Hiện trạng ô nhiễm chất hữu cơ trên các sông nội đô TP.Hà Nội và giải pháp kỹ thuật sục khí cưỡng bức nhằm giảm ô nhiễm chất hữu cơ

Theo dõi KTMT trên

Hình ảnh Sông Tô Lịch hiện ô nhiễm nghiêm trọng. Ảnh: Thời đại

Tóm tắt: Bài báo trình bày tổng quan hiện trạng ô nhiễm chất hữu cơ trên các sông nội đô TP.Hà Nội và kết quả bước đầu việc thử nghiệm giải pháp kỹ thuật sục khí cưỡng bức nhằm giảm ô nhiễm, dựa trên số liệu phân tích các mẫu thu được và tư liệu tham khảo.

Trong những năm gần đây, tốc độ phát triển của TP.Hà Nội ngày càng tăng nhanh. Sự gia tăng dân số tập trung vào khu vực đô thị trung tâm khiến nhu cầu về nước cho các hộ dùng hằng ngày gia tăng. Tuy nhiên điều này cũng kéo theo lượng nước thải sinh hoạt (NTSH) và nước thải sản xuất (NTSX) tăng nhanh khiến chất lượng môi trường nước suy giảm nghiêm trọng, đặc biệt là nguồn nước mặt.

Theo đánh giá chung, tất cả các dòng sông thuộc khu vực trung tâm TP.Hà Nội đều đang bị ô nhiễm nặng do tải lượng lớn từ các chất hữu cơ, vô cơ, vi sinh vật… Các nguồn gây ô nhiễm ngày càng xuất hiện nhiều, đa dạng và khó kiểm soát. Trong khi đó, hệ thống thoát nước (HTTN) thải của khu vực trung tâm thành phố là hệ thống kết hợp, bao gồm cả HTTN mưa, NTSH và NTSX.

1. Đặt vấn đề

Thủ đô Hà Nội là trung tâm chính trị, văn hoá và khoa học kĩ thuật, đồng thời là trung tâm lớn về giao dịch kinh tế và quốc tế của cả nước. Từ nhiều năm nay, dưới sức ép của quá trình đô thị hóa, quy hoạch xây dựng không đồng bộ cùng với sự thiếu ý thức của người dân sống ven sông đã làm cho diện tích các dòng sông nội đô bị thu hẹp, hành lang bảo vệ bị lấn chiếm ở nhiều đoạn, chất lượng nước sông bị ô nhiễm nghiêm trọng, gần đây hệ thống các sông nội đô đã được kè, bảo vệ và chống lấn chiếm.

Sông Tô Lịch trục tiêu thoát nước thải chính của thành phố, hàng ngày phải tiếp nhận khoảng 380.000 m3 nước thải xả thẳng xuống dòng sông mà không hề qua xử lý khiến dòng sông đang bị ô nhiễm nặng nề: Nước sông càng lúc càng cạn, màu nước càng ngày càng đen và bốc mùi hôi thối nặng. Với chiều dài gần 20 km chảy qua địa bàn Thủ đô, nhiều khúc của sông Nhuệ nước đen kịt, đặc quánh, mùi hôi thối bốc lên nồng nặc và gần như không còn xuất hiện sự sống dưới lòng sông. Tương tự, sông Kim Ngưu nhận khoảng 250.000 m3 nước thải sinh hoạt mỗi ngày. Sông Lừ và sông Sét trung bình mỗi ngày tiếp nhận khoảng 125.000 m3³nước thải.

Môi trường nước các sông đoạn chảy qua trung tâm TP.Hà Nội bị ảnh hưởng khá lớn bởi chất thải từ các đô thị nên chất lượng bị suy giảm khá rõ. Các sông chảy trong nội thành có lưu lượng nước nhỏ nên khả năng tự làm sạch là không đáng kể.

2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

2.1. Đối tượng nghiên cứu

Lưu vực thoát nước sông Tô Lịch được phân chia thành 8 tiểu lưu vực (TLV) thoát nước nhỏ, trong đó có 4 con sông thoát nước chính đóng vai trò như là mạng lưới kênh thoát nước thải cấp I là các sông Tô Lịch, sông Lừ, sông Sét và sông Kim Ngưu, với tổng chiều dài các sông là 38,2 km, chiều rộng trung bình từ 10 ÷ 45 m.

Các sông thoát nước thải trong lưu vực sông Tô Lịch hiện nay có nhiệm vụ dẫn nước thải và nước mưa của khu vực trung tâm TP.Hà Nội tiêu thoát theo hai hướng: Thoát nước vào sông Hồng và thoát nước vào sông Nhuệ.

- Thoát nước vào sông Hồng: Sông Hồng nhận hầu hết lượng tiêu thoát nước của lưu vực sông Tô Lịch thông qua cụm công trình đầu mối Yên Sở với trạm bơm Yên Sở có công suất thiết kế 90 m3/s.

- Thoát nước vào sông Nhuệ: Hiện nay, Công ty thoát nước Hà Nội vẫn đang khai thác vận hành Ðập Thanh Liệt, duy trì mức xả tối đa với công suất là 30 m3/s (khi mực nước sông Nhuệ thấp dưới 3,5m). Do mực nước sông Nhuệ thường phải duy trì ở mức nước khá cao để phục vụ mục đích tưới tiêu trong nông nghiệp nên về lâu dài hướng tiêu thoát nước này chỉ được coi là hướng tiêu thoát phụ.

Các khu tiêu thoát và sông thoát nước thải khu vực trung tâm TP.Hà Nội

2.2. Phương pháp nghiên cứu

Lấy mẫu và bảo quản mẫu: Mẫu nước được lấy theo TCVN 6663-6:2018 và bảo quản theo TCVN 6663-3:2016. Tổng số mẫu nước được lấy tại 4 sông là 40 mẫu cụ thể như sau: Sông Kim Ngưu (11 mẫu), Sông Sét (6 mẫu), Sông Lừ (8 mẫu), Sông Tô Lịch (15 mẫu). Thời điểm lấy mẫu: Tháng 5/2019. Mẫu sau khi lấy được bảo quản và phân tích tại Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Môi Trường, Trường Ðại học Khoa học Tự Nhiên (ÐHQGHN).

Sơ đồ vị trí lấy mẫu.

Phương pháp phân tích: Chỉ tiêu TSS, DO, COD, BOD5, NH4+, Tổng N, Tổng P, Sunfua, NO3-, PO43-, Cl-, Coliform được xác định theo tiêu chuẩn Việt Nam.

3. Kết quả nghiên cứu

3.1 Kết quả phân tích

Giá trị trung bình của các chỉ tiêu BOD5, COD, DO tại 4 con sông của TP.Hà Nội.

Giá trị trung bình của các chỉ tiêu NH4+, NO3-, Tổng N, PO43-, Tổng P tại 4 con sông của TP.Hà Nội.

Giá trị trung bình của các chỉ tiêu Sunfua, Cl-, TSS tại 4 con sông của TP.Hà Nội.

Giá trị trung bình của chỉ tiêu Coliform tại 4 con sông của TP.Hà Nội.

Nằm trong khu vực trung tâm TP.Hà Nội, bốn con sông đóng vai trò như là hệ thống kênh cấp I cho hệ thống thoát nước gồm có: Sông Tô Lịch, Sông Lừ, sông Sét và sông Kim Ngưu. Theo đánh giá chung, tất cả các dòng sông này đều đang bị ô nhiễm nặng do tải lượng lớn từ các chất hữu cơ, vô cơ, vi sinh vật… Các con sông trong khu vực trung tâm TP.Hà Nội đều có màu đen đặc (do hàm lượng chất hữu cơ cao trong nước), bốc mùi hôi thối (mùi khí hyđrosunfua – H2S) và gây ảnh hưởng trực tiếp tới vệ sinh môi trường, cảnh quan đô thị cũng như sức khoẻ của người dân sinh sống quanh khu vực và trên toàn địa bàn TP.Hà Nội. Qua kết quả phân tích đã đánh giá chung được mức độ ô nhiễm của các sông nội đô Hà Nội. Kết quả cho thấy, nước thải thải ra sông Kim Ngưu là ô nhiễm nhất trong số 4 sông nội đô, và sông Lừ có nước thải thải ra sông ít ô nhiễm nhất.

3.2 Nguồn gây ô nhiễm chất hữu cơ

Nguyên nhân dẫn đến sự ô nhiễm hợp chất hữu cơ trong nước sông có thể do nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo. Sự nhiễm bẩn tự nhiên là do mưa rơi xuống mặt đất, kéo theo các chất bẩn xuống sông hồ hoặc hoạt động phát triển của sinh vật, vi sinh vật thậm chí cả xác chết của chúng. Tuy nhiên nguyên nhân này không đáng kể so với sự nhiễm bẩn nhân tạo chủ yếu do nước thải vùng dân cư đô thị, công nghiệp. Các tác nhân gây ô nhiễm có nguồn gốc nhân tạo điển hình có thể kể đến như: Nước thải sinh hoạt: Chứa rất nhiều vi sinh vật, giun sán, cả vi sinh vật gây bệnh, nhất là vi sinh vật gây bệnh đường ruột. Chúng chiếm một khối lượng đáng kể trong các chất hữu cơ trong nước thải. Nước thải sản xuất, công nghiệp: Nhiều lĩnh vực công nghiệp tiêu thụ và thải ra một lượng nước khổng lồ, trong đó chứa hàm lượng chất hữu cơ rất cao, điển hình có thể kể đến các loại hình nước thải như nước thải chăn nuôi, nước thải làng nghề…

3.3 Phân loại các hợp chất hữu cơ trong nước sông

Dựa vào khả năng có thể bị phân hủy dưới tác dụng của vi sinh vật, các chất hữu cơ có trong môi trường nước thường được chia thành hai loại:

Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học

Ðó là các hợp chất protein, hidratcacbon, chất béo có nguồn gốc động vật và thực vật. Ðây là các chất gây ô nhiễm chính có nhiều trong nước thải sinh hoạt (khoảng 60 - 80% lượng chất hữu cơ thuộc loại dễ bị phân hủy sinh học), nước thải từ các xí nghiệp chế biến thực phẩm. Các hợp chất này chủ yếu làm suy giảm oxy hòa tan trong nước dẫn đến suy thoái tài nguyên thủy sản và làm giảm chất lượng nước cấp sinh hoạt.

Các chất hữu cơ bền vững

Các chất hữu cơ có độc tính cao thường là các chất bền vững, khó bị vi sinh vật phân hủy trong môi trường như các chất polychlorophenol (PCPs), polychlorobiphenyl (PCBs), các hydrocacbon đa vòng ngưng tụ (PAHs), các hợp chất dị vòng N hoặc O là các hợp chất hữu cơ bền vững. Những chất này thường có trong nước thải công nghiệp, nước chảy tràn từ đồng ruộng (có chứa nhiều thuốc trừ sâu, diệt cỏ, kích thích sinh trưởng…). Các hợp chất này thường là các tác nhân gây ô nhiễm nguy hiểm, ngay cả khi có mặt với nồng độ rất nhỏ trong môi trường.

Trong nước thải đô thị và một số loại nước thải công nghiệp điển hình, các chất hữu cơ chủ yếu đều là các cacbonhydrat ở dạng dễ phân hủy bởi hoạt động của vi sinh vật. Ðối với những loại nước thải có đặc tính như vậy thường xác định tổng các hợp chất hữu cơ thông qua chỉ tiêu COD và BOD5. Hai đại lượng này có mối quan hệ mật thiết và liên hệ với nhau theo một tỉ lệ nào đó phụ thuộc vào loại nước thải, nguồn nước đầu vào và cả trong các quá trình xử lý khác nhau.

3.4 Các phương pháp xử lý chất hữu cơ trong nước sông

Phương pháp sinh học

Trong xử lý nước thải nói chung, các phương pháp sinh học thường được ưu tiên sử dụng để làm sạch nước thải khỏi các chất hữu cơ hòa tan và một số chất vô cơ như H2S, các sunfit, amoniac, nitơ,… Phương pháp này dựa trên cơ sở sử dụng hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm trong nước thải. Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng. Trong quá trình dinh dưỡng, chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên sinh khối của chúng được tăng lên. Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa. Xử lý nước thải chứa các thành phần chất hữu cơ bằng các biện pháp sinh học có ưu điểm lớn so với các phương pháp xử lý khác ở chỗ chi phí thấp và tính ổn định cao, đặc biệt là hiệu quả xử lý cao ở thời gian lưu ngắn đối với các loại nước thải chứa các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học.

Trong thực tế, hiện nay, người ta vẫn tiến hành xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học ở điều kiện tự nhiên và điều kiện nhân tạo tùy thuộc vào khả năng kinh phí, yêu cầu công nghệ, địa lý cùng hàng loạt các yếu tố khác. Nói chung, các quá trình sinh học trong xử lý nước thải gồm 2 quá trình chính là “hiếu khí” và “kị khí”.

Phương pháp hóa lý

Ngày nay sự hiện diện của các hợp chất cao phân tử, các vật liệu chịu nhiệt đang ngày càng gia tăng trong các dòng nước thải, các quá trình sinh học thông thường dường như không thể xử lý hoàn toàn được các thành phần ô nhiễm đó. Chính vì vậy, cần có những công nghệ mới hơn có khả năng chuyển hóa các hợp chất khó phân hủy về dạng ít độc hại hoặc chuỗi hợp chất có phân tử khối thấp hơn để có thể áp dụng các phương pháp sinh học thuần túy. Một trong số các công nghệ đó là công nghệ oxy hóa hóa học có sử dụng các hợp chất oxy hóa mạnh như H2O2, O3, ClO2, KMnO4, K2FeO4,… để oxy hóa các chất ô nhiễm trở về dạng ít độc hơn hay chuyển hóa chúng về dạng có thể kiểm soát được. Tuy vậy, công nghệ oxy hóa hóa học có sử dụng các tác nhân oxy hóa như O3 hay H2O2 lại cho năng suất phân hủy không thực sự ấn tượng.

Một trong số những phương pháp hóa lý khác cũng cho khả năng xử lý tốt các hợp chất hữu cơ khó phân hủy đó là phương pháp hấp phụ. Hấp phụ là quá trình mà theo đó thì một chất rắn hấp phụ có thể đính lên nó một hợp chất hòa tan trong nước và do đó loại bỏ được các thành phần ra khỏi pha lỏng. Quá trình hấp phụ đã được ứng dụng rộng rãi trong các quá trình công nghiệp cho nhiều mục đích tách chiết và thanh lọc khác nhau. Quá trình loại bỏ kim loại, các chất ô nhiễm mang màu và không mang màu từ các nguồn nước thải được coi như một ứng dụng quan trọng của quá trình hấp phụ sử dụng các chất hấp phụ thích hợp.

3.5 Giải pháp kỹ thuật giảm ô nhiễm chất hữu cơ bằng công nghệ sục khí ngầm

Quá trình tự làm sạch của sông có thể được tăng cường bằng biện pháp làm thoáng nhân tạo hay là cấp oxy cưỡng bức. Khi nguồn nước bị ô nhiễm, một trong những biểu hiện là thiếu oxy hoà tan trầm trọng, đặc biệt ở tầng đáy. Rất nhiều chất thải trong nước thải sinh hoạt và công nghiệp chứa các chất hữu cơ khi bị sinh vật phân hủy làm giảm nồng độ oxy hòa tan của nước sông. Khi nồng độ oxy giảm xuống, số lượng các loài thủy sinh cũng có xu hướng giảm theo. Công nghệ sục khí ngầm có tác dụng làm tăng khả năng hòa tan oxy trong nước sông, giúp các loài thủy sinh có đủ nồng độ oxy để tiếp tục phân hủy sinh học.

Hiện nay có nhiều biện pháp làm thoáng nhân tạo để cấp oxy cho nguồn nước. Ðó là các biện pháp động học, cơ khí, thuỷ động lực học, khí nén hoặc biện pháp tổng hợp bao gồm các quá trình sục khí, khuấy trộn... Công nghệ sục khí ngầm là công nghệ áp dụng sục khí cưỡng bức kiểu ống chữ U như mô tả trong hình 7, đã được áp dụng trên sông San Joaquin (Mỹ). Việc áp dụng công nghệ này sẽ không làm ảnh hưởng đến các hoạt động khai thác mặt nước như cảnh quan, giao thông thủy hay các hoạt động thể thao và giải trí dưới nước. Công nghệ này hoạt động trên cơ chế là đưa dòng không khí vào nước sông với áp lực cao hơn do vậy khả năng hòa tan oxy trong nước sông cũng tăng lên, duy trì trong thời gian và quãng đường đủ dài để oxy trao đổi nhiều hơn với nước sông.

Sơ đồ thiết bị sục khí cưỡng bức kiểu ống chữ U.

Công nghệ này có thể nâng hiệu quả xâm nhập oxy và môi trường nước đến 95% lượng oxy được cấp. Lưu lượng cấp oxy có thể đạt từ 2,3 tấn O2/ngày đếm 18,1 tấn O2/ngày cho một hệ thống. Chi phí xây dựng hệ thống này dao động từ 5.000USD đến 2.000.000 USD và chi phí cung cấp 1 kg O2 vào nước sông dao động từ 0,5USD/năm đến 0,7 USD/năm.

Nhằm đánh giá chất lượng nước sông Tô Lịch và ảnh hưởng của áp suất đối với biện pháp sục khí sục khí cưỡng bức theo độ sâu cột nước một số tác giả đã thực nghiệm với các độ sâu sục khí khác nhau (0,25m; 2m và 4m) tới khả năng hòa tan oxy vào nước và quá trình phân hủy chất hữu cơ trong nước sông Tô Lịch.

Kết quả nghiên cứu đã cho thấy áp suất sục khí có ảnh hưởng đến khả năng hòa tan oxy vào nước cũng như mức bão hòa oxy. Mẫu nước thải được sục khí tại các độ sâu 2 m và 4m (tương ứng với mức gia tăng áp suất lần lượt 0,2 atm và 0,4 atm) đạt kết quả tối ưu về nồng độ DO (0,1÷6,2 mg/L đối với tầng mặt và 0,1÷5,2 mg/L đối với tầng đáy) so với mẫu nước thải được sục khí tại các độ sâu 0,25 m (0,1÷5,5 mg/L đối với tầng mặt và 0,1÷4,6 mg/L đối với tầng đáy) với cùng một mức lưu lượng và thời gian sục khí được áp dụng. Áp suất cũng có ảnh hưởng đến khả năng phân hủy hợp chất hữu cơ trong nước thải, hiệu suất xử lý cao hơn thu được khi tiến hành sục khí ở độ sâu lớn hơn. Hiệu suất xử lý chất hữu cơ trong mẫu nước thải được sục khí tại độ sâu 4m là tối ưu hơn khi so sánh với mẫu nước thải tại 2 độ sâu 2m và 0,25 m. Ở độ sâu sục khí 4m, tương ứng với mức áp suất gia tăng 0,4 atm cho hiệu suất xử lý chất hữu cơ sau 48 tiếng sục khí đạt 66% đối với tầng mặt và 58% đối với tầng đáy, nồng độ DO cao nhất thu được là 6,2 mg/L đối với tầng mặt và 5,2 mg/L đối với tầng đáy.

Sơ đồ bố trí thí nghiệm sục khí cưỡng bức theo độ sâu.

Nghiên cứu trên đã góp phần làm rõ cơ sở khoa học về mối tương quan giữa áp suất sục khí đến độ bão hòa oxy trong nước cũng như hiệu quả xử lý hợp chất hữu cơ trong nước thải. Ðồng thời cũng đã mở ra xu hướng tiếp cận theo phát triển bền vững nhằm giảm tối đa nhu cầu sử dụng vật liệu xử lý, hạn chế tối đa chất thải phát sinh thêm từ quá trình xử lý, đồng thời nâng cao khả năng tự làm sạch của các sông nội đô, qua đó khai thác hợp lý và tiết kiệm các nguồn tài nguyên thiên nhiên. Nếu kết hợp công nghệ này cùng với việc sử dụng nguồn năng lượng sạch thì sẽ là một giải pháp theo hướng bền vững và thân thiện với môi trường. Do vậy, dựa trên những nghiên cứu này để phát triển hệ thiết bị sục khí sử dụng pin năng lượng mặt trời là một phương án cần được quan tâm và có thể khả thi trong tương lai.

4. Kết luận

Trước hiện trạng ô nhiễm chất hữu cơ của các dòng sông nội đô miền Bắc Việt Nam, đặc biệt là các sông thuộc TP.Hà Nội, việc xây dựng các hệ thống xử lý nước thải tập trung hay quản lý chất lượng nước đầu ra từ các khu sản xuất, kinh doanh, dịch vụ tập trung hay hộ gia đình, cá nhân là hết sức khó khăn. Vì vậy, việc nghiên cứu để có thể đưa ra giải pháp kỹ thuật giảm ô nhiễm CHC trực tiếp trên các kênh thoát nước cấp I phù hợp với đặc điểm hệ thống thoát nước phân tán của các thành phố là hết sức có ý nghĩa trong giai đoạn hiện tại.