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

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 tơi nghiên cứu thực Các kết quả, số liệu luận án hoàn toàn trung thực chưa công bố cơng 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 suốt 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 Tơi xin chân thành cảm ơn thầy, nhà khoa học, chuyên gia có ý kiến đóng góp cho luận án q 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 Hồng 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 ô 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 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 ô 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 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 Kỵ 97 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 chôn lấp chất thải rắn 140 KẾT LUẬN 142 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 144 TÀI LIỆU THAM KHẢO 145 PHỤ LỤC PHỤ LỤC 16 vii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh BCL BOD Bãi chôn lấp Biochemical Oxygen Demand BXD COD Tiếng Việt Nhu cầu oxy sinh hóa 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 Landfill Performance Định lượng thủy văn bãi chôn lấp KLN 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 Protection Agency Cơ quan bảo vệ Môi trường Hoa kỳ VFA Volatile Fatty Acid Axit béo dễ bay WBM Water Balance Method Phương pháp cân nước viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Tổng hợp khối lượng, số lượng bãi chôn lấp CTR Việt Nam Bảng 1.2 Mô tả đặc điểm lớp đất khu vực bãi chôn lấp chất thải rắn Kiêu Kỵ 11 Bảng 1.3 Chú giải - Các tầng chứa nước 14 Bảng 1.4 Độ ẩm, lượng mưa lượng bốc trung bình 15 Bảng 1.5 Hàm lượng kim loại nặng rác thải 19 Bảng 1.6 Hàm lượng chất ô nhiễm nước rỉ rác theo thời gian 22 Bảng 1.7 Tóm tắt so sánh phương pháp tính tốn nước rỉ rác 28 Bảng 1.8 Thành phần nước rỉ rác với khoảng giá trị nồng độ 30 Bảng 1.9 Nồng độ kim loại nặng nước rỉ rác nước phát triển 32 Bảng 1.10 Hàm lượng kim loại nặng nước rỉ rác 34 Bảng 1.11 Thành phần nước rỉ rác số BCL Châu Mỹ Châu Âu 35 Bảng 1.12 Thành phần nước rỉ rác số BCL Châu Á 37 Bảng 1.13 Thành phần nước rỉ rác số BCL Châu Phi 38 Bảng 1.14 Khả linh động số nguyên tố kim loại nặng đất 40 Bảng 2.1 Hệ số thấm thành phần đất 55 Bảng 2.2 Chất ô nhiễm hệ số khuếch tán đất 57 Bảng 3.1 Thành phần chất thải rắn sinh hoạt huyện Gia Lâm 81 Bảng 3.2 Tính tốn nước rỉ rác phát sinh theo thời gian 83 Bảng 3.3 Mối quan hệ lớp che phủ ô chôn lấp xâm nhập nước mưa 89 Bảng 3.4 Tỷ trọng rác sau đầm nén 95 Bảng 3.5 Hàm lượng chất ô nhiễm hữu nước rỉ rác bãi chôn lấp Kiêu Kỵ từ 2008-2017 99 Bảng 3.6 Kết phân tích mẫu kim loại nặng nước rỉ rác 103 Bảng 3.7 Hàm lượng Nitơ nước rỉ rác bãi chôn lấp Kiêu Kỵ từ 2008-2017 104 Bảng 3.8 Hàm lượng tổng P, tổng Coliform, dầu mỡ nước rỉ rác bãi chôn lấp Kiêu Kỵ từ 2008-2017 107 Bảng 3.9 Mô tả mẫu đất khoan lỗ khoan L4 L5 110 Bảng 3.10 Hàm lượng kim loại nặng mẫu đất lỗ khoan L4 L5 112 ix DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu tạo chơn lấp chất thải Hình 1.2 Vị trí bãi chơn lấp Kiêu Kỵ, Gia Lâm, Hà nội 10 Hình 1.3 Cấu tạo địa chất khu vực bãi chôn lấp Kiêu Kỵ 12 Hình 1.4 Bản đồ địa chất thủy văn khu vực nghiên cứu 12 Hình 1.5 Mặt cắt địa chất thủy văn tuyến 93-93' 13 Hình 1.6 Mặt cắt địa chất thủy văn tuyến 103-103' 13 Hình 1.7 Nguồn gốc hình thành kim loại nặng chất thải rắn 18 Hình 1.8 Các yếu tố ảnh hưởng tới thành phần tính chất nước rỉ rác 23 Hình 1.9 Đồ thị biểu diễn lượng nước rỉ rác phát sinh theo thời gian 26 Hình 2.1 Chất nhiễm lan truyền đất 52 Hình 2.2 Quá trình lan truyền yếu tố ảnh hưởng 58 Hình 2.3 Vị trí lấy mẫu đất nước rỉ rác 66 Hình 2.4 Trường gradient hàm nồng độ C (x, y, z, t) hệ tọa độ Oxyz 73 Hình 2.5 Sơ đồ nghiên cứu xây dựng mơ hình dự báo lan truyền KLN đất 76 Hình 3.1 Sơ đồ tổng quát cân nước ô chôn lấp 79 Hình 3.2 Sự biến thiên nước rỉ rác ô 9AB theo thời gian 85 Hình 3.3 Sơ đồ mơ tả dịng nước chơn lấp 87 Hình 3.4 Kết cấu ô chôn lấp rác theo chiều dọc 90 Hình 3.5 Kết cấu lớp che phủ cuối 91 Hình 3.6 Sự biến đổi lượng nước rác chôn lấp 93 Hình 3.7 Sự biến thiên hàm lượng BOD5 theo thời gian 99 Hình 3.8 Sự biến thiên hàm lượng COD theo thời gian 100 Hình 3.9 Sự biến thiên tỉ lệ BOD/COD theo thời gian 100 Hình 3.10 Sự biến thiên pH theo thời gian 101 Hình 3.11 Nồng độ kim loại nặng nước rỉ rác bãi chôn lấp Kiêu Kỵ 103 Hình 3.12 Sự biến thiên amoni theo thời gian 105 Hình 3.13 Sự biến thiên Nitrat theo thời gian 105 Hình 3.14 Sự biến thiên Nitrit theo thời gian 106 Hình 3.15 Sự biến thiên tổng Nitơ theo thời gian 106 x Hình 3.16 Sự biến thiên hàm lượng tổng P theo thời gian 107 Hình 3.17 Sự biến thiên hàm lượng Coliform theo thời gian 108 Hình 3.18 Sự biến thiên dầu mỡ theo thời gian 108 Hình 3.19 Vị trí bãi chơn lấp vị trí khoan lấy mẫu 109 Hình 3.20 Khoan mẫu bãi chôn lấp Kiêu Kỵ tháng 4.2016 110 Hình 3.21 Mẫu đất khoan bãi chôn lấp Kiêu Kỵ 111 Hình 3.22 Sự biến thiên hàm lượng As theo độ sâu lỗ khoan L4 L5 113 Hình 3.23 Sự biến thiên hàm lượng Cr theo độ sâu lỗ khoan L4 L5 113 Hình 3.24 Sự biến thiên hàm lượng Cu theo độ sâu lỗ khoan L4 L5 114 Hình 3.25 Sự biến thiên hàm lượng Pb theo độ sâu lỗ khoan L4 L5 114 Hình 3.26 Sự biến thiên hàm lượng Zn theo độ sâu lỗ khoan L4 L5 115 Hình 3.27 Sơ đồ hạng mục cơng trình xử lý chất thải rắn Kiêu Kỵ 122 Hình 3.28 Mặt cắt lớp đất qua lỗ khoan K2-K5-K3 122 Hình 3.29 Các miền mơ hình tính tốn lan truyền kim loại nặng 124 Hình 3.30 Hàm lượng Cd lan truyền nước theo thời gian 126 Hình 3.31 Kết lan truyền KLN nước MH1 với R=1 127 Hình 3.32 Kết lan truyền kim loại nặng As Cd nước MH2 với R=1 128 Hình 3.33 Kết lan truyền kim nặng As Cd nước MH3 với R=1 129 Hình 3.34 Kết lan truyền As Cd MH3 có hấp phụ kim loại nặng 130 Hình 3.35 Hàm lượng As nước với R=1 R=2 131 Hình 3.36 Đường cong phân bố hàm lượng Cd với hệ số R khác 131 Hình 3.37 Phân bố nồng độ As tháng thứ 10 theo phương X Z 137 Hình 3.38 (a) Sự thay đổi nồng độ asen theo Z t (b) Sự thay đổi nồng độ asen theo X t (ở độ sâu Z = 2,0 m) 138 PL5 Lượng mưa Lượng mưa Lượng mưa LỚP 10 LỚP 10 LỚP… LỚP … LỚP LỚP Lớp che phủ Lượng mưa LỚP Chất thải Lượng mưa LỚP LỚP Lượng mưa LỚP LỚP LỚP LỚP LỚP LỚP LỚP LỚP LỚP LỚP LỚP Nước rò rỉ Năm Nước rò rỉ Năm Nước rò rỉ Năm Nước rò rỉ Năm Nước rò rỉ Năm Nước rò rỉ Năm Hình Sơ đồ lớp rác chơn lấp thời gian tính tốn Trong thời gian chôn 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 (m2) PL6 : Khối lượng riêng nước 270C,  = 0,997tấn/m3 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 Tháng 10 11 12 X: Lượng F:1 đơn Z: Lượng p khối lượng nước mưa vị diện bốc TB riêng TB tích tháng(mm) nước(tấn/m3) tháng(mm) bm(m2) 18 19 34 105 165 266 253 274 243 156 59 20 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 1 1 1 1 1 1 Lnmua ngấm vào ô chôn lấp -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% Dchứa =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 thời gian đóng chôn lấp X: Lượng Z: Lượng nước mưa Tháng bốc TB TB (1) tháng(mm) tháng(mm) (3) (2) 10 11 12 18 19 34 105 165 266 253 274 243 156 59 20 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) 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 ∆G ẩm : độ ẩm Lượng thiếu hụt nước lớp thấm đất qua(mm) phủ(mm) (7) (6) -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 Gnmua thời gian chơn lấp đóng(tấn) (8) 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,