MỞ ĐẦU Sự cần thiết nghiên cứu đề tài luận án Hệ thống thoát nước (HTTN) thải Thành phố Hà Nội (TPHN) có sơng là: Tơ Lịch, Lừ, Sét sơng Kim Ngưu, đóng vai trị hệ thống kênh cấp I HTTN Tổng lượng nước thải TPHN năm 2009 ước tính 750.000 m3/ngày đêm, có khoảng 10% xử lý [147] Các dịng sơng bị nhiễm nặng, ảnh hưởng tới vệ sinh môi trường, cảnh quan đô thị sức khoẻ [5, 7, 15, 16, 101, 102, 147] Nước sông Tô Lịch trước thường tái sử dụng nông nghiệp, nhiên thời gian gần đây, nước sông bị ô nhiễm không đáp ứng chất lượng nước tưới [81, 104, 105, 106] Sự hình thành sunfua đất ngập nước liên quan chặt chẽ đến trình phân giải chất hữu (CHC) hoạt động vi sinh vật (VSV) Sự hình thành sunfua nước thải phụ thuộc vào đặc trưng khí hậu, tính chất vật lý HTTN tính chất hóa học nước thải Các yếu tố ảnh hưởng là: Sunfat, Eh, pH, nhiệt độ BOD5 [70, 142, 153] Hiện nay, có nhiều mơ hình dự báo hình thành sunfua, nhiên việc áp dụng bị hạn chế ảnh hưởng khí hậu, đặc trưng HTTN, tính chất nước thải [61, 66] Việc áp dụng điều kiện Việt Nam cần phải có kiểm chứng xây dựng hệ số phù hợp với đặc điểm HTTN, cần phải xây dựng mơ hình dự báo riêng [102] Ở Việt Nam, có số nghiên cứu HTTN sông TPHN Tuy nhiên, nghiên cứu chưa đề cập, ý đến nguồn xả thải, chế hình thành khả phát thải số khí độc Các nghiên cứu khí H2S thiếu định lượng chi tiết, với xu hướng thiên định tính kiểm kê Lý giải chế hình thành sunfua phát thải khí H2S đất ngập nước chưa rõ ràng chủ yếu dựa vào nghiên cứu nước Các nghiên cứu nước chưa đề cập đến hoạt động kiểm chứng mơ hình, thực nghiệm đo đạc phát thải khí H2S, mơ hình dự báo lan truyền khí H2S ảnh hưởng khí H2S đến tuổi thọ cơng trình mơi trường, sức khoẻ [15, 16, 74, 148] Do đó, việc nghiên cứu chế hình thành sunfua phát thải khí H2S, từ đề xuất giải pháp giảm thiểu hình thành sunfua, khả phát thải khí H2S từ HTTN thải điều kiện cụ thể Việt Nam cần thiết, có ý nghĩa khoa học thực tiễn cao Xuất phát từ mối liên quan, vấn đề bất cập nói trên, đề tài nghiên cứu tiến hành Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Luận án xác định số đặc trưng thời gian tồn lưu sunfua nước thải, thời gian tồn lưu khí H2S khơng khí, độ cao ảnh hưởng khí H2S, đồng thời góp phần làm rõ sở khoa học yếu tố ảnh hưởng đến chế hình thành sunfua, phát thải, lan truyền khuếch tán khí H2S điều kiện thực tế TPHN Đề tài luận án đóng góp sở khoa học việc xác định yếu tố chi phối đến hình thành sunfua HTTN thải TPHN Trong đó, việc xác định q trình hình thành sunfua chủ yếu xẩy tầng nước mặt, ngưỡng Eh thích hợp cho q trình hình thành sunfua sinh khí H 2S với số lượng lớn sông Tô Lịch sở khoa học cho việc áp dụng vào thực tiễn biện pháp kiểm soát giá trị Eh nước thải để giảm thiểu ô nhiễm H2S HTTN thải Việc áp dụng hiệu chỉnh mơ hình METI-LIS sở khoa học để áp dụng rộng rãi mơ hình vào thực tiễn việc dự báo khả lan truyền chất ô nhiễm không nguồn điểm mà bao gồm nguồn đường, mặt với đặc trưng nguồn lạnh, có độ cao phát tán thấp, gần mặt đất nguồn có độ cao thấp mặt đất Đề tài luận án cải tiến thiết kế thiết bị lấy mẫu quan trắc để xác định tỷ lệ phát thải khí H2S từ mặt nước Thiết bị lấy mẫu cịn có khả áp dụng đối khí khác CH4, NO2, , sở giúp cho hoạt động thực nghiệm đo đạc phát thải loại khí từ đất, đất ngập nước với xu hướng tăng tính định lượng nghiên cứu, khả kiểm chứng mơ hình liên quan đến phát thải, lan truyền, khuếch tán khí từ đất đất ngập nước vào khơng khí Việt Nam Mục tiêu nghiên cứu  Đánh giá xu diễn biến chất lượng nước sông Tô Lịch qua việc áp dụng số khoanh vùng ô nhiễm nước mặt (WQI)  Xác định yếu tố ảnh hưởng đến hình thành sunfua nước thải sông Tô Lịch  Xây dựng mơ hình dự báo tỷ lệ hình thành sunfua nước thải sông Tô Lịch  Hiệu chỉnh mơ hình lan truyền, khuếch tán nhiễm dựa mơ hình sở Gauss nguồn đường, với đặc trưng nguồn lạnh có độ cao phát thải thấp để dự báo lan truyền, khuếch tán H2S từ nước sơng Tơ Lịch vào mơi trường khơng khí  Đề xuất biện pháp khắc phục giảm thiểu tác động mơi trường phát thải khí H2S từ nước thải HTTN thải TPHN Những đóng góp luận án  Là nghiên cứu xác định số đặc trưng tỷ lệ phát thải khí H2S từ nước sơng, thời gian tồn lưu khí H2S mơi trường nước, thời gian tồn lưu khí H2S khơng khí độ cao ảnh hưởng khí H2S điều kiện khí hậu Việt Nam  Đề tài luận án thiết kế, cải tiến thiết bị lấy mẫu quan trắc phát thải khí H2S từ mặt nước phù hợp với điều kiện Việt Nam, qua hồn thiện khả áp dụng phương pháp lấy mẫu quan trắc phát thải khí H2S từ mặt nước, đồng thời mở hội áp dụng cho việc quan trắc phát thải chất khí khác từ mơi trường đất đất ngập nước  Đề tài luận án nghiên cứu hiệu chỉnh áp dụng mơ hình METI-LIS nguồn phát thải dạng đường có đặc trưng nguồn lạnh, với độ cao phát thải thấp Việt Nam  Bên cạnh đó, đề tài luận án nghiên cứu xây dựng mơ hình dự báo tỷ lệ hình thành sunfua nước thải phù hợp với điều kiện thực tiễn Việt Nam Góp phần nâng cao độ xác, tính thời cơng tác dự báo chất lượng nước quản lý chất lượng nước HTTN thải TPHN  Ngoài ra, đề tài luận án làm sáng tỏ sở khoa học ý nghĩa thực tiễn biện pháp kiểm soát ô nhiễm khí H2S từ HTTN thải thông qua việc xác định ngưỡng tối ưu Eh hình thành sunfua nước thải Từ đề xuất biện pháp sục khí cưỡng để kiểm sốt Eh nhằm giảm thiểu khả hình thành sunfua góp phần cải thiện chất lượng nước HTTN thải TPHN CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Chu trình sunfua 1.1.1 Nguồn phát sinh sunfua Khí H2S xuất hoạt động núi lửa, suối sunfua, đáy biển HTTN thải, thủy vực bị ô nhiễm [70, 142, 151, 161] 1.1.2 Các dạng sunfua môi trƣờng nƣớc Trong HTTN, sunfua (H2S, HS-, S2-) tồn khơng khí bề mặt nước thải; khí H2S hồ tan nước thải; dạng ion muối sunfua kim loại nước thải [70, 136, 142] 1.2 Tính chất lý, hóa học H2S 1.2.1 Tính chất lý hóa học H2S VOSC Khí H2S có mùi trứng thối, khí độc hại, ngưỡng phát mùi từ 0,1 0,2 ppm, tùy thuộc vào mức cảm nhận cá nhân [151, 153] 1.2.2 Q trình xy hóa sunfua Điều kiện để sunfua hình thành DO mức thấp [70, 110, 142, 153] Sự ô xy hóa sunfua thành a xít sunphuric chia thành nhiều bước, VSV xy hóa sunfua (SOB) đóng vai trị quan trọng 1.2.3 Q trình kết tủa sunfua Các kim loại kết tủa với sunfua, khả hòa tan muối sunfua thấp [152] Kết tủa có hiệu pH từ ÷ 10 [82] 1.3 Tác động mơi trƣờng khí H2S 1.3.1 Độc tính khí H2S Tiềm độc tính sức khoẻ 0,22 lần quy đổi tương đương hợp chất para-Dichlorobenzene [62, 64, 68] Khí H2S có tác động nguy hiểm đến sức khoẻ, gây chết người nồng độ 300 ppm [30, 157, 163] Nồng độ H2S tiêu chuẩn điều kiện làm việc bình thường nhiều quốc gia quy định 10- 15 mg/m3 (trung bình giờ) H2S gây ô nhiễm mùi sử dụng thị ô nhiễm mùi từ nước thải [57, 87, 137, 167] 1.3.2 Q trình ăn mịn có nguồn gốc sinh học HTTN Năm 1945, tượng ăn mịn bê tơng HTTN có nguồn gốc sinh học (MIC) giải thích [117] Nguồn gốc a xit sunphuric chuyển hóa H2S có nguồn gốc phát thải từ nước thải [118] MIC q trình chuyển hóa hóa học sinh học chu trình lưu huỳnh HTTN thải Vai trị chuyển hóa sinh học chiếm ưu thế, hay MIC q trình ăn mịn bê tơng chủ yếu HTTN thải [73] 1.3.3 Ăn mòn kim loại vật liệu sơn khơng khí có H2S Trong khơng khí, H2S ngun nhân ăn mịn vật liệu kim loại sơn phủ bề mặt có gốc kim loại [150, 165] 1.4 Q trình hình thành sunfua HTTN thải 1.4.1 Quá trình hình thành sunfua HTTN thải Q trình chuyển hóa từ sunphat phân hủy CHC hình thành sunfua trình sinh học diễn điều kiện yếm khí VSV [23, 39, 88, 99, 140] Các vi khuẩn nhóm SRB có phân bố lồi tương đối rộng, chi phổ biến chi Desulfotomaculum, Desulfovibrio [76, 133, 143] Quá trình khử sunphat trình phổ biến sinh sunfua, nguồn hình thành sunfua nước thải Các hợp CHC, protein, có chứa lưu huỳnh, bị phân hủy sinh sunfua VSV [99, 140] Lớp bùn HTTN mơi trường thích hợp để hình thành sunfua VSV [52, 70, 142] Trong đất ngập nước hình thành sunfua khơng xảy lớp bùn mà cịn xẩy tầng nước [76] 1.4.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến hình thành sunfua HTTN thải 1.4.2.1 Thế xy hóa khử Ngưỡng Eh thích hợp cho SRB dao động khoảng từ -50 mV đến 300 mV [33, 50, 70, 125, 142, 153, 156, 171, 172] 1.4.2.2 Nhiệt độ Quá trình hình thành sunfua xẩy chậm nhiệt độ < 0C, xảy mạnh khoảng 30 0C [27] Trong khoảng từ 15 0C đến 38 0C, nhiệt độ tăng thêm 0C tốc độ hình thành sunfua tăng trung bình % [125] Trong số trường hợp, hình thành sunfua xảy nhiệt độ thấp [70] 1.4.2.3 Chất hữu Lớp bùn có chất màng sinh học, mơi trường thích hợp cho VSV phân hủy CHC CHC chứa lưu huỳnh có sẵn bùn, với mơi trường yếm khí gia tăng hình thành sunfua HTTN [29, 125] 1.4.2.4 Độ pH pH tối ưu cho hình thành sunfua từ 7,5 ÷ 8,0, khoảng pH gần mức pH trung bình nước thải hầu hết HTTN [70, 125] 1.4.3 Mơ hình dự báo hình thành sunfua HTTN thải Các phương trình dự báo hình thành sunfua phụ thuộc vào COD / BOD5, T, thời gian lưu lớp bùn đường ống Tuy nhiên, điều kiện kênh hở phương trình khơng phù hợp [102] 1.5 Quá trình phát thải H2S HTTN thải 1.5.1 Tiếp cận lý thuyết Các phương pháp tiếp cận bao gồm: Lý thuyết màng kép; Lý thuyết thâm nhập; lý thuyết đổi bề mặt [70] 1.5.2 Mơ hình tiếp cận dựa lý thuyết màng kép Lý thuyết màng kép phổ biến [90, 91], nhiên có hạn chế Để tiếp cận đầy đủ hơn, Yongsiri et al., (2005) đưa cách tiếp cận dựa lý thuyết yếu tố liên quan đến tính chất nước thải đề xuất mơ hình dự báo tỷ lệ phát thải H2S HTTN thải [171] 1.5.3 Phát thải H2S từ đất ngập nƣớc Đất ngập nước chiếm khoảng 40% so với tổng lượng nguồn phát thải H2S [161] Phát thải trung bình từ đất ngập nước 0,0504 gS/m2/h [60] 1.6 Các biện pháp xử lý, kiểm sốt nhiễm H2S HTTN thải 1.6.1 Chu trình lƣu huỳnh trình chuyển hóa lƣu huỳnh nƣớc thải Các q trình chuyển hóa lưu huỳnh HTTN bao gồm [172]: Hình thành sunfua; Ơ xy hóa sunfua; Phát thải H2S; Kết tủa 1.6.2 Các biện pháp xử lý H2S nƣớc thải Các biện pháp giảm thiểu : Tối ưu hoá thiết kế thuỷ lực; Xử lý sơ tách bỏ nguồn sunphat; Các biện pháp hoá-lý, sinh học gây ức chế hình thành loại bỏ sunfua, giảm khả phát thải H2S [172] CHƢƠNG 2: ĐỐI TƢỢNG, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tƣợng nghiên cứu 2.1.1 Hệ thống thoát nƣớc thải trung tâm TPHN HTTN lưu vực sông Tô Lịch HTTN thải kết hợp, có diện tích 77,5km2 Lưu vực chia làm khu tiêu thoát (KTT), với sông Tô Lịch, Lừ, Sét Kim Ngưu, tổng chiều dài 38,2 km, chiều rộng từ 10 ÷ 45 m [15] 2.1.2 Các hƣớng nƣớc lƣu vực sơng Tơ Lịch Thốt nước vào sơng Hồng: Cụm cơng trình n Sở (90m3/s) [15] Thốt nước vào sông Nhuệ: Là hướng tiêu phụ (30 m3/s) [15] 2.1.3 Kênh thoát nƣớc cấp I Tổng lượng nước thải năm 2013 xấp xỉ 795.000 m3/ngày (Hình 2.3) 1.6% 14.8% NTSH NTDV NTCN NTBV TỔNG: 36.6% 795.000 m3/ngày 47.0% Hình 2.3 Tỷ lệ loại nƣớc thải khu vực trung tâm TPHN Tổng lượng NTSH 291.163 m3/ngày đêm, lượng xả vào sông Tô Lịch, Kim Ngưu, Sét, Lừ KTT Hoàng Liệt tương ứng 48,1%; 31,9%; 12,7%; 3,0% 4,3% KTT sông Tô Lịch chia thành tiểu KTT (Bảng 2.3) Tổng lưu lượng nước thải xả vào sông Tô Lịch năm 2013 xấp xỉ 382.000 m3/ngày đêm, lượng NTSH 140.000 m3/ngày đêm, NTSX 236.000 NTBV 6.000 m3/ngày đêm Lượng nước thải vào sông Kim Ngưu, Sét sông Lừ năm 2013 ước tính 254.000; 101.000; 24.000 m3/ngày đêm Bảng 2.3 Phân vùng tiểu KTT nƣớc dọc theo sông Tô Lịch Đoạn sông Dân số S (km ) (1.000 ngƣời) NTSH L (1.000m ) (km) Tỷ lệ tiêu km sông (km2 (1.000 (1.000 /km) ngƣời/km) m3/km) HQV - CGI 6,64 202,123 35,952 3,32 101,1 18,0 CGI - TDH 2,27 60,473 10,756 2,2 1,03 27,5 4,9 TDH - NTS 7,95 290,727 51,712 2,3 3,46 126,4 22,5 NTS - CKD 0,66 178,16 3,169 1,3 0,51 13,7 2,4 CKD - CLU 0,92 246,69 4,388 1,8 0,51 13,7 2,4 CLU - DAU 0,76 205,57 3,657 1,5 0,51 13,7 2,4 DAU - DTL 8,07 170,742 30,370 2,4 3,36 71,1 12,7 787,108 140,003 13,50 2,02 58,3 10,4 Tổng 27,27 2.1.4 Đối tƣợng nghiên cứu Vùng nghiên cứu đoạn sông Tô Lịch dài 13,5 km, từ HQV đến DTL Nghiên cứu dựa q trình phân tích, đánh giá thơng số chất lượng nước, trầm tích sơng Tơ Lịch khí H2S khơng khí 2.2 Nội dung nghiên cứu - Đánh giá chất lượng nước trầm tích sơng Tơ Lịch - Ảnh hưởng chất lượng nước đến khả hình thành sunfua - Quan trắc tỷ lệ phát thải kiểm định mơ hình đánh giá tỷ lệ phát thải khí H2S sơng Tơ Lịch - Quan trắc chất lượng khơng khí xung quanh kiểm định mơ hình lan truyền khí, khu vực DTL (phường Hồng Liệt) 2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu 2.3.1 Phƣơng pháp nghiên cứu Thực qua 04 bước: Tham khảo tài liệu, lựa chọn khu vực nghiên cứu; Thu thập thông tin; Lấy mẫu nước, trầm tích, khí, quan trắc tỷ lệ phát thải H2S; Phân tích, áp dụng mơ hình tốn, hiệu chỉnh mơ hình METI-LIS, đánh giá, kết luận kiến nghị 2.3.2 Phƣơng pháp lấy mẫu bảo quản mẫu Lấy mẫu nước, trầm tích sơng: Mẫu nước, trầm tích lấy vị trí sơng Tơ Lịch, bảo quản theo TCVN 6663 – 14:2000 (Hình 2.5) Lấy mẫu khí: Mẫu khí H2S lấy 15 vị trí Lấy mẫu đo đạc tỷ lệ phát thải khí: Dựa phương pháp lấy mẫu đo đạc phát thải khí cơng bố [51, 57, 124], đề tài luận án sử dụng hộp lấy mẫu thiết kế với thông số 50 x26x20 (cm), phần ngập vào nước cm, chiều cao hữu dụng 13 cm (Hình 2.9) Hình 2.5 Sơ đồ vị trí lấy mẫu Hình 2.9 Thiết kế hộp lấy mẫu đánh giá mức phát thải H2S 10 2.3.3 Phƣơng pháp phân tích mẫu nƣớc, trầm tích khơng khí Các phương pháp phân tích sử dụng phương pháp phân tích phổ biến Việt Nam Phương pháp phân tích SOD áp dụng theo Kolar et al., 2002; 2003; Boram and Taeyoon, 2012 [34, 83, 84] 2.3.4 Phƣơng pháp phân tích dự báo phát thải H2S Áp dụng công thức Yongsiri (2005) công bố để tính tốn lượng phát thải H2S so sánh với kết thực nghiệm [171] 2.3.5 Phƣơng pháp đánh giá số ô nhiễm môi trƣờng nƣớc mặt Đánh giá WQI theo hướng dẫn Cục Kiểm sốt nhiễm [3] 2.3.6 Mơ hình METI-LIS 2.3.6.1 Mơ hình sở Gauss Việc áp dụng mơ hình Gauss cần phải có hiệu chỉnh kiểm định Thơng thường hiệu chỉnh liên quan đến hệ số tính tốn khuếch tán theo trục tọa độ độ ổn định khí [63, 134, 135] 2.3.6.2 Mơ hình METI-LIS Mơ hình METI-LIS mơ hình dạng Gauss hình thành sở mơ hình ISC sử dụng rộng rãi Nhật Bản [95] Các nghiên cứu trước cho mơ hình Gauss hiệu chỉnh áp dụng cho nguồn ô nhiễm mùi dạng đường, mặt [134, 135] Mơ hình METI-LIS áp dụng cho đoạn cuối sông Tô Lịch Hiệu chỉnh phương pháp điều chỉnh độ ổn định khí [134, 135] điều chỉnh hệ tọa tọa độ với tọa độ gốc zl từ mặt thống sơng, mặt phẳng tính tốn (z) khí H2S khuếch tán 1,5 m tính từ mặt đất (zg) Độ cao từ giá trị zl đến zg trung bình 3m Đối với nguồn đường, giá trị khuếch tán ngang (ϭy) từ điểm bù lại ϭy theo chiều ngược lại điểm lân cận, bỏ qua giá trị ϭy [2, 95] Giả thiết tỷ lệ phát thải không thay đổi bỏ qua tác động tốc độ gió [134] Giả thiết vận tốc gió hiệu chỉnh sử dụng tốc độ di chuyển H2S không khí thay 11 cho giá trị đầu vào thơng số vận tốc gió mơ hình, với tốc độ lan truyền H2S khơng khí ước tính 11,2 m/h [26] Do hiệu chỉnh thông số vận tốc gió để áp dụng vào tính tốn mơ hình METI-LIS trường hợp lặng gió [95] 2.3.7 Thời gian điều kiện khí tƣợng thời điểm lấy mẫu Lấy mẫu lấy thời điểm theo mùa (2009-2013) Các thơng số khí tượng, điều kiện thời tiết lấy mẫu mô tả phụ lục 2.3 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Chất lƣợng trầm tích nƣớc sơng Tơ Lịch 3.1.1 Chất lƣợng trầm tích sơng Tơ Lịch Nhu cầu ô xy trầm tích (SOD) lượng ô xy bị tiêu thụ hoạt động VSV phân hủy CHC (SBOD5), phản ứng OXK diễn tầng trầm tích (SCOD) [155] Giá trị SBOD5 41,5 ± 10,7 g/kg, SCOD 184 ± 54 g/kg SOD có giá trị thiên cao so với mức trung bình Như vậy, thiếu hụt xy nước sơng phần trầm tích sơng gây Trầm tích sơng Tơ Lịch có thành phần cấp hạt (TPCH) chủ yếu cát cát thô, thuộc loại trầm tích loại A (trầm tích HTTN thải kết hợp), có tuổi hình thành, phù hợp với hoạt động cải tạo nạo vét gần Hoạt động nạo vét làm thay đổi đến tính chất lý trầm tích sơng TPCH trước sau nạo vét sơng Tơ Lịch có khác biệt lớn Giá trị D50 tăng từ 0,025 mm (2005) lên 0,37 mm (2012) (Hình 3.1) Hình 3.1 So sánh TPCH trầm tích sơng Tơ Lịch (2005-2012) 12 Trầm tích lắng đọng sông 28.538 m3/năm, tỷ trọng d = 1.212 kg/m3 [106] Trầm tích lắng đọng trung bình 94,1 tấn/ngày Thải lượng SCOD, SBOD5, Nts, CHC trầm tích tương ứng là: 17,3; 3,9; 0,5 7,6 tấn/ngày 3.1.2 Chất lƣợng nƣớc sông Tô Lịch Chất lượng nước sông Tô Lịch bị ô nhiễm chủ yếu nguồn NTSX, ngoại trừ thông số Pts bị chi phối nguồn NTSH Tổng thải lượng COD nước thải sông Tô Lịch 79 tấn/ngày, nguồn NTSX 51 tấn/ngày, nguồn NTSH 28 tấn/ngày Tỷ lệ đóng góp nguồn NTSX chiếm từ 64,6% (COD) đến 95,4 % (TSS) Tổng thải lượng chất nhiễm tính theo COD sơng Tơ Lịch 96,3 tấn/ngày, phần lớn nước sông (79 tấn/ngày), bùn trầm tích 17,3 tấn/ngày Giá trị tương ứng tính theo BOD5 45,7; 41,8 ; 3,9 tấn/ngày Giá trị tương ứng tính theo Nts 11,5; 11,0; 0,5 tấn/ngày, Hệ số trầm tích KD COD, BOD5 Nts tương ứng 0,22 L/kg, 0,09 L/kg, 0,04 L/kg WQI trung bình nước sơng Tơ Lịch (giai đoạn 2009-2013) 850 ± 362 (n=32) Mức ô nhiễm nước sông vượt mức bị ô nhiễm nặng từ 1,2 đến 5,7 lần, mùa mưa (Hình 3.5) WQI nước sơng bị chi phối WQIVSV 2000 Mùa khô 2009 1500 Mùa mưa 2012 1000 Mùa mưa 2009 500 Mùa khô 2013 HQV CGI TDH NTS CKD CLU DAU DTL Hình 3.5 Diễn biến WQI nƣớc sông Tô Lịch 2009 – 2013 Năm 2003, WQI nước sông Tô Lịch 264, mức bị ô nhiễm nặng Năm 2009, mức ô nhiễm bị ô nhiễm nặng (WQI 961 ± 305, gấp 3,6 lần so với 2003) Từ 2012 - 2013 (sau nạo vét), WQI có giảm so 13 với 2009, mức bị ô nhiễm nặng (WQI 738 ± 444), cao gấp 2,8 lần so với giá trị WQI năm 2003 (Hình 3.7) 2000 1000 2003 (*) 2009 2012-2013 WQI HL WQI VSV WQI Mức nhiễm Hình 3.7 So sánh số WQI giai đoạn 2003 đến 2013 Sau 10 năm, cải tạo, nạo vét nước sơng Tơ Lịch có mức độ nhiễm (WQI) tăng từ 2,8 đến 3,6 lần mức xả thải vào sông Tô Lịch tăng khoảng 1,3 3.2 Động thái số tính chất hóa-lý trầm tích nƣớc sông Tô Lịch 3.2.1 Động thái Eh trầm tích nƣớc sơng Tơ Lịch Eh giảm dần giá trị điện tăng mức độ khử theo chiều sâu (Hình 3.8) Eh (nước mặt) trung bình -223 ± 5,4 mV, Eh tương ứng nước tầng đáy trầm tích -331 ± 21,4 -394 ± 54,1 mV HQV CGI TDH NTS CKD CLU DAU DTL -100 -200 -300 -400 -500 Nước tầng mặt Nước tầng đáy Trầm tích Hình 3.8 Giá trị Eh (mV) trầm tích, nƣớc tầng mặt nƣớc tầng đáy sơng Tơ Lịch Eh (nước mặt) có xu hướng giảm dần phía hạ lưu, nằm ngưỡng Eh thích hợp cho SRB phát triển [33, 50, 51, 96, 129, 142] Eh tầng nước đáy trầm tích không thuận lợi cho sinh trưởng SRB [47, 53], mà môi trường thuận lợi cho việc khử CHC sinh khí mê tan [96] Khoảng Eh thích hợp để hình thành sunfua nước sơng Tơ Lịch từ - 250 mV đến – 200mV (Hình 3.12), phù hợp với nghiên cứu trước [33, 50, 51, 96, 129, 142] 14 Sunfua (mmol/L) Eh (mV) Hình 3.12 Quan hệ Eh (mV) nồng độ sunfua (mmol/L) 3.2.2 Động thái pH trầm tích nƣớc sơng Tơ Lịch Theo chiều sâu cột nước, pH có xu hướng giảm dần pH dọc theo sơng có xu hướng giảm dần từ HQV đến CKD Đến CLU, pH có xu hướng tăng lên, sau ổn định dần đoạn cuối sơng Tơ Lịch (Hình 3.14) pH CLU có xu hướng ăng lên đoạn sơng nhận nước thải từ KCN Thượng Đình [104] 7.3 7.1 6.9 6.7 6.5 Nước tầng mặt Nước tầng đáy Trầm tích HQV CGI TDH NTS CKD CLU DAU DTL Hình 3.14 Giá trị pH nƣớc trầm tích sơng Tô Lịch 3.2.3 Động thái sunfua H2S nƣớc sơng Tơ Lịch Giá trị trung bình sunfua mùa khô (2009-2013) 0,89 mmol/L, mùa mưa lượng sunfua giảm khoảng 2,4 lần mức 0,37 mmol/L H2S trung bình nước sông (2009-2013) 0,28 mmol/L (9,5 mg/L) H2S mùa khơ thể có dấu hiệu phụ thuộc vào áp lực tiêu thoát NTSH Vào mùa mưa, thể có dấu hiệu tương tự, khơng rõ H2S trung bình nước sơng giai đoạn 1999-2000 4,68 mg/L [9] Giai đoạn 2009-2013, hàm lượng H2S tăng lên khoảng 1,9 lần, giá trị trung bình 9,09 mg/L (Hình 3.18) 15 15 10 1999-2000 (*) TB mùa mưa (2009-2013) TB mùa khô (2009-2013) TB 2009-2013 Hình 3.18 So sánh hàm lƣợng H2S (mg/L) nƣớc sông Tô Lịch giai đoạn từ 1999-2000 đến 2009-20013 3.3 Một số yếu tố ảnh hƣởng đến hình thành sunfua nƣớc sông Tô Lịch 3.3.1 Quan hệ hàm lƣợng sunfua Eh Eh tầng nước mặt nằm ngưỡng thích hợp để hình thành sunfua Hàm lượng sunfua vào mùa khô mùa mưa 1,08 0,23 mmol/L Eh nước tầng mặt bị chi phối tỷ lệ tiêu thoát nước mưa nước thải bổ sung vào sông Tô Lịch theo mùa Thêm vào ảnh hưởng pha lỗng nước mưa, nên rõ mối quan hệ Eh sunfua mùa mưa (R2 = 0,09) Trong vào mùa khơ, mối quan hệ Eh hàm lượng sunfua có hệ số R2 = 0,60 3.3.2 Quan hệ Log[S]/[SO4] Eh Quan hệ Eh Log[S]/[SO4] nước tầng mặt có quan hệ theo phương trình 3.2 3.3 với hệ số 0,54 0,64 ORP = - 27,143*Log[S]/[SO4] – 223,67 (3.2) ORP = - 61,173*Log[S]/[SO4] – 228,97 (3.3) Đối với tầng nước đáy mối tương quan giá trị Eh Log[S]/[SO4] (R2 = 0,05) Trong tầng nước mặt R2 = 0,64 Như tầng mặt tầng đáy có khác biệt cặp chất xy hóa chất khử (OXK) Ở tầng nước mặt, cặp chất OXK sunfua sunphat cặp chiếm ưu hơn, tầng nước đáy, cặp chất OXK sunfua sunphat cặp không chiếm ưu 3.3.3 Quan hệ hàm lƣợng sunfua sunphat 16 Hàm lượng sunfua sunphat biến động theo mùa bị chi phối yếu tố pha loãng nước mưa Quan hệ sunfua sunfat nước sơng Tơ Lịch có quan hệ chặt chẽ (R2 = 0,91) Sunfat nguồn cung cấp lưu huỳnh sẵn có NTSH, hàm lượng sunfat nước sông Tô Lịch không cao, bổ sung từ nguồn nước thải vào sông Tô Lịch khoảng giá trị Eh nước sông thích hợp cho q trình khử sunfat hình thành sunfua, nên sunfat trở thành yếu tố chi phối hình thành sunfua nước sơng Tô Lịch 3.3.4 Quan hệ hàm lƣợng sunfua pH Giá trị pH có biến động khơng lớn, độ pH trung bình vào mùa khơ 7,24 ± 0,06 vào mùa mưa 7,21 ± 0,02 Khoảng giá trị pH mùa mưa mùa khô nằm phạm vi tỷ lệ thuận với mức độ sinh trưởng phát triển SRB [125], pH nước sơng mùa khơ có xu hướng cao mùa mưa, hàm lượng sunfua mùa khơ có xu hướng cao so với mùa mưa 3.3.5 Quan hệ hàm lƣợng sunfua ion kim loại Hàm lượng sunfua kim loại Fe, As mùa khơ có xu hướng cao so với mùa mưa Tuy nhiên chênh lệch hàm lượng kim loại mùa khô mừa mưa khơng nhiều, hàm lượng sunfua mùa khô cao nhiều so với mùa mưa, nói hàm lượng kim loại đến hàm lượng sunfua sông Tô Lịch là yếu tố ảnh hưởng đến khả hình thành sunfua nước sông Tô Lịch 3.3.6 Quan hệ hàm lƣợng sunfua COD, BOD5 Ở phần thượng lưu sơng Tơ Lịch, COD, BOD5 tăng lượng sunfua tăng COD, BOD giảm hàm lượng sunfua giảm Tuy nhiên phần hạ lưu mối quan hệ rõ xu thế, lượng sunfua bị giảm trình kết tủa với KLN điều 17 kiện pH cao hàm lượng KLN cao tác động nguồn thải bổ sung từ KCN Thượng Đình [104] 3.3.7 Quan hệ hàm lƣợng sunfua nhiệt độ Nhiệt độ nước sông Tô Lịch thời điểm lấy mẫu nằm dải phạm vi phù hợp với ngưỡng nhiệt độ cho SRB phát triển Nhiệt độ trung bình mùa mưa có giá trị cao so với mùa khô, nhiên lượng sunfua lại thấp so với mùa khô Nguyên nhân ảnh hưởng pha lỗng rửa trôi nước mưa mùa mưa 3.3.8 Quan hệ hàm lƣợng sunfua DO DO nước sông Tơ Lịch thấp DO trung bình mùa mưa 0,62 ± 0,22 mgO2/L, DO trung bình mùa khơ 0,31 ± 0,12 mgO2/L DO thấp mgO2/L khoảng giá trị thích hợp để SRB hình thành sunfua HTTN [33, 70, 110, 142, 153 ] Lượng sunfua nước Sunfua (mmol/L) sông giảm mạnh DO tăng (Hình 3.32) 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 y = -0.319ln(x) + 0.4352 R² = 0.3085 DO (mgO2/L) 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 Hình 3.32 Quan hệ hàm lƣợng sunfua DO sông Tô Lịch 3.4 Mơ hình dự báo khả hình thành sunfua sơng Tơ Lịch Đã xây dựng mơ hình dự báo hình thành sunfua sinh khí H2S nước sông Tô Lịch với số mẫu n = 32 hệ số R2 0,8: [H2S] = 0,231*SO4+0,006*Nts + 0,001*BOD5+0,009*T- 0,337 (3.5) 3.5 Kiểm định mơ hình phát thải H2S 3.5.1 Kiểm định mơ hình phát thải H2S Tỷ lệ phát thải H2S vào khơng khí trung bình 0,422 ± 0,12 gS/m2/h Giá trị phát thải H2S dự báo 0,408 ± 0,11 gS/m2/h, 96,6% so với thực nghiệm Mơ hình dự báo mức phát thải H2S 18 Yongsiri et al (2005) áp dụng để dự báo mức phát thải H2S từ nước sông Tô Lịch với hệ số R2 = 0,8857 3.5.2 Thời gian tồn lƣu H2S môi trƣờng nƣớc khơng khí Thời gian tồn lưu H2S nước sơng Tơ Lịch ước tính 8,9 giờ, khơng khí 14,7 giờ, độ cao ảnh hưởng 164,64 m 3.6 Kiểm định mơ hình lan truyền khí H2S 3.6.1 Kết quan trắc hàm lƣợng H2S khơng khí Vùng ven sơng có mức độ nhiễm mùi nặng, lượng H2S khơng khí ven sơng có mẫu xấp xỉ gấp lần tiêu chuẩn Lượng H2S trung bình vùng ven sơng quan trắc 48,7 ± 22,2 µg/m3 Có 7/15 điểm quan trắc H2S vượt QCVN 06:2009/BTNMT 3.6.2 Tỷ lệ phát thải H2S từ nƣớc sông Tô Lịch Áp dụng công thức Yongsiri et al (2005) [171] đề xuất để tính thải lượng phát thải khí H2S Phát thải H2S R H2S = 0,916 S/ngày (25,20C), tính theo đơn vị mg/m/h 2.828 3.6.3 Kiểm định mơ hình METI-LIS Khi giá trị C A,H2S = RH2S đạt giá trị max (cùng điều kiện tính toán) Áp dụng giá trị CA, H2S = 0, ta có giá trị RH2S = 2825,441 (mg/m/h), sử dụng mơ hình METI-LIS cho giá trị max CA,H2S = 200,277 (µg/m3) Giá trị trung bình C A,H2S = 100,1395 (µg/m3) Áp dụng giá trị CA,H2S = 100,1395 (µg/m3), RH2S = 2825,9 (mg/m/h), kiểm định mơ hình METI-LIS với điều kiện Giá trị dự báo từ mơ hình METI-LIS 46,7 ± 22,8 µg/m3 (n=15) Giá trị dự báo có xu hướng thấp hơn, khoảng 96% so với quan trắc Kết quan trắc hàm lượng H2S khơng khí vùng ven sơng kết dự báo từ mơ hình METI-LIS (đã hiệu chỉnh) có quan hệ chặt chẽ với nhau, hệ số tương quan R2 = 0,9197 19 3.6.4 Áp dụng mơ hình METI-LIS cho sông Tô Lịch Sử dụng phương pháp “upscalling” để dự báo cho sông Tô Lịch từ HQV đến DTL, điều kiện tương tự mục 3.2.3 (Hình 3.41) Hình 3.41 Lan truyền ô nhiễm H2S từ sông Tô Lịch Vùng nhiễm H2S thượng lưu có phạm vi rộng so với vùng hạ lưu Khu vực bị tác động mạnh từ Nguyễn Khánh Toàn đến Trần Duy Hưng Khoảng cách vùng nhiễm đạt 400 m (từ bờ sông) 3.7 Đề xuất biện pháp giảm thiểu ô nhiễm H2S từ nƣớc sông Tô Lịch 3.7.1 Cơ sở khoa học 20 Biện pháp sục khí cưỡng kiểm sốt Eh nhằm giảm thiểu khả hình thành sunfua nhiễm H2S dựa luận cứ:  Mơi trường xẩy q trình hình thành sunfua chủ yếu tầng nước mặt sơng Tơ Lịch Khả hình thành sunfua phát thải khí H2S phụ thuộc vào yếu tố là: BOD5, T, pH, Eh Trong thải lượng BOD5 từ trầm tích nhỏ nhiều so với nước sơng Hệ số trầm tích (KD) BOD5 0,09  BOD5 Eh có mối liên quan chặt chẽ với DO Sự hình thành sunfua xảy môi trường khử, DO < 1mg/L [70, 142, 153] Khả hình thành sunfua giảm mạnh DO tăng lên số SRB có khả tồn mơi trường có xy, đa số SRB bị ức chế không tồn môi trường có xy [22, 77, 110, 113]  Ngưỡng thích hợp Eh cho hình thành sunfua sinh khí H2S với số lượng lớn sơng Tơ Lịch từ -200 mV đến -250 mV DO nước sông thấp, hầu hết mẫu quan trắc có giá trị < mgO2/L  Việc nâng cao DO làm giảm BOD5, làm giảm lượng CHC giảm thiểu khả hình thành sunfua 3.7.2 Đề xuất biện pháp giảm thiểu ô nhiễm H2S sông Tô Lịch Công nghệ sục khí cưỡng ngầm, kiểu chữ U (U-Tube) đề xuất Công nghệ không ảnh hưởng đến hoạt động khai thác mặt nước Với cơng nghệ dịng khơng khí đưa vào nước sơng với áp lực cao khả hịa tan xy nước tăng lên, trì thời gian qng đường đủ dài để xy trao đổi với nước [75] 21 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Tổng lưu lượng xả thải vào HTTN thải phân tán khu vực trung tâm TPHN 795.000 m3/ngày, lượng xả thải từ nguồn NTDV chiếm 47%, nguồn NTSH chiếm 36,6%, NTCN chiếm 14,8% NTBV chiếm 1,6% Tổng lưu lượng xả thải vào sông Tơ Lịch khoảng 382.000 m3/ngày, lưu lượng xả thải từ nguồn NTSH 140.000 m3/ngày, NTSX 236.000 m3/ngày NTBV 6.000 m3/ngày Tỷ lệ xả thải tính đơn vị km chiều dài sơng Tô Lịch thay đổi tùy theo đặc điểm tiểu khu vực tiêu thoát dao động từ 0,51 km2/km đến 3,46 km2/km sơng, tỷ lệ tiêu NTSH dao động từ 2,4 * 1.000 m3/ngày/1km đến 22,5 * 1.000 m3/ngày/1km sơng Trong tỷ lệ tiêu phần thượng lưu cao khoảng 2,6 lần so với đoạn hạ lưu sơng Tơ Lịch Trầm tích sơng Tơ Lịch đặc trưng cho loại trầm tích loại A HTTN thải kết hợp với thoát nước mưa, có tuổi hình thành Trầm tích sơng Tơ Lịch thay đổi nhiều tính chất lý thành phần hóa học hoạt động nạo vét, cải tạo sơng Đường kính cấp hạt trung bình D50 trước nạo vét 0,025 mm, sau nạo vét D50 =0,37 mm Mức độ đóng góp nhiễm sơng Tơ Lịch trầm tích nhỏ nhiều so với nước sông Hệ số trầm tích thơng số COD, BOD5 Nts tương ứng 0,22; 0,09 0,04 L/kg Tổng thải lượng COD, BOD5 Nts (bao gồm trầm tích nước sông) sông Tô Lịch tương ứng 96,3 O2/ngày; 45,7 O2/ngày; 11,5 N/ngày Chỉ số WQI nước sông Tô Lịch trung bình 850 ± 362, cao mức nhiễm nặng khoảng 2,8 lần Trong mức độ đóng góp nhiễm VSV chiếm khoảng 75% Chỉ số WQI giai đoạn 2009- 22 2013 tăng khoảng 2,8 lần so với năm 2003, lưu lượng nước thải tăng khoảng 1,3 lần Môi trường xẩy q trình hình thành sunfua sơng Tơ Lịch chủ yếu xẩy tầng nước mặt (