Nghiên cứu xây dựng mô hình đánh giá khả năng tự làm sạch của nước sông, ứng dụng cho sông nhuệ đoạn chảy qua thành phố hà nội

Nghiên cứu khả năng tự làm sạch của nguồn nước là một trong những cơ sở khoa học để đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm, từ đó đưa ra các biện pháp phù hợp nhằm kiểm soát và xử lý ô

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Đỗ Thị Hiền

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TỰ LÀM SẠCH CỦA NƯỚC SÔNG, ỨNG DỤNG CHO SÔNG NHUỆ

ĐOẠN CHẢY QUA THÀNH PHỐ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội, 2016

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Đỗ Thị Hiền

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TỰ LÀM SẠCH CỦA NƯỚC SÔNG, ỨNG DỤNG CHO SÔNG NHUỆ

ĐOẠN CHẢY QUA THÀNH PHỐ HÀ NỘI

Chuyên ngành: Hóa môi trường

Mã số: 60440120

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS Lê Thị Trinh PGS.TS Trần Hồng Côn

Hà Nội, 2016

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Trần Hồng Côn đã tin tưởng giao đề tài và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu làm luận văn

Em xin được gửi lời biết ơn sâu sắc tới cô giáo TS Lê Thị Trinh, Khoa Môi trường, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội Cô đã tận tình giúp

đỡ, dạy bảo và hướng dẫn em trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn

Em cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô giáo là cán bộ quản

lý tại Phòng thí nghiệm Khoa Môi trường, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình

Đồng thời em xin gửi lời cám ơn đến các thầy, cô giáo trong Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, người thân trong gia đình, bạn bè

và các anh, chị đồng nghiệp đã truyền đạt kiến thức, giúp đỡ và ủng hộ em trong suốt thời gian qua

Em xin chân thành cảm ơn!

Học viên cao học

Đỗ Thị Hiền

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 3

1.1 Khả năng tự làm sạch của nguồn nước 3

1.1.1 Giới thiệu chung về khả năng tự làm sạch của nguồn nước 3

1.1.2 Các quá trình xảy ra khi nước tự làm sạch 3

1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tự làm sạch của nguồn nước 7

1.2 Khả năng tiếp nhận chất thải của nguồn nước 16

1.2.1 Khái niệm khả năng tiếp nhận chất thải của nguồn nước 16

1.2.2 Các yếu tố tác động đến khả năng tiếp nhận chất thải của nguồn nước 17

1.3 Tổng quan về phương pháp, mô hình đánh giá khả năng tự làm sạch và khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm của nguồn nước 17

1.3.1 Đánh giá khả năng tự làm sạch của nguồn nước dựa trên khoảng cách từ nguồn thải 17

1.3.2 Đánh giá khả năng tự làm sạch của nguồn nước dựa trên tải lượng chất ô nhiễm 18

1.3.3 Đánh giá khả năng tự làm sạch của nguồn nước bằng phương pháp mô hình hóa 19

1.3.4 Đánh giá khả năng tiếp nhận chất thải của nguồn nước theo thông tư số 02/2009/TT-BTNMT 20

1.3 Tổng quan về sông Nhuệ 23

1.3.1 Giới thiệu chung về sông Nhuệ 23

1.3.2 Hiện trạng chất lượng nước sông Nhuệ 25

CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 28

2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 28

2.2 Cách tiếp cận 28

2.3 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 28

2.3.1 Mục tiêu nghiên cứu 28

2.3.2 Nội dung nghiên cứu 29

2.4 Phương pháp nghiên cứu 29

2.5 Thực nghiệm 29

2.5.2 Xây dựng mô hình nghiên cứu 33

2.5.3 Đánh giá khả năng tự làm sạch của nước sông trong mô hình 35

2.5.4 Đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm của nước sông Nhuệ bằng mô hình 36

2.5.6 Phương pháp phân tích các thông số chất lượng nước 40

CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 42

3.1 Kết quả đánh giá chất lượng nước sông Nhuệ và khảo sát quá trình tự làm sạch theo khoảng cách từ nguồn thải 42

3.2.1 Kết quả đo nhanh các thông số nhiệt độ, pH, DO trong mô hình 44

3.2.2 Đánh giá khả năng tự làm sạch đối với các thông số 47

3.3 Kết quả đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm của nước sông Nhuệ trong mô hình 54

3.3.1 Khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm a = Lls/2 55

3.3.2 Khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm a = Lls 56

3.3.3 Khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm a = 2Lls 58

3.3.4 Khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm a = 10Lls 59

3.3.5 Khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm a = 50Lls 60

3.3.6 Khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm a = 100Lls 61

KẾT LUẬN 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

PHỤ LỤC 69

DANH MỤC BẢNG

Trang

Bảng 2.1 Các vị trí lấy mẫu khảo sát 30

Bảng 2.2 Mô tả các điều kiện lấy mẫu khảo sát chất lượng nước sông Nhuệ 32

Bảng 2.3 Ký hiệu các vị trí lấy mẫu tại mô hình 34

Bảng 2.4 Thiết bị đo đạc các thông số đo nhanh 40

Bảng 2.5 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu trong Phòng thí nghiệm 41

Bảng 3.1 Kết quả phân tích chất lượng nước sông Nhuệ 42

Bảng 3.2 Khả năng tự làm sạch của sông Nhuệ trên một đơn vị chiều dài qua 4 đợt quan trắc 43

Bảng 3.3 Kết quả phân tích COD 47

Bảng 3.4.Tốc độ tự làm sạch của nước sông đối với thông số COD 49

Bảng 3.5 Kết quả phân tích hàm lượng NH4+ 49

Bảng 3.6 Tốc độ tự làm sạch của nước sông đối với thông số NH4+ 51

Bảng 3.7 Kết quả phân tích hàm lượng NO3- 51

Bảng 3.8 Kết quả phân tích hàm lượng tổng P 53

Bảng 3.9 Tốc độ tự làm sạch của nước sông đối với thông số tổng P 54

Bảng 3.10 Kết quả đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm a = Lls/2 55

Bảng 3.11 Kết quả đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm a = Lls 56

Bảng 3.12 Khả năng tiếp nhận của nước sông khi giá trị thêm a = Lls 57

Bảng 3.13 Kết quả đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm 2Lls 59

Bảng 3.14 Kết quả đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm 10Lls 59

Bảng 3.15 Kết quả đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm 50Lls 60

Bảng 3.16 Kết quả đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm 100Lls 61

Bảng 1 Kết quả đo nhanh các thông số nhiệt độ, pH, DO trong mô hình đánh giá khả năng tự làm sạch của nước sông 70

DANH MỤC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Phân chia các vùng của dòng chảy theo khả năng tự làm sạch của nguồn

nước 7

Hình 1.2 Sự thay đổi DO theo khoảng cách về phía hạ lưu tính từ điểm nhận nước thải 9

Hình 1.3 Mối quan hệ giữa nồng độ DO và số vi sinh vật ở các vùng khác nhau 9

Hình 1.4 Độ hoà tan oxy trong nước ở các nhiệt độ khác nhau 14

Hình 1.5 Sự hoà tan oxy trong dòng chảy rối 15

Hình 1.6 Sự hoà tan oxy trong dòng chảy chậm 15

Hình 1.7 Đường cong diễn biến DO điển hình 20

Hình 1.8 Bản đồ lưu vực sông Nhuệ - Đáy trên địa bàn Hà Nội 25

Hình 2.1 Sơ đồ vị trí lấy mẫu 31

Hình 2.2 Cống thải ngay trước vị trí SN1 31

Hình 2.3 Sơ đồ các mô hình thí nghiệm đánh giá khả năng tự làm sạch của nước sông trong phòng thí nghiệm 33

Hình 2.4 Hình ảnh mô hình đánh giá khả năng tự làm sạch của nước sông trong phòng thí nghiệm 33

Hình 2.5 Sơ đồ quy trình thực nghiệm đánh giá khả năng tự làm sạch bằng mô hình 36 Hình 2.6 Sơ đồ quy trình thực nghiệm đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm bằng mô hình 40

Hình 3.1 Diễn biến thông số nhiệt độ 45

Hình 3.2 Diễn biến thông số pH 45

Hình 3.3 Diễn biến thông số DO 46

Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của thông số COD 48

Hình 3.5 Diễn biến thông số NH4+ 50

Hình 3.6 Diễn biến thông số NO3- 52

Hình 3.7 Diễn biến thông số tổng P 53

Hình 1.a Sông Nhuệ tại vị trí SN1 ngày 21/3/2016 72

Hình 1.b Sông Nhuệ tại vị trí SN2 ngày 21/3/2016 72

Hình 2 Hình ảnh của mẫu nước nghiên cứu trong các cột 72

Hình 3 Các mẫu nước lấy từ mô hình sau 3 ngày tự làm sạch 72

Hình 4.a Mẫu nước ở 3 cột trước khi bắt đầu thêm nước thải giả định 72

Hình 4.b Mẫu nước ở 3 cột sau khi thêm nước thải giả định a = 100Lls 72

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CSUL : Khả năng tự làm sạch trên một đơn vị chiều dài DDT : Diclo diphenyl tricloetan

DObh : Lượng oxy hão hòa trong nước

QCVN : Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia

MỞ ĐẦU

Sông, hồ là những công trình thiên nhiên hoặc nhân tạo, là nguồn cung cấp nước mặt, đồng thời là nơi tiếp nhận nước mưa, nước thải sinh hoạt, công nghiệp… Ở những điều kiện bình thường, trong nguồn nước sẽ diễn ra một chu trình kín của sự cân bằng giữa sự sống của các loài động thực vật và vi sinh vật Sự sống của chúng có quan hệ tương hỗ với nhau Khi nguồn nước bị ô nhiễm bởi nước thải sinh hoạt và công nghiệp

sẽ tạo thành một dư lượng chất gây phá vỡ chu trình Tuy nhiên, sau một khoảng cách nào đó từ nguồn ô nhiễm tùy thuộc lượng các chất ô nhiễm, lưu lượng nước nguồn,… những chu trình bình thường sẽ được phục hồi trở lại Sự phục hồi này gọi là sự tự làm sạch

Mỗi nguồn nước đều có khả năng tự làm sạch của nó Ví dụ như khi một dòng sông bị ô nhiễm bởi các chất hữu cơ nó sẽ khôi phục lại trạng thái sạch ban đầu bởi các quá trình tự nhiên như hiện tượng pha loãng, lắng cặn, quá trình khử chất ô nhiễm bởi sinh vật Tuy nhiên, hiện nay hầu hết các nguồn nước mặt như sông ngòi đều đang phải

“oằn mình” gánh chịu vô số các nguồn thải khác nhau được đổ xuống làm cho dòng sông ngày càng bị ô nhiễm Trong số đó không thể không nhắc tới sông Nhuệ, một con sông điển hình về mức độ ô nhiễm mà hầu hết mọi người đều biết đến

Sông Nhuệ là một phụ lưu của sông Đáy Sông dài khoảng 76 km, chảy qua địa phận thành phố Hà Nội và tỉnh Hà Nam Trong những năm gần đây, sự phát triển kinh

tế - xã hội trên sông Nhuệ diễn ra rất mạnh mẽ, đem lại nhiều lợi ích kinh tế góp phần nâng cao đời sống cho người dân Tuy nhiên, ngoài những lợi ích mang lại thì tình trạng ô nhiễm môi trường nói chung và môi trường nước nói riêng trên sông Nhuệ ngày càng gia tăng, gây ảnh hưởng đến sức khoẻ cho cộng đồng dân cư sống quanh vùng

Sông Nhuệ đoạn chảy qua thành phố Hà Nội là nơi tiếp nhận nước thải sinh hoạt, nước thải làng nghề tại các vùng ven sông Bên cạnh đó, tình trạng đổ phế thải,

rác thải xuống sông còn phổ biến Chính vì luôn phải tiếp nhận lượng chất thải quá lớn nên dòng sông đã bị ô nhiễm nghiêm trọng

Nghiên cứu khả năng tự làm sạch của nguồn nước là một trong những cơ sở khoa học để đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm, từ đó đưa ra các biện pháp phù hợp nhằm kiểm soát và xử lý ô nhiễm nguồn nước Xuất phát từ thực tiễn trên, chúng

tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu xây dựng mô hình đánh giá khả năng tự làm sạch

của nước sông, ứng dụng cho sông Nhuệ đoạn chảy qua thành phố Hà Nội” Đây

là kết quả nghiên cứu ban đầu, mang tính thăm dò và định hướng thông qua những thử nghiệm ở điều kiện đơn giản Để có cơ sở khoa học thực hiện các nghiên cứu tiếp theo

ở mức độ sâu hơn và hoàn thiện hơn

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 1.1 Khả năng tự làm sạch của nguồn nước

1.1.1 Giới thiệu chung về khả năng tự làm sạch của nguồn nước

Nước thải được pha loãng với nguồn nước tiếp nhận đến một khoảng nào đó thì được xáo trộn hoàn toàn với nước nguồn Ở những điều kiện bình thường, trong nguồn nước sẽ diễn ra một chu trình kín thiết lập sự cân bằng giữa sự sống của các loài động thực vật và vi sinh vật

Khi nguồn nước bị ô nhiễm bởi các hoạt động do con người tạo ra hoặc do tự nhiên, hàm lượng các chất hóa học trong nước tăng, tạo thành lượng dư chất phá vỡ các chu trình chuyển hóa tự nhiên Sự ô nhiễm quá mức sẽ phá vỡ các cân bằng của sinh vật, sự hòa tan oxy Tuy nhiên, tiếp theo một khoảng cách nào đó về hạ nguồn, tùy thuộc nồng độ các chất gây ô nhiễm trong nước, lưu lượng nước nguồn, các điều kiện thuỷ động lực của dòng chảy, , những chu trình bình thường sẽ được phục hồi trở lại

Có thể nói, tự làm sạch là tổ hợp các quá trình tự nhiên như: vật lý, hóa học, sinh học, diễn ra trong sông hồ bị nhiễm bẩn từ các nguồn ô nhiễm và từ đó nguồn nước có thể phục hồi trạng thái (thành phần và tính chất) ban đầu [1,25]

1.1.2 Các quá trình xảy ra khi nước tự làm sạch

Tự làm sạch bao gồm hai quá trình cơ bản: Quá trình pha loãng nguồn thải với nguồn nước tiếp nhận và quá trình chuyển hoá chất bẩn theo thời gian Hai quá trình này diễn ra đồng thời nhưng cường độ của chúng phụ thuộc vào vị trí, tính chất của nguồn thải, các yếu tố thuỷ động học dòng chảy như vận tốc, mực nước, lưu lượng, hệ

số nhám, hệ số khuếch tán rối, hình thái sông hồ, độ khúc khuỷu của dòng chảy và các điều kiện môi trường khác

- Quá trình pha loãng nguồn thải với nguồn nước tiếp nhận:

Đây là một trong những yếu tố chính làm giảm nồng độ chất bẩn khi xả vào nguồn nước Trong quá trình pha loãng, tổng lượng chất bẩn được coi như không thay đổi cho cả trường hợp chất ô nhiễm bền vững và không bền vững

Đối với các nguồn tiếp nhận nước thải (sông, hồ), quá trình xáo trộn và pha loãng của nguồn tiếp nhận và nguồn thải có ý nghĩa rất lớn trong việc bảo vệ nguồn nước:

+ Giảm được nồng độ chất ô nhiễm tại các điểm cục bộ trong sông hồ;

+ Phân bố đều tải trọng chất ô nhiễm trong toàn bộ dung tích nước nên tăng cường được quá trình tự làm sạch (phân bố tải trọng chất ô nhiễm cho vi sinh vật);

+ Do giảm được tải lượng chất bẩn cục bộ, phù hợp với khả năng tự điều chỉnh của hệ sinh thái vực nước nên độ ổn định của hệ được bảo đảm;

+ Dựa vào số lần pha loãng nước nguồn với nước thải, chúng ta có thể xác định được mức độ xử lý nước thải cần thiết và thiết lập được các biện pháp bảo vệ sông hồ khác

- Quá trình chuyển hoá chất bẩn theo thời gian:

Các quá trình hoá lý và sinh hoá diễn ra theo xu hướng làm giảm nồng độ chất bẩn theo các quá trình oxy hóa sinh hoá các chất hữu cơ, lắng đọng chất lơ lửng, hấp thụ chất ô nhiễm, và tích tụ sinh học các chất bẩn không hoà tan trong chuỗi thức ăn, tái xâm nhập chất bẩn từ trầm tích vào nước… Kết quả cuối cùng của các quá trình này

là phục hồi một phần hoặc toàn bộ trạng thái ban đầu của nguồn nước

Dưới đây là các quá trình chuyển hóa thường diễn ra trong quá trình tự làm sạch của nguồn nước:

+ Các quá trình oxy hóa sinh hoá các chất bẩn (chủ yếu là chất hữu cơ) trong nước, trong cặn lơ lửng và trong cặn đáy;

+ Các quá trình trực tiếp oxy hóa chất ô nhiễm nhờ oxy hoà tan trong nước hoặc oxy hóa quang hoá…;

+ Các quá trình hoá lý: hấp thụ, keo tụ, lắng, tạo các chất khó hoà tan, bay hơi, tạo váng bọt…;

+ Các quá trình dinh dưỡng để tích tụ các chất bẩn và chất độc hại trong chuỗi thức ăn hoặc bài tiết chúng thành cặn lắng;

+ Các quá trình cạnh tranh sinh học dẫn đến việc tiêu diệt các loại vi khuẩn gây bệnh và vi sinh vật có hại trong nước

Tốc độ chuyển hoá chất ô nhiễm trong từng quá trình trên phụ thuộc vào hàng loạt yếu tố như thành phần và đặc điểm quần xã thuỷ sinh vật trong vực nước, nhiệt độ nước, độ pH, cường độ ánh sáng, độ sâu lớp nước, thành phần cặn lơ lửng và các chất hoà tan, đặc điểm bùn đáy,…

Để đơn giản cho việc nghiên cứu, đánh giá quá trình tự làm sạch nguồn nước, người ta chia ra các vùng làm sạch theo không gian trong dòng chảy sông Mỗi vùng được đặc trưng bởi các điều kiện hoá, lý, sinh học mà có thể quan sát kiểm tra đánh giá được Các vùng đó là:

- Vùng phân huỷ: Được hình thành ngay sau nguồn nước tiếp nhận nước thải và

được biểu hiện bởi độ đục và màu đen của nước Ở đây sẽ diễn ra sự phân huỷ kỵ khí;

sự tiêu thụ oxy tăng nhanh, xuất hiện CO2 và NH4+ Các dạng sinh vật bậc cao, đặc biệt

là cá sẽ bị chết hoặc là chúng phải rời đi nơi khác Nấm có thể hình thành và xuất hiện thành khối màu nâu trắng hoặc màu xám như những chiếc đũa nhỏ và chìm xuống; vi khuẩn xuất hiện ít hơn nấm Trong cặn lắng có một loài ấu trùng roi; loài này nuốt cặn

và thải cặn ra ở dạng ổn định và lại được các sinh vật khác sử dụng

- Vùng phân huỷ mạnh: Vùng này thấy rất rõ khi nước bị ô nhiễm nặng và đặc

trưng bởi sự thiếu hụt oxy hoà tan, diễn ra sự phân huỷ kỵ khí Các bọt khí và bùn cặn

có thể xuất hiện trên mặt nước tạo thành váng màu đen Nước sẽ có màu xám đen và có mùi hôi thối của các hợp chất chứa lưu huỳnh Các vi sinh vật chủ yếu là vi khuẩn kỵ khí, nấm hầu như đã biến mất; các loài động vật bậc cao cũng rất ít, chỉ có một ít loài

ấu trùng, côn trùng

- Vùng phục hồi: Vùng này nhiều chất hữu cơ đã lắng đọng xuống ở dạng cặn

Cặn bị phân huỷ kỵ khí dưới đáy hoặc trong dòng nước chuyển động Vì nhu cầu tiêu thụ oxy của nước nhỏ hơn tốc độ làm thoáng bề mặt nên tình trạng được cải thiện, nước được trong hơn Lượng CO2, NH4+ giảm và oxy hoà tan, NO2-, NO3- tăng lên Vi khuẩn có xu hướng giảm về số lượng vì việc cung cấp thức ăn bị giảm, chúng chủ yếu

là loài hiếu khí Nấm xanh, tảo xuất hiện đã sử dụng các hợp chất chứa nitơ và CO2 rồi giải phóng oxy giúp cho việc làm thoáng và hoà tan oxy mạnh mẽ hơn Tiếp theo, nhu cầu tiêu thụ oxy giảm; các loài khuê tảo cũng ít hơn; xuất hiện các loài nguyên sinh động vật, nhuyễn thể, các thực vật nước; quần thể cá cũng ổn định dần và tìm thức ăn trong vùng này

- Vùng nước trong: Ở đây dòng chảy đã trở lại trạng thái tự nhiên và có các loài

phù du thông thường của nước sạch Do ảnh hưởng của độ phì dưỡng do ô nhiễm trước đây cho nên các loài phù du sẽ xuất hiện với số lượng lớn Nước trở lại trạng thái cân bằng oxy - lượng oxy hoà tan lớn hơn lượng oxy tiêu thụ - trạng thái ban đầu của nước

đã được phục hồi hoàn toàn

Trong quá trình phục hồi, coliforms và các sinh vật gây bệnh cũng đã giảm về số

lượng vì môi trường không thuận lợi cho chúng và xuất hiện những sinh vật chủ đạo Tuy nhiên một số loài gây bệnh còn tồn tại trong vùng nước trong, do đó có thể nước vẫn còn bị ô nhiễm bởi vi khuẩn gây bệnh và không thể dùng cho ăn uống, sinh hoạt nếu không được xử lý

Khả năng tự làm sạch của nước sẽ diễn ra không đạt kết quả khi trong nước thải

có chứa các chất độc hại đối với sự sống của các sinh vật; quá trình tự làm sạch của

nước chỉ diễn ra khi các chất độc hại trong nước bị phân hủy hoặc pha loãng hay lý do nào khác Vì vậy cần phải giám sát chặt chẽ hàm lượng các chất độc hại trong nước thải [11]

Hình 1.1 Phân chia các vùng của dòng chảy theo khả năng tự làm sạch của nguồn

nước

1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tự làm sạch của nguồn nước

a Nồng độ oxy hòa tan

Nồng độ oxy hòa tan (DO) trong nước là một yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến quá trình tự làm sạch của nước Nếu trong nước có nồng độ oxy hòa tan lớn (điều kiện hiếu khí) thì hoạt động của nhóm vi sinh vật hiếu khí được đẩy mạnh, quá trình phân hủy chất hữu cơ diễn ra nhanh và tạo ra các sản phẩm cuối cùng ít độc hại Trong trường hợp này ta có sơ đồ chuyển hóa dưới tác dụng của vi khuẩn [1]:

Cacbon hữu cơ + O2 → CO2Hydro hữu cơ + O2 → H2O

Nito hữu cơ + O2 → NO3−Lưu huỳnh hữu cơ + O2 → SO42−

Photpho hữu cơ + O2 → PO43−

Ngược lại nếu nồng độ oxy hòa tan thấp thì việc phân hủy chất hữu cơ sẽ do nhóm vi sinh vật yếm khí thực hiện, sản phẩm tạo ra có mùi hôi và có tính độc hại

Cacbon hữu cơ + O2 → CO2 , CH4Nito hữu cơ + O2 → NH3

Lưu huỳnh hữu cơ + O2 → H2S Photpho hữu cơ + O2 → PH3

Sự thay đổi độ hòa tan oxy vào trong nguồn nước phụ thuộc vào nhiều yếu tố Tùy theo lượng chất hữu có thải ra trong dòng chảy, lượng oxy hòa tan sẽ biến đổi như biểu đồ trong hình 1.2 [1]:

Hình 1.2 Sự thay đổi DO theo khoảng cách về phía hạ lưu tính từ điểm nhận nước thải

Sự thay đổi và mối quan hệ giữa nồng độ DO và số lượng vi sinh vật ở các vùng nước trong quá trình tự làm sạch được biểu thị trong hình 1.3 [1]

Hình 1.3 Mối quan hệ giữa nồng độ DO và số vi sinh vật ở các vùng khác nhau

Tại điểm xả nước thải, nhu cầu oxy cho việc phân hủy các chất hữu cơ vượt quá tốc độ hòa tan của oxy từ khí quyển vào nguồn nước, do đó nồng độ oxy hòa tan sẽ giảm đi và lượng vi sinh vật bắt đầu tăng lên

Tại một điểm nào đó ở hạ lưu, tốc độ hòa tan oxy khí quyển vào nguồn nước cân bằng với tốc độ tiêu thụ oxy của vi sinh vật Sau điểm này, nồng độ oxy hòa tan lại tăng lên từ từ tới giá trị bão hòa Do lượng chất hữu cơ trong nước đã bị phân hủy gần hết và lượng vi sinh vật cũng giảm theo

b Loại chất hữu cơ

Tốc độ tự làm sạch của nguồn nước phụ thuộc vào tính chất của chất hữu cơ gây ô nhiễm Có những chất hữu cơ dễ dàng bị phân hủy như protein, đường, chất béo… và cùng có chất khó phân hủy như lignin, xenlulozo… Những chất hợp chất hữu

cơ cơ clo như DDT, BHC (benzen hecxa clorua)… có tính bền sinh học cao nên tồn tại

khá lâu trong nước Các chất mùn là những chất hữu cơ phức tạp rất bền đối với sự phân hủy sinh học nên thường tồn tại dưới dạng bùn cặn màu đen hay nâu đen [1]

c Các loài thủy sinh vật

* Thực vật

- Thực vật phù du (tảo) làm giàu oxy trong nước nhờ quá trình quang hợp :

H2O + CO2 tế bào tảo mới + H2O + O2

Oxy hòa tan trong nước cần cho quá trình phân hủy chất hữu cơ, làm giảm các nguyên tố dinh dưỡng trong nước Thực vật phù du còn là nguồn thức ăn cho các loài sinh vật ăn thực vật Bên cạnh đó, nhờ các phản ứng xúc tác sinh học có sự tham gia của tảo mà nhiều chất lắng và khoáng sản được hình thành [3] Tuy nhiên nếu thực vật phù du phát triển quá mạnh thì khi chúng chết đi, xác của chúng lại làm nguồn nước bị nhiễm bẩn

- Những loài thực vật lớn cũng làm giàu oxy trong nước và làm giảm lượng các chất dinh dưỡng, tham gia tích cực vào việc khử các chất độc, dễ tách khỏi bùn nước [9]

* Vi sinh vật

Vi sinh vật đóng vai trò chính trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ, chúng

có khả năng phân hủy nhiều loại hợp chất hữu cơ, là nguồn thức ăn cho các sinh vật ở mức tiếp theo Các chất bẩn hữu cơ ở dạng hòa tan, keo, không hòa tan sẽ bị hấp phụ lên bề mặt của tế bào vi khuẩn, sau đó chúng được chuyển hóa và phân hủy Quá trình này được thực hiện trên bề mặt tế bào vi khuẩn nhờ men ngoại bào permeaza làm chất xúc tác Một phần chất hữu cơ được vận chuyển qua màng tế bào vi khuẩn vào bên

Tảo + ánh sáng

trong và tiếp tục oxi hóa giải phóng năng lượng để tổng hợp thành tế bào chất, sinh khối vi sinh vật sẽ tăng lên [17,18]

Vi sinh vật oxi hóa các chất hữu cơ bằng cách hô hấp và lên men

- Trong điều kiện hiếu khí, các hợp chất hữu cơ đơn giản như các loại đường, tinh bột, chất béo, protein… cũng như các hợp chất hữu cơ tự nhiên hoặc tổng hợp phức tạp được phân hủy do quá trình hô hấp của vi sinh vật Quá trình oxy hóa sinh hóa diễn ra bằng cách sử dụng oxy hòa tan có sẵn trong nước Quá trình này được gọi

là hô hấp hiếu khí Các vi sinh vật tham gia được gọi là vi sinh vật hiếu khí

Quá trình hô hấp hiếu khí có thể biểu diễn bằng phương trình phản ứng như sau: Chất hữu cơ + O2 VI KHUAN tế bào vi khuẩn mới + H2O + CO2 + PO43- + NO3-

- Trong điều kiện oxy hòa tan trong nước không sẵn có, một số vi sinh vật được gọi là vi sinh vật yếm khí và một số được gọi là vi sinh vật tuỳ nghi sẽ tách oxy trong liên kết nitrat, nitrit hoặc sunfat để oxy hóa các hợp chất hữu cơ Sản phẩm tạo ra từ quá trình này là các chất mang tính khử như H2S, NO2- hoặc N2

- Trong môi trường giàu chất hữu cơ và không có oxy hòa tan, các cơ chất có thể oxy hóa theo nguyên lý lên men Vi khuẩn thực hiện quá trình này là các loại vi khuẩn kỵ khí, các sản phẩm tạo thành là CH4, H2S, axit hữu cơ

Quá trình lên men kỵ khí gồm bốn giai đoạn:

- Giai đoạn thủy phân: Các chất hữu cơ phức tạp được thủy phân thành những chất đơn giản như monosacrit, axit amin… với sự tham gia các men của vi sinh vật Các hợp chất đơn giản này là nguồn thức ăn và năng lượng cho vi sinh vật hoạt động

- Giai đoạn axit hóa: Sản phẩm của giai đoạn thủy phân được vi sinh vật tiếp tục phân giải thành các axit hữu cơ Giai đoạn này gọi là giai đoạn lên men axit

Chất hữu cơ VI KHUAN Tế bào vi khuẩn mới + hỗn hợp axit hữu cơ

- Giai đoạn axetat hóa: Các vi khuẩn tạo metan vẫn không thể sử dụng các sản phẩm của quá trình axit hóa, các chất này cần được phân giải tiếp thành CH3COOH,

Nhóm 1: Loại vi sinh vật Hidrogenotrophe methanogen sử dụng H2 và CO2 Lượng metan tạo ra khoảng 30%

CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O

Nhóm 2: Loại vi sinh vật Acetotrophe methanogen chuyển hóa axit axetic thành

CH4 và CO2 Khoảng 70% lượng metan được tạo ra

CH3COOH CH4 + CO2

Nhóm 3: Loại vi sinh vật Methylotrophe methanogen phân giải các chất chứa

nhóm metyl Một lượng CH4 không đáng kể được tạo thành:

CH3OH + H2  3CH4 + CO2 + 2H2O

Nhóm 4: Một số loại vi sinh vật khác có khả năng sử dụng các axit hữu cơ như axit propionic:

4CH3CH2COOH + 2H2O  4CH3COOH + 2CO2 + 2CH4

Giai đoạn sinh metan xảy ra chậm, năng lượng giải phóng thấp

Như vậy, thông qua hoạt động của vi sinh vật, quá trình tự làm sạch của nguồn nước diễn ra nhưng đồng thời, hàm lượng oxy hòa tan trong nước sẽ giảm đi Do đó,

quá trình tự làm sạch có mối quan hệ chặt chẽ với hàm lượng oxy hòa tan Và hàm lượng oxy hòa tan cũng là một thông số quan trọng trong đánh giá chất lượng nước, ảnh hưởng đến nhiều quá trình khác nhau trong môi trường nước

* Động vật

Động vật phù du ăn thực vật và vi khuẩn, đồng thời cũng tham gia quá trình phân hủy các chất hữu cơ Nhiều loại động vật có thể tách các chất lơ lửng và làm cho nước trong Chúng làm giảm hàm lượng oxy trong nước do hô hấp cũng như do chúng

ăn thực vật phù du Chúng làm xáo trộn nước và hấp thụ các sinh vật gây bệnh, có thể khử trùng trong nước

d Các chất độc

Sự có mặt của các chất độc (kim loại nặng, cyanua, phenol…) sẽ làm giảm khả năng tự làm sạch của dòng chảy do chúng tiêu diệt hoặc ức chế sự phát triển của các vi sinh vật Tác hại của chất độc trong trường hợp này phụ thuộc vào bản chất của chất độc và nồng độ của nó trong nước

f Các điều kiện thời tiết khí hậu

Ánh nắng mặt trời thức đẩy quá trình quang hợp tạo oxy nên có vai trò thúc đẩy nhanh sự tự làm sạch Hoạt động của gió có tác dụng làm tăng quá trình khuếch tán oxy từ khí quyển vào nước tạo điều kiện tốt cho sự phân hủy hiếu khí

Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ các phản ứng sinh hóa, do đó có ảnh hưởng đến tốc độ tự làm sạch của dòng chảy Sự ảnh hưởng của nhiệt độ tới giá trị DO trong nước được thể hiện trong biểu đồ hình 1.4:

Hình 1.4 Độ hoà tan oxy trong nước ở các nhiệt độ khác nhau

Trong mùa hè, nhiệt độ cao nên lượng oxy hòa tan vào nước thấp hơn vào mùa đông, điều này có nghĩa là việc phân hủy các chất ô nhiễm trong mùa hè sẽ sử dụng hết lượng oxy hòa tan chỉ trong một thời gian ngắn và tiếp theo đó là giai đoạn yếm khí Thêm vào đó, khi nhiệt độ tăng thì tốc độ oxy hóa các chất hữu cơ sẽ tăng, khi đó quá trình tự làm sạch vì vậy mà cũng nhanh hơn [1]

g Các đặc tính vật lý của dòng chảy

Tốc độ, lưu lượng, độ sâu, đặc tính đáy (sỏi, cuội, cát…), độ nhám lòng kênh dẫn… của dòng chảy đều là những yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ khuếch tán oxy từ không khí vào nước và ảnh hưởng đến quá trình tự làm sạch của nước Sự hòa tan oxy

từ không khí vào dòng chảy rối được mô tả trong hình 1.5:

Hình 1.5 Sự hoà tan oxy trong dòng chảy rối

Trong các dòng sông chảy xiết, do dòng chảy rối nên các lớp nước trên cùng gần biên giới nước – không khí sẽ hòa tan được nhiều oxy Khi khuấy trộn với các lớp dưới

ít oxy thì việc cung cấp oxy cho vi sinh vật sẽ được đầy đủ

Sự hòa tan oxy từ không khí vào dòng chảy chậm được mô tả trong hình 1.6:

Hình 1.6 Sự hoà tan oxy trong dòng chảy chậm

Ở các dòng sông chảy chậm hoặc ở các hồ, các lớp nước trên cùng có oxy hòa tan, nhưng oxy chỉ khuếch tán xuống các lớp dưới với lượng ít nên nói chung ở các lớp nước dưới thường tạo thành điều kiện yếm khí (Hình 1.6)

h Sự lắng đọng

Bùn cặn ở đáy dòng chảy được tạo ra do sự sa lắng của các chất lơ lửng trong nước thải và do sự đông tụ của các chất keo, sự tạo thành các mùn không tan Sự oxy hóa những chất lắng đọng này có thể diễn ra trong một thời gian dài Chất lắng đọng bùn cặn do nhu cầu oxy hóa cao có thể tác động xấu đến sự tự làm sạch do thiếu oxy hòa tan

Quá trình phân hủy yếm khí trong lớp bùn cặn này thường kèm theo sự tạo khí làm bùn cặn bị đẩy nổi lên mặt nước

i Điều kiện mặt cắt sông

Sông rộng nhưng nông sẽ tạo điều kiện cho oxy thâm nhập nhiều hơn từ không khí vào nước và làm tăng khả năng tự làm sạch của nước

1.2 Khả năng tiếp nhận chất thải của nguồn nước

1.2.1 Khái niệm khả năng tiếp nhận chất thải của nguồn nước

Khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước là khả năng nguồn nước có thể tiếp nhận được thêm một tải lượng ô nhiễm nhất định mà vẫn bảo đảm nồng độ các chất ô nhiễm trong nguồn nước không vượt quá giá trị giới hạn được quy định trong các quy chuẩn tiêu chuẩn chất lượng nước cho mục đích sử dụng của nguồn nước tiếp nhận [2]

Nguồn nước có khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm bởi vì chúng có khả năng tự làm sạch (đồng hóa các chất ô nhiễm) Thông thường, sau khi nước thải được đưa vào nguồn tiếp nhận sẽ xảy ra các quá trình vật lý, hóa học, sinh học để nguồn nước có thể

tự làm sạch Tuy nhiên, nếu lượng chất ô nhiễm quá lớn, sẽ dẫn đến hiện tượng “bão hòa” chất ô nhiễm Khi đó, chất lượng nước sẽ ngày càng suy giảm, vùng ô nhiễm ngày càng lan rộng Chính vì vậy, cần có cơ sở khoa học và thực tiễn cùng với công cụ và

phương pháp phù hợp để đánh giá về khả năng tiếp nhận nước thải của mỗi nguồn nước cụ thể, phục vụ cho công tác quản lý môi trường ở địa phương đó

1.2.2 Các yếu tố tác động đến khả năng tiếp nhận chất thải của nguồn nước

Để có cơ sở và cách thức đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm, cần xác định những yếu tố tác động đến khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm của nguồn nước Bên cạnh các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tự làm sạch của nguồn nước, còn có các yếu

tố liên quan đến mục đích sử dụng của nguồn nước và quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt tương ứng và các đặc điểm của nguồn thải (thành phần và nồng

độ chất ô nhiễm, lưu lượng xả, phương thức, chế độ, vị trí xả thải…) [4,16]

1.3 Tổng quan về phương pháp, mô hình đánh giá khả năng tự làm sạch và khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm của nguồn nước

1.3.1 Đánh giá khả năng tự làm sạch của nguồn nước dựa trên khoảng cách từ nguồn thải

Nghiên cứu của Shimin Tian và cộng sự (2011) đã đánh giá khả năng tự làm sạch của nguồn nước bằng mô hình định lượng các chất ô nhiễm theo khoảng cách từ nguồn thải [22] Để định lượng khả năng tự làm sạch của sông Juma – Trung Quốc, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn nghiên cứu ba vị trí đại diện trên sông Các vị trí được lựa chọn thuộc các vùng: ô nhiễm nghiêm trọng, tự làm sạch và vùng phục hồi Dọc đoạn sông nghiên cứu không có nhánh phụ nào chảy vào sông Tổng chiều dài đoạn sông nghiên cứu là 5km Khả năng tự làm sạch trên một đơn vị chiều dài (CSUL), là tổng lượng giảm nồng độ của chất ô nhiễm trên đơn vị chiều dài dòng sông, được sử dụng để định lượng cho quá trình tự làm sạch của sông

12

C C L



Trong đó:

CSUL: Khả năng tự làm sạch trên một đơn vị chiều dài (mg/l.km),

C1: Nồng độ chất ô nhiễm tại vị trí thượng nguồn (mg/l)

C2:Nồng độ chất ô nhiễm tại vị trí hạ nguồn (mg/l),

L12: Chiều dài đoạn sông giữa hai vị trí nghiên cứu (km)

Tại ba vị trí đã được lựa chọn, tiến hành lấy mẫu thực vật thủy sinh và mẫu nước sau đó phân tích các thông số: tổng nitơ (TN), tổng photpho (TP) và thủy ngân (Hg) Kết quả cho thấy hàm lượng các chất ô nhiễm tổng nitơ, tổng photpho giảm dần khi tăng khoảng cách từ nguồn thải Tuy nhiên, có rất ít sự thay đổi về nồng độ của Hg trong ba vị trí Điều đó cho thấy sông Juma không có khả năng tự làm sạch đối với ô nhiễm kim loại nặng Vì vậy, các nhà máy xả thải nhiều kim loại nặng không nên được xây dựng dọc theo sông [22]

1.3.2 Đánh giá khả năng tự làm sạch của nguồn nước dựa trên tải lượng chất ô nhiễm

Trong nghiên cứu của Taurai Bere (2005), nhóm nghiên cứu đánh giá khả năng

tự làm sạch của nguồn nước dựa trên tải lượng chất ô nhiễm [24] Tác giả đã liệt kê các công thức tính toán khả năng tự làm sạch các chất ô nhiễm của dòng sông như sau:

Diện tích mặt cắt ngang của dòng chảy được tính từ chiều rộng và chiều sâu đo được của dòng sông Sau đó lưu lượng nước được tính bằng công thức sau:

Q = VA Trong đó:

Sm: Khả năng tự làm sạch (g/s),

L1 và L2: Tải lượng chất ô nhiễm (g/s) tại các vị trí thượng nguồn và hạ nguồn tương ứng Phương pháp phân tích hồi quy được sử dụng để đánh giá mối quan hệ giữa khoảng cách từ điểm của dòng chảy nước thải và nồng độ chất dinh dưỡng trong nước

và trầm tích tại các vị trí hạ lưu của dòng chảy nước thải [24]

1.3.3 Đánh giá khả năng tự làm sạch của nguồn nước bằng phương pháp mô hình hóa

Một số nghiên cứu trên thế giới từ khá lâu đã sử dụng phương pháp mô hình hóa

để đánh giá khả năng tự làm sạch của nguồn nước Năm 1925, Streeter và Phelps đã công bố một công trình về “Đường cong thiếu hụt DO” trong sông Ohio cho phép giải thích sự giảm của DO theo khoảng cách theo hướng dòng chảy của sông do sự phân huỷ BOD, phương trình này được mang tên Streeter – Phelps Sau khi xây dựng được biểu thức toán học mô tả diễn biến DO, có thể xác định được sự phân bố DO, BOD theo khoảng cách dòng chảy đồng thời tính toán được tải lượng chất ô nhiễm tối đa được đưa vào nguồn nước để có thể duy trì mức giá trị DO xác định [6,6,23]

Hình 1.7 Đường cong diễn biến DO điển hình

Mô hình Streeter-Phelps cổ điển được xây dựng dựa trên giả định có một nguồn thải BOD duy nhất được phân bố đều ở các mặt cắt ngang của một dòng chảy và nó di chuyển như một đường thẳng mà không có xáo trộn Ngoài ra, giả định chỉ có một nguồn tiêu thụ DO duy nhất là BOD – cacbon và một nguồn sinh DO từ khí quyển mà

bỏ qua sự tiêu thụ oxy bởi trầm tích cũng như sự phụ thuộc hàm lượng oxy vào các quá trình quang hợp, hô hấp, quá trình chuyển hóa các hợp chất của nitơ…

Các mô hình mở rộng được phát triển từ mô hình truyền thống có tính toán đến các quá trình phụ, làm giảm thiểu sai số Các thông số trong mô hình mở rộng có thể được ứng dụng trong một đối tượng cụ thể hoặc ước tính về mặt lý thuyết Tuy nhiên, cần phải có một bộ số liệu đầu vào cho mô hình rất phong phú [15,19,21,26]

1.3.4 Đánh giá khả năng tiếp nhận chất thải của nguồn nước theo thông tư số 02/2009/TT-BTNMT

Hiện nay, ở Việt Nam, Bộ Tài nguyên và Môi trường đã ban hành thông tư 02/2009/TT-BTNMT về quy định đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước

Quy trình đánh giá bao gồm:

- Đánh giá sơ bộ nguồn nước tiếp nhận nước thải;

- Xác định các chất ô nhiễm cần đánh giá;

- Đánh giá chi tiết khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước;

Trong đó, khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước đối với chất ô nhiễm đang đánh giá được tính toán theo phương trình dưới đây:

Khả năng tiếp nhận

của nguồn nước đối

với chất ô nhiễm ≈

Tải lượng ô nhiễm tối đa của chất ô nhiễm

-

Tải lượng ô nhiễm sẵn có trong nguồn nước của chất ô nhiễm Trình tự đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước được trình bày tóm tắt như sau:

Bước 1: Tính toán tải lượng ô nhiễm tối đa của chất ô nhiễm

L tđ = (Q s + Q t ).C tc 86,4;

L tđ (kg/ngày) là tải lượng ô nhiễm tối đa của nguồn nước đối với chất ô nhiễm;

Q s (m3/s) là lưu lượng dòng chảy tức thời nhỏ nhất ở đoạn sông cần đánh giá trước khi tiếp nhận nước thải, (m3/s);

Q t (m3/s) là lưu lượng nước thải lớn nhất;

C tc (mg/l) là giá trị giới hạn nồng độ chất ô nhiễm;

86,4 là hệ số chuyển đổi đơn vị thứ nguyên từ (m3/s).(mg/l) sang (kg/ngày)

Bước 2: Tính toán tải lượng ô nhiễm có sẵn trong nguồn nước tiếp nhận

L n = Q s C s 86,4

Trong đó:

L n (kg/ngày) là tải lượng ô nhiễm có sẵn trong nguồn nước tiếp nhận;

C s (mg/l) là giá trị nồng độ cực đại của chất ô nhiễm trong nguồn nước trước khi

tiếp nhận nước thải;

Bước 3: Tính toán tải lượng ô nhiễm của chất ô nhiễm đưa vào nguồn nước tiếp nhận

L t = Q t C t 86,4

Trong đó:

L t (kg/ngày) là tải lượng chất ô nhiễm trong nguồn thải;

C t (mg/l) là giá trị nồng độ cực đại của chất ô nhiễm trong nước thải

Bước 4: Tính toán khả năng tiếp nhận nước thải

Khả năng tiếp nhận tải lượng ô nhiễm của nguồn nước đối với một chất ô nhiễm

cụ thể từ một điểm xả thải đơn lẻ được tính theo công thức:

L tn = (L tđ - L n - L t ).F s

Trong đó:

F s là hệ số an toàn, Fs có giá trị trong khoảng 0,3 < Fs < 0,7 Hệ số an toàn có thể khác nhau đối với các chất ô nhiễm khác nhau Giá trị Fs nhỏ có nghĩa là chỉ dành một phần nhỏ khả năng tiếp nhận nước nước thải đối với chất ô nhiễm được đưa vào nguồn nước do các yếu tố không chắc chắn lớn và nguy cơ rủi ro cao

Bước 5: Đánh giá, kết luận

Nếu giá trị Ltn lớn hơn (>) 0 thì nguồn nước vẫn còn khả năng tiếp nhận đối với chất ô nhiễm Ngược lại, nếu giá trị Ltn nhỏ hơn hoặc bằng (≤) 0 có nghĩa là nguồn nước không còn khả năng tiếp nhận đối với chất ô nhiễm

Thông tư này được áp dụng cho các cơ quan quản lý tài nguyên nước; các tổ chức, cá nhân có hoạt động xả nước thải, tư vấn lập hồ sơ đề nghị cấp phép xả nước thải vào nguồn nước

1.3 Tổng quan về sông Nhuệ

1.3.1 Giới thiệu chung về sông Nhuệ

Sông Nhuệ là một con sông nhỏ, phụ lưu của sông Đáy Sông dài khoảng 74 km, chảy ngoằn ngoèo gần như theo hướng Bắc Tây Bắc - Nam Đông Nam qua địa phận thành phố Hà Nội và tỉnh Hà Nam Điểm bắt đầu của sông Nhuệ là cống Liên Mạc, lấy nước từ sông Hồng trong địa phận quận Bắc Từ Liêm (thành phố Hà Nội) và điểm kết thúc của nó là cống Phủ Lý khi hợp lưu vào sông Đáy gần thành phố Phủ Lý (tỉnh Hà Nam phố Phủ Lý (tỉnh Hà Nam) Sông chảy qua các quận, huyện, thị trấn gồm các quận: Bắc Từ Liêm, Nam Từ Liêm, Hà Đông; các huyện gồm: Thanh Trì, Thường Tín, Thanh Oai, Phú Xuyên của thành phố Hà Nội, huyện Duy Tiên của tỉnh Hà Nam và cuối cùng đổ vào sông Đáy ở khu vực thành phố Phủ Lý [10]

Sông Nhuệ có diện tích lưu vực khoảng 1070 km2, chiếm 13,95 % trong tổng diện tích lưu vực sông Nhuệ - Đáy Trên địa bàn Hà Nội, sông có chiều dài 61,5 km; chiều rộng trung bình của sông là 30 - 40 m; độ cao đáy sông 0,52 - 2,8 m Trong tổng lượng dòng chảy trên lưu vực sông Nhuệ thì tới 85 % có nguồn gốc từ sông Hồng chuyển sang, chỉ 15 % còn lại bắt nguồn từ lưu vực Ngoài ra, nối sông Đáy với sông Nhuệ còn có các sông nhỏ như sông La Khê (qua quận Hà Đông), sông Tô Lịch, sông Vân Đình, sông Duy Tiên, sông Ngoại Đô [10]

Chế độ thuỷ văn của sông Nhuệ không những chịu ảnh hưởng của các yếu tố mặt đệm trên bề mặt lưu vực, các yếu tố khí hậu mà còn phụ thuộc vào chế độ dòng chảy của nước sông Hồng và các sông khác Vì thế mà chế độ thuỷ văn ở đây rất phức tạp và có sự khác nhau nhất định giữa các đoạn sông Dòng chảy trên lưu vực sông phân bố không đều theo không gian và thời gian [10]

Lượng nước trong các tháng mùa lũ rất dồi dào, đặc biệt là tháng 9 Mùa kiệt bắt đầu từ tháng 11 đến tháng 4 năm sau, trong đó kiệt nhất là 3 tháng đầu năm Đặc biệt là tháng 3 với lượng mưa ít, ảnh hưởng đến khả năng tự làm sạch của dòng sông Dòng chảy nhỏ nhất trên sông Nhuệ từ 15 - 26 m3/s (tại Hà Đông), lưu tốc trung bình đạt 0,8 m/s [13]

Sự phân bố theo thời gian thể hiện rõ nét thông qua phân phối dòng chảy trong năm Phân phối dòng chảy năm phụ thuộc vào sự phân phối theo mùa của lượng mưa năm nên dòng chảy trong năm cũng phân phối không đều và thể hiện hai mùa rõ rệt là mùa lũ và mùa cạn Tuy nhiên, việc phân mùa như trên chỉ mang tính trung bình trong từng năm cụ thể Do sự nhiễu động của chế độ mưa, mùa mưa có thể bắt đầu sớm hơn hoặc kết thúc muộn đến một tháng [10]

Hình 1.8 Bản đồ lưu vực sông Nhuệ - Đáy trên địa bàn Hà Nội

1.3.2 Hiện trạng chất lượng nước sông Nhuệ

Nằm ở vị trí địa lý chiến lược, sông Nhuệ có vai quan trọng trong phát triển kinh

tế xã hội của thành phố Hà Nội Không những đảm nhiệm vai trò cung cấp nước tưới tiêu cho nông nghiệp, sông Nhuệ còn là nơi thoát lũ cho sông Hồng vào mùa mưa, song cũng đồng thời là nơi tiếp nhận nước thải sinh hoạt của thành phố Hà Nội [12] Chính vì vậy, chất lượng nước sông Nhuệ có sự thay đổi nhiều tùy vào mùa và vị trí khác nhau

Trong khoảng chục năm trở lại đây, tình trạng ô nhiễm nước sông Nhuệ ngày càng trở nên nghiêm trọng Theo nghiên cứu của Nguyễn Thanh Sơn và cộng sự (2011), nước sông Nhuệ chịu ảnh hưởng rất lớn bởi nước thải sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp của thành phố Hà Nội Mùa kiệt chất lượng nước phụ thuộc vào chế độ

vận hành cống Liên Mạc, chế độ xả nước đập Thanh Liệt và chế độ lấy nước tưới của

hệ thống thuỷ nông Nếu cống Liên Mạc mở to, lưu lượng nước sông Hồng chảy vào lớn thì chất lượng nước ở phía hạ du đươc cải thiện đáng kể do được pha loãng [8] Ngược lại, nếu cống Liên Mạc đóng hoặc mở với khẩu độ nhỏ, phía Thanh Trì vẫn nhận nước thải sông Tô Lịch xả vào, dưới hạ lưu sẽ bị sự cố về môi trường nước Về mùa lũ cống Liên Mạc thường đóng, nước sông Nhuệ chủ yếu là nước thải thành phố, nước mưa, nước tiêu nông nghiệp, nhưng được bơm thoát nhanh ra sông Đáy

Chất lượng nước sông Nhuệ được đánh giá sơ bộ như sau:

- Tại cống Liên Mạc: khi cống mở, nước không bị ô nhiễm hoặc ô nhiễm nhẹ, chất lượng nước giống như nước sông Hồng, khi cống đóng mức độ ô nhiễm cao hơn nhưng không đáng kể do nước chảy chậm, giảm sự khuếch tán của ôxy trong nước

- Tại Cầu Diễn, cầu Hà Đông sông Nhuệ cung cấp nước tiêu nông nghiệp của hai quận Bắc Từ Liêm và Nam Từ Liêm, đồng thời tiếp nhận nước thải làng nghề, nước thải sinh hoạt ở hai bên sông, nước bị ô nhiễm bởi chất hữu cơ, cặn lơ lửng và vi khuẩn

- Tại cầu Mai Lĩnh, Hà Đông nhận toàn bộ nước thải của thị xã Hà Đông, hàm lượng chất hữu cơ cao, nồng độ COD trong nước sông vượt quá giới hạn cho phép chất lượng nước mặt loại A từ 2 - 3 lần trong khi nồng độ BOD5 vượt quá giới hạn cho phép chất lượng nước mặt loại A từ 4 - 6 lần, giá trị DO rất thấp chỉ đạt 2,89 mg/l (tháng IV/2003)

- Tại Cầu Tó, huyện Thanh Trì nhận toàn bộ nước thải sinh hoạt của thành phố

Hà Nội xấp xỉ 500.000 m3/ngày đêm, ngoài ra lượng nước thải sản xuất công nghiệp và các dịch vụ khác khoảng 250.000 - 300.000 m3/ngày mang theo nhiều chất cặn bã lơ lửng, chất hữu cơ, hoá chất độc hại, vi khuẩn gây bệnh làm cho nước sông Nhuệ tại Cầu Tó bị ô nhiễm nặng, nhất là vào mùa kiệt (khi cống Liên Mạc đóng và nước thải

thành phố Hà Nội xả vào, đôi khi xảy ra sự cố môi trường nước ở đoạn sông này Hàm

lượng các chất ô nhiễm đều vượt quá giới hạn cho phép đối với nước mặt loại B)

- Ước tính lượng nước thải từ sinh hoạt và công nghiệp đổ vào sông trung bình

khoảng 5,4 m3/s, điều này đồng nghĩa với việc để mức độ ô nhiễm BOD5 không vượt

quá tiêu chuẩn nước mặt loại B thì cống Liên Mạc sẽ phải mở với công suất tối đa 60

m3/s [8]

Qua kết quả phân tích chất lượng nước sông Nhuệ định kỳ hàng năm của Tổng

Cục Môi trường cho thấy tại khu vực đầu nguồn (sau khi nhận nước sông Hồng), nước

sông hầu như không bị ô nhiễm Từ đoạn sông chảy qua khu vực Hà Đông (Phúc La)

cho tới trước khi nhận nước sông Tô Lịch, nước đã bắt đầu bị ô nhiễm [10]

Nguyên nhân gây ô nhiễm chủ yếu do nước thải sinh hoạt của quận Hà Đông và

nước thải sản xuất của Cụm công nghiệp Từ Liêm, làng bún Phú Đô, làng nghề Cát

Quế, Dương Liêu đổ vào sông Ngoài ra, trên sông Nhuệ tình trạng đổ phế thải, rác

thải xuống sông còn phổ biến; tình trạng lấn chiếm, xây dựng trái phép hai bên bờ sông

vẫn diễn ra

Sau khi tiếp nhận nước thải của sông Tô Lịch, nước sông Nhuệ bị ô nhiễm cao

hơn Nước thải sông Tô Lịch là nguyên nhân chính gây ô nhiễm cho sông Nhuệ, đặc

biệt tại điểm cầu Tó trở đi Theo đó, có thể nói đoạn sông Nhuệ chảy qua xã Cự Khê,

huyện Thanh Oai, Hà Nội là khu vực có chất lượng nước thuộc mức độ bị ô nhiễm cao

trên toàn bộ dòng sông Nhuệ [10,13]

Trước tình trạng chất lượng nước sông Nhuệ đang bị suy giảm như hiện nay,

nhiều nghiên cứu, kế hoạch, đề án bảo vệ môi trường đã được đưa ra nhằm cải thiện

môi trường nước trong đó có Đề án tổng thể bảo vệ môi trường lưu vực sông Nhuệ -

Đáy đến năm 2020 tại Quyết định 57/2008/QĐ-TTg ngày 29/4/2008 Các dự án thuộc

Chương trình mục tiêu quốc gia về khắc phục ô nhiễm và cải thiện môi trường đã được

Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tại Quyết định 1206/QĐ-TTg ngày 2/9/2012

CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: nước sông Nhuệ

- Phạm vi nghiên cứu: địa phận thành phố Hà Nội

2.2 Cách tiếp cận

Trên cơ sở thực trạng ô nhiễm của dòng sông, tiến hành lựa chọn vị trí lấy mẫu phù hợp cho nghiên cứu Đối với mẫu nước như vậy, trong thực tế, luôn luôn có sự tiếp nhận chất ô nhiễm Để có được điều kiện ổn định trong nghiên cứu, nhóm nghiên cứu giả thiết rằng:

 Mẫu nước không nhận thêm các chất ô nhiễm

 Trong tự nhiên có thể xảy ra ba trường hợp:

- Nước được cung cấp đầy đủ oxy

- Nước có mặt thoáng và được xáo trộn vừa phải

- Nước có mặt thoáng và không xáo trộn

Trên cơ sở ấy, chúng tôi thiết kế mô hình với các điều kiện tương ứng để kiểm tra xem ở mỗi điều kiện thì cần bao nhiêu thời gian có thể làm sạch

Tiếp theo, khi nước đã tự làm sạch đến giới hạn cho phép, thêm nước thải giả định chứa các chất ô nhiễm với mức tăng dần đến khi nước không thể tiếp nhận Để xác định giới hạn tiếp nhận của mẫu nước nghiên cứu

Sau này, chúng tôi sẽ nghiên cứu ở mức độ sâu hơn, điều kiện cụ thể hơn, đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tự làm sạch

2.3 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

2.3.1 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu xây dựng mô hình đánh giá khả năng tự làm sạch của nước sông ở những điều kiện xáo trộn khác nhau của cột nước

- Áp dụng mô hình nghiên cứu để đánh giá khả năng tự làm sạch và khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm của nước sông Nhuệ đoạn chảy qua Thành phố Hà Nội

2.3.2 Nội dung nghiên cứu

- Khảo sát hiện trạng chất lượng nước sông và khả năng tự làm sạch của nước Nhuệ đoạn chảy qua thành phố Hà Nội

- Xây dựng mô hình đánh giá khả năng tự làm sạch của nước sông

- Đánh giá khả năng tự làm sạch của nước sông ở các điều kiện khác nhau

- Đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm của nước sông ở các điều kiện khác nhau

2.4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thu thập tài liệu

+ Tổng quan về khả năng tự làm sạch của nguồn nước;

+ Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình nghiên cứu;

+ Tổng quan về sông Nhuệ, hiện trạng chất lượng nước sông Nhuệ

- Phương pháp thực nghiệm

+ Phương pháp xây dựng mô hình thí nghiệm;

+ Phương pháp lấy mẫu nước và phân tích các thông số chất lượng nước;

- Phương pháp xử lý số liệu phân tích và tính toán khả năng tự làm sạch, khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm của nước sông

2.5 Thực nghiệm

2.5.1 Khảo sát hiện trạng chất lượng nước sông và khả năng tự làm sạch của nước Nhuệ đoạn chảy qua thành phố Hà Nội

a) Lựa chọn vị trí và lấy mẫu

Đoạn sông Nhuệ nghiên cứu có chiều dài 61,5 km, chiều rộng trung bình của sông là 30 – 40 m [10] Do sông Nhuệ thường xuyên tiếp nhận nước từ sông Hồng tại cống Liên Mạc, đồng thời tiếp nhận nước thải tại các khu vực mà nó chảy qua Trên cơ

sở các số liệu về chất lượng nước sông đã được trình bày trong mục 1.3.2 kết hợp với việc khảo sát thực tế, chúng tôi lựa chọn lựa chọn lấy mẫu tại 2 vị trí đại diện thuộc địa phận quận Bắc Từ Liêm đề đánh giá khả năng tự làm sạch của đoạn sông này, làm cơ

sở cho việc xây dựng mô hình đánh giá khả năng tự làm sạch Hai vị trí được lựa chọn

có các đặc điểm về lưu lượng nước, độ sâu, bề rộng sông tương đối ổn định và đặc trưng cho sông Nhuệ

- Vị trí SN1, ngay sau một cống thải lộ thiên 20 m Nước thải sau khi chảy vào sông được trộn lẫn với nước sông Cống thải này thải nước thải sinh hoạt của khu dân

cư ven sông Nhuệ Nước thải có màu đen, mùi hôi thối, khó chịu

- Vị trí SN2, là vị trí cuối cùng của sông thuộc địa phận quận Bắc Từ Liêm Theo quan sát, từ vị trí SN1 đến vị trí SN2 không có cống thải nào chảy vào sông Nhuệ

Thông tin các địa điểm lấy mẫu được mô tả trong bảng 2.1 Sơ đồ các vị trí lấy mẫu được đánh dấu và thể hiện trong hình 2.1

Bảng 2.1 Các vị trí lấy mẫu khảo sát

Địa chỉ nơi

lấy mẫu

Cạnh công ty cổ phần số 36 -

số 65, tổ 8, đường K3, thị trấn Cầu Diễn

Dân cư đông đúc, hai bên bờ sông nhiều rác thải

Nước có màu xanh đen, nhiều chất rắn lơ lửng, mùi hôi thối, không phát hiện thấy tôm cá sinh sống

Hình 2.1 Sơ đồ vị trí lấy mẫu Hình 2.2 Cống thải ngay trước vị trí SN1

Tần suất lấy mẫu: Theo nghiên cứu [22], để đánh giá khả năng làm sạch của các đoạn sông chịu nhiều tác động, người ta thường lấy mẫu lặp lại một số đợt để đánh giá

sự ổn định của kết quả Trong điều kiện thời gian, quy mô nghiên cứu của đề tài kết hợp với lịch đóng, mở đập của cống Liên Mạc và đập Thụy Phương không cố định, do vậy chúng tôi chọn tần suất lấy mẫu 4 đợt trong 1 tháng, các đợt cách nhau 1 tuần

Thông tin về thời gian lấy mẫu và điều kiện khí tượng, thủy văn sông Nhuệ được mô tả trong bảng 2.2

Bảng 2.2 Mô tả các điều kiện lấy mẫu khảo sát chất lượng nước sông Nhuệ

Thời gian lấy

mẫu

Khí hiệu mẫu

Điều kiện khí tượng Mực

có mưa

1,2m Cống Liên Mạc mở

treo 7h18 SN2-1

1,2m Cống Liên Mạc mở

treo đến 17h ngày 07/3/2016 đóng kín họng dưới

1,3m Cống Liên Mạc mở

treo 4 cửa từ 15h30 ngày 09/3/2016

1,2m Cống Liên Mạc mở

treo 4 cửa từ 15h30 ngày 09/3/2016 6h35 SN2-4

1,5m

Mẫu nước khảo sát được lấy theo TCVN 6663–6:2011: Hướng dẫn lấy mẫu nước sông suối Mẫu sau khi lấy được bảo quản và lưu giữ theo TCVN 6663-3:2011 (ISO5667-3:2003)

b) Đánh giá hiện trạng chất lượng nước sông Nhuệ khu vực nghiên cứu

Sau khi nghiên cứu các tài liệu [20-24], thấy rằng nước sông chỉ có khả năng làm sạch tốt với các chất dinh dưỡng và trong phạm vi khả năng của đề tài, chúng tôi