Nghiên cứu sự hình thành và phát tán Hydrosunfua từ sông Tô Lịch

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _______________________ Nguyễn Hữu Huấn NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TÁN HYĐROSUNFUA TỪ SÔNG TÔ LỊ CH LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: Hà Nội - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN _______________________ Nguyễn Hữu Huấn NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TÁN HYĐROSUNFUA TỪ SÔNG TÔ LỊ CH Chuyên ngành: Môi trường đất và nước Mã số: 62 85 02 05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TSKH. Nguyễn Xuân Hải 2. PGS. TS. Trần Yêm Hà Nội - 2015 ! LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của tập thể cán bộ hướng dẫn. Các kết quả nghiên cứu trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào khác. Các trích dẫn sử dụng trong luận án đã ghi rõ tên tài liệ u tham khảo và tác giả của tài liệu đó. Tác giả luận án Nguyễn Hữu Huấn ! LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án này, tác giả đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của PGS.TSKH. Nguyễn Xuân Hải, và PGS.TS. Trần Yêm, những người Thầy đã trực tiếp hướ ng dẫn và chỉ dẫn những định hướng nghiên cứu, kiến thức chuyên môn, và hơn hết là truyền cho tác giả lòng đam mê khoa học và tinh thần tự giác trong học tập nghiên cứu. Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc về sự giúp đỡ quý báu này với các Thầy, những ngườ i đã hết lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tác giả học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn tới các Thầy, Cô và tập thể cán bộ trong Khoa Môi trường, Phòng Sau Đại học, Trường ĐHKHTN, ĐHQG Hà Nội đã đóng góp những ý kiến chân thành, bổ ích giúp tác giả nghiên cứu và hoàn thành luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến tập thể cán bộ Phòng thí nghiệm Nông nghiệp số 18, Viện Nước, Tưới tiêu và Môi Trường, và Trung tâm Nghiên cứu Quan trắc và Mô hình hóa Môi trường, Trường ĐHKHTN, ĐHQG Hà Nội đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả có thể hoàn thiện luận án này. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới lãnh đạo các cơ quan nơi tác giả công tác, đồng nghiệp tại Công ty Cổ phần tư vấn xây dựng điện 1, và Viện Nước, Tưới tiêu & Môi trường đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận án này. Cuối cùng, tác giả xin gửi lờ i cảm ơn tới những người thân yêu trong gia đình, đã luôn ở bên cạnh và động viên tác giả cả về vật chất và tinh thần để tác giả vững tâm hoàn thành luận án của mình. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc về tất cả sự giúp đỡ quý báu này! Tác giả luận án Nguyễn Hữu Huấn 1 MỤC LỤC LỜICAMĐOAN LỜICÁMƠN MỤC LỤC 1 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 5 DANH MỤC CÁC BẢNG 6 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ,ĐỒ THỊ 8 MỞ ĐẦU 12 1. Sự cần thiết nghiên cứu của luận án 12 2.Ýnghĩakhoahọc và thực tiễn của luận án 14 3. Mục tiêu nghiên cứu 15 4. Nhữngđónggópmới của luận án 15 Chương1:TỔNG QUAN TÀI LIỆU 17 1.1. Chu trình sunfua 17 1.1.1. Nguồn phát sinh sunfua 17 1.1.2. Các dạngsunfuatrongmôitrườngnước 19 1.2. Tính chất lý, hóa học của H 2 S 20 1.2.1. Tính chất lý, hóa học của H 2 S, SO 2 và VOSC 20 1.2.2. Quá trình ô xy hóa sunfua 22 1.2.3. Quá trình kết tủa sunfua 24 1.3.Tácđộngmôitrường của khí H 2 S 26 1.3.1.Độc tính của khí H 2 S 26 1.3.2.Quátrìnhănmòncónguồn gốc sinh học trong HTTN 28 1.3.3.Ănmònkimloại và vật liệu sơntrongkhôngkhícóH 2 S 33 1.4. Quá trình hình thành sunfua và các yếu tố ảnhhưởngđến quá trình này trong HTTN thải 34 1.4.1. Quá trình hình thành sunfua trong HTTN thải 34 1.4.2. Các yếu tố ảnhhưởngđến sự hình thành sunfua trong HTTN thải 38 1.4.2.1. Thế ô xy hóa khử 38 2 1.4.2.2. Nhiệtđộ 40 1.4.2.3. Chất hữucơ 41 1.4.2.4. pH 41 1.4.2.5.Hàmlượng sunfat 42 1.4.3. Mô hình dự báo sự hình thành sunfua trong HTTN thải 42 1.5. Quá trình phát tán H 2 S trong HTTN thải 46 1.5.1. Tiếp cận lý thuyết 46 1.5.2. Mô hình tiếp cận dựa trên lý thuyết màng kép 46 1.5.3. Phát thải H 2 S từ đất ngậpnước 49 1.6. Các biện pháp xử lý ô nhiễm H 2 S trong HTTN thải 50 1.6.1. Quá trình chuyểnhóalưuhuỳnhtrongnước thải 50 1.6.2. Các biện pháp xử lý 51 Chương2:ĐỐITƯỢNG, NỘIDUNGVÀPHƯƠNGPHÁPNGHIÊN CỨU 54 2.1.Đốitượng nghiên cứu 54 2.1.1. Hệ thốngthoátnước thải trung tâm TPHN 54 2.1.2.Cáchướngthoátnướcchínhlưuvực sông Tô Lịch 56 2.1.3.Kênhthoátnước cấp I 56 2.1.4. Phạm vi nghiên cứu 59 2.2.Phươngphápnghiêncứu 60 2.2.1.Phươngphápthực hiện 60 2.2.2.Phươngpháplấy mẫu và bảo quản mẫu 61 2.2.3.Phươngphápphântíchcácmẫunước, trầm tích và không khí 66 2.2.4.Phươngphápphântíchdự báo phát thải H 2 S 67 2.2.5.Phươngphápđánhgiáchỉ số ô nhiễmmôitrườngnước mặt 68 2.2.6.Phươngpháptínhhệ số trầm tích 69 2.2.7. Mô hình METI-LIS 69 2.2.7.1.Môhìnhcơsở Gauss 69 2.2.7.2. Mô hình METI-LIS và hiệu chỉnh mô hình 70 3 2.2.8. Thờigianvàđiều kiệnkhítượng thờiđiểm lấy mẫu 72 Chương3:KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 74 3.1. Hiện trạng HTTN thải TPHN 74 3.2. Chấtlượng trầmtíchvànước sông Tô Lịch 77 3.2.1. Chấtlượng trầm tích trên sông Tô Lịch 77 3.2.2. Chấtlượngnước trên sông Tô Lịch 79 3.3. Biếnđộng một số tính chất hóa-lý trong trầmtíchvànước sông Tô Lịch 86 3.3.1.Động thái Eh trong trầmtíchvànước sông Tô Lịch 86 3.3.2.Động thái pH trong trầm tích vànước sông Tô Lịch 92 3.3.3.Động thái sunfua và H 2 Strongnước sông Tô Lịch 95 3.4. Một số yếu tố ảnhhưởngđến sự hìnhthànhsunfuatrongnước sông Tô Lịch 97 3.4.1. Quan hệ giữahàmlượng sunfua và Eh 97 3.4.2. Quan hệ giữa Lg[S]/[SO 4 ] và Eh 99 3.4.3. Quan hệ giữahàmlượng sunfua và sunfat 101 3.4.4. Quan hệ giữahàmlượng sunfua và pH 104 3.4.5. Quan hệ giữahàmlượng sunfua và ion kim loại 105 3.4.6. Quan hệ giữahàmlượng sunfua và COD, BOD 5 106 3.4.7. Quan hệ giữahàmlượng sunfua và nhiệtđộ 107 3.4.8. Quan hệ giữahàmlượng sunfua và DO 109 3.5. Mô hình dự báo khả nănghìnhthànhsunfuatrênsôngTôLịch 112 3.6. Phát thải H 2 S trên sông Tô Lịch 115 3.6.1. Kiểmđịnh mô hình phát thải H 2 S 115 3.6.2. Thời gian tồnlưucủa H 2 Strongmôitrườngnước và không khí 118 3.7. Kiểmđịnh mô hình lan truyền khí H 2 S 119 3.7.1. Kết quả quan trắchàmlượng H 2 S trong không khí 119 3.7.2. Tỷ lệ phát thải H 2 S từ nước sông Tô Lịch 119 3.7.3. Kiểmđịnh mô hình METI-LIS 120 4 3.7.4. Áp dụng mô hình METI-LIS cho sông Tô Lịch 123 3.8.Cơ sở khoa học và giải pháp kỹ thuật giảm thiểu ô nhiễm H 2 S từ nước sông Tô Lịch 125 3.8.1.Cơsở khoa học 125 3.8.2.Đề xuất giải pháp kỹ thuật giảm thiểu ô nhiễm H 2 S từ sông Tô Lịch 126 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 128 Kết luận 128 Kiến nghị 129 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUANĐẾN LUẬN ÁN 130 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT 131 TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG ANH 133 PHỤ LỤC 150 5 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TT Từ viết tắt Ýnghĩa 1 BOD Nhu cầu ô xy sinh hóa 2 CHC Chất hữucơ 3 COD Nhu cầu ô xy hóa học 4 DO Ô xy hòa tan 5 Eh Thế ô xy hóa khử 6 HTTN Hệ thốngthoátnước 7 KLN Kim loại nặng 8 KPT Không phân tích 9 KTT Khu tiêu thoát 10 MIC Ănmònbêtôngcónguồn gốc sinh học 11 MPB Vi sinh vật sinh khí mê tan 12 NTBV Nước thải bệnh viện 13 NTCN Nước thải công nghiệp 14 NTDV Nước thải kinh doanh dịch vụ 15 NTSH Nước thải sinh hoạt 16 NTSX Nước thải sản xuất (tính bằng NTCN + NTDV) 17 SBOD Nhu cầu ô xy sinh hóa của trầm tích 18 SCOD Nhu cầu ô xy hóa học của trầm tích 19 SOB Vi sinh vật ô xy hóa sunfua 20 SOD Nhu cầu ô xy của trầm tích 21 SRB Vi sinh vật khử sunfat 22 TSS Chất rắnlơlửng 23 TPHN Thành phố Hà Nội 24 VOSC Chất hữucơbayhơichứalưuhuỳnh 25 VSV Vi sinh vật 26 WQI Chỉ số chấtlượngnước 6 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng1.1.Ước tính về nguồn khí H 2 S trên thế giới 17 Bảng 1.2. Thời gian tồnlưutrongkhôngkhícủa một số loại khí (ngày) 19 Bảng 1.3. So sánh tính chất vật lý và hóa của H 2 S, SO 2 và VOSC. 21 Bảng 1.4. Mứcđộ độc tiềmnăngcủa một số chấtđộc hạiquyđổitương đươnghợp chất para-Diclorobenzen 26 Bảng 1.5. Tốcđộ ănmònbêtôngdoMICgâyra 33 Bảng 1.6. Khoảng giá trị Eh thích hợpđể sinh khí H 2 S và CH 4 do VSV trong HTTN thải 39 Bảng 1.7. Một số công thức dự báo sự hình thành sunfua 44 Bảng 1.8. Mức phát thải của H 2 S từ một số nguồn khác nhau 50 Bảng 2.1. Thông tin chính về các con sông khu vực trung tâm TPHN 54 Bảng 2.2. Vị trí lấy mẫunước, trầm tích và quan trắc tỷ lệ phát thải khí H 2 S trên sông Tô Lịch 62 Bảng 2.3. Vị trí lấy mẫu khí H 2 S khu vựcĐập Thanh Liệt 62 Bảng2.4.Cácphươngphápphântíchchấtlượngnước 66 Bảng2.5.Cácphươngphápphântíchchấtlượng trầm tích, và không khí 67 Bảng 2.6. Các thông số áp dụng tính tỷ lệ phát thải khí H 2 S 68 Bảng2.7.Thôngtinchungcácđợt lấy mẫumôitrường 72 Bảng3.1.Lưulượng xả nước thải (m 3 /ngày) khu vực trung tâm TPHN 74 Bảng 3.2. Phân vùng các tiểuKTTnước dọc theo sông Tô Lịch 77 Bảng 3.3. Một số thông số chấtlượng trầm tích sông Tô Lịch 78 Bảng 3.4. Hàm lượng và thảilượng một số chất ô nhiễm xả vào sông Tô Lịch 81 Bảng 3.5. Thảilượng một số chất ô nhiễm ở trầmtíchvànước sông Tô Lịch 82 Bảng 3.6. Chỉ số WQI củanước sông Tô Lịchgiaiđoạn 2009 ÷ 2013 82 Bảng 3.7. Giá trị chỉ số WQI trên sông Tô Lịchgiaiđoạn2003đến 2013 85 Bảng 3.8. Giá trị Ehtrongnước và trầm tích trên sông Tô Lịch 86 [...]... sông Tô Lịch mùa mưa 106 Hình 3.30 Quan hệ sunfua, COD và BOD5 trên sông Tô Lịch  mùa  mưa 108 Hình 3.31 Quan hệ sunfua, COD và BOD5 trên sông Tô Lịch mùa khô 108 Hình 3.32 Quan hệ sunfua và nhiệt  độ trong  nước tầng mặt trên sông Tô Lịch 109 Hình 3.33 Giá trị sunfua và DO theo mùa 110 Hình 3.34 Quan hệ hàm  lượng sunfua và DO trên sông Tô Lịch (n=32) 111 Hình 3.35 Quan hệ giữa khả năng hình thành. .. các tầng nước và trầm tích sông Tô Lịch 93! Hình 3.17 Quan hệ giữa pH và tỷ lệ tiêu thoát nước mưa trên sông Tô Lịch 94! Hình 3.18 Quan hệ giữa pH và tỷ lệ thải NTSH trên sông Tô Lịch 94! Hình 3.19 Quan hệ H2S trong nước và tỷ lệ tiêu thoát NTSH trên sông Tô Lịch (2009÷2013) 96! Hình 3.20 So sánh hàm lượng H2S (mg/L) trong nước sông Tô Lịch giai đoạn từ 1999÷2000 đến 2009÷2013 97! 9 ! Hình 3.21 Diễn... Hình 3.25 Diễn biến   hàm  lượng  sunfua và  sunfat  theo  mùa  trong   nước tầng mặt trên sông Tô Lịch 103 Hình 3.26 Quan hệ giữa   hàm   lượng sunfua và sunfat trong tầng   nước mặt trên sông Tô Lịch 103 Hình 3.27 Diễn biến sunfua và pH trên sông Tô Lịch 104 Hình 3.28 Diễn biến  hàm  lượng sunfua và Fe, As trên sông Tô Lịch mùa khô 106 Hình 3.29 Diễn biến  hàm  lượng sunfua và Fe, As trên sông Tô. .. trên sông Tô Lịch 102! Bảng 3.15 Động thái sunfua và pH trong nước sông Tô Lịch 104! Bảng 3.16 Hàm lượng sunfua, Fe, và As trong nước tầng mặt sông Tô Lịch 105! Bảng 3.17 Hàm lượng sunfua và giá trị COD, BOD5 trong nước tầng mặt trên sông Tô Lịch 107! Bảng 3.18 Hàm lượng sunfua và nhiệt độ trong nước sông Tô Lịch 109! Bảng 3.19 Quan hệ giữa sunfua và DO 110! Bảng 3.20 Tỷ lệ phát thải H2S từ nước sông Tô. .. chứng   các   mô   hình   toán   liên   quan   đến phát thải và lan truyền, khuếch tán các chất khí từ môi  trường  đất và  đất ngập  nước vào trong không khí ở Việt Nam 3 Mục tiêu nghiên cứu Đánh  giá  hiện trạng chất  lượng  nước sông Tô Lịch; Đánh  giá sự hình thành và phát tán H2S từ sông Tô Lịch; Đề xuất giải pháp kỹ thuật giảm thiểu ô nhiễm khí H2S từ nước thải trên hệ thống sông  thoát  nước... nước tầng mặt và nước tầng đáy trên sông Tô Lịch 87! Hình 3.11 Diễn biến Eh tầng nước mặt dọc theo sông Tô Lịch 88! Hình 3.12 Diễn biến Eh tầng nước mặt theo tỷ lệ tiêu thoát nước mưa trên sông Tô Lịch 89! Hình 3.13 Diễn biến Eh tầng nước mặt theo tỷ lệ tiêu thoát NTSH trên sông Tô Lịch 89! Hình 3.14 Quan hệ Eh và nồng độ sunfua 91! Hình 3.15 Giá trị pH tầng mặt nước sông Tô Lịch 93! Hình 3.16 Giá... trong trầm tích sông Tô Lịch 80! Hình 3.5 Tỷ lệ đóng góp thải lượng một số chất ô nhiễm theo nguồn thải vào sông Tô Lịch 81! Hình 3.6 Tỷ lệ đóng góp của các thông số hóa-lý và VSV trong chỉ số WQI 83! Hình 3.7 Diễn biến WQI nước sông Tô Lịch 2009 ÷ 2013 84! Hình 3.8 Quan hệ giữa WQI và tỷ lệ tiêu thoát NTSH trên sông Tô Lịch 85! Hình 3.9 So sánh chỉ số WQI giai đoạn 2003 đến 2013 85! Hình 3.10 Giá trị...  sunfua và  Eh  trong  nước tầng mặt trên sông Tô Lịch 97 Hình 3.22 Quan hệ giữa  Eh và  hàm  lượng sunfua của  nước tầng mặt trên sông Tô Lịch  trong  mùa  mưa  (a) và  mùa  khô  (b) 99 Hình 3.23 Quan hệ giữa Eh với Lg[S]/[SO4] trong tầng   nước mặt trên sông Tô Lịch  theo  mùa  mưa  (a) và  mùa  khô  (b) 100 Hình 3.24 Quan hệ giữa Eh với Lg[S]/[SO4] trong tầng   nước   đáy   trên   sông Tô Lịch vào... sông Tô Lịch 116! Bảng 3.21 So sánh mức phát thải của H2S trong nước sông Tô Lịch với các nghiên cứu trước đây 116! Bảng 3.22 Kết quả quan trắc và dự báo bằng mô hình METI-LIS 119! Bảng 3.23 Tỷ lệ phát thải khí H2S (RH2S) từ sông Tô Lịch 120! Bảng 3.24 Kết quả quan trắc và dự báo bằng mô hình METI-LIS 123! 7 ! DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ,  ĐỒ THỊ Hình  1.1  Sơ  đồ chuyển hoá sunfua trong HTTN thải 18 Hình  1.2... thải khí 64 Hình 2.7 Thiết kế hộp lấy mẫu  đánh  giá  mức phát thải H2S 65 Hình 2.8 Lấy mẫu quan trắc tỷ lệ phát thải H2S trên sông Tô Lịch 66 Hình 3.1 Tỷ lệ xả NTSH của khu vực trung tâm TPHN vào các KTT 75 8 Hình 3.2 Tỷ lệ các loại nước thải của khu vực trung tâm TPHN 76! Hình 3.3 So sánh thành phần cấp hạt trầm tích sông Tô Lịch (2005 ÷ 2012) 79! Hình 3.4 Tổng lượng trầm tích lắng đọng và thải lượng . tầng nước và trầm tích sông Tô Lịch 93! Hình 3.17. Quan hệ giữa pH và tỷ lệ tiêu thoát nước mưa trên sông Tô Lịch 94! Hình 3.18. Quan hệ giữa pH và tỷ lệ thải NTSH trên sông Tô Lịch 94! Hình 3.19 mặt trên sông Tô Lịch 103 Hình 3.26. Quan hệ giữahàm lượng sunfua và sunfat trong tầng nước mặt trên sông Tô Lịch 103 Hình 3.27. Diễn biến sunfua và pH trên sông Tô Lịch 104 Hình 3.28 sunfua và Fe, As trên sông Tô Lịch mùa khô 106 Hình 3.29. Diễn biếnhàmlượng sunfua và Fe, As trên sông Tô Lịch mùa mưa 106 Hình 3.30. Quan hệ sunfua, COD và BOD 5 trên sông Tô Lịch mùamưa