Nghiên cứu ứng dụng hệ thống đất ngập nước nhân tạo xử lý nước thải đô thị ở thành phố đông hà, tỉnh quảng trị

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN XUÂN CƯỜNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ Ở THÀNH PHỐ ĐÔNG HÀ, TỈNH QUẢNG TRỊ LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Hà Nội - 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN XUÂN CƯỜNG NGUYỄN XUÂN CƯỜNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ Ở THÀNH PHỐ ĐÔNG HÀ, TỈNH QUẢNG TRỊ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO XLNT ĐÔ THỊ Ở TP ĐÔNG HÀ, TỈNH QUẢNG TRỊ Chuyên ngành: Môi trường đất nước MãChuyên số: 62440303 ngành: Môi trường đất nước Mã số: 62440303 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Thị Loan PGS.TS NGUYỄN THỊ LOAN Hà Nội - 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu cá nhân hướng dẫn trực tiếp giáo viên hướng dẫn Các số liệu kết thể luận án thực trình nghiên cứu luận án Các số liệu, thông tin, ý tưởng mang tính tham khảo, chứng minh so sánh từ nguồn khác tơi trích dẫn theo quy định Việc sử dụng nguồn tài nguyên số liệu phục vụ cho mục đích học thuật Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm lời cam đoan kết nghiên cứu luận án Tác giả luận án Nguyễn Xuân Cường LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận án xin chân thành cảm ơn đến quý thầy, cô Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội quan tâm giúp đỡ bảo tận tình có nhiều nhận xét, góp ý q báu q trình thực hồn thiện luận án Tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Thị Loan trực tiếp hướng dẫn, tư vấn chuyên môn, giúp đỡ tận tình tạo điều kiện tốt cho tơi q trình thực luận án Tơi xin gửi lời cảm ơn tới lãnh đạo Phân hiệu Đại học Huế tỉnh Quảng Trị - Đại học Huế, tạo điều kiện để hồn thành chương trình thực luận án Tơi xin gửi lời cảm ơn đến đồng nghiệp Khoa Công nghệ kĩ thuật môi trường, nơi công tác chia sẻ, động viên hỗ trợ cho suốt thời gian thực luận án Tôi xin gửi lời cảm ơn đến lãnh đạo Ban, Ngành TP Đông Hà, tỉnh Quảng Trị tạo điều kiện để thu thập đầy đủ số liệu triển khai thí nghiệm thực địa Và cuối cùng, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình tạo điều kiện tốt để tơi hồn thành tốt cơng việc q trình thực luận án Tơi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Tác giả Nguyễn Xuân Cường MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT iii DANH MỤC BẢNG iv DANH MỤC HÌNH vi MỞ ĐẦU CHƯƠNG - TỔNG QUAN 1.1 Nước thải đô thị công nghệ xử lý 1.1.1 Đặc trưng nước thải đô thị hệ thống quản lý 1.1.2 Công nghệ xử lý nước thải đô thị 1.2 Đất ngập nước nhân tạo 13 1.2.1 Giới thiệu 13 1.2.2 Thành phần 16 1.2.3 Cơ chế xử lý 23 1.2.4 Động học mơ hình loại bỏ nhiễm 29 1.3 Cải thiện hiệu suất đất ngập nước nhân tạo 34 1.3.1 Cấp khí chủ động bị động 34 1.3.2 Tuần hoàn nước thải 35 1.3.3 Cấp nước gián đoạn 36 1.3.4 Thiết kế tối ưu 36 1.4 Nghiên cứu ứng dụng đất ngập nước nhân tạo 38 1.4.1 Trên giới 38 1.4.2 Ở Việt Nam 45 CHƯƠNG - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 52 2.1 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 52 2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 52 2.1.2 Phạm vi nghiên cứu 53 i 2.2 Phương pháp nghiên cứu 55 2.2.1 Phương pháp thu thập tài liệu 55 2.2.2 Phương pháp thực nghiệm 55 2.2.3 Phương pháp lấy, xử lý phân tích mẫu 71 2.2.4 Phương pháp phân tích xử lý số liệu 74 CHƯƠNG – KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 75 3.1 Hiện trạng tính chất nước thải thành phố Đơng Hà 75 3.1.1 Thành phần tính chất 75 3.1.2 Hiện trạng thu gom xử lý 77 3.2 Kết nghiên cứu quy mơ phòng thí nghiệm 79 3.2.1 Tính chất nước thải đầu vào 79 3.2.2 Hiệu loại bỏ ô nhiễm 80 3.2.3 Nhận xét kết nghiên cứu 95 3.3 Kết nghiên cứu quy mô thực địa 96 3.3.1 Tính chất nước thải đầu vào 96 3.3.2 Hiệu loại bỏ ô nhiễm 98 3.3.3 Mơ hình động học 117 3.3.4 Nhận xét kết nghiên cứu 119 3.4 Đề xuất mơ hình xử lý nước thải cho thành phố Đông Hà 121 3.4.1 Cơ sở đề xuất 121 3.4.2 Tính tốn đề xuất mơ hình xử lý 123 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 132 KẾT LUẬN 132 KIẾN NGHỊ 133 TÀI LIỆU THAM KHẢO 135 PHỤ LỤC a ii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BOD5 Nhu cầu ôxy sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand) COD Nhu cầu ơxy hóa học (Chemical Oxygen Demand) CSTR Dòng chảy rối liên tục (Continuous Stirred Tank Reactor) CW Đất ngập nước nhân tạo (Constructed Wetland) FWS Dòng chảy tự bề mặt (Free Water Surface) HCHC Hợp chất hữu HF Dòng chảy ngang (Horizontal Flow) HLR Tải trọng thủy lực (Hydraulic Loading Rate) HRT Thời gian lưu nước (Hydraulic Retention Time) Lrb Tải trọng loại bỏ BOD5 Lrn Tải trọng loại bỏ NH4-N NTĐT Nước thải đô thị PE Dân số tương đương (Population Equivalent) PFR Dòng chảy đẩy (Plug Flow Reactor) R2 Hệ số xác định (Coefficient of Determination) SD Độ lệch chuẩn (Standard Deviation) SH Sinh học Tcol Coliform tổng số (Total Coliforms) TP Thành phố VF Dòng chảy đứng (Vertical Flow) VSV Vi sinh vật XLNT Xử lý nước thải iii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Phân cấp mức độ ô nhiễm nước thải đô thị Bảng 1.2: Đặc tính nước thải đầu vào nhà máy XLNT Việt Nam Bảng 1.3: Một số cơng nghệ/q trình xử lý nước thải đô thị 11 Bảng 1.4: Công nghệ XLNT nhà máy tập trung Việt Nam 12 Bảng 1.5: Đặc tính nồng độ kim loại số vật liệu lọc 17 Bảng 1.6: Các trình loại bỏ chất nhiễm bẩn 24 Bảng 1.7: Thông số thiết kế đất ngập nước nhân tạo qua giai đoạn 36 Bảng 1.8: Thông số thiết kế đất ngập nước nhân tạo điển hình 37 Bảng 1.9: Số liệu ứng dụng đất ngập nước nhân tạo Anh Quốc 39 Bảng 1.10: Ứng dụng đất ngập nước nhân tạo tích hợp giới 45 Bảng 2.1: Tổng hợp giá trị vận hành mơ hình thí nghiệm 65 Bảng 2.2: Lượng nước bổ sung cho thí nghiệm theo thời gian 69 Bảng 2.3: Tổng hợp giá trị vận hành nghiên cứu quy mô thực địa 71 Bảng 2.4: Các phương pháp phân tích nước thải 73 Bảng 3.1: Tính chất nước thải đô thị TP Đông Hà (6/2010) 75 Bảng 3.2: Tính chất nước thải thị TP Đông Hà (1- 3/2013) 76 Bảng 3.3: Tính chất nước thải đầu vào nghiên cứu quy mơ thí nghiệm 80 Bảng 3.4: Giá trị P TSS đầu hệ thống 82 Bảng 3.5: Hiệu loại bỏ TSS nghiên cứu khác 82 Bảng 3.6: Kết loại bỏ BOD5 nghiên cứu khác 85 Bảng 3.7: Giá trị P BOD5 đầu hệ thống 85 Bảng 3.8: Kết tải lượng loại bỏ BOD5 nghiên cứu khác 86 Bảng 3.9: Hiệu xử lý BOD5 bể HF hệ thống I II 87 Bảng 3.10: Hiệu loại bỏ NH4-N nghiên cứu khác 89 Bảng 3.11: Giá trị P NH4-N đầu các hệ thống 89 Bảng 3.12: Loại bỏ Tcol nghiên cứu khác 95 Bảng 3.13: Tính chất nước thải đầu vào nghiên cứu thực địa (n = 23 mẫu) 97 iv Bảng 3.14: Nồng độ TSS vào ứng với HLR 99 Bảng 3.15: Loại bỏ hợp chất hữu VF-HF từ nghiên cứu khác 104 Bảng 3.16: Giá trị BOD5 hiệu xử lý ứng với HLR 105 Bảng 3.17: Giá trị COD hiệu xử lý ứng với HLR 105 Bảng 3.18: Hiệu loại bỏ dinh dưỡng VF – HF từ nghiên cứu 110 Bảng 3.19: Nồng độ chất dinh dưỡng hiệu loại bỏ ứng với HLR 112 Bảng 3.20: Giá trị Tcol tương ứng với HLR 116 Bảng 3.21 Hằng số tốc độ phản ứng hợp chất hữu nitơ 118 Bảng 3.22: Tổng hợp thông số khu vực xử lý nước thải 130 Bảng 3.23: Thông số thiết kế CW cho khu vực 131 v DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Trạng thái quản lý nước thải đô thị Việt Nam Hình 1.2: Sơ đồ quản lý nhà nước thoát nước xử lý NTĐT Việt Nam Hình 1.3: Sơ đồ cơng nghệ xử lý nước thải đô thị phổ biến Việt Nam 12 Hình 1.4: Các kiểu đất ngập nước nhân tạo 13 Hình 1.5: Đất ngập nước nhân tạo dòng chảy tự bề mặt 14 Hình 1.6: Đất ngập nước nhân tạo dòng chảy ngang 14 Hình 1.7: Đất ngập nước dòng chảy đứng 16 Hình 1.8: Cây chuối hoa bể thí nghiệm 19 Hình 1.9: Cây mơn nước bể thí nghiệm 20 Hình 1.10: Cây mơn đốm 21 Hình 1.11: Cây phát lộc bể thí nghiệm 22 Hình 1.12: Cây hoa súng ngồi mơi trường (a) bể thí nghiệm (b) 22 Hình 1.13: Cơ chế chuyển hóa chất nhiễm CW 24 Hình 1.14: Quá trình lắng chất rắn FWS 25 Hình 1.15: Chuyển hóa chất hữu CW 26 Hình 1.16: Hệ thống cấp khí chủ động tự nhiên ống “hút” khí 34 Hình 1.17: Hệ thống cấp khí chủ động tự nhiên gián đoạn 34 Hình 1.18: Tháp đất ngập nước nhân tạo “lai” 37 Hình 1.19: Mơ hình đất ngập nước nhân tạo xếp tầng 38 Hình 1.20: Cơng trình CW nhà máy dệt may Hòa Thọ, Đà Nẵng 48 Hình 2.1: Sơ đồ địa điểm lấy mẫu nước thải đặt hệ thống CW thực địa 54 Hình 2.2: Sơ đồ nghiên cứu 54 Hình 2.3: Sơ đồ bố trí hệ thống CW quy mơ phòng thí nghiệm 57 Hình 2.4: Sơ đồ mơ hình thí nghiệm hệ thống I (HF-VF-FWS) 58 Hình 2.5: Sơ đồ mơ hình thí nghiệm hệ thống II (VF-HF-FWS) 58 Hình 2.6: Sơ đồ vị trí lẫy mẫu mơ hình thí nghiệm hệ thống (I, II) 58 Hình 2.7: Chi tiết bể thí nghiệm 59 Hình 2.8: Các lớp vật liệu lọc bể thí nghiệm 60 Hình 2.9: Mơ hình nghiên cứu quy mơ thí nghiệm 61 vi PHỤ LỤC a PHỤ LỤC 1: HÌNH ẢNH NGHIÊN CỨU QUY MƠ PHỊNG THÍ NGHIỆM b PHỤ LỤC 2: HÌNH ẢNH NGHIÊN CỨU QUY MÔ THỰC ĐỊA c PHỤ LỤC 3: SƠ ĐỒ VỊ TRÍ CÁC KHU XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐỀ XUẤT Ghi chú: ○ khu vực xử lý d PHỤ LỤC 4: HÌNH ẢNH CÁC KHU VỰC XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐỀ XUẤT Khu vực cánh đồng phường Đông Lễ Khu vực Nam sông Hiếu Khu vực Đông Lễ - sông Hiếu Khu vực Bắc sông Hiếu Khu vực Tây Nam - sông Vĩnh Phước Khu vực Đông Nam – Đông Lễ e f ... CƯỜNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ Ở THÀNH PHỐ ĐÔNG HÀ, TỈNH QUẢNG TRỊ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO XLNT ĐÔ THỊ Ở TP ĐÔNG HÀ, TỈNH QUẢNG... Nghiên cứu ứng dụng hệ thống đất ngập nước nhân tạo xử lý nước thải đô thị thành phố Đông Hà, tỉnh Quảng Trị Mục tiêu nghiên cứu Luận án tiến hành với mục tiêu sau đây:  Đánh giá khả XLNT đô. .. QUAN 1.1 Nước thải đô thị công nghệ xử lý 1.1.1 Đặc trưng nước thải đô thị hệ thống quản lý 1.1.2 Công nghệ xử lý nước thải đô thị 1.2 Đất ngập nước nhân tạo 13 1.2.1