Nghiên cứu đặc điểm lan truyền kim loại nặng từ bãi chôn lấp chất thải rắn hợp vệ sinh tại Kiêu Kỵ, Gia Lâm, Hà Nội

RÍCH YẾU LUẬN ÁN TIẾN SĨ Tên luận án: Nghiên cứu đặc điểm lan truyền kim loại nặng từ bãi chôn lấp chất thải rắn hợp vệ sinh tại Kiêu Kỵ, Gia Lâm, Hà Nội Họ tên NCS: Hoàng Ngọc Hà Chuyên ngành: Công nghệ môi trường chất thải rắn Mã số: 9520320-1 a) Mục tiêu và đối tượng nghiên cứu của luận án - Mục tiêu nghiên cứu: Luận án nghiên cứu về đặc điểm ô nhiễm, nguồn ô nhiễm, xuất phát từ nước rỉ rác của bãi chôn lấp (BCL) chất thải rắn (CTR) hợp vệ sinh nhằm thấy rõ sự ảnh hưởng đến quá trình lan truyền chất ô nhiễm trong môi trường đất bãi chôn lấp. Đánh giá và dự báo được mức độ lan truyền ô nhiễm kim loại nặng (KLN) bằng phương pháp định lượng để xây dựng dữ liệu phục vụ công tác quản lý môi trường liên quan đến bãi chôn lấp. - Đối tượng nghiên cứu: Luận án tiến hành lựa chọn đối tượng nghiên cứu là ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường đất bãi chôn lấp chất thải rắn hợp vệ sinh - ô chôn lấp đã đóng tại Kiêu Kỵ, huyện Gia lâm, Hà Nội. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lan truyền chất ô nhiễm của bãi chôn lấp để đánh giá và dự báo mức độ ảnh hưởng ô nhiễm từ bãi chôn lấp đến môi trường đất xung quanh bãi chôn lấp theo không gian và thời gian. b) Các phương pháp nghiên cứu đã sử dụng Do tính chất của đối tượng nghiên cứu là ô nhiễm phát sinh từ nước rỉ rác tại BCL, luận án đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu như nghiên cứu lý thuyết để tìm hiểu những dấu hiệu đặc thù, bản chất, cấu trúc của phương pháp số trong cách tính toán lan truyền ô nhiễm qua đó tiến hành phân tích nội suy khái niệm, xây dựng phương trình toán học mới xác định mức độ lan truyền ô nhiễm với điều kiện biên phức tạp; sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán lan truyền chất ô nhiễm. Nghiên cứu đã sử dụng phương pháp phần tử hữa hạn là phương pháp số gần đúng để giải các bài toán được mô tả bởi các phương trình vi phân đạo hàm riêng trên miền xác định có hình dạng và điều kiện biên bất kỳ mà nghiệm chính xác không thể tìm được bằng phương pháp giải tích, bằng phương pháp này có thể tính toán và mô phỏng sự thay đổi nồng độ của kim loại nặng theo thời gian trong không gian một cách định lượng và rõ ràng. c) Kết quả chính và kết luận - Kết quả chính: Luận án đã tổng hợp và đề xuất phương pháp tính toán nước rỉ rác phát sinh phù hợp điều kiện khí hậu khu vực và qui trình vận hành chôn lấp chất thải rắn hợp vệ sinh. Đánh giá và dự báo được mức độ ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường đất từ khu vực ô chôn lấp đã đóng của bãi chôn lấp hợp vệ sinh với mô hình mô phỏng 3D. Bằng việc sử dụng các khái niệm về trường vectơ gradient ∇C (x, y, z, t), và các phép toán gradient có liên quan (∇⋅), ⊙, cơ chế khuếch tán - đối lưu của chất gây ô nhiễm trong nước rỉ rác được mô hình hóa một cách cụ thể và ngắn gọn, thấy được bản chất vật lý của quá trình lan truyền một cách trực quan hơn. Biến đổi phương trình lan truyền về dạng thức phương trình vi phân đạo hàm riêng, thuật toán PTHH đã được xây dựng để giải phương trình bằng phương pháp số một cách hiệu quả. Khai thác thuật toán và sử dụng phần mềm MATLAB để tính toán, dự báo được khả năng lan truyền nồng độ chất ô nhiễm theo thời gian và trong không gian lòng đất. - Kết luận: Từ các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm luận án rút ra được các kết luận như sau: Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lan truyền chất ô nhiễm trong môi trường bãi chôn lấp chất thải rắn tại Kiêu Kỵ Gia Lâm bao gồm: 1) nguồn gây ô nhiễm KLN từ nước rỉ rác, 2) nồng độ KLN As trong nước rỉ rác và hàm lượng KLN As trong đất bãi chôn lấp đều vượt quá qui định cho phép QCVN 40:2011/BTNMT và QCVN 03:2015/BTNMT, 3) thời gian tích lũy chất ô nhiễm KLN do bãi chôn lấp đã tồn tại hơn 10 năm. Các kim loại nặng khác được phát hiện trong nước rỉ rác là Cr, Pb, Hg, Cd…đều có hàm lượng cao hơn qui chuẩn cho phép do chất thải rắn được chôn lấp không phân loại tại nguồn. Nước rỉ rác là yếu tố gây ô nhiễm môi trường BCL rất nghiêm trọng. Nước rỉ rác được tính toán theo phương pháp đề xuất trong luận án bao gồm các yếu tố ảnh hưởng đến lượng phát sinh từ khi vận hành chôn lấp (lượng mưa, độ bốc hơi, độ ẩm của CTR, thiết bị đầm nén, qui trình vận hành…) đến khi đóng ô và thời gian sau đó (lớp che phủ không trồng cây, có trồng cây, lớp che phủ bị suy thoái…). Các yếu tố này là phù hợp với điều kiện thực tế để tính toán lượng nước rỉ rác khi vận hành BCL tại Việt Nam nói chung và tại BCL Kiêu Kỵ, Gia Lâm nói riêng. Vành đai an toàn đối với nguy cơ ô nhiễm KLN As đã được xác định dựa theo kết quả tính toán của mô hình 1D và 3D. Theo chiều sâu, kết quả mô hình 1D đã khẳng định cụ thể tại các vị trí dễ gây tổn thương tới tầng chứa nước là đáy ô chôn lấp (cách 1,5m đến tầng chứa nước), đáy hồ chứa nước rỉ rác (4,5m), thời gian lan truyền xảy ra rất nhanh nếu không tính đến khả năng hấp phụ đất đá thời gian tương ứng sẽ là 40 ngày và 105 ngày. Vành đai an toàn theo phương x và z tại bất kỳ vị trí nào xung quanh ô chôn lấp tính theo mô hình 3D là 3m và 3,5m sau 8 tháng nếu hàm lượng As ban đầu là không đổi, sau khoảng giá trị này, hàm lượng As tính toán được mới đạt được qui định cho phép của QCVN 03:2015/BTNMT. Kết quả trên 2 mô hình đều thấy kim loại nặng As có xu hướng di chuyển từ lớp đất trên xuống tầng chứa nước sâu hơn, tốc độ lan truyền theo phương z nhanh hơn phương x (mô hình 3D). Các kết quả nghiên cứu đạt được của luận án có thể được sử dụng như một bộ số liệu để làm cơ sở đánh giá và phát triển các giải pháp, chính sách hiệu quả trong việc phân loại, quản lý chất thải rắn nhằm giảm thiểu các tác động tiêu cực từ nguy cơ ô nhiễm kim loại nặng tới môi trường đất và ô nhiễm nước dưới đất tại các khu vực bãi chôn lấp CTR cũng như các trường hợp không kiểm soát chặt chẽ qui trình vận hành các bãi chôn lấp CTR. ISBN: Chưa xác định

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI Hoàng Ngọc Hà NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM LAN TRUYỀN KIM LOẠI NẶNG TỪ BÃI CHÔN LẤP CHẤT THẢI RẮN HỢP VỆ SINH TẠI KIÊU KỴ, GIA LÂM, HÀ NỘI Chuyên ngành: Công nghệ môi trường - Chất thải rắn Mã số: 9520320-1 LUẬN ÁN TIẾN SỸ Hà Nội – 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI Hoàng Ngọc Hà NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM LAN TRUYỀN KIM LOẠI NẶNG TỪ BÃI CHÔN LẤP CHẤT THẢI RẮN HỢP VỆ SINH TẠI KIÊU KỴ, GIA LÂM, HÀ NỘI Chuyên ngành: Công nghệ môi trường - Chất thải rắn Mã số: 9520320-1 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS Nguyễn Thị Kim Thái PGS.TS Nguyễn Văn Hoàng Hà Nội – 2022 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án Tiến sĩ “ Nghiên cứu đặc điểm lan truyền kim loại nặng từ bãi chôn lấp chất thải rắn hợp vệ sinh Kiêu Kỵ, Gia Lâm, Hà Nội” cơng trình nghiên cứu thực Các kết quả, số liệu luận án hoàn toàn trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả luận án Hồng Ngọc Hà ii LỜI CẢM ƠN Lời Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Đại học Xây Dựng Hà nội, Phòng Quản lý Đào tạo, Khoa Kỹ thuật Môi trường Trường tạo điều kiện hỗ trợ giúp đỡ tơi suốt q trình học tập nghiên cứu Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc, kính trọng đến GS.TS Nguyễn Thị Kim Thái PGS.TS Nguyễn Văn Hoàng tận tình hướng dẫn, động viên, giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi thời gian tơi hồn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn thầy, nhà khoa học, chuyên gia có ý kiến đóng góp cho luận án trình thực Cuối cùng, Tơi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ, động viên, chia sẻ gia đình, bạn bè đồng nghiệp trình thực nghiên cứu Tác giả luận án Hoàng Ngọc Hà iii MỤC LỤC Lời cam đoan……………… i Lời cám ơn ……… ii Danh mục chữ viết tắt vii Danh mục bảng viii Danh mục hình vẽ, đồ thị ix MỞ ĐẦU I Lý lựa chọn đề tài II Mục đích nội dung nghiên cứu III Đối tượng phạm vi nghiên cứu IV Cơ sở khoa học V Phương pháp nghiên cứu VI Những đóng góp luận án VII Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Chương TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan chôn lấp chất thải rắn 1.1.1 Các khái niệm liên quan 1.1.2 Hiện trạng chôn lấp chất thải rắn Việt Nam 1.2 Tổng quan khu vực nghiên cứu 10 1.2.1 Điều kiện tự nhiên khu vực bãi chôn lấp Kiêu Kỵ 10 1.2.2 Hoạt động bãi chôn lấp 16 1.3 Tổng quan hình thành chất nhiễm nước rỉ rác 17 1.3.1 Nguồn gốc phát sinh kim loại nặng chất thải rắn 17 1.3.2 Sự hình thành nước rỉ rác 21 iv 1.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến thành phần tính chất nước rỉ rác 22 1.3.4 Lượng phát sinh thành phần nước rỉ rác 25 1.4 Sự ảnh hưởng nước rỉ rác đến môi trường đất nước đất 38 1.4.1 Nguy ô nhiễm từ nước rỉ rác 38 1.4.2 Các tác động kim loại nặng môi trường đất 39 1.5 Tổng quan nghiên cứu lan truyền kim loại nặng từ bãi chôn lấp 42 1.5.1 Các nghiên cứu nước 42 1.5.2 Các nghiên cứu Việt Nam 49 1.6 Lựa chọn hướng nghiên cứu luận án 51 Chương LÝ THUYẾT LAN TRUYỀN Ô NHIỄM VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN NGHIÊN CỨU 52 2.1 Chất ô nhiễm lan truyền đất 52 2.1.1 Nước đất tượng mao dẫn 53 2.1.2 Nước di chuyển xuống trọng lực 54 2.2 Q trình lan truyền chất nhiễm yếu tố ảnh hưởng 55 2.2.1 Lưu lượng dòng thấm 55 2.2.2 Hệ số khuếch tán chất ô nhiễm 56 2.3 Quá trình thấm nước vận chuyển chất ô nhiễm 59 2.3.1 Cơ chế đối lưu theo dòng hút mao dẫn 59 2.3.2 Cơ chế đối lưu theo dòng nước mao dẫn khuếch tán 62 2.4 Các phương pháp nghiên cứu xác định lan truyền ô nhiễm 64 2.4.1 Xác định thành phần tính chất nước rỉ rác 64 2.4.2 Phương pháp xác định thành phần tính chất đất .66 2.4.3 Lời giải giải tích – phương trình vi phân xác định lan truyền nhiễm 68 v 2.4.4 Phương pháp phần tử hữu hạn 70 2.4.5 Ưu điểm phương pháp PTHH 72 2.4.6 Phương pháp xây dựng mơ hình mơ lan truyền chất ô nhiễm không gian 3D 73 Chương KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 78 3.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến lan truyền chất ô nhiễm từ nước rỉ rác phát sinh từ bãi chôn lấp 78 3.1.1 Lượng nước rỉ rác phát sinh theo thời gian – phương pháp cân nước 78 3.1.2 Xây dựng phương pháp mơ hình hóa tính tốn nước rỉ rác 85 3.2 Khảo sát hàm lượng chất ô nhiễm nước rỉ rác bãi chôn lấp Kiêu Kỵ97 3.2.1 Các hợp chất hữu nước rỉ rác 98 3.2.2 Hàm lượng kim loại nặng nước rỉ rác 102 3.2.3 Các chất ô nhiễm khác 104 3.3 Khảo sát ô nhiễm kim loại nặng đất bãi chôn lấp Kiêu Kỵ .109 3.3.1 Đặc điểm mẫu đất lỗ khoan LK4 LK5 109 3.3.2 Kết phân tích mẫu đất 111 3.3.3 Nhận xét kết khảo sát ô nhiễm môi trường đất khu vực bãi chôn lấp 115 3.4 Đánh giá yếu tố ảnh hưởng tới trình lan truyền kim loại nặng từ bãi chôn lấp 116 3.5 Dự báo nồng độ kim loại nặng lan truyền môi trường bãi chôn lấp phương pháp phần tử hữu hạn 117 3.5.1 Các nguy ô nhiễm môi trường đất phát sinh từ bãi chôn lấp chất thải rắn Kiêu Kỵ, Gia Lâm 118 3.5.2 Dự báo đánh giá nồng độ kim loại nặng lan truyền mơ hình 1D 121 3.5.3 Xây dựng phương trình đánh giá lan truyền kim loại nặng với mơ hình 3D 133 vi 3.6 Ý nghĩa mơ hình tính tốn lan truyền KLN từ bãi chơn lấp chất thải rắn 140 KẾT LUẬN 142 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 144 TÀI LIỆU THAM KHẢO 145 PHỤ LỤC PHỤ LỤC 16 vii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt BCL BOD Tiếng Anh Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh hóa BXD COD Tiếng Việt Bãi chơn lấp Bộ Xây dựng Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học CTR Chất thải rắn CTRSH Chất thải rắn sinh hoạt HELP Hydrologic Evaluation of Định lượng thủy văn bãi chôn Landfill Performance KLN lấp Kim loại nặng PTHH Phần tử hữu hạn SWB Serial Water Balance Cân nước nối tiếp TOC Total organic carbon Tổng lượng cacbon hữu US EPA United State Environmental Cơ quan bảo vệ Môi trường VFA WBM Protection Agency Volatile Fatty Acid Hoa kỳ Axit béo dễ bay Water Balance Method Phương pháp cân nước PL5 Lượng mưa Lượng mưa Lượng mưa LỚP 10 LỚP 10 LỚP… LỚP … LỚP LỚP LỚP LỚP LỚP LỚP Nước rò rỉ Nước rò rỉ Năm Năm Lớp che phủ Lượng mưa LỚP Chất thải Lượng mưa LỚP Lượng mưa LỚP LỚP Nước rò rỉ LỚP LỚP LỚP Nước rò rỉ Nước rò rỉ Nước rò rỉ Năm Năm LỚP LỚP Năm LỚP Năm Hình Sơ đồ lớp rác chơn lấp thời gian tính tốn Trong thời gian chơn lấp rác Trong thời gian chôn lấp rác lượng nước mưa xâm nhập đơn vị bề mặt F xác định theo công thức: Ln.mưa = (X-Z)xFx /1000 (tấn/ tháng) (1.5) Trong X: Lượng mưa trung bình tháng (mm) Z: Lượng bốc tháng (mm) F: đơn vị diện tích bề mặt (m ) PL6 : Khối lượng riêng nước 27 C, = 0,997tấn/m F: Diện tích vận hành Thay vào cơng thức ta có: Ln.mưa = (X-Z)x1x0,997/1000 (tấn/tháng)) Diện tích chơn lấp khơng đổi nên lượng nước khơng đổi theo chu kì tương ứng với đổi tuần hoàn lượng nước mưa bay Giá trị thể bảng sau: Bảng Khối lượng nước mưa thời gian vận hành bãi chôn lấp X: Lượng Tháng nước mưa TB tháng(mm) 10 11 12 18 19 34 105 165 266 253 274 243 156 59 20 Z: Lượng p khối lượng bốc TB riêng tháng(mm) nước(tấn/m3) 68.01 63.03 60.4 64 92.9 95.74 90 82.54 88.88 88 83.09 86.47 0.997 0.997 0.997 0.997 0.997 0.997 0.997 0.997 0.997 0.997 0.997 0.997 F:1 đơn Lnmua vị diện ngấm vào tích chôn bm(m2) lấp 1 1 1 1 1 1 -0.0499 -0.0439 -0.0263 0.04071 0.07188 0.16975 0.16206 0.19089 0.15366 0.06756 -0.024 -0.0663 Trong thời gian đóng bãi a Lượng nước mưa xâm nhập vào bãi tính theo cơng thức Gn.mưa = (X-Z-R- Gẩm)xFx /1000 (tấn/tháng) (1.6) Trong đó: R:Lượng nước hình thành dịng chảy mặt (mm) R = xX ( hệ số dòng chảy phụ thuộc vào mặt phủ, chọn 0,25) Gẩm:Độ ẩm thiếu hụt lớp đất phủ (mm) = PL7 Độ thiếu hụt lớp đất phủ phụ thuộc vào khả giữ nước lớp phủ Khả giữ nước lớp đất phủ xác định theo công thức Mn.giữ = (Dchứa - Dchứa giảm) x h (mm) (1.7) Trong đó: Mn.giữ: Lượng nước giữ lại lớp đất phủ(mm) Dchứa : Hệ số dung tích chứa Dchứa giảm : Hệ số chứa giảm dần theo thời gian h: Độ cao lớp phủ (m) Lấy h = 0,8m Nếu dùng lớp phủ lớp đất sét pha, độ dốc lớp phủ 1,5% D chứa =31%; Dchứa giảm = 15% Thay số ta có: Mn.giữ = (0,31-0,15)x0,8 = 0,128m = 128mm Với độ ẩm chứa lớp đất phủ vào khoảng 60% dung tích chứa ta có độ thiếu hụt với lớp phủ là: Gẩm = (Dchứax0,6 - Dchứa giảm) xh = (0,31x0,6-0,15)x0,15 = 0,0288m Bảng Lượng nước mưa thấm vào ô thời gian đóng chơn lấp X: Lượng nước mưa Tháng TB (1) tháng(mm) (2) 10 11 12 18 19 34 105 165 266 253 274 243 156 59 20 Z: Lượng bốc TB tháng(mm) (3) 68,01 63,03 60,4 64,165 92,9 95,74 90,455 82,54 88,88 88,235 83,09 86,47 R: Lượng nước hình thành dịng chảy mặt (mm) (4) 4,5 4,75 8,5 26,25 41,25 66,5 63,25 68,5 60,75 39 14,75 Cột số 4(dòng chảy mặt): (4) = 0,25x(2) ∆G ẩm : Lượng ẩm (5) -54,51 -48,78 -34,9 14,59 30,85 103,76 99,3 122,96 93,37 28,77 -38,84 -71,47 độ ẩm thiếu hụt lớp đất phủ(mm) (6) Lượng nước thấm qua(mm) (7) Gnmua thời gian chơn lấp đóng(tấn) (8) -28,8 -77,58 -112,48 -97,89 -67,04 0 0 -38,84 -110,31 0 0 99,3 122,96 93,37 28,77 -38,84 0 0 0 0,0990021 0,12259112 0,09308989 0,02868369 -0,03872348 0 PL8 Cột số (Lượng ẩm) : (5) = (2) - (3) - (4) Cột số (Hao hụt ẩm lớp phủ) - Đối với tháng kể từ bãi chơn lấp đóng cửa lượng ẩm 0 hao hụt ẩm (6) 0,