Luận văn Nghiên cứu khả năng xử lý ô nhiễm chất hữu cơ tại sông Tô Lịch bằng hệ thống sục khí sử dụng pin năng lượng mặt trời

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu khả năng xử lý ô nhiễm chất hữu cơ tại sông Tô Lịch bằng hệ thống sục khí sử dụng pin năng lượng mặt trời

1. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Phí Phương Hạnh NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ Ô NHIỄM CHẤT HỮU CƠ TẠI SÔNG TÔ LỊCH BẰNG HỆ THỐNG SỤC KHÍ SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2019
2. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Phí Phương Hạnh NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG XỬ LÝ Ô NHIỄM CHẤT HỮU CƠ TẠI SÔNG TÔ LỊCH BẰNG HỆ THỐNG SỤC KHÍ SỬ DỤNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Chuyên ngành: Khoa học môi trường Mã số: 8440301.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Trần Thiện Cường TS. Nguyễn Hữu Huấn Hà Nội - 2019
3. 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 văn 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 văn đã ghi rõ tên tài liệu tham khảo và tác giả của tài liệu đó. TÁC GIẢ Phí Phương Hạnh i
4. LỜI CẢM ƠN Để có thể hoàn thiện được nội dung của luận văn thạc sĩ khoa học, ngoài sự nỗ lực không ngừng của bản thân, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất tới quý thầy cô bộ môn Môi trường và Phát triển bền vững nói riêng và toàn thể thầy cô Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội nói chung đã luôn quan tâm và tận tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức bổ ích và vô cùng quý báu cho tôi trong suốt thời gian theo học tại trường. Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành và tri ân sâu sắc tới TS. Trần Thiện Cường và TS. Nguyễn Hữu Huấn, những người đã trực tiếp hướng dẫn, luôn luôn sát sao, động viên, nhắc nhở kịp thời và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt thời gian thực hiện nghiên cứu phục vụ cho luận văn. Tôi xin trân trọng cảm ơn các cán bộ thuộc Phòng Thí nghiệm Khoa Môi trường Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN, cảm ơn Trung tâm nghiên cứu quan trắc và mô hình hóa môi trường đã hỗ trợ và giúp đỡ tôi hết sức nhiệt tình trong quá trình phân tích và vận hành thiết bị thực nghiệm để tôi có thể thuận lợi hoàn thành luận văn của cá nhân mình. Cuối cùng, tôi xin dành lời cảm ơn chân thành tới toàn thể gia đình, bạn bè và đồng nghiệp, những người vẫn luôn quan tâm, giúp đỡ, động viên tôi và đồng thời cũng là chỗ dựa tinh thần vững chắc giúp tôi hoàn thành tốt nhiệm vụ được giao trong suốt thời gian học tập và quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn thạc sĩ khoa học vừa qua. TÁC GIẢ Phí Phương Hạnh ii
5. MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT iii DANH MỤC BẢNG iv DANH MỤC HÌNH v MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3 1.1 Tổng quan về điều kiện tự nhiên – kinh tế - xã hội của thành phố Hà Nội 3 1.1.1 Tổng quan về điều khiện tự nhiên của TPHN 3 1.1.1.1 Vị trí địa lý 3 1.1.1.2 Khí hậu 3 1.1.1.3 Thủy văn 4 1.1.2 Tổng quan về điều kiện kinh tế xã hội của TPHN 4 1.1.2.1 Dân số 4 1.1.2.2 Tình hình phát triển kinh tế 5 1.2 Tổng quan về hiện trạng môi trường của sông Tô Lịch 6 1.2.1 Vị trí địa lý, đặc điểm địa hình của sông Tô Lịch 6 1.2.2 Thực trạng nguồn thải sông Tô Lịch tiếp nhận 7 1.3 Tổng quan về hoạt động quản lý nước thải đô thị tại Hà Nội 9 1.4 Tổng quan về ô nhiễm các hợp chất hữu cơ trong nước sông 13 1.4.1 Phân loại các hợp chất hữu cơ 13 1.4.2 Ô nhiễm chất hữu cơ trong nước sông 14 1.4.3 Các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm chất hữu cơ 16 1.4.3.1 Tách nước thải và nước mưa đợt đầu khỏi sông 16 1.4.3.2 Xử lý nước thải trước khi xả vào sông 16
6. 1.4.3.3 Tăng cường quá trình tự làm sạch trong sông 17 1.4.3.4 Giảm thiểu nguồn ô nhiễm từ tầng đáy và bùn cặn 19 1.5 Tổng quan xử lý ô nhiễm chất hữu cơ bằng phương pháp sục khí 21 1.5.1 Cơ sở khoa học 21 1.5.2 Thí nghiệm sử dụng công nghệ sục khí 21 1.5.2.1 Cơ sở khoa học của hệ thống sục khí 21 1.5.2.2 Mô hình hệ thiết bị sục khí quy mô PTN 22 1.5.2.3 Ảnh hưởng của phương pháp sục khí đến hiệu quả xử lý chất hữu cơ 25 1.5.2.4 Công nghệ sục khí ngầm được áp dụng trên thế giới 30 1.6 Tổng quan về năng lượng mặt trời 32 1.6.1 Tổng quan về năng lượng mặt trời tại Việt Nam 32 1.6.2 Ứng dụng hệ thống sục khí sử dụng pin mặt trời tại Việt Nam 32 CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36 2.1 Đối tượng nghiên cứu 36 2.1.1 Chất lượng nước sông Tô Lịch 36 2.1.2 Phương pháp xử lý ô nhiễm chất hữu cơ bằng hợp chất chứa sắt 37 2.1.3 Khả năng thay thế điện năng dùng cho hệ thống sục khí bằng pin mặt trời 41 2.2 Phạm vi nghiên cứu 42 2.3.1 Phương pháp thừa kế có chọn lọc 44 2.3.2 Phương pháp lấy mẫu và bảo quản mẫu 44 2.3.4 Phương pháp bố trí thí nghiệm 47 2.3.5 Phương pháp thống kê 50 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 51 3.1 Đánh giá chất lượng môi trường nước sông Tô Lịch 51 3.1.1 Kết quả phân tích chất lượng nước sông Tô Lịch mùa khô 51 3.1.2 Kết quả phân tích chất lượng nước sông Tô Lịch mùa mưa 58 i
7. 3.2 Nghiên cứu giải pháp kỹ thuật xử lý ô nhiễm chất hữu cơ 64 3.2.1 Xử lý ô nhiễm chất hữu cơ bằng hệ thống sục khí 64 3.2.1.1 Nguyên tắc hoạt động của máy sục khí ngầm 64 3.2.1.2 Sự phù hợp của phương pháp xử lý ô nhiễm CHC bằng hệ thống sục khí trên sông Tô Lịch 65 3.2.2 Xử lý ô nhiễm chất hữu cơ bằng hợp chất chứa sắt 67 3.2.3 So sánh ưu nhược điểm của 2 phương pháp xử lý COD 72 3.2.4 Sử dụng pin năng lượng mặt trời cho hệ thống sục khí 73 3.2.4.1 Tiềm năng sử dụng pin năng lượng mặt trời 73 3.2.4.2 Tính toán và thiết kế sơ đồ hệ thống sục khí sử dụng pin NLMT 75 3.2.4.3 Hiệu quả của hệ thống pin năng lượng mặt trời 79 3.2.4.4 Phương án thu gom xử lý pin năng lượng mặt trời sau khi hết hạn sử dụng 83 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 83 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN VĂN 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 ii
8. DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT TPHN Thành phố Hà Nội NTSX Nước thải sản xuất NTSH Nước thải sinh hoạt NTCN Nước thải công nghiệp NTDV Nước thải dịch vụ NTBV Nước thải bệnh viện TLV Tiểu lưu vực HTTN Hệ thống thoát nước KCN Khu công nghiệp CCN Cụm công nghiệp NLMT Năng lượng mặt trời iii
9. DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Hàm lượng và thải lượng một số chất ô nhiễm thải vào sông Tô Lịch 8 Bảng 1.2: Đánh giá hiệu quả xử lý của 4 nhà máy XLNT đô thị tại TPHN 12 Bảng 2.1: Phân vùng các tiểu khu tiêu thoát nước dọc theo sông Tô Lịch 37 Bảng 2.2: Vị trí lấy mẫu sông Tô Lịch 44 Bảng 2.3: Bảng phương pháp phân tích các thông số 47 Bảng 3.1: Kết quả nồng độ COD đo được trong nước thải 68 Bảng 3.2: Kết quả nồng độ COD đo được trong nước thải 69 Bảng 3.3: Kết quả nồng độ COD đo được trong nước thải 70 Bảng 3.4: Kết quả nồng độ COD đo được trong nước thải 71 Bảng 3.5: So sánh ưu nhược điểm 72 Bảng 3.6: So sánh hiệu quả của hệ thống định hướng 1 trục và 2 trục 78 Bảng 3.7: Danh mục máy móc thiết bị sử dụng trong quá trình lắp đặt hệ thống điện mặt trời 78 Bảng 3.8: Hiệu quả về môi trường của việc tiết kiệm điện năng 80 Bảng 3.9: Tỷ giá thu mua điện 81 Bảng 3.10: Bảng giá điện sinh hoạt theo 6 bậc được ban hành tháng 3/2019 82 iv
10. DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Tỷ lệ đóng góp thải lượng theo nguồn thải của một số chất ô nhiễm thải vào sông Tô Lịch 9 Hình 1.2: Hệ thống thoát nước chung điển hình tại các đô thị Việt Nam 10 Hình 1.3: Hiện trạng quản lý nước thải đô thị tại Việt Nam 11 Hình 1.4: Công suất hoạt động thực tế và công suất thiết kế của 4 nhà máy XLNT đô thị tại TPHN 12 Hình 1.5: Hình ảnh nạo vét sông Tô Lịch 20 Hình 1.6: Sơ đồ bố trí thí nghiệm sục khí cưỡng bức theo độ sâu 23 Hình 1.7: Mô hình hệ thiết bị sục khí PTN 24 Hình 1.8: Xu thế diễn biến giá trị COD theo thời gian sục khí trong mô đun 1 25 Hình 1.9: Xu thế diễn biến giá trị COD theo thời gian sục khí trong mô đun 2 26 Hình 1.10: Xu thế diễn biến giá trị COD theo thời gian sục khí trong mô đun 3 27 Hình 1.11: Diễn biến giá trị COD tầng mặt theo thời gian của hệ sục khí 28 Hình 1.12: Diễn biến giá trị COD tầng đáy theo thời gian của hệ sục khí 29 Hình 1.13: Sơ đồ thiết bị sục khí cưỡng bức kiểu ống chữ U 30 Hình 1.14: Mặt cắt mô tả hệ thống xử lý nước U-Tube trên sông 31 Hình 1.15: Mặt bằng mô tả hệ thống xử lý nước U-Tube trên sông 32 Hình 1.16: Dàn pin NLMT trên nóc nhà Bộ Công Thương 33 Hình 1.17: Dàn pin NLMT tại Trung tâm Hội nghị Quốc gia Mỹ Đình 33 Hình 1.18: Dàn pin NLMT trên đảo Trường Sa 34 Hình 2.1 : Phạm vi nghiên cứu và điểm lấy mẫu tại Cầu Lủ 42 Hình 2.2: Thiết bị lấy mẫu nước kiểu ngang 46 Hình 2.3: Hình ảnh lấy mẫu thực tế 46 Hình 2.4: Mô hình thí nghiệm 48 Hình 3.1: Giá trị pH và DO của các mẫu quan trắc sông Tô Lịch trong mùa khô 51 v
11. Hình 3.2: Giá trị TSS của các mẫu quan trắc sông Tô Lịch trong mùa khô 52 Hình 3.3: Giá trị COD của các mẫu quan trắc sông Tô Lịch trong mùa khô 53 Hình 3.4: Giá trị BOD của các mẫu quan trắc sông Tô Lịch trong mùa khô 54 + Hình 3.5: Giá trị NH4 của các mẫu quan trắc sông Tô Lịch trong mùa khô 55 - Hình 3.6: Giá trị NO3 của các mẫu quan trắc sông Tô Lịch trong mùa khô 55 3- Hình 3.7: Giá trị PO4 của các mẫu quan trắc trên sông Tô Lịch mùa khô 56 Hình 3.8: Giá trị Cl- của các mẫu quan trắc trên sông Tô Lịch mùa khô 57 Hình 3.9: Giá trị Coliform của các mẫu quan trắc trên sông Tô Lịch mùa khô 57 Hình 3.10: Giá trị pH và DO các mẫu nước quan trắc sông Tô Lịch trong mùa mưa 58 Hình 3.11: Giá trị TSS các mẫu nước quan trắc sông Tô Lịch trong mùa mưa 59 Hình 3.12: Giá trị COD của các mẫu quan trắc sông Tô Lịch vào mùa mưa 60 Hình 3.13: Giá trị BOD5 của các mẫu quan trắc sông Tô Lịch vào mùa mưa 60 + Hình 3.14: Giá trị NH4 của các mẫu quan trắc sông Tô Lịch vào mùa mưa 61 - Hình 3.15: Giá trị NO3 của các mẫu quan trắc sông Tô Lịch vào mùa mưa 62 3- Hình 3.16: Giá trị PO4 của các mẫu quan trắc sông Tô Lịch mùa mưa 62 Hình 3.17: Giá trị Cl- của các mẫu quan trắc sông Tô Lịch mùa mưa 63 Hình 3.18: Giá trị Coliform của các mẫu quan trắc sông Tô Lịch mùa mưa 63 Hình 3.19: Nguyên tắc hoạt động của máy sục khí ngầm 64 Hình 3.20: Máy sục khí ngầm 65 Hình 3.21: Nồng độ và hiệu suất xử lý COD theo thời gian 68 Hình 3.22: Hiệu suất xử lý COD theo nồng độ axit oxalic và thời gian 69 Hình 3.23: Hiệu suất xử lý COD theo pH và thời gian 70 Hình 3.24: Hiệu suất xử lý COD theo nồng độ H2 O2 và thời gian 71 Hình 3.25: Hiệu suất xử lý COD theo nồng độ Fe3+ 72 Hình 3.26: Bản đồ tiềm năng NLMT tại Việt Nam năm 2017 74 vi
12. Hình 3.27: Bức xạ NLMT trong ngày theo từng tháng ở Việt Nam 77 Hình 3.28: Các loại mô hình 1 trục và 2 trục định hướng theo vị trí mặt trời 77 Hình 3.29: Sơ đồ hệ thống máy sục khí sử dụng pin năng lượng mặt trời 79 Hình 3.30: Đường đi bộ dọc theo sông Tô Lịch 83 Hình 3.31: Sơ đồ hệ thống máy sục khí sử dụng pin năng lượng mặt trời 79 Hình 3.32: Sơ đồ hệ thống máy sục khí sử dụng pin năng lượng mặt trời 85 vii
13. MỞ ĐẦU Việt Nam là nước đang phát triển và định hướng của Việt Nam sẽ trở thành nước công nghiệp hóa. Theo đó, áp lực phát triển công nghiệp gây tác động rất lớn đến môi trường, đặc biệt là môi trường nước. Các cơ sở sản xuất, doanh nghiệp đang đầu tư rất lớn vào sản xuất, đã và đang xả thải nước thải chưa qua xử lý, hoặc xử lý chưa triệt để vào các thủy vực, gây ô nhiễm môi trường nước tại các sông nội đô. Hệ thống lưu vực sông Tô Lịch bao gồm khu vực thượng nguồn nằm ở phía Tây và Tây Bắc của trung tâm thành phố Hà Nội, khu vực trung tâm thành phố Hà Nội và khu vực hạ nguồn nằm ở phía Nam và Đông Nam của thành phố Hà Nội. Hệ thống lưu vực sông Tô Lịch nằm trong vùng giới hạn bởi hai hệ thống đê bao là đê tả của sông Hồng và đê hữu của sông Nhuệ, với diện tích lưu vực là khoảng 77,5 km2. Hiện nay tất cả các dòng sông thuộc khu vực trung tâm TPHN hay còn gọi tắt là sông nội đô Hà Nội đều đang bị ô nhiễm nặng do tải lượng lớn của các chất hữu cơ (CHC), chất vô cơ, vi sinh vật (VSV), kim loại nặng (KLN) Ngoài ra các con sông nội đô Hà Nội đều có mầu đen đặc (do lượng CHC cao trong nước), bốc mùi hôi thối (mùi khí H2S) và gây ảnh hưởng trực tiếp đến vệ sinh môi trường, cảnh quan đô thị cũng như sức khỏe của người dân sống dọc theo sông. Hiện nay, xử lý nước thải với các đặc tính ô nhiễm chất hữu cơ bằng biện pháp sinh học được coi là phương pháp thân thiện với môi trường và được ứng dụng nhiều ở các nước trên thế giới. Đây là công nghệ xử lý nước thải dựa trên hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải mang lại hiệu quả cao, chi phí hợp lý, dễ dàng vận hành. Phương pháp điển hình để đưa oxy từ khí quyển vào trong nước có thể kể đến là phương pháp sục khí sử dụng máy thổi hoặc máy nén không khí. Tuy nhiên, nồng độ oxy hòa tan trong nước bị chi phối bởi các yếu tố điển hình là nhiệt độ và áp suất, trong đó yếu tố nhiệt độ là yếu tố rất khó kiểm soát trong các hệ hở. Vì vậy, trong trường hợp muốn cải thiện hiệu suất của quá trình hòa tan oxy vào nước thường có thể lựa chọn phương án thay đổi áp suất sục khí, đạt được khi tiến hành sục khí ở các độ sâu khác nhau so với bề mặt của khối nước. 1
14. Hiện nay các nguồn năng lượng truyền thống, sẵn có trong tự nhiên đang dần cạn kiệt, suy giảm nghiêm trọng. Nếu con người không có những thay đổi kịp thời thì trong tương lai không xa nhân loại sẽ rơi vào tình trạng bất ổn về kinh tế, chính trị, xã hội, ô nhiễm môi trường nặng nề hơn. Năng lượng mặt trời là năng lượng sạch có tiềm năng nhất trên Trái Đất. Việc khai thác loại năng lượng này đang được nghiên cứu và triển khai ở nhiều quốc gia phát triển trên thế giới trong đó có Việt Nam. Xuất phát từ những thực tiễn trên, đề tài “Nghiên cứu khả năng xử lý ô nhiễm chất hữu cơ tại sông Tô Lịch bằng hệ thống sục khí sử dụng pin năng lượng mặt trời” là rất cần thiết để cơ sở nghiên cứu khả năng xử lý ô nhiễm chất hữu cơ theo hướng bền vững và thân thiện với môi trường mà không cần đưa thêm hóa chất vào môi trường bằng cách sử dụng hệ thống sục khí. Để phát triển theo hướng bền vững thì tác giả nghiên cứu khả năng thay thế của việc sử dụng điện năng cho máy sục khí sang dùng pin năng lượng mặt trời để tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên do giới hạn về thời gian cũng như về tài chính nên luận văn chỉ tập trung nghiên cứu các kịch bản có thể xảy ra khi sử dụng pin NLMT thay thế cho điện năng truyền thống. Luận văn tập trung nghiên cứu các nội dung chính sau: Đánh giá được thực trạng và chất lượng nước sông Tô Lịch. So sánh phương pháp xử lý ô nhiễm CHC bằng hệ thống sục khí và phương pháp sử dụng hợp chất chứa sắt. Nghiên cứu giải pháp sử dụng pin năng lượng mặt trời thay thế việc sử dụng điện cho hệ thống sục khí theo các kịch bản mùa khô và mùa mưa. 2
15. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về điều kiện tự nhiên – kinh tế - xã hội của thành phố Hà Nội 1.1.1 Tổng quan về điều khiện tự nhiên của TPHN 1.1.1.1 Vị trí địa lý Nằm chếch về phía tây bắc của trung tâm vùng đồng bằng châu thổ sông Hồng, Hà Nội có vị trí từ 20°53' đến 21°23' vĩ độ Bắc và 105°44' đến 106°02' độ kinh Đông, tiếp giáp với các tỉnh Thái Nguyên, Vĩnh Phúc ở phía Bắc, Hà Nam, Hòa Bình phía Nam, Bắc Giang, Bắc Ninh và Hưng Yên phía Đông, Hòa Bình cùng Phú Thọ phía Tây. Sau đợt mở rộng địa giới hành chính vào tháng 8 năm 2008, thành phố có diện tích 3.324,92km2, nằm ở cả hai bên bờ sông Hồng, nhưng tập trung chủ yếu bên hữu ngạn [27]. Địa hình Hà Nội thấp dần theo hướng từ Bắc xuống Nam và từ Tây sang Đông với độ cao trung bình từ 5 đến 20 mét so với mực nước biển. Nhờ phù sa bồi đắp, ba phần tư diện tích tự nhiên của Hà Nội là đồng bằng, nằm ở hữu ngạn sông Đà, hai bên sông Hồng và chi lưu các con sông khác [27]. 1.1.1.2 Khí hậu Nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa, khí hậu Hà Nội có đặc trưng nổi bật là gió mùa ẩm, nóng và mưa nhiều về mùa hè, lạnh và ít mưa về mùa đông; được chia thành bốn mùa rõ rệt trong năm: Xuân, Hạ, Thu, Đông. Ranh giới phân chia bốn mùa chỉ có tính chất tương đối, vì Hà Nội có năm rét sớm, có năm rét muộn, có năm nóng kéo dài, nhiệt độ lên tới 40°C, có năm nhiệt độ xuống thấp dưới 5°C [26]. Hà Nội quanh năm tiếp nhận được lượng bức xạ mặt trời khá dồi dào. Tổng lượng bức xạ trung bình hàng năm khoảng 120 kcal/cm², nhiệt độ trung bình năm 24,9°C, độ ẩm trung bình 80 - 82%. Lượng mưa trung bình trên 1700mm/năm (khoảng 114 ngày mưa/năm) [26]. 3
16. 1.1.1.3 Thủy văn Sông Hồng là con sông chính của thành phố, bắt đầu chảy vào Hà Nội ở huyện Ba Vì và ra khỏi thành phố ở khu vực huyện Phú Xuyên tiếp giáp Hưng Yên rồi xuôi về Nam Định. Sông Hồng chảy qua Hà Nội dài 163 km, chiếm khoảng một phần ba chiều dài của con sông này trên đất Việt Nam. Ngoài ra, trên địa phận Hà Nội còn nhiều sông khác như sông Đáy, sông Đuống, sông Cầu Các sông nhỏ chảy trong khu vực nội thành như sông Tô Lịch, sông Kim Ngưu, là những đường tiêu thoát nước thải của Hà Nội [27]. Do quá trình đô thị hóa mạnh mẽ từ năm 1990 đến nay, phần lớn các sông hồ Hà Nội đều rơi vào tình trạng ô nhiễm nghiêm trọng do lượng nước thải chưa qua xử lý xả thẳng ra môi trường quá lớn. Năm 2015, chỉ tính riêng trong khu vực nội đô, mỗi ngày lượng nước thải xả thẳng ra hệ thống sông hồ vào khoảng 650.000 m3/ngày. Sông Tô Lịch, trục tiêu thoát nước thải chính của thành phố, hàng ngày phải tiếp nhận khoảng 250.000 m³ nước thải xả thẳng xuống dòng sông mà không hề qua xử lý. Tương tự, sông Kim Ngưu nhận khoảng 125.000 m³ nước thải sinh hoạt mỗi ngày. Sông Lừ và sông Sét trung bình mỗi ngày cũng đổ vào sông Kim Ngưu khoảng 110.000 m³. Lượng nước thải sinh hoạt và công nghiệp này đều có hàm lượng hóa chất độc hại cao. Các sông mương nội và ngoại thành, ngoài vai trò tiêu thoát nước còn phải nhận thêm một phần rác thải của người dân và chất thải công nghiệp. Những làng nghề thủ công cũng góp phần vào gây nên tình trạng ô nhiễm này [27]. 1.1.2 Tổng quan về điều kiện kinh tế xã hội của TPHN 1.1.2.1 Dân số Tính đến năm 2018, dân số Hà Nội là 8.215.000 người, 55% dân số (tức 4,5 triệu người) sống ở thành thị, 3,7 triệu người sống ở nông thôn (45%). Mật độ dân số trung bình của Hà Nội là 2.505 người/km². Mật độ dân số cao nhất là ở quận Đống Đa lên tới 35.341 người/km², trong khi đó, ở những huyện ngoại thành như Sóc Sơn, Ba Vì, Mỹ Đức, Ứng Hòa mật độ dưới 1.000 người/km² [27]. 4
17. 1.1.2.2 Tình hình phát triển kinh tế Tình hình phát triển công nghiệp của các tỉnh trên lưu vực là không đồng đều, các cơ sở sản xuất công nghiệp, khu công nghiệp và cụm công nghiệp tập trung chủ yếu tại Hà Nội với 4 nhóm ngành có ý nghĩa then chốt là: cơ - kim khí, dệt - da - may, chế biến lương thực thực phẩm và đồ điện - điện tử. Sản lượng sản xuất công nghiệp của thành phố Hà Nội chiếm tới 85,8% tổng sản xuất công nghiệp toàn lưu vực sông Nhuệ Đáy. Tổng lượng nước thải của khu vực trung tâm thành phố Hà Nội năm 2013 xấp xỉ 795.000 m3/ngày, trong đó lượng NTSX bao gồm NTCN và NTDV là 490.410 m3/ngày. Lượng NTCN ước tính năm 2011 là 100.000m3/ngày và chỉ có khoảng 30% là được xử lý. Ước tính, năm 2013 lưu lượng xả NTCN là khoảng 117.774 m3/ngày, và NTDV là 337.136 m3/ngày. Tỷ lệ đóng góp các loại hình nước thải khu trung tâm thành phố Hà Nội được mô tả trong hình 1.1. Trong đó tỷ lệ NTDV là cao nhất, chiếm tới 47%, sau đó là NTSH là 37%, NTCN chỉ đóng góp 15%, NTBV có tỷ lệ đóng góp thấp nhất chỉ là 2% so với tổng lưu lượng xả thải. Hà Nội hiện có 1.350 làng có nghề, trong đó có 244 làng nghề truyền thống. Lưu vực sông Nhuệ có khoảng 39 làng nghề gồm có các làng nghề ươm tơ, dệt vải; làng nghề chế biến lương thực, thực phẩm, dược liệu; làng táichế phế liệu; làng nghề thủ công mỹ nghệ, thêu ren; làng nghề vật liệu xây dựng,khai thác đá, làng nghề cơ kim khí Thanh Thùy và các làng nghề khác. Tốc độ đô thị hóa nhanh, sự phát triển mạnh của các ngành công nghiệp cùng sự gia tăng mật độ dân số là nguyên nhân chính gây ra ô nhiễm nguồn nước tại Hà Nội. Ô nhiễm nguồn nước gây ra nhiều hệ lụy xấu ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống và sức khỏe của người dân thủ đô. Theo báo cao của Sở Tài Nguyên và Môi Trường Hà Nội, lượng nước thải mà cư dân thủ đô cùng các nhà máy công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp thải ra mỗi ngày lên đến 300.000 tấn. Trong lượng nước thải này chứa nhiều chất độc hại gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng, cụ thể mỗi năm, 5
18. lượng chất thải thải ra các sông ngòi, ao hồ tự nhiên là 3.600 tấn hữu cơ, 317 tấn dầu mỡ, hàng chục tấn kim loại năng, dung môi cùng nhiều kim loại khác. 1.2 Tổng quan về hiện trạng môi trường của sông Tô Lịch 1.2.1 Vị trí địa lý, đặc điểm địa hình của sông Tô Lịch Sông Tô Lịch bắt nguồn từ cống Phan Đình Phùng (quận Ba Đình), chảy qua mương Thụy Khuê và chạy dọc đường Thụy Khuê về phía chợ Bưởi, cắt ngang qua đường Lạc Long Quân rồi tới đường Hoàng Quốc Việt (HQV). Bắt đầu từ điểm HQV, trên bản đồ thành phố Hà Nội, được coi là điểm lộ diện của sông Tô Lịch, chiều rộng của sông tại đây là khoảng 30m, mực nước sông ở mức cao có thể đạt tới 3m. Tiếp theo, sông chạy dọc đường Bưởi tới Cầu Giấy (CGI), rồi sau đó chạy dọc theo đường Láng, ngang qua điểm giao với đường Trần Duy Hưng (TDH) cho tới điểm cắt ngang đường Nguyễn Trãi tại vị trí Ngã Tư Sở (NTS). Đoạn sông ở khu vực này có chiều rộng dao động trong khoảng 30-40 m, chiều sâu từ 3-4m. Sau đó sông tiếp tục chạy dọc đường Kim Giang, Đại Kim, Thịnh Liệt đi qua các điểm Cầu Khương Đình (CKD), Cầu Lủ (CLU), Cầu Dậu (DAU) về phía Nam thành phố. Tới khu vực Nhà máy Sơn Hà Nội, sông Tô Lịch rẽ nhánh. Nhánh thứ nhất chảy sang hướng Đông đổ về phía hồ Yên Sở, nhánh thứ 2 chảy xuôi theo hướng Nam qua Đập Thanh Liệt (DTL) và đổ vào sông Nhuệ. Đối với nhánh sông Tô Lịch chảy về phía hồ Yên Sở, sông chảy qua địa phận của xã Thịnh Liệt, phường Hoàng Liệt, xã Tam Hiệp. Tại khu vực thôn Yên Ngưu, xã Tam Hiệp, sông lại tiếp tục rẽ thành 2 nhánh, một nhánh chạy tiếp về hướng Đông đổ vào hồ Yên Sở, nhánh còn lại chạy theo hướng Nam qua địa phận các xã Tứ Hiệp, Vĩnh Quỳnh, Ngũ Hiệp (huyện Thanh Trì) và cuối cùng cũng đổ vào sông Nhuệ. Khu vực thượng lưu của sông Tô Lịch (từ HQV đến NTS) tiếp nhận nước thải từ các khu vực quận Ba Đình, quận Cầu Giấy, quận Đống Đa, quận Thanh Xuân, một phần quận Hai Bà Trưng. Khu vực hạ lưu (từ NTS đến DTL) tiếp nhận 6
19. nước thải của quận Hoàng Mai và các xã Thịnh Liệt, Tam Hiệp, Tứ Hiệp, Vĩnh Quỳnh, Đông Mỹ (huyện Thanh Trì). Từ cuối những năm 1990, sông Tô Lịch bắt đầu được nạo vét đáy sông, kè bờ, để làm sạch và chống lấn chiếm. Giai đoạn từ năm 2009 đến nay, sông Tô Lịch và các sông Lừ, sông Sét và sông Kim Ngưu đều được nạo vét. Quá trình xây dựng thành phố đã cống hóa một đoạn sông khá dài của sông Tô Lịch, khiến trên bản đồ điểm lộ diện của sông Tô Lịch bắt đầu từ HQV và sông trở thành giống như dòng sông cụt và từ nhiều năm nay nó chỉ có vai trò như kênh thoát nước cấp I của HTTN thải khu vực trung tâm thành phố Hà Nội. TLV sông Tô Lịch được chia nhỏ thành 9 tiểu khu tiêu thoát và được xả vào 7 đoạn sông. Tổng lưu lượng nước thải xả vào sông Tô Lịch năm 2013 ước tính xấp xỉ 382.000 m3/ngày đêm, trong đó lượng NTSH là khoảng 140.000 m3/ngày đêm, NTSX là khoảng 236.000 m3/ngày đêm và NTBV là khoảng 6.000 m3/ngày đêm (bao gồm cả hướng thoát nước từ hạ lưu sông Lừ). 1.2.2 Thực trạng nguồn thải sông Tô Lịch tiếp nhận Khu vực thượng lưu của sông Tô Lịch (từ HQV đến NTS) tiếp nhận nước thải từ các khu vực quận Ba Đình, quận Cầu Giấy, quận Đống Đa, quận Thanh Xuân, một phần quận Hai Bà Trưng. Khu vực hạ lưu (từ NTS đến DTL) tiếp nhận nước thải của quận Hoàng Mai và các xã Thịnh Liệt, Tam Hiệp, Tứ Hiệp, Vĩnh Quỳnh, Đông Mỹ (huyện Thanh Trì). Nguồn nước cấp chủ yếu cho hệ thống sông Tô Lịch là nước mưa, NTSH và NTSX. Dọc theo sông Tô Lịch có rất nhiều cống xả nước thải vào sông với lưu lượng khác nhau. Chế độ thủy văn của sông Tô Lịch rất phức tạp, mùa mưa, dòng chảy biến động mạnh mẽ theo thời gian và không gian. Khi có mưa mực nước sông dâng lên rất nhanh, nước chảy tràn trên các đường phố, ngõ xóm. Nước tập trung chảy vào các hệ thống cống, kênh mương và xả vào sông Tô Lịch. Khi mực nước tại DTL nhỏ hơn 3,5m, nước từ sông Tô Lịch sẽ thoát qua DTL chảy vào sông Nhuệ. Khi mực nước lớn hơn 3,5m, DTL đóng lại, nước bị ứ đọng hoặc dồn ngược 7
20. chảy về phía hồ Yên Sở. Tại khu vực hồ Yên Sở, hệ thống bơm chủ động bơm nước thẳng ra sông Hồng, tiêu thoát nước cho khu trung tâm TPHN. Như vậy đoạn sông Tô Lịch từ vị trí ngã ba Nhà máy Sơn Hà Nội cho tới vị trí tiếp giáp với hồ Yên Sở (đoạn cuối của sông Sét và sông Kim Ngưu), có chế độ thủy văn hai chiều. Tuy nhiên từ khi có trạm bơm Yên Sở, phần lớn dòng chảy đoạn này theo hướng Đông về phía hồ Yên Sở. Nước trên sông Tô Lịch thực chất là loại nước thải hỗn hợp giữa NTSH, NTSX và NTBV, chất lượng nước sông Tô Lịch hiện nay đã không đáp ứng được yêu cầu về chất lượng cho nước tưới. Thêm vào đó, HTTN thải của khu vực trung tâm TPHN là HTTN kết hợp tiêu thoát cho cả NTSH, NTSX, NTBV và nước mưa, do vậy chất lượng nước trên sông Tô Lịch không chỉ phụ thuộc vào lưu lượng nước thải, tính chất và thành phần của nước thải mà còn có sự phụ thuộc theo mùa [4]. Chất lượng nước trên sông Tô Lịch bị ô nhiễm chủ yếu là do nguồn NTSX, ngoại trừ thông số Pts bị chi phối bởi nguồn NTSH. Tổng thải lượng COD của nước thải xả vào sông Tô Lịch là 79 tấn/ngày, trong đó phát sinh do nguồn NTSX là 51 tấn/ngày và do nguồn NTSH là 28 tấn/ngày. Tỷ lệ đóng góp thải lượng chất ô nhiễm của nguồn NTSX chiếm từ 64,6% (đối với thông số thải lượng COD) đến 95,4 % (đối với thông số thải lượng TSS) (Bảng 1.1; Hình1.1) [22]. Bảng 1.1: Hàm lượng và thải lượng một số chất ô nhiễm thải vào sông Tô Lịch Thông Hàm lượng chất ô nhiễm (mg/L) Thải lượng chất ô nhiễm (tấn/ngày) số NTSH NTSX Tô Lịch NTSH NTSX Tô Lịch BOD5 100 57,9 109,3 14,0 27,8 41,8 COD 200 115,7 206,8 28,0 51,0 79,0 TSS 50 28,9 396,1 7,0 144,3 151,3 Nts 20 11,6 28,7 2,8 8,2 11,0 Pts 4 2,3 1,8 0,56 0,14 0,7 Tổng thải lượng chất ô nhiễm tính theo COD trong sông Tô Lịch là 96,3 tấn/ngày, trong đó phần lớn nằm trong nước sông là 79 tấn/ngày, phần năm trong 8
21. lượng bùn trầm tích là 17,3 tấn/ngày. Tổng thải lượng chất ô nhiễm tính theo BOD5 trong sông Tô Lịch là 45,7 tấn/ngày, trong đó thải lượng BOD5 do nước sông là 41,8 tấn/ngày, do bùn trầm tích chỉ là 3,9 tấn/ngày. Tổng thải lượng Nts trong sông Tô Lịch là 11,5 tấn/ngày, trong đó do nước sông là 11 tấn/ngày và do bùn trầm tích là 0,5 tấn/ngày [22]. 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% NTSH và NTSX (%) NTSX và NTSH Tỷ lệ đóng góp nguồn thải nguồn góp đóng lệ Tỷ 20% 10% 0% BOD5 COD TSS Nts Pts NTSH NTSX Hình 1.1: Tỷ lệ đóng góp thải lượng theo nguồn thải của một số chất ô nhiễm thải vào sông Tô Lịch 1.3 Tổng quan về hoạt động quản lý nước thải đô thị tại Hà Nội Trong đô thị: Nước thải sinh hoạt thường trộn chung với nước thải sản xuất và gọi chung là nước thải đô thị. Nếu tính gần đúng, nước thải đô thị gồm khoảng 50% là nước thải sinh hoạt, 14% là các loại nước khác, 36% là nước thải sản xuất. Lưu lượng nước thải đô thị phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện khí hậu và các tính chất đặc trưng của thành phố. Khoảng 65-85% lượng nước cấp cho 1 nguồn trở thành nước thải. 9
22. Hình 1.2: Hệ thống thoát nước chung điển hình tại các đô thị Việt Nam Nguồn: World Bank, 2013 [17] Hệ thống thoát nước bề mặt được xây dựng ở hầu hết các đô thị với mục tiêu ban đầu nhằm thu gom nước mưa và chống úng ngập. Về sau, do dân cư ngày càng đông, các hộ gia đình cần phải thoát nước thải của mình. Nhu cầu này được đáp ứng bởi hệ thống thoát nước mưa, và hệ thống này trở thành hệ thống thoát nước chung, thu gom cả nước mưa và nước thải trong cùng một mạng lưới cống. Sau này, hệ thống thoát nước riêng được xây dựng ở một số nơi ở Việt Nam, thu gom riêng lượng nước thải và loại bỏ nước mưa và nước chảy tràn bề mặt; tuy nhiên số lượng hệ thống thoát nước riêng hiện còn rất hạn chế. Thành phố lớn đầu tiên ở Việt Nam phát triển hạ tầng thoát nước là Hà Nội với hai hệ thống thu gom và xử lý nước thải phục vụ khu vực hồ Kim Liên và Trúc Bạch, đi vào hoạt động từ năm 2005. Hai trạm này có công suất nhỏ (Kim Liên có công suất là 3.700 m3/ngày và Trúc Bạch là 2.300 m3/ngày). Các trạm xử lý nước thải này giúp giảm ô nhiễm cho các mương, hồ tiếp nhận nước thải và nước mưa chưa xử lý. Hai trạm đều áp dụng công nghệ bùn hoạt tính cải tiến (A2O). Mỗi trạm chỉ xử lý một phần nhỏ của khu vực tiêu thoát nước [17]. 10
23. Hình 1.3: Hiện trạng quản lý nước thải đô thị tại Việt Nam Nguồn: World Bank, 2013 [17] Nhà máy xử lý nước thải Bắc Thăng Long được xây dựng để phục vụ khu vực dân cư có số dân dự kiến là 150.000 người. Mặc dù nhà máy đã vận hành từ năm 2009, tuy nhiên hệ thống cống thoát nước chung để phục vụ khu vực này vẫn chưa được thi công. Chính vì vậy phải dẫn nước thải với lưu lượng 7.000 m3/ngày đã xử lý sơ bộ từ một khu công nghiệp gần đó đến nhà máy Bắc Thăng Long để tiếp tục xử lý; tuy nhiên lượng nước này chỉ đạt 17% tổng công suất thiết kế là 42.000m3/ngày [17]. Thành phố Hà Nội mới xây dựng nhà máy xử lý nước thải Yên Sở có công suất 200.000 m3/ngày áp dụng công nghệ xử lý bùn hoạt tính phản ứng theo mẻ (SBR). Phạm vi phục vụ là tất cả các tuyến cống thoát nước dẫn đến sông Kim Ngưu (125.000m3/ngày) và sông Sét (75.000m3/ngày). Sông Kim Ngưu và sông Sét được sử dụng để dẫn cả nước mưa và nước thải đến nhà máy. Thời gian lưu nước trên hệ thống cống và sông thoát nước dài khiến nồng độ BOD trong nước thải giảm sẽ làm mất cân đối tỷ lệ giữa Cacbon và Nitơ trong nước thải thô, khiến nhà máy gặp khó khăn trong việc đạt tiêu chuẩn xả thải đặc biệt với chỉ tiêu chất dinh dưỡng (Nitơ) [17]. 11
24. Bảng 1.2: Đánh giá hiệu quả xử lý của 4 nhà máy XLNT đô thị tại TPHN Nguồn: World Bank 2013 [17] Một số nhà máy như Kim Liên, Trúc Bạch có công suất hoạt động cao hơn công suất thiết kế trong khi các nhà máy còn lại đều hoạt động dưới công suất thiết kế. Nhà máy có công suất hoạt động thấp nhất là Bắc Thăng Long với công suất chỉ đạt 18,4% do nhà máy tiếp nhận nước thải từ khu công nghiệp gần đó chứ không phải từ khu dân sinh như dự kiến ban đầu. Đây là bằng chứng cho thấy hiệu quả đầu tư kém do không thi công đồng bộ công trình xử lý nước thải và mạng lưới thu gom cũng như chưa thực hiện chương trình khuyến khích thực hiện đấu nối hộ gia đình. Hình 1.4: Công suất hoạt động thực tế và công suất thiết kế của 4 nhà máy XLNT đô thị tại TPHN Nguồn: World Bank, 2013 [17] 12