Sau khi xả vào sông thoát nước, các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước thải đô thị sẽ được phân hủy nhờ các vi khuẩn có trong nước sông và quá trình này được đặc trưng bằng hệ số phân hủy sinh học các chất hữu cơ K1s, phụ thuộc vào nhiệt độ nước, vận tốc dòng chảy sông và các yếu tố hiện trường khác.
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ XÁC ĐỊNH HỆ SỐ PHÂN HỦY SINH HỌC CHẤT HỮU CƠ K1S TRONG SÔNG CẦU BÂY SAU KHI TIẾP NHẬN NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ Trần Đức Minh Hải (1) Trần Đức Hạ Đinh Viết Cường TÓM TẮT Sau xả vào sơng nước, chất nhiễm hữu nước thải đô thị phân hủy nhờ vi khuẩn có nước sơng q trình đặc trưng hệ số phân hủy sinh học chất hữu K1s, phụ thuộc vào nhiệt độ nước, vận tốc dòng chảy sơng yếu tố trường khác Trong trường hợp sông Cầu Bây với nguồn bổ cập nước thải thị từ quận Long Biên huyện Gia Lâm (Hà Nội), hệ số K1s, sử dụng tính tốn q trình tự làm sơng nước 0,305 ngày-1 (mùa khô) 0,388 ngày-1 (mùa mưa) Tương tự, hệ số động Kd mùa khô mùa mưa 3,05 ngày-1 3,9 ngày-1 Từ khóa: Hệ số phân hủy sinh học chất hữu cơ, nước thải, tự làm sạch, sông Cầu Bây, mẫu nước, thông số chất lượng nước Cơ sở lý thuyết lan truyền phân hủy chất ô nhiễm hữu phương pháp xác định hệ số phân hủy sinh học chất hữu K1s dòng chảy sơng Trong sơng tiếp nhận nước thải sinh hoạt, chất ô nhiễm hữu (đặc trưng tiêu BOD5) oxy hóa sinh hóa loại vi khuẩn có nước sơng q trình đặc trưng hệ số phân hủy sinh học chất hữu K1 Quá trình lan truyền chuyển hóa chất nhiễm dòng sơng thể Hình ▲Hình Sơ đồ lan truyền nhiễm dòng chảy sông sau tiếp nhận nước thải Để đánh giá chất lượng nước sông sau tiếp nhận nước thải thị theo sơ đồ lan truyền chuyển hóa chất ô nhiễm nêu người ta thường đưa hệ số K1 vào mơ hình tính tốn [6,7] Hàm lượng BOD5 lớn dòng hỗn hợp nước sơng nước thải Lt theo thời gian dòng chảy t [5,6,7]: L= Ls 10 t − K1,s t −K t + ( Lnt − Ls ).10 1,hh + Lb n (1) Trong đó: K1,s K1,hh hệ số chuyển hóa chất nhiễm hữu theo BOD nước sơng nước dòng hỗn hợp nước sông nước thải, ngày-1 n - số lần pha lỗng; Lb lượng chất hữu tính theo nồng độ BOD bổ sung vào dòng chảy Hệ số K1 số tốc độ phản ứng bậc oxy hóa sinh hóa (phản ứng bậc 1) chất hữu hỗn hợp nước thải nước sông, đặc trưng cho khả tự làm chất hữu dễ oxy hóa sinh hóa (BOD) nước sơng theo yếu tố nhiệt độ, vận tốc dòng chảy yếu tố môi trường khác nên đại lượng thực nghiệm Tuy nhiên, trường hợp xem nước thải xả vào đoạn sông xáo trộn hoàn toàn trước điểm nghiên cứu nên biểu thức (1) biểu diễn sau: Trường Đại học Xây dựng Chuyên đề II, tháng năm 2017 77 = Lt ,i Ls ,i 10 − K1,s t x ,i + Lb ,i (2) Trong đó: - Li,t– BOD5 hỗn hợp nước thải nước sông cuối đoạn (i-1) – (i), mg/L; - Ls,i- BOD5 hỗn hợp nước thải nước sông đầu đoạn (i-1) – (i), mg/L; - Lb,i- BOD5 bổ sung miệng xả phân tán (các ống nước ven sơng D≤200 mm) vào sông, mg/L Như vậy, mục tiêu nghiên cứu xác định hệ số K1,s nồng độ BOD5 bổ sung phù hợp với đoạn sông theo biểu thức (2) để đưa vào mơ hình tính tốn pha lỗng chuyển hóa chất nhiễm cho đoạn sông sau tiếp nhận nước thải theo biểu thức (1) Trong mơ hình chất lượng nước dòng chảy sau tiếp nhận nước thải đô thị, BOD ban đầu K1S hai thông số quan trọng, BOD cho biết xác mức độ nhiễm hữu thủy vực K1s tốc độ phân hủy hợp chất hữu có khả phân hủy sinh học thủy vực Việc xác định hệ số K1s phức tạp, phụ thuộc vào nồng độ đặc điểm chất hữu nước, nhiệt độ, vận tốc dòng chảy thủy vực… Theo Rodzinler I.D., 1984, [7], hệ số K1s dòng chảy sơng có tiếp nhận nước thải đặc trưng biểu thức: K1s= K1 x Kd (3) Trong đó: - K1: số tốc độ oxy hóa sinh hóa chất hữu hỗn hợp nước sơng lấy vị trí với điều kiện ủ mẫu 20o C phòng thí nghiệm - Kd: hệ số tính đến điều kiện thực tế dòng chảy (thủy vực) nghiên cứu: nhiệt độ nước, vận tốc dòng chảy,… Q trình phân hủy sinh học hợp chất hữu vi sinh vật tuân theo phương trình động học bậc 1và lượng oxy hòa tan bị tiêu thụ sinh học yt sau thời gian t, mgL, định nghĩa sau: yt= L0[1-exp(-k1t)] hay yt= L0(1-10-K1t) (4) Trong đó: - L0: BOD ban đầu, mg/l ; - k1và K1: số tốc độ phân hủy BOD; k1 = 2,303 K1 , ngày-1 Giá trị L0.10-K1t Lt hàm lượng oxy hòa tan lại mẫu nước xt sau thời gian t là: xt= x0-yt = x0- L0(1-10-K1t) (5) 78 Chuyên đề II, tháng năm 2017 Như vậy, số tốc độ phân hủy chất hữu hỗn hợp nước sông với nước thải 20o C điều kiện tĩnh (mẫu ủ) xác định cách theo dõi độ giảm sút (tiêu thụ) oxy hàng ngày, khoảng thời gian đủ dài, để hợp chất hữu có khả oxy hoá sinh học bị phân hủy gần hồn tồn, thơng thường ngày trở lên Trên dòng chảy sơng từ vị trí tương ứng thời điểm đến vị trí tương ứng thời điểm n, BOD hỗn hợp nước sông nước thải thay đổi từ L0 đến Lt Nếu chia chiều dài sông tương ứng thời gian dòng chảy t thành n đoạn ta có biểu thức: n K1s = ∑K i =1 1,ti L0,ti−1 10 n ∑L i =1 0,ti −1 10 − K1,t1 ti − K1,ti ti (6) Trong đó: - K1,ti: hệ số phân hủy chất hữu (tính theo BOD) đoạn sông tương ứng thời điểm i-1 đến i, ngày1 ; - ti: khoảng thời gian dòng chảy từ thời điểm i-1 đến i, ngày; - L0,ti-1 : BOD5 đầu đoạn sông thứ i, mg/l Từ biểu thức (3) (6) xác định đại lượng Kd hỗn hợp nước sông nước thải đoạn dòng chảy nghiên cứu Đối với sơng khác nhau, hệ số K1,s khác phụ thuộc vào yếu tố liên quan đến khả tự làm sơng: vận tốc dòng chảy, lượng oxy bổ cập, hệ vi sinh vật thực vật thủy sinh sông,… Theo Vũ Quyết Thắng, 1984, nước sông Chao Phaya có K1 khoảng 0,06 ngày-1÷0,1 ngày-1, nước kênh Băng Cốc (Thái Lan) 0,07-0,19 ngày-1 (30o C) [3] Khi sử dụng mơ hình Phelps-Streeter để tính tốn khả tự làm sông Cầu đoạn chảy qua TP Thái Nguyên, Cái Anh Tú (2014) chọn hệ số K1s 0,1304 ngày-1 [4] Các kết nghiên cứu sơng nước Hà Nội giai đoạn 1985 - 1988 cho thấy, vận tốc dòng chảy sông v ≤0,2 m/s nhiệt độ nước sông trung bình 25o C (ứng với mùa khơ) K1 xác định theo biểu thức sau [5]: K1s=0,0142+0,14lg L0 , ngày-1 ( 13 ) Trong đó: L0 giá trị BOD ban đầu hỗn hợp nước sơng nước thải, tính theo mg/L Đối tượng phương pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu sông Cầu Bây sông đào, chảy từ khu đô thị Việt Hưng, quận Long Biên, qua địa phận huyện Gia Lâm đổ sông Bắc Hưng KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ Hải cửa xả Xuân Thụy (xã Kiêu Kỵ, Gia Lâm) Sơng có tổng chiều dài 12 km Cơng ty Khai thác Cơng trình Thủy lợi Gia Lâm quản lý Do tiếp nhận lượng lớn nước thải chưa xử lý từ khu đô thị khu công nghiệp, sông Cầu Bây bị ô nhiễm nặng nề Các tiêu SS, BOD5, COD, TN, TP, coliform… vượt quy định cho phép mức B1 QCVN 08-MT:2015/BTNMT nhiều lần Nước sông không đảm bảo sử dụng cho mục đích tưới tiêu, ni trồng thủy sản ảnh hưởng rõ rệt đến hệ thống thủy nông Bắc Hưng Hải, nơi tiếp nhận nguồn nước sông Quy hoạch thoát nước Hà Nội đến năm 2030 tầm nhìn đến 2050 định số nhà máy xử lý nước thải (XLNT) tập trung khu vực sơng Cầu Bây Đó nhà máy XLNT Ngọc Thụy (30.000 m3/ngày), Phúc Đồng (55.000 m3/ngày), An Lạc (53.000 m3/ngày), Đông Dư (45.000 m3/ngày) Phú Thị (10.000 m3/ngày) Tuy nhiên, có sở dịch vụ cơng trình cơng cộng nhỏ có nguồn nước thải khơng thu gom vào hệ thống nước tập trung Trong giai đoạn trước mắt cần thiết phải đánh giá trạng chất lượng nước sông, khả tự làm (tiếp nhận nước thải) để làm sở đề xuất giải pháp BVMT nước sông tổ chức thoát nước XLNT khu vực cho phù hợp Hệ số tự làm sông Cầu Bây hệ số phân hủy sinh học chất hữu K1s xác định sở lấy mẫu nước phân tích nhiệt độ, DO BOD5vào thời điểm mùa mưa mùa khô 11 điểm lấy mẫu lựa chọn đoạn sông từ Đa Tốn đến Xuân Thụy (huyện Gia Lâm) thể Hình Đây đoạn hạ lưu sơng, nơi khơng có nguồn thải tập trung đổ vào, có chiều dài 5000 m với kích thước mặt cắt sơng ổn định Phương pháp lấy mẫu nước sông theo TCVN 6663 - 6:2008 (ISO 5667 - 6:2005) Chất lượng nước - Lấy mẫu - Phần 6: hướng dẫn lấy mẫu sông suối Hằng số K1 điều kiện tĩnh xác định theo tốc độ tiêu thụ oxy điều kiện ủ mẫu nước số (điểm đầu đoạn sơng) 20oC vòng ngày BOD5 sơng dự kiến 50 - 80 mg/L nên nước mẫu pha lỗng 20 lần Q trình nitrat hóa mẫu ủ ức chế dung dịch alylthioure (ATU) (C4H8N2S) 0,05% Oxy hòa tan (DO) đo thường xuyên 12h/lần trực tiếp điện cực theo TCVN 7325:2004 (ISO 5814:1990): Chất lượng nước - Xác định ơxy hòa tan - Phương pháp đầu đo điện hóa, 11 bình oxy thể tích 300 mL chứa nước mẫu số pha lỗng Chỉ tiêu BOD5 mẫu nước sơng phân tích phương pháp pha lỗng bình BOD theo TCVN 6001-1:2008 (ISO 5815-1:2003) Phần 1: Phương pháp pha lỗng cấy có bổ sung allythioure Kết nghiên cứu thảo luận Mẫu nước sông Cầu Bây lấy vào thời điểm mùa mưa (tháng tháng năm 2016) mùa khô (tháng năm 2017), tần suất tháng/đợt với độ lặp mẫu (sáng chiều) ngày Kết lấy mẫu phân tích mẫu nước sơng Cầu Bây theo tiêu: nhiệt độ (đo chỗ), DO (đo chỗ) BOD5 (đo phòng thí nghiệm) nêu Bảng ▲Hình Sơ đồ vị trí lấy mẫu sơng Cầu Bây Chun đề II, tháng năm 2017 79 Bảng Kết phân tích chất lượng nước đoạn sơng Cầu Bây thời gian cuối năm 2016 đầu năm 2017 Điểm lấy Khoảng cách tính Số liệu phân tích mùa khô mẫu từ điểm 1, m Nhiệt độ, oC DO, mg/L BOD5, mg/L Số liệu phân tích mùa mưa Nhiệt độ, oC DO, mg/L BOD5, mg/L 22,5 1,5 65±4,5 21,3 2,8 38,3±2,9 600 23 1,9 56,5±3,8 21,5 2,8 35,5±2,8 1000 22,5 2,1 50,5±3,5 22,3 2,6 32,8±2,8 1500 22,7 1,2 45,1±3,5 21,9 2,9 29,1±2,6 2000 23,1 1,9 40,3±3,5 21,7 2,9 27,9±2,6 2700 23,4 2,2 36,2±2,9 22,2 3,1 26,2±2,6 3100 22,8 2,2 35,2±2,9 22,5 3,1 25,2±2,5 3600 23 2,5 34,3±2,9 22,1 3,2 24,8±2,4 4000 22,5 2,6 33,6±2,7 21,8 2,9 24,5±2,3 10 4500 22,7 2,6 33±2,5 22,1 3,3 24,1±2,2 11 5000 23,5 2,8 32,2±2,5 22,4 3,3 23,9±2,2 Kết phân tích mẫu nước sông cho thấy phần lớn (81% số mẫu) giá trị BOD5 vượt ngưỡng quy định nguồn nước B2 theo QCVN 08-MT:2015/ BTNMT - Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lượng nước mặt Sơng tình trạng thiếu oxy (DO sông dao động từ - mg/L) Trong thời điểm lấy mẫu, nhiệt độ nước sông (tầng trên, cách mặt nước 0,4 m) nằm khoảng từ 23oC - 28,5oC Kết quan trắc nước sông Cầu Bây khu vực đoạn sông nghiên cứu năm 2015 Trung tâm Quan trắc TN&MT Hà Nội cho thấy, nước sơng tình trạng ô nhiễm nặng, mức α-mezosaprobe [2] Với mục tiêu xác định K1 điều kiện tĩnh 20oC nước sông Cầu Bây, giá trị DO 11 bình oxy tương ứng với thời gian ủ mẫu: 0, 0,5, 1, …, ngày nêu Hình ▲Hình Biểu đồ DO lại mẫu nước theo thời gian lưu giữ bình oxy 20oC Bảng Kết tính tốn xác định K1s Kd đoạn sông nghiên cứu mùa khô mưa TT Mùa khô (tháng 2-3 năm 2016) Khoảng cách X, m t, ngày L0, mg/L Lt, mg/L K1s, ngày-1 t, ngày L0, mg/L Lt, mg/L K1s, ngày-1 0-600 0,17 65 56,5 0,548 0,08 38,3 35,5 0,4582 600-1000 0,115 56,5 50,5 0,6971 0,055 35,5 32,8 0,6971 1000-1500 0,145 50,5 45,1 0,8068 0,07 32,8 29,1 0,8068 1500-2000 0,145 45,1 40,3 0,3064 0,075 29,1 27,9 0,3064 2000-2700 0,202 40,3 36,2 0,3549 0,091 27,9 26,2 0,3545 2700-3100 0,115 36,2 35,2 0,3683 0,06 26,2 25,2 0,3683 3100-3600 0,144 35,2 34,3 0,1699 0,072 25,2 24,8 0,1699 3600-4000 0,115 34,3 33,6 0,1933 0,055 24,8 24,5 0,1933 4000-4500 0,145 33,6 33 0,1967 0,064 24,5 24,1 0,1967 10 4500-5000 0,145 33 32,2 0,1214 0,075 24,1 23,9 0,1214 1,441 80 Mùa mưa (tháng 7-8 năm 2015) Chuyên đề II, tháng năm 2017 0,305 0,697 0,388 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ Phân tích tương quan giá trị DO lại (Y), mg/L thời gian ủ mẫu nước (X), ngày, phần mềm exel , có biểu thức quan hệ hai đại lượng là: (7) y = 6,7851e-0,229xvới R² = 0, 9004 -1 Từ (7), xác định k1=0,229 ngày K1=0,1 ngày-1 Hệ số K1s đoạn sông nghiên cứu dao động theo mùa khơ mùa mưa Từ số liệu phân tích BOD5 mẫu nước sông theo đợt mùa khô mùa mưa, theo biểu thức (6) có kết tính tốn xác định hệ số K1s Kd Bảng Từ kết tính tốn xác định được: - Trong mùa khơ, vận tốc dòng chảy nhỏ, hệ số phân hủy sinh học chất hữu sông Cầu Bây K1s 0,305 ngày-1 hệ số điều chỉnh thực tế cho đoạn sông Kd 3,05 - Trong mùa mưa, vận tốc dòng chảy nhỏ, hệ số phân hủy sinh học chất hữu sông Cầu Bây K1s 0,388 ngày-1 hệ số điều chỉnh thực tế cho đoạn sông Kd 3,9 Các giá trị tính tốn K1s Kd xác định đưa vào biểu thức (1) (2) để tính tốn q trình tự làm nước sông tiếp nhận nước thải sinh hoạt, nước thải đô thị Kết luận Sau tiếp nhận nước thải, chất ô nhiễm pha lỗng chuyển hóa theo biểu thức (1) (2) Phân hủy sinh học chất hữu đặc trưng hệ số K1s trình chuyển hóa chủ yếu tạo nên khả tự làm dòng chảy sơng Tuy nhiên, hệ số phụ thuộc vào điều kiện thực tế dòng chảy như: nhiệt độ, vận tốc dòng chảy điều kiện mơi trường khác Đối với sơng Cầu Bây, dòng chảy tiếp nhận nguồn nước thải sinh hoạt dịch vụ từ quận Long Biên huyện Gia Lâm (TP Hà Nội), số K1trong điều kiện tĩnh liên quan đến thành phần hữu nước thải xác định 0,1 ngày-1 Các hệ số điều chỉnh thực tế Kdvề mùa khô 3,05 mùa mưa 3,9 Tương ứng, hệ số K1s dùng tính tốn tự làm nguồn nước sơng Cầu Bây K1s 0,305ngày-1 (mùa khô) 0,388 ngày-1 (mùa mưa) Các tác giả đề tài NCKH cấp TP Hà Nội “Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật tổng hợp để bảo vệ môi trường nước sông nội đô TP Hà Nội (mã số: 01C-09/01-20163)” chân thành cảm ơn Sở Khoa học Công nghệ Hà Nội, Sở TN&MT Hà Nội tạo điều kiện phối hợp đề tài mà nội dung nghiên cứu trình bày báo■ TÀI LIỆU THAM KHẢO UBND TP Hà Nội Quy hoạch nước Thủ Hà Nội đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050, Hà Nội, 2013 Cái Anh Tú Áp dụng hệ số ô nhiễm BOD, COD, SS mơ hình Streeter-Phelps để tính tốn thải lượng nhiễm số nguồn thải” Tạp chí Mơi trường, số 11/2014 Trần Đức Hạ Mơ hình hóa q trình tự làm chuỗi hồ điều kiện Việt Nam Luận án Tiến sĩ, Trường Đại học Xây dựng Leningrad,1991 Trần Đức Hạ Xây dựng mơ hình tính tốn chất lượng nước sơng mương nước thị Tạp chí Khoa học cơng nghệ Xây dựng (ĐHXD), số 25 (9-2015) Trung tâm Quan trắc TN&MT Hà Nội Báo cáo kết quan trắc môi trường nước mặt Hà Nội năm 2015 Vu Quyet Thang Evaluation of k1 for BOD in tropical rivers.Asian Institute of Technology Bangkok, Thailand, 1984 Rodzinler I.D Dự báo chất lượng nguồn nước sau tiếp nhận nước thải NXB Xây dựng Leningrad, 1985 (bản tiếng Nga) DETERMINING THE ORGANIC BIODEGRADABLE COEFFICIENT K1S IN CAU BAY RIVER AFTER RECEIVING MUNICIPAL WASTEWATER Trần Đức Hạ, Trần Đức Minh Hải, Đinh Viết Cường National University of Civil Engineering ABSTRACT: After discharginginto drainage river, organic pollutants of municipal wastewater are degraded by appearance of bacteria in river water and this process is specified by the organic biodegradable coefficient K1s, depending on on-site temperature, flow velocity and other factors In the case of Cau Bay river, due to the fact that the main flow receives municipal wastewater from Long Bien and Gia Lam District (Hanoi), the coefficients K1s using in the calculation of river self-purification are 0.305 day-1 (dry season) and 0.388 day-1 (wet season) Similarly, the coefficients Kd in dryand wetseason are 3.05 and 3.9 respectively Keywords: Organic biodegradable coefficient, wastewater, self-purification, Cau Bay river, Water sampling, Water quality parameter Chuyên đề II, tháng năm 2017 81 ... kết tính toán xác định hệ số K1s Kd Bảng Từ kết tính tốn xác định được: - Trong mùa khơ, vận tốc dòng chảy nhỏ, hệ số phân hủy sinh học chất hữu sông Cầu Bây K1s 0,305 ngày-1 hệ số điều chỉnh... trạng chất lượng nước sông, khả tự làm (tiếp nhận nước thải) để làm sở đề xuất giải pháp BVMT nước sông tổ chức thoát nước XLNT khu vực cho phù hợp Hệ số tự làm sông Cầu Bây hệ số phân hủy sinh học. .. BOD cho biết xác mức độ nhiễm hữu thủy vực K1s tốc độ phân hủy hợp chất hữu có khả phân hủy sinh học thủy vực Việc xác định hệ số K1s phức tạp, phụ thuộc vào nồng độ đặc điểm chất hữu nước, nhiệt