô thị Việt Nam chủ yếu được thu gom qua hệ thống cống chung (thoát chung nước mưa và nước thải). Trước khi vào cống, nước thải sinh hoạt từ các hộ gia đình đều phải qua bể tự hoại (septic tank). Tại đây, một phần lớn các hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học ($BOD_5$) đã bị phân hủy kỵ khí và lắng đọng, trong khi các hợp chất nitơ hữu cơ bị amon hóa hòa tan thành $NH_4^+-N$ không bị giữ lại. Ngoài ra, sự pha loãng của nước ngầm thẩm thấu và nước mưa trong mạng lưới cống hở làm nồng độ $BOD_5$ giảm mạnh ($84,6\text{ mg/l}$ tại $M_{10}$), trong khi tổng nitơ vẫn ở mức cao ($48,3\text{ mg/l}$), dẫn đến tỷ số $BOD_5:TN = 1,75$.

2. Nguyên lý kỹ thuật nào giúp công nghệ L-SBR khử được Nitơ mà không cần bổ sung nguồn Carbon từ bên ngoài?

Công nghệ L-SBR vận hành ở nồng độ bùn hoạt tính cao ($MLSS = 4.800 \div 5.200\text{ mg/l}$), gấp khoảng 1,5 đến 2 lần so với bể SBR truyền thống. Khi nguồn carbon hòa tan trong nước thải đầu vào bị tiêu thụ hết trong giai đoạn đầu của chu kỳ, sinh khối vi sinh vật đậm đặc bước vào quá trình hô hấp và phân rã nội sinh. Các sản phẩm giải phóng từ tế bào vi sinh vật (carbon nội sinh) đóng vai trò là chất cho electron thay thế cho hóa chất ngoại sinh để vi khuẩn dị dưỡng thực hiện phản ứng khử nitrat ($NO_3^- \rightarrow N_2$), giúp $TN$ đầu ra đạt $13,5\text{ mg/l}$ (đạt QCCP cột A $\le 16,2\text{ mg/l}$).

3. Nồng độ hợp chất ô nhiễm PCB trong trầm tích sông Cầu Bây có vượt quy chuẩn môi trường hiện hành không?

Kết quả phân tích 11 vị trí trầm tích mặt trên sông Cầu Bây cho thấy tổng hàm lượng $\Sigma PCB$ dao động từ 1,84 đến $18,62\text{ }\mu\text{g/kg}$ trọng lượng khô. Nồng độ này cao hơn ở các khu vực gần cửa xả của KCN Sài Đồng và KCN Đài Tư nhưng toàn bộ các mẫu đều nằm trong ngưỡng giới hạn cho phép tối đa của QCVN 43:2012/BTNMT đối với chất lượng trầm tích nước ngọt ($22,7\text{ }\mu\text{g/kg}$).

4. Hiệu quả kinh tế của việc áp dụng công nghệ L-SBR so với việc bổ sung nguồn Carbon ngoài tại các nhà máy XLNT lớn như thế nào?

Việc áp dụng L-SBR làm tăng chi phí xây dựng bể khoảng 2 - 3% (do thể tích tăng 6%) và chi phí điện năng sục khí tăng tối đa 3,5% (do oxy tăng 7%). Tuy nhiên, giải pháp này giúp loại bỏ hoàn toàn chi phí mua đường công nghiệp hoặc hóa chất carbon. Tại Nhà máy XLNT Yên Sở ($200.000\text{ m}^3/\text{ngày}$), công nghệ này giúp tiết kiệm gần 200 tỷ đồng/năm; đối với toàn bộ lưu vực sông Cầu Bây ($106.244\text{ m}^3/\text{ngày}$), mức tiết kiệm chi phí vận hành đạt tối thiểu 100 tỷ đồng/năm.

Kết luận

Luận án của tác giả Nguyễn Phương Quý đã giải quyết trọn vẹn bài toán đánh giá ô nhiễm môi trường nước, trầm tích sông Cầu Bây và xác định được tính chất đặc thù tỷ lệ $BOD_5:TN$ thấp của nước thải cống chung đô thị Việt Nam. Công trình đã nghiên cứu thành công giải pháp công nghệ L-SBR, chứng minh khả năng tận dụng nguồn carbon nội sinh từ bùn hoạt tính để khử nitơ và xử lý đồng thời các chất ô nhiễm ($COD, BOD_5, SS, NH_4^+-N, TP, PCB$) đạt QCCP cột A mà không cần bổ sung carbon ngoại sinh. Kết quả nghiên cứu mang lại giá trị khoa học vững chắc và hiệu quả kinh tế - xã hội to lớn, cung cấp cơ sở tin cậy cho việc thiết kế, nâng cấp các nhà máy xử lý nước thải đô thị tại Hà Nội và các địa phương trên toàn quốc.