ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NGUYỄN XUÂN CƯỜNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐẤT NGẬP
NƯỚC NHÂN TẠO XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT Ở
THÀNH PHỐ ĐÔNG HÀ, TỈNH QUẢNG TRỊ

Chuyên ngành: Môi trường đất và nước
Mã số: 62440303

DỰ THẢO TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ
KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

Hà Nội - 2017


Công trình được hoàn thành tại: Khoa Môi trường, Trường
Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội.
Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Thị Loan

Phản biện: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Phản biện: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Phản biện: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Quốc gia
chấm Luận án Tiến sĩ họp tại Trường ĐHKH Tự nhiên vào hồi … giờ
….. ngày ….. tháng năm 2017.

Có thể tìm hiểu luận án tại:

Thứ hai, các quá trình loại bỏ chất ô nhiễm chịu ảnh hưởng trực
tiếp bởi yếu tố địa phương.
Thứ ba, sự khác nhau về yêu cầu xử lý dẫn đến các đòi hỏi khác
nhau về kiểu mô hình và yêu cầu thiết kế CW.

1


Đề tài giải quyết các câu hỏi: 1) Ứng dụng mô hình CW nào có
hiệu suất xử lý tốt hơn; 2) Cây trồng nào thích nghi và có hiệu quả
cao; 3) Thông số thiết kế và vận hành nào phù hợp với NTSH.
4. Nội dung nghiên cứu
Khảo sát hiện trạng NTSH thành phố Đông Hà;
Nghiên cứu khả năng loại bỏ ô nhiễm của các kiểu CW.
Đề xuất mô hình CW xử lý nước thải tp Đông Hà.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học: Luận án đưa ra dữ liệu nghiên cứu về CW xử lý
NTSH trong điều kiện khí hậu Việt Nam.
Ý nghĩa thực tiễn: Luận án góp phần đưa ra phương án lựa chọn khả
thi và có thể ứng dụng cho việc XLNT tp Đông Hà, tỉnh Quảng Trị.
6. Những đóng góp mới của đề tài
Xác định được khả năng xử lý và thích nghi của cây môn nước,
môn đốm và phát lộc trong môi trường CW. Đây là các loại cây chưa
được nghiên cứu và công bố nhiều trên thế giới và Việt Nam
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN
1.1. Nước thải sinh hoạt và công nghệ xử lý
1.1.1. Đặc trưng nước thải sinh hoạt
NTSH Việt Nam rất khác nhau giữa các địa phương, hầu hết
vượt quá tiêu chuẩn. BOD5 và COD ở Đà Lạt và Buôn Ma Thuột (200
– 300 mg/L) cao hơn Hà Nội và tp Hồ Chí Minh từ 3 – 5 lần.


Hình 1.3: Đất ngập nước dòng chảy thẳng đứng
1.2.1.4. Mô hình tích hợp (ICW)
ICW là kết hợp HF, VF và FWS thành các kiểu bố trí khác nhau.
ICW tăng hiệu quả, cân bằng ưu điểm và nhược điểm các CW.
1.2.2. Thành phần
1.2.2.1. Nước
CW thiếu nước ảnh hưởng đến thực vật, VSV và hiệu quả. Nước
đi vào CW bằng nguồn cấp dòng vào (nước thải) và mưa.
1.2.2.2. Chất nền
Chất nền gồm: cát, sỏi, đất, đá và vật liệu nhân tạo (bùn phèn
nhôm, sét trương nở nhẹ…). Ngày nay, CW không dùng đất hoặc vật
liệu có kích thước nhỏ làm vật liệu nền.
1.2.2.3. Thực vật
Hiện nay, 150 loài đã dùng CW và phổ biến nhất là cây sậy
(Phragmites spp.), cỏ nến (Typha spp.), cói (Scirpus spp.). TV góp
phần giảm tốc độ dòng nước, tăng lắng, giảm tảo…
1.2.2.4. Vi sinh vật
Vi sinh vật (VSV) oxy hóa hợp chất hữu cơ, chuyển hóa N, P
và ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ của cây. VSV trong trong CW bao
gồm các loài hiếu khí, yếm khí và tùy nghi.

4


1.2.3. Cơ chế xử lý
1.2.3.1. Giới thiệu
Quá trình loại bỏ chất ô nhiễm trong CW gồm: lắng; chuyển hóa
hóa học; lọc; kết tủa hóa học; phá hủy, chuyển hóa bởi VSV và TV.
1.2.3.2. Cơ chế loại bỏ chất rắn lơ lửng

∗

Ln

∗

=

/

(1)

- Mô hình bậc 1 với CSTR (dòng chảy rối)
(C − C ) =

C /

(2)

- Mô hình Monod với CSTR
(

−

)(

+

)=


Tuần hoàn làm tăng thời gian tiếp xúc giữa nước thải và CW
và tăng hiệu quả, cần thiết đối với nước thải ô nhiễm cao. Ngoài ra,
hồi lưu còn làm gia tăng nồng độ oxy tự do trong CW.
1.3.3. Cấp nước gián đoạn
Cấp nước theo mẻ, chu kì tạo môi trường hiếu, thiếu và kị khí
trong CW, thúc đẩy loại bỏ hợp chất hữu cơ và dinh dưỡng. Cấp nước
theo mẻ có thể cấp bảo hòa bề mặt hoặc làm đầy – khô.
1.3.4. Thiết kế tối ưu
Các nghiên cứu xếp chồng các đơn nguyên hoặc tháp “lai” đã
được thực hiện nhằm làm giảm diện tích bề mặt và tăng hiệu quả.
1.4. Nghiên cứu và ứng dụng đất ngập nước nhân tạo
1.4.1. Trên thế giới
CW bắt đầu nghiên cứu ứng dụng vào những năm 1980 và phát
triển mạnh vào đầu những năm 1990. Giai đoạn này chủ yếu là FWS
(Bắc Mỹ) và HF (Châu Âu) sử dụng chủ yếu cho sử lý nước thải đô
thi. Từ 1990s, CW mở rộng Châu Á, Úc và Phi. Giai đoạn này sử dụng
nhiều VF và ICW, và mở rộng với nhiều loại nước thải.
1.4.2. Ở Việt Nam
Nghiên cứu và ứng dụng CW chưa nhiều. Các nghiên cứu các
tác giả như Nguyễn Thị Loan (2005), Nguyễn Việt Anh và nnk (2010),
Ngô Thụy Diễm Trang và nnk (2010, 2012)... sử dụng CW xử lý
NTSH, nuôi trồng thủy sản và làng nghề.
Một số cơ sở sản xuất đã dùng CW vào XLNT: nhà máy chế
biến thủy sản – Cty cổ phần xuất khẩu thủy sản 2, tỉnh Quảng Ninh);
Công trình CW, kị khí và hồ SH, xử lý NTSH tại phường Bách Quang,
thị xã Sông Công (tỉnh Thái Nguyên); công trình CW hoàn thiện của
nhà máy Dệt may Hòa Thọ, Đà Nẵng...

7


HLR (mét/ngày) (m/ng)
0,05
0,1
HRT (ngày)
3,65
1,82
2.2.2.2. Nghiên cứu ở quy mô thực địa
a. Sơ đồ và vị trí bố trí thí nghiệm:
Nghiên cứu quy mô thực địa là hệ thống 2 giai đoạn, gồm: bể
VF và HF (Hình 2.3). Mô hình đặt tại cống thải chính, giao cắt tại
đường Lê Lợi, phường Đông Lễ, thành phố Đông Hà, tỉnh Quảng Trị.

Hình 2.3: Sơ đồ bố trí thí nghiệm thực địa
b. Kích thước và vật liệu:
10


- Kích thước:
+ Bể VF có kích thước: 1,2/1,2/1,2 (Dài/rộng/cao);
+ Bể HF: 3,0/1,0/1,0 (m) (Dài/rộng/cao)
- Vật liệu lọc: như trong mô hình thí nghiệm (Mục 2.2.2.1,b).
c. Các loại cây trồng:
Chuối hoa trồng trong bể VF và cây môn nước ở bể HF.
d. Thông số vận hành của mô hình:
Bảng 2.2: Tổng hợp các thông số vận hành
Thông số vận hành
Q (m3/ng)
HLR (m/ng)
HRT (ngày)


các nhà máy XLNT tập trung ở các thành phố Việt Nam.

11


3.1.2. Hiện trạng thu gom và xử lý
NTSH tp Đông Hà vẫn chưa được xử lý và thoát bằng cống hỗn
hợp. Hệ thống thoát nước chia làm 14 lưu vực và khá tách biệt. Nước
thải của thành phố chủ yếu là các hộ gia đình, công sở hoặc cơ sở kinh
doanh, dịch vụ. NT công nghiệp và y tế được xử lý riêng.
3.2. Kết quả nghiên cứu quy mô phòng thí nghiệm
3.2.1. Đặc trưng nước thải đầu vào
Nồng độ nước thải đầu vào khá cao: BOD5 = 209, TSS = 192,
NH4-N = 35,1 (mg/L) và Tcol = 103.000 MPN/100mL.
3.2.2. Hiệu quả loại bỏ ô nhiễm
3.2.2.1. Chất rắn lơ lửng
Loại bỏ TSS của I là 70,9 ± 13% và II là 71,2 ± 11,1%. Hệ
thống đối chứng thấp hơn, với III 65 ± 8% và IV là 7 ± 8,5% (Hình
3.1). Vai trò của lớp lọc được ghi nhận trong loại bỏ TSS giữa hệ
thống IV (không có lớp lọc) và I, II (hệ thống đầy đủ).
Khi tăng HLR, loại bỏ TSS giảm. Sự khác biệt nồng độ TSS đầu
ra giữa các HLR có ý nghĩa thống kê (P
40
30
20

60
10

40
20

0

I

BL
I
II
III
IV
Mô hình thí nghiệm

II
III
IV
Mô hình thí nghiệm

Hình 3.2: Đầu ra và hiệu quả loại bỏ BOD5 của các mô hình
Tải lượng loại bỏ BOD5 (Lrb) của I là 11,6 và II là 11,9
g/m .ngày. Loại bỏ BOD5 giữa các bể HF không có sự khác biệt mang
ý nghĩa thống kê (P >0,05). Hiệu quả loại bỏ trung bình (%) của HF1

cho thấy, loại bỏ Tcol đối với NTSH từ 0,8 – 2,7.
14


3.3. Kết quả nghiên cứu quy mô thực địa
3.3.1. Đặc trưng nước thải đầu vào
Nồng độ nước thải đầu vào thấp so với nước thải vận hành mô
hình quy mô thí nghiệm (ví dụ Tcol chỉ bằng 1/18 lần, BOD5 bằng 2/3
lần). So với QCVN 14:2008/BTNMT, NO3-N và PO4-P thấp hơn, TSS
và Tcol vượt không đáng kể, khoảng 1,2 – 1,7 lần. Nồng độ BOD5 và
NH4-N có giá trị cao hơn, vượt từ 2,3 – 2,6 lần (Bảng 3.1).
Bảng 3.1: Thông số nước thải đầu vào nghiên cứu thực địa (n = 23 mẫu)
Thông
số

Giai đoạn 1

Giai đoạn 2

Giai đoạn 3

QCVN
Trung bình 14:2008/
BTNMT

pH

7,4

7,5

11,5

±

132 ± 6,8

127,7
11,6

±

50

COD
(mg/L)

187,3 ± 14,1

178,0
13,8

±

196,4 ± 7

186,8
12,3

±


32,6 ± 4,4

34,1 ± 5,1

34,4 ± 8,1

33,6 ± 6

-

PO4-P
(mg/L)

1,0 ± 0,4

1,1 ± 23,0

1,1 ± 0,4

1,05 ± 0,4

10

Tcol
(MPN/100
mL)

10.437
5.955


(Hình 3.4 và Hình 3.5).

Hình 3.4: Biến động giá trị TSS vào – ra các bể thí nghiệm

Hình 3.5: Nồng độ và loại bỏ TSS qua các bể thí nghiệm
Đầu ra TSS giữa các tải trọng khác nhau có sự phân hóa (theo
chỉ số P. Có sự khác biệt giữa HLR1 - HLR2 và HLR1 - HLR3 (P
<0,05), trong khi đó HLR2 - HLR3 không có sự khác biệt (P >0,05).

16


3.3.2.2. Hợp chất hữu cơ
Nhìn chung, COD có cùng xu hướng diễn biến so với BOD5.
BOD5 biến động đáng kể theo từng giai đoạn nghiên cứu (Hình 3.7)

Hình 3.6: Biến động nồng độ BOD5 dòng vào – ra

Loại bỏ COD (%)

60

50

40

30

VF
HF

trị trung bình là 1.485 MPN/100mL (Hình 3.9).

18


90

Hiệu quả loại bỏ Tcol (%)

80
70
60
50
40
30
20
VF
HF
Bể xử lý

Hình 3.9: Giá trị và hiệu quả xử lý Tcol qua các bể thí nghiệm
Loại bỏ Tcol đạt 82 ± 11,3%, VF là 61 ± 9,6% và HF là 57 ±
20,3%. Loại bỏ Tcol tính theo log là 0,8.
3.3.3. Hằng số tốc độ phản ứng và tương quan tuyến tính
3.3.3.1. Hằng số tốc độ phản ứng
Kết quả tính từ (1), (2) và (3) (mục 1.2.4.1) thể hiện Bảng 3.2.
Bảng 3.2. Hằng số tốc độ phản ứng của hợp chất hữu cơ và nitơ
Stt

NH4-N

P
Bảng 3.5: Hệ số tương quan và mức độ quan trọng các biến với Con và Lrn

Kết quả phân tích bằng phương pháp Bayes đưa ra kết quả 5
phương trình MR tối ưu và thể hiện trong Bảng 3.6. Hệ số xác định R2
các phương trình khá cao, trong đó phương trình M9 có R2 cao nhất,
đạt 0,9. Điều này có nghĩa rằng, MR với các biến dự báo lựa chọn có
thể giải thích được 90% sự biến thiên của Lrn.

21


Bảng 3.6. Kết quả phân tích tuyến tính đa biến của NH4-N

3.4. Đề xuất mô hình xử lý nước thải thành phố Đông Hà
3.4.1. Cơ sở đề xuất
- Điều kiện, tự nhiên và kinh tế - xã hội tp Đông Hà
- Kết quả nghiên cứu lý thuyết:
- Kết quả nghiên cứu thí nghiệm và thực địa:
3.4.2. Tính toán đề xuất mô hình xử lý
3.4.2.1. Tính toán mô hình xử lý
Từ kết quả nghiên cứu ở mô hình quy mô thí nghiệm (lựa chọn
hệ thống: VF-HF-FWS) và quy mô thực địa (hoạt động của hệ thống
VF-HF), tác giả đề xuất mô hình CW để XLNT thành phố Đông Hà
gồm như sau (Hình 3.10).

Hình 3.10: Đề xuất hệ thống xử lý nước thải tp Đông Hà
Sử dụng HLR = 0,15 m/ngày để tính toán và thiết kế, diện tích
CW yêu cầu xử lý toàn bộ NTSH là 63.780 m2 (6,378 ha)

22


957

1.362

9.080

3

99

141

940

4

934

1.329

8.860

5

2811

4.000

26.667