Xác định nồng độ ô nhiễm trong kênh sông sau khi tiếp nhận nước thải

18/10/2021

    Tóm tắt: Bài báo trao đổi về phương pháp tính toán và đánh giá chất lượng nước trong kênh sông khi tiếp nhận nước thải tập trung từ các đô thị, khu dân cư  và khu công nghiệp đã được trình bày trong một số giáo trình và tiêu chuẩn kỹ thuật. Phương pháp  này có thể tính toán cho các trường hợp nước thải các đối tượng được xử lý (trường hợp 1 và trường hợp 2) và chưa qua xử lý (trường hợp 3) để xác định nồng độ các chất ô nhiễm trong dòng chảy hạ lưu theo các thời gian phân hủy và tích lũy các chất trong nước. Phương pháp tính toán đơn giản và dễ lập trình với các biểu đồ thể hiện tường minh. Các số liệu xác định được trên cơ sở này có thể ứng dụng trong kiểm soát ô nhiễm nước thải đô thị, khu dân cư  hoặc khu công nghiệp tập trung đối với kênh sông chảy qua khu vực.

    Từ khóa: Nước thải; Kênh và sông; Chất ô nhiễm; Xác định nồng độ.

    Nhận bài: 13/9/2021; Sửa chữa: 28/9/2021; Duyệt đăng: 30/9/2021.

1. Giới thiệu chung

    Hiện nay các đô thị, khu dân cư tập trung hoặc khu công nghiệp thường xả trực tiếp nước thải vào các kênh hoặc sông chảy qua khu vực. Sau khi tiếp nhận nước thải chất lượng  nước kênh sông bị thay đổi, đặc biệt là các thông số nước liên quan đến các thành phần ô nhiễm của nguồn thải. Trong công tác bảo vệ môi trường và quản lý tài nguyên nước cần phải có các đánh giá và dự báo chất lượng nước nguồn sau khi tiếp nhận nước thải tập trung làm cơ sở cho quy hoạch sử dụng nguồn nước và kiểm soát ô nhiễm nước.

    Trong số các vực nước mặt thường tiếp nhận nước thải tập trung từ các đô thị và khu công nghiệp là các kênh và sông chảy qua khu vực. Phần lớn các dòng chảy này là tương đối đều và ổn định chất lượng về mùa không mưa. Tuy nhiên việc sử dụng nguồn nước các kênh và sông này lại hết sức quan trọng khi nó chảy qua các vùng đô thị và khu dân cư.

    Để tính toán, đánh giá chất lượng nước sông hiện nay người ta thường sử dụng các mô hình tính toán, phổ biến là các mô hình: WASP7, AQUTOX, QUAL 2K (hoặc QUAL 2E), DELFT 3D, BASINS, MIKE,… Gần đây nhất là bộ mô hình MIKE 21 là mô hình dòng chảy mặt 2D trong đó có 2 module HD và module Eco Lab để mô phỏng khả năng lan truyền chất ô nhiễm trên sông kênh. Tuy nhiên để sử dụng các bộ mô hình này yêu cầu phải sử dụng nhiều dữ liệu điều kiện tự nhiên như địa hình, thủy văn, khí tượng,… với các số liệu quan trắc đo đạc về lưu lượng và chất lượng nước đảm bảo tin cậy. Mặt khác đây là các phần mềm thương mại có độ chi tiết cao nên cũng không cần thiết khi triển khai dự án liên quan đến kiểm soát ô nhiễm nước ở quy mô không lớn và tác động của yếu tố ngoại cảnh không nhiều.

    Trong thực tế quản lý môi trường, Thông tư số 76/2017/TT-BTNMT ngày 29/12/2017 đã có hướng dẫn về đánh giá khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước sông, hồ. Tuy nhiên, hướng dẫn này chỉ để ước tính sơ bộ khả năng tiếp nhận thải lượng ô nhiễm cho đoạn sông dài mà không thể dùng đánh giá được chất lượng nước kênh sông sau khi tiếp nhận nước thải, các thông tin cần thiết để xác định mức độ xử lý nước thải (cần thiết) của trạm/ nhà máy XLNT tập trung, kiểm soát chất lượng nước, khai thác sử dụng nguồn nước,… khi kênh sông  chảy qua vùng đô thị và khu công nghiệp. Mặt khác yếu tố chính liên quan đến mức chịu tải của sông kênh là khả năng tự làm sạch không được đề cập đến trong hướng dẫn này.

    Trong bài báo này chúng tôi muốn trao đổi về phương pháp tính toán nồng độ các chất ô nhiễm trong kênh sông khi tiếp nhận nước thải tập trung từ các đô thị và khu công nghiệp. Phương pháp này do các giáo sư các trường Đại học Xây dựng ở Liên Xô cũ thiết lập [1, 2] và được Trường Đại học Xây dựng Hà Nội hiệu chỉnh phù hợp với kênh sông chảy qua vùng đô thị Việt Nam [3,4,5,6] để đưa vào giáo trình giảng dạy và các quy chuẩn, tiêu chuẩn công trình hạ tầng kỹ thuật thoát nước và XLNT.

2. Cơ sở lý thuyết

    Kênh sông chảy qua khu vực đô thị, khu dân cư, khu công nghiệp,... có thể tiếp nhận nước thải tập trung từ các đối tượng này với sự lan truyền dòng ô nhiễm trong đó theo Hình 1. Nước thải thu gom  được xử lý tại trạm/ nhà máy XLNT tập trung hoặc chưa xử lý mà xả trực tiếp ra nguồn.

Hình 1. Sơ đồ tính toán lan truyền các chất ô nhiễm trong sông, kênh

    Có 3 trường hợp đề cập trong bài toán này như sau.

1. Trường hợp 1:

    Nước thải được thu gom và xử lý tập trung nên lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm (thải lượng) là ổn định.Trong trường hợp này thông số tính toán là chất ô nhiễm bền vững (không phân hủy, chuyển hóa theo thời gian hay hệ số phân hủy chất ô nhiễm K=0). Mô hình tính toán là mô hình ổn định 1 chiều để xác định nồng độ chất ô nhiễm C tại điểm x hạ lưu điểm xả:

                                          (1)

2. Trường hợp 2:

Nước thải đô thị sau xử lý giống trường hợp 1 tuy nhiên thông số tính toán là chất ô nhiễm không bền vững (chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học BOD, hệ số phân hủy chất ô nhiễm K≠0). Mô hình tính toán là mô hình không ổn định 1 chiều trong đó có biến thời gian phân hủy t:

                             (2)

3. Trường hợp 3:

    Nước thải không được xử lý mà xả theo cống thoát nước tập trung ra kênh sông. Thông số tính toán là chất ô nhiễm không bền vững (chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học BOD, hệ số phân hủy chất ô nhiễm K≠0). Mô hình tính toán cũng là mô hình không ổn định 1 chiều (2).

        d. Các điều kiện biên:

• 0≤x≤∞ ; 0≤t≤∞
• C(x,0)= C_s (nồng độ chất ô nhiễm ban đầu trong sông khi chưa tiếp nhận nước thải
• C(0,t)= C₀  (nồng độ chất ô nhiễm trong nước thải) cho trường hợp 1 và trường hợp trường hợp 2; và C(0,t)= f(t) cho trường hợp 3. Thông thường đối với nước thải đô thị chưa xử lý xả theo cống thoát nước tập trung ra kênh sông  hàm f(t) có dạng:

f(t) = C₀ (1-e^-Mt)          (3)

    trong đó: M- hệ số đặc trưng cho chế độ xả thải ra sông, kênh, phụ thuộc vào đối tượng xả thải và đặc điểm hoạt động của hệ thống thoát nước đô thị, khu dân cư tập trung, nên chọn từ 0,5 đến 3 [1,2,6].  

3. Phương pháp tính toán

1. Các số liệu ban đầu về chế độ thủy lực sông kênh:

    Hệ số khuếch tán rối theo chiều dài trong sông kênh (hướng dòng chảy chủ đạo) E_x phụ thuộc vào bán kính thuỷ lực R (m) và vận tốc động học dòng chảy V* (m/s). Giá trị E_x (m²/s) thông thường xác định bằng các công thức thực nghiệm dưới dạng:

E_x= aRV*      (4)

    trong đó: a- Giá trị không đổi, lấy từ 8,7 đến 640, phụ thuộc vào các thông số thuỷ lực của dòng chảy.

    Sông kênh có chiều dài lớn, kích thước ổn định với lưu lượng trung bình  về mùa khô tần suất 95% là Q_s (m³/s), chiều sâu trung bình H(m) và bề rộng trung bình B(m), vận tốc dòng chảy trung bình v (m/s). Đối với các nguồn nước động, có dòng chảy, hệ số khuếch tán E_x có thể xác định theo công thức của Fischer,1979, [1, 2, 5]  như sau:

                                    (5)

    Vận tốc động học dòng chảy V* có thể xác định theo một trong các công thức sau đây:

    trong đó : λ – Hệ số ma sát dòng chảy sông kênh;

                S - Độ dốc thủy lực kênh sông ;

                 g – Gia tốc trọng trường, bằng 9,8 m/s²,

                 C – Hệ số Sezi, m^0,5/s.

    Đối với các sông, kênh hoặc suối nhỏ, có thể sử dụng công thức của Velner [1,2, 6] để tính hệ số E_x:

E_x=1,5Bv                            (7)

    hoặc theo công thức của Popapov [2, 5] :

                                                                                                                (8)

    Đối với các sông rộng hoặc cửa sông  có thể dùng công thức của Paal  để tính E_x [2] :

                  (9)

2. Tính toán cho trường hợp 1:

    Trên cơ sở giải phương trình (1) với các điều kiện biên nêu ở 2.d bằng phương pháp Frolop-Rodzinler [2], có được hệ số pha loãng nước sông kênh lưu lượng Q_s (m³/s) với nước thải Q₀ (m³/s) là a tại điểm x trên sông:

                     (10)

    trong đó: α- Hệ số phụ thuộc vào điều kiện pha loãng do yếu tố thủy lực trong sông kênh và xác định theo biểu thức sau:

                          (11)

    trong đó: ξ – Hệ số phụ thuộc vào vị trí cống xả nước thải trong sông kênh, nếu xả ven bờ ξ =1, xả xa bờ thì ξ lấy =(1,2÷1,5).

                φ - Hệ số phụ thuộc vào sự thay đổi dòng chảy sông. Nếu sông chảy thẳng thì φ=1, còn khi dòng chảy thay đổi (khúc khuỷu) thì φ=(x/x_thẳng) với x_thẳng là khoảng cách thẳng đo được từ điểm xả nước thải đến điểm tính toán.

    Số lần pha loãng nước sông kênh với nước thải n được xác định theo biểu thức:

                     (12)

    Từ đây xác định được nồng độ chất ô nhiễm bền vững tại điểm x trên sông kênh sau khi nước sông kênh pha loãng với nước thải:

                                    (13)

3. Tính toán cho trường hợp 2:

    Trên cơ sở giải phương trình (2) với các điều kiện biên nêu ở 2.d bằng phương pháp Laplaca xác định được nồng độ chất ô nhiễm không bền vững tại vị trí x(m) và thời gian t(s) sau khi xả nước thải:

                     (14)     

    Trường hợp 1 là dạng đặc riêng của trường hợp 2 khi chất ô nhiễm là bền vững theo thời gian hay yếu tố thời gian t không đề cập đến. Hệ số K là đại lượng đặc trưng cho sự chuyển hóa chất ô nhiễm xem xét, phụ thuộc vào nhiều yếu tố của nguồn tiếp nhận và thường được xem là hệ số tự làm sạch theo chất ô nhiễm đó.  Đối với việc tiếp nhận liên tục nước thải với C(0,t)= C₀  thì phương trình (2) có thể được giải theo phương pháp Rodzinler I.D.,1984, và được biểu thức đơn giản hơn như sau [2]:

                (15)

trong đó: C_bs- Nồng độ ô nhiễm bổ sung do các quá trình sinh thái diễn ra theo chiều dài dòng chảy sông trong thời gian t, thông thường là 1 giá trị ổn định phụ thuộc vào các điều kiện phát sinh nguồn ô nhiễm ngoại lai cũng như nội tại trong đoạn sông kênh tính toán. Theo Trần Đức Hạ, 1991, C_bs theo BOD dao động từ  1,1 ÷  1,4 mg/l đối với kênh sông nguồn loại A và từ từ  1,4 ÷  2,0 mg/l đối với kênh sông nguồn loại B [4].

4. Tính toán cho trường hợp 3:

    Trên cơ sở giải phương trình (2) với các điều kiện biên nêu ở 2.d bằng phương pháp Laplaca xác định được nồng độ chất ô nhiễm không bền vững tại vị trí x(m) và thời gian t(s) sau khi xả nước thải:

     (16)                    

4. Các ví dụ tính toán

1. Trường hợp 1:

    Xác định hàm lượng TSS trong hỗn hợp nước sông và nước thải theo chiều dài dòng chảy sau khi tiếp nhận nước thải đã qua xử lý đạt mức B của QCVN 40:2011/BTNMT với các số liệu cụ thể như sau:

    -Sông: Q_s=25 m³/s, v=0,25 m/s, H=3 m, C_s=30 mg/l

    - Nước thải: Q₀=0,115 m³/s, C₀= 90 mg/l.

    Hệ số khuếch tán rối của dòng chảy trong sông xác định theo công thức (8):

    Kênh và thẳng, kích thước ổn định nên φ=1  và nước thải sau xử lý xả ven bờ nên ξ =1.  Hệ số α xác định theo biểu thức (12):

    Hệ số pha loãng a tính theo biểu thức (11) và số lần pha loãng n theo (12), từ đó  theo (13) xác định  được nồng độ chất ô nhiễm bền vững tại điểm x trên sông kênh sau khi nước sông kênh pha loãng với nước thải. Kết quả tính toán nêu trong Bảng 1 và biểu đồ lan truyền chất bẩn bền vững (đặc trưng bằng hàm lượng TSS, mg/l) trong sông nêu trên Hình 2.

    Bảng 1. Kết quả tính toán xác định nồng độ chất ô nhiễm bền vững (tính theo TSS) trong sông

Hình 2. Biểu đồ lan truyền chất ô nhiễm bền vững (TSS) trong sông cho ví dụ tính toán trường hợp 1

    Kết quả tính toán cho thấy theo chiều dài dòng chảy trong sông đến điểm x =2000 m hầu như nước sông trở về trạng thái ban đầu với số lần pha loãng n=432 trong khi chỉ có 19,85% lưu lượng nước sông (4,9635 m³/s) xáo trộn hoàn toàn với nước thải.                                                       b.Trường hợp 2:

    Xác định hàm lượng BOD₅ trong hỗn hợp nước sông và nước thải theo chiều dài dòng chảy sau khi tiếp nhận nước thải đã qua xử lý đạt mức B của QCVN 40:2011/BTNMT với các số liệu cụ thể như sau:

    - Sông: Q_s = 25 m³/s, v = 0,25 m/s, H = 3 m, B = 33,3 m, C_s = 10 mg/l, C_bs = 1,2 mg/l nhiệt độ trung bình của nước sông T_s = 25⁰C.

    - Nước thải: Q₀ = 0,115 m³/s, C₀ = 45 mg/l.

    Trong trường hợp này, hệ số khuếch tán rối của dòng chảy trong sông xác định theo công thức (8) là E_x = 0,00375 m²/s. Đối với hệ số phân hủy chất hữu cơ không bền vững (BOD) trong hỗn hợp nước sông và nước thải ở điều kiện 20⁰C lấy bằng 0,23 ngày^-1 và ở điều kiện T_s = 25⁰C sẽ là:

    K_T = K₂₀xθ^T-20 = 0,23x1,047^25-20 = 0,289 ngày-¹ hay bằng 0,00000334s^-1

    Các hệ số khuếch tán rối E_x tính theo biểu thức (8) và hệ số phân hủy chất hữu cơ K_T (đặc trưng cho khả năng tự làm sạch của kênh sông theo chất hữu cơ không bền vững) được sử dụng để hiệu chỉnh cho mô hình tính toán nồng độ BOD trong kênh sông có dòng chảy ổn định ở khu vực đồng bằng [3, 4, 6]. Hệ số pha loãng n xác định theo công thức (12) tương tự ví dụ trường hợp 1. Đại lượng BOD bổ sung C_bs lấy bằng 1,3mg/l. Thay vào biểu thức (15) với các số liệu trên xác định được nồng độ chất ô nhiễm không bền vững tại vị trí x(m) và thời gian t(s) sau khi xả nước thải C(x,t). Kết quả tính toán nêu trong Bảng 2 và biểu đồ lan truyền chất bẩn bền vững (đặc trưng bằng hàm lượng BOD₅, mg/l) trong sông nêu trên Hình 3.

    Bảng 2. Kết quả tính toán xác định nồng độ chất ô nhiễm không bền vững (tính theo BOD) trong sông sau khi tiếp nhận nước thải từ nhà máy XLNT tập trung

Hình 3. Biểu đồ lan truyền chất hữu cơ (BOD) trong sông cho ví dụ trường hợp 2

    Kết quả tính toán cho thấy theo chiều dài dòng chảy sau 5 m, hàm lượng BOD trong sông giảm xuống dưới 25 mg/l, sau 200m giảm xuống dưới còn 20 mg/l, tuy nhiên vẫn vượt trên giá trị nền là 10 mg/l.

3. Trường hợp 3:

    Xác định sự tích lũy chất hữu cơ (tính theo BOD₅) trong nước sông theo chiều dài dòng chảy sau khi tiếp nhận nước thải chưa qua xử lý  từ  cống thoát nước thành phố xả trực tiếp với các số liệu cụ thể như sau:

    - Sông: Q_s=25 m³/s, v=0,25 m/s, H=3 m, B=33,3 m, C_s=10 mg/l

    nhiệt độ trung bình của nước sông T_s = 25⁰C.

    - Nước thải: Q₀ = 0,115 m³/s, nồng độ BOD dao động theo hàm C_0,t = 200(1-e^-0,5t) mg/l.

    Trong trường hợp này, hệ số khuếch tán rối của dòng chảy trong sông cũng là E_x=0,00375 m²/s. Đối với hệ số phân hủy chất hữu cơ không bền vững (BOD) trong nước sông ô nhiễm ở điều kiện điều kiện T_s=25⁰C thì K_T= 0,00000334s^-1.  Kết quả tính toán tích lũy ô nhiễm hữu cơ (tính theo BOD) tại các vị trí khác nhau trong sông sau khi tiếp nhận nước thải xả với các thời điểm khác nhau nêu trong Bảng 3 và thể hiện trên Hình 4.

    Bảng 3. Kết quả tính toán tích lũy chất hữu cơ theo BOD tại các vị trí khác nhau sau khi tiếp nhận nước thải chưa qua xử lý

Hình 4. Biểu đồ lan truyền và tích lũy chất hữu cơ (BOD) theo chiều dài sông cho ví dụ trường hợp 3

    Với lưu lượng trung bình Q₀=0,115 m³/s và  nồng độ BOD trong nước thải xả  vào dao động theo hàm: C₀(0,t) = 200(1-e^-0,5t), kết quả tính toán cho thấy theo chiều dài dòng chảy sau 1 h tích lũy hàm lượng BOD trong sông tại vị trí x= 5 m khoảng 180mg/l, tại vị trí x= 500 m là 133 mg/l, tai x= 1000 m là 98 mg/l  nhưng tai x= 5000 m chỉ là 1,3 mg/l (thấp hơn giá trị C_s). Sau 2 h tích lũy hàm lượng BOD trong sông tại vị trí x= 5 m khoảng 180mg/l, tại vị trí x= 500 m là 155 mg/l, tai x= 1000 m là 132,8 mg/l  và  tai x= 5000 m là 34,8 mg/l. Nhưng sau 3 h tích lũy, hàm lượng BOD trong sông tại vị trí x= 5 m khoảng 180mg/l, tại vị trí x= 500 m là 163,3 mg/l, tai x= 1000 m là 147 mg/l  và  tai x= 5000 m tăng lên đến 61,3 mg/l.

5. Kết luận

    Phương pháp tính toán  chất lượng nước kênh sông sau khi tiếp nhận nước thải xả tập trung trong các trường hợp được xử lý (trường hợp 1 và trường hợp 2) và chưa qua xử lý (trường hợp 3) nêu trên xác định được nồng độ các chất ô nhiễm trong dòng chảy hạ lưu theo các thời gian phân hủy và tích lũy các chất trong nước. Phương pháp tính toán đơn giản với các hệ số đã được hiệu chỉnh trong điều kiện các kênh sông đồng bằng Việt Nam và dễ lập trình với các biểu đồ thể hiện tường minh. Các số liệu xác định được trên cơ sở phương pháp này  có thể ứng dụng trong kiểm soát ô nhiễm nước thải đô thị, khu dân cư  hoặc khu công nghiệp tập trung đối với kênh sông chảy qua khu vực.

Trần Đức Hạ¹

¹Trường Đại học Xây dựng Hà Nội

¹ Viện Nghiên cứu Cấp thoát nước và Môi trường (Hội Cấp thoát nước Việt Nam)

(Nguồn: Bài đăng trên Tạp chí Môi trường, số Chuyên đề Tiếng việt III/2021)

    Tài liệu tham khảo

1. Izbad-zade IU.A. , 1983. Vận chuyển nước trong kênh hở. Nhà xuất bản Xây dựng Moscow.
2. Rodzinler I.D., 1984. Dự báo chất nước nước nguồn sau khi tiếp nhận nước thải. Nhà xuất bản Xây dựng Moscow.
3. Trần Hiếu Nhuệ, Trần Đức Hạ,1987. Phương pháp tính toán sự nhiễm bẩn nguồn nước sông. Tạp chí “Khoa học và Kỹ thuật”, Viện Khoa học Việt Nam, tập XXV, số 1+2, 1987, trang 20-24.
4. Trần Đức Hạ, 1991. Luận án tiến sĩ:  Mô hình hóa quá trình tự làm sạch hệ thống kênh hồ đô thị trong điều kiện Việt Nam. Trường Đại học Xây dựng Leningrad.
5. Trần Đức Hạ, 2006. Xử lý nước thải đô thị. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
6. Trần Đức Hạ, 2016. Bảo vệ và Quản lý tài nguyên nước. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.

    Key words: Wastewater; Canals and rivers; Determination of pollutant concentration; Waste water quality control.