Hệ thống tuần hoàn nước HJ-1000: Xử lý ô nhiễm nước hồ hiệu quả

Theo dõi MTĐT trên

1. Khái quát thực trạng hồ trong các đô thị Việt Nam

Hồ có mặt tại hầu hết các đô thị Việt Nam, đồng thời đóng vai trò quan trọng trong việc tiếp nhận, điều hòa nước, khí hậu, tạo cảnh quan và là nơi vui chơi giải trí của cộng đồng dân cư. Với tốc độ đô thị hóa mạnh mẽ như hiện nay, mật độ dân số không ngừng tăng trong các khu đô thị, vai trò của hồ càng trở lên quan trọng, đặc biệt là tại các đô thị lớn. Bên cạnh các hồ tự nhiên đã có sẵn từ lâu, các hồ nhân tạo cũng được các nhà đầu tư dành sự quan tâm, đặc biệt trong các khu đô thị mới. Tuy nhiên, kéo theo sự gia tăng dân số trong các khu đô thị, những hệ lụy do ô nhiễm nước hồ đã tạo ra những ảnh hưởng xấu đến môi trường không khí, cảnh quan và khu vực xung quanh hồ. Một số kênh, mương, ao hồ, trong các khu vực đô thị đã trở thành những nơi tiếp nhận nước thải sinh hoạt, thường xuyên bị ô nhiễm, nhất là ở các đô thị lớn như Hà Nội, TP. HCM.

Trước tình trạng trên, gần đây, chính quyền của nhiều tỉnh, thành phố trong cả nước, đặc biệt là chính quyền TP. Hà Nội đã có sự quan tâm đến việc ứng dụng thí điểm nhiều loại công nghệ xử lý nước hồ, tuy nhiên hiệu quả xử lý của các loại công nghệ này chưa thực sự cải thiện được chất lượng nước hồ, hồ vẫn đang hàng ngày tăng thêm sự ô nhiễm.

Cuộc thử nghiệm Hệ thống tuần hoàn nước model HJ-1000 tại hồ Mai Dịch, Hà Nội đã chứng minh được HJ-1000 là sản phẩm công nghệ đáp ứng được mục tiêu xử lý ô nhiễm nước hồ rất hiệu quả, chất lượng nước hồ đạt được cột B2 QCVN 08-MT:2015/BTNMT.  

2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của HJ-1000

2.1. Hệ thống tuần hoàn nước Model HJ-1000 gồm các bộ phận chính dưới đây:

- Hệ thống tạo năng lượng điện: Trên HJ-1000 có trang bị 03 tấm pin mặt trời và cánh quạt gió của bộ phát điện gió tạo năng lượng điện.

- HJ-1000 trang bị 04 bộ ắc quy dự trữ năng lượng điện, tự động phát điện để duy trì hoạt động của động cơ BLDC 150 W những lúc trời không còn nắng và cũng không có gió.

• Bánh công tác (Hút nước và tạo sóng nước) vận hành bằng động cơ BLDC 150 W
• Ống nhăn dẫn nước từ đáy lên mặt hồ, tạo cơ chế tuần hoàn nước trong hồ.
• Bộ phận cố định HJ-1000: gồm 04 phao nổi có gắn xích neo.

Hình 1: Các bộ phận chính của HJ-1000

Hình 2: Hệ thống tuần hoàn nước model HJ-1000 tại hồ 1,4 ha - Công viên Mai Dịch, Hà Nội

2.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống tuần hoàn nước

1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống tuần hoàn nước Model HJ -1000

•  Hệ thống tạo năng lượng điện: Nguồn năng lượng điện tạo ra từ pin mặt trời và máy phát điện gió, một phần cấp điện cho động cơ một chiều BLDC công suất 150W hoạt động; một phần cung cấp điện cho 04 bộ ắc quy dự trữ năng lượng. Ắc quy dự trữ năng lượng sẽ tự động cấp điện cho động cơ trong điều kiện trời vào đêm và không có gió, đảm bảo cho HJ-1000 hoạt động liên tục 24/24 giờ.
• Bánh công tác thực hiện 2 chức năng:

Thứ nhất: Lấy nước từ tầng đáy, thông qua ống nhăn và đưa lên tầng mặt với công suất tối đa 14 m³/phút. Việc hút nước tầng đáy đưa lên tầng mặt có tác dụng làm giảm chênh lệch nhiệt độ của nước tầng đáy và nước tầng mặt, đưa nước nghèo oxy từ tầng đáy lên tầng mặt, tạo dòng tuần hoàn nước trong hồ.

Thứ hai: Tạo sóng đẩy nước lan tỏa khắp mặt hồ, bán kính sóng  ≥ 60m xung quanh HJ-1000 thiết lập điều kiện tốt nhất trong việc thấm Oxy tự nhiên vào nước.

• Bộ phận cố định: Toàn bộ HJ-1000 được định vị trên mặt hồ bằng 04 phao nổi có gắn xích neo xuống đáy hồ, không để HJ-1000 bị trôi dạt trên hồ.
  2. Bảng tính chi phí đầu tư, chi phí vận hành và chi phí bảo trì Hệ thống tuần hoàn nước: Được lập dựa theo các chi phí cho hệ thống tuần hoàn nước Model HJ-1000 trong cuộc thử nghiệm tại hồ Mai Dịch, Hà Nội tháng 8/2019.
•  Chi phí nhập khẩu thiết bị HJ-1000 theo giá CIF cảng Hải Phòng;
•  Thuế suất nhập khẩu thiết bị = 0%;
•  Tỷ giá ngoại tệ USD/VND = 1/23.300;
•  Các chi phí không bao gồm thuế VAT 10%.

Bảng 1: Chi phí đầu tư, chi phí vận hành và chi phí bảo trì Hệ thống tuần hoàn nước

3. Kết quả 07 đợt thí nghiệm chất lượng nước hồ qua 05 chỉ tiêu chính (Bảng 2 + Bảng 3)

3.1. Chất lượng nước hồ 1,4 ha (Có đặt HJ-1000) tốt lên rõ rệt: Các chỉ tiêu nước hồ ngày 28/8/2019 (HJ-1000 chưa hoạt động) so với chỉ tiêu nước hồ ngày 10/3/2020 (sau khi HJ-1000 hoạt động được 7 tháng).

- Nồng độ BOD: Giảm 80,07%;

• Nồng độ COD: Giảm 75,25% ;
• Nồng độ TSS: Giảm 26,40% ;
• Nồng độ Cholorophyll-a: 49,09%;
• Nồng độ DO tăng 6,17%.
• Các chỉ tiêu khác như pH, NO₃^-, PO₄⁺ , Cl ^-, F^-, NH₄⁺, NO₂^-, dầu mỡ khoáng, đều giảm và nằm trong giới hạn cho phép.

Bảng 2: Kết quả quan trắc 05 chỉ tiêu chính trong hồ 1,4 ha

Biểu đồ 1: Biểu đồ xu hướng chất lượng nước tại vị trí lấy mẫu số 1 hồ 1,4 ha

3.2. Chất lượng nước hồ 1,7ha (Hồ không trang bị HJ-1000) là hồ đối chứng trong cùng thời gian 7 tháng so với hồ 1,4ha chất lượng nước ngày càng xấu đi, cụ thể như sau:

• Nồng độ BOD tăng 19,78%;
• Nồng độ COD tăng 42,84%;
• Nồng độ TSS tăng 4,35%;
• Nồng độ Cholorophyll-a tăng 15,67%;
• Nồng độ DO giảm 3,66%.

Bảng 3: Kết quả quan trắc 05 chỉ tiêu chính trong mẫu số 3, hồ 1,7 ha

Biểu đồ 2: Biểu đồ xu hướng chất lượng nước tại vị trí lấy mẫu số 3 hồ 1,7 ha

3.3. Cơ chế tạo Oxy và hiệu quả xử lý BOD, COD trong nước hồ của HJ-1000

a. Hồ và cơ chế tự làm sạch của hồ: Trong tự nhiên, nước hồ có khả năng tự làm sạch, tuy nhiên một hồ nước tự làm sạch nhiều hay ít phụ thuộc nhiều yếu tố như: diện tích mặt hồ, độ thoáng mặt hồ, độ sâu nước hồ, dòng chảy trong hồ (đối lưu nước)… Với các yếu tố như trên, hồ trong các đô thị hầu như không có khả năng tự làm sạch.

b. Khả năng tự làm sạch của hồ chính là khả năng tự làm tăng Oxy hòa tan trong nước hồ.

Trong các yếu tố giúp hồ có khả năng tự làm sạch thì (đối lưu nước) trong hồ và sóng nước tạo ra trên mặt hồ đóng vai trò rất quan trọng.

c. Thực tế cuộc thử nghiệm:

+ Hồ 1,4 ha có đặt HJ-1000, tại thời điểm từ 10/3/2020 đến 29/5/2020, HJ-1000 ngừng hoạt động, chất lượng nước hồ xấu đi rõ rệt, so sánh kết quả thí nghiệm của đợt 6 (ngày 10/3) với kết quả thí nghiệm đợt 7 (ngày 29/5), ta thấy: BOD tăng từ 7,6 mg/lít lên 13 mg/lít (tăng 71%); COD tăng từ 14,48 mg/lit lên 19 mg/lit (tăng 31%); TSS tăng từ 9,5mg/lít lên 14mg/lít (tăng 47%); Cholorophill-a tăng từ 9,1 µg/lít lên 24,56 µg/lít (tăng 170%); DO giảm từ 8,4 mg/lít xuống 5,51 mg/lít (giảm 34%).

+ Hồ 1,7 ha không đặt HJ-1000, hồ có mặt thoáng rộng, không có nước đối lưu; theo kết quả phân tích của 6 đợt thí nghiệm trong thời gian 7 tháng, chất lượng nước hồ dần xấu đi: BOD tăng từ 18,1 mg/lít lên 21,68 mg/lít (tăng 19,78%); COD tăng từ 27,1 mg/lít lên 38,71 mg/lít (Tăng 42,84%); Chlorophyll-a tăng từ 31,9 mg/lít lên 36,9 mg/lít (tăng 15,67%); DO giảm từ 8,2mg/lít xuống 7,9 mg/lít (giảm 3,66%).

Bảng kết quả thí nghiệm 5 chỉ tiêu chính và biểu đồ đặc tính diễn biến của các chỉ tiêu chất lượng nước hồ 1,4 ha và hồ 1,7 ha qua 7 đợt thí nghiệm nước hồ cho thấy rõ các phân tích trên

3.4. Tính lượng Oxy tạo ra nhờ cơ chế hoạt động của HJ-1000 trong thực nghiệm tại hồ 1,4 ha

a. Bảng tính lượng Oxy thẩm thấu vào nước hồ trong các đợt thí nghiệm

    Áp dụng cho cuộc thử nghiệm HJ-1000 tại hồ 1,4ha Công viên Mai Dịch, Công ty Hactra đưa ra Bảng 4, tính lượng Oxy thẩm thấu vào nước hồ 1,4 ha của đợt thí nghiệm 1-2 như dưới đây:

    Diện tích mặt hồ là 1,4ha; độ sâu mực nước 3,2 m è Tổng thể tích nước hồ là 44.800 m³; thời gian hoạt động từ đợt 1 đến đợt 2 của HJ-1000 là 30 ngày (từ 28/8/2019 - 30/9/2019); nhiệt độ 33⁰C.

+ Nước hồ trước khi HJ-1000 hoạt động, có: BOD₅ = 28,6 mg/lít; Nito = 0,012 mg/lít;

+ Nước hồ không tiếp nhận thêm nước thải;

+ Nước hồ sau khi HJ-1000 hoạt động 30 ngày: BOD₅ = 14,3 mg/lít; Nito = 0,009 mg/lít;

+ Tổng lượng BOD trong nước hồ được xử lý trong 30 ngày là: 640,64 kgBOD;

+ Khối lượng Oxy trung bình cần thiết để xử lý 01kgBOD trong nước hồ là: 1,13 kgO₂/01 kg BOD (Bảng 5).

Bảng 4. Tính lượng Oxy thẩm thấu vào nước hồ 1,4ha giữa đợt thí nghiệm 1 và 2

5. Kết luận

    Từ kết quả thực nghiệm và phương pháp tính lượng Oxy thẩm thấu vào nước hồ đã trình bày ở trên, Công ty Hactra có một số kết luận sau:

    Oxy chiếm 21% thể tích không khí tự nhiên. Đây là kho Oxy tự nhiên (rất lớn); Oxy được thẩm thấu không giới hạn vào nước hồ nhờ vào cơ chế tuần hoàn nước và tạo sóng của HJ-1000, làm tăng DO trong nước hồ, phân hủy các thành phần ô nhiễm sinh học trong nước hồ.

    Lượng Oxy tự nhiên thẩm thấu vào nước hồ nhờ cơ chế hoạt động của HJ-1000  nhiều hay ít phụ thuộc vào nồng độ BOD và Nito trong nước hồ và nhiệt độ môi trường hồ.

    HJ-1000 có khả năng xử lý nước hồ có nồng độ ô nhiễm cao nhờ vào cơ chế tuần hoàn nước trong lòng hồ và tạo sóng đều, liên tục 24h/24h lan tỏa khắp diện tích mặt hồ. Với cơ chế hoạt động như trên, HJ-1000 cung cấp DO cho nước hồ để phân hủy các chất gây ô nhiễm hữu cơ trong nước hồ và duy trì chất lượng nước hồ luôn ổn định ở mức tốt nhất.

a. Tương tự Bảng trên, áp dụng cho các đợt 2-3; 3-4; 5-6. Tính toán khả năng xử lý chất ô nhiễm của HJ-1000 trên hồ 1,4 ha qua các đợt thí nghiệm.

• Công thức tính tổng khối lượng BOD trong nước hồ của các đợt là:

Tổng BOD _{(Đợt n )} = Diện tích hồ x chiều cao nước hồ x  

Trong đó: n = 1 đến 6.

• Tổng khối lượng BOD trong nước hồ trước thời điểm HJ-1000 hoạt động:

Tổng BOD _{(Đợt 1)} = 14.000 m² x 3.2m x   =  1.281,28  kgBOD         (1)

   Theo các công thức và Bảng 4 trên đây, tính cho các đợt thí nghiệm ta có:

• Giữa 2 đợt thí nghiệm 1 và 2:

+ HJ-1000 hoạt động liên tục 24/24h trong 30 ngày, nhiệt độ môi trường từ 34⁰C - 33⁰C, tại thí nghiệm đợt 2 tổng khối lượng BOD trong hồ còn lại là: 14.000 m² x 3.2 m x (14.3 mg BOD/lít)/10³ =  640,64 kg BOD (2)

+ Lượng BOD đã được phân hủy là: 1.281,28 Kg - 640,64kg = 640,64kg    (3)

    Từ (2) và áp dụng công thức tính lượng Oxy cần thiết để xử lý 640,64 kg BOD trong điều kiện thử nghiệm trên hồ 1,4 ha trong đợt thí nghiệm 2, ta biết được lượng Oxy mà HJ-1000 tạo ra đã thẩm thấu vào nước hồ trong 30 ngày là: 726,85 kg O₂.

+ Bình quân 1,13 kgO₂ cần thiết để xử lý được 01 kgBOD.

Tương tự các công thức (1); (2); (3) ở trên, ta tìm được: 

• Giữa 2 đợt thí nghiệm 2 và 3:

+ HJ-1000 hoạt động liên tục 24/24h trong 30 ngày, nhiệt độ môi trường xu hướng giảm 33⁰C - 22⁰C, tại thí nghiệm đợt 3 tổng lượng BOD trong hồ còn lại là 573,44 kg  (4)

+ Lượng BOD đã được phân hủy là: 640,64kg – 573,44 kg = 67,20 kg                 (5)

   Từ (5) và áp dụng công thức tính lượng Oxy cần thiết để xử lý 67,20kg BOD trong điều kiện thử nghiệm trên hồ 1,4 ha trong đợt thí nghiệm 3, ta biết được lượng Oxy cần thiết mà HJ-1000 tạo ra đã thẩm thấu vào nước hồ là: 98,88 kg O₂.

 + Bình quân 1,47 kg O₂ cần thiết để xử lý được 01 kg BOD.

• Giữa 2 đợt thí nghiệm 3 và 4:

+ HJ-1000 hoạt động liên tục 24/24h trong 30 ngày, nhiệt độ môi trường 22⁰C. Tổng lượng BOD trong hồ còn lại là 501,76 kg       (6)                   + Lượng BOD đã được phân hủy là: 573,44 kg – 501,76 kg =  71,68 kg         (7)

    Từ (7) và áp dụng công thức tính lượng Oxy cần thiết để xử lý 71,68kg BOD trong điều kiện thử nghiệm trên hồ 1,4 ha trong đợt thí nghiệm 4, ta biết được lượng Oxy cần thiết mà HJ-1000 tạo ra đã thẩm thấu vào nước hồ là: 105,47 kg O₂.

 + Bình quân 1,47 kg O₂ cần thiết để xử lý được 01 kg BOD.

• Giữa 2 đợt thí nghiệm 4 và 5:

+ HJ-1000 hoạt động liên tục 24/24h trong 30 ngày, nhiệt độ môi trường có xu hướng giảm 22⁰C - 20⁰C. tại thí nghiệm đợt 5 tổng lượng BOD trong hồ còn lại là 474,88 kg      (8)

 +Lượng BOD đã được phân hủy là: 501,76 kg – 474,88 kg = 26,88 kg                  (9)

Từ (9) và áp dụng công thức tính lượng Oxy cần thiết để xử lý 26,88kg BOD trong điều kiện thử nghiệm trên hồ 1,4 ha trong đợt thí nghiệm 5, ta biết được lượng Oxy cần thiết mà HJ-1000 tạo ra đã thẩm thấu vào nước hồ là: 41,47 kg O₂.

 + Bình quân 1,54 kgO₂ cần thiết để xử lý được 01 kgBOD.

• Giữa 2 đợt thí nghiệm 5 và 6:

+ HJ-1000 hoạt động liên tục 24/24h trong 70 ngày, nhiệt độ môi trường có xu hướng tăng từ 20⁰C - 24⁰C, tại thí nghiệm đợt 6 tổng lượng BOD trong hồ còn lại là: 255,36 kg                (10)

 + Lượng BOD đã được phân hủy: 474,88 kg – 255,36 kg =  219,52 kg                 (11)

    Từ (11) và áp dụng công thức tính lượng Oxy cần thiết để xử lý 219,52 kg BOD trong điều kiện thử nghiệm trên hồ 1,4 ha trong đợt thí nghiệm 6, ta biết được lượng Oxy cần thiết mà HJ-1000 tạo ra đã thẩm thấu vào nước hồ là: 308,04 kg O₂.

 +  Bình quân 1,4 kg O₂ cần thiết để xử lý được 01 kg BOD.

b. Từ các kết quả trên, lập Bảng 5 dưới đây:

Bảng 5. Tính khả năng tạo khí oxy trong thực nghiệm tại hồ 1,4 ha

Biểu đồ 3. Tham chiếu số liệu cột (c) và cột (h) trong Bảng 5, ta xây dựng Biểu đồ quan hệ giữa nhiệt độ với lượng O₂  cần thiết để xử lý 01kg BOD

Biểu đồ 4. Tham chiếu số liệu cột (d) và cột (g) trong Bảng 5 ta xây dựng được Biểu đồ quan hệ giữa nồng độ BOD với lượng O₂ thẩm thấu vào nước hồ

c. Từ các phân tích trên và thực tế thí nghiệm Hactra có một số kết luận:

Lượng Oxy cần thiết để xử lý 01 kg BOD tỷ lệ nghịch với nhiệt độ môi trường.

Lượng Oxy tạo ra từ HJ-1000 thẩm thấu vào nước hồ tỷ lệ thuận với nồng độ BOD trong nước hồ, đồng thời duy trì DO ở mức ≥ 8mg/lít điều kiện giúp các loài thủy sinh sống và phát triển tốt.

Lượng Oxy HJ-1000 tạo ra thông qua cơ chế tuần hoàn nước trong lòng hồ và tạo sóng lan tỏa trên mặt hồ là rất lớn, lượng Oxy HJ-1000 tạo ra đáp ứng nhu cầu thẩm thấu Oxy cho nước hồ có mức độ ô nhiễm sinh học khác nhau trong các điều kiện nhiệt độ khác nhau.

Đối với hồ có nồng độ BOD > 28,6 mg/lít, HJ-1000 có khả năng xử lý để giảm nồng độ BOD về ≤ 15 mg/lit, đồng thời với việc giảm thấp các chỉ tiêu ô nhiễm sinh học khác (COD, N, P...). Kết luận này phù hợp với báo cáo khoa học và các thử nghiệm về HJ-1000 tại Hàn Quốc.

6. Khuyến nghị

Qua kết quả thử nghiệm xử lý ô nhiễm nước hồ 1,4 ha Công viên Mai Dịch, Hà Nội bằng Hệ thống tuần hoàn nước model HJ-1000 và các đúc kết rút ra từ cuộc thử nghiệm được trình bày trên đã chứng minh được tính tiên tiến của công nghệ.

6.1. Hiệu quả xử lý ô nhiễm sinh học của HJ-1000:

3. HJ-1000 luôn duy trì nồng độ DO (Oxy hòa tan) trong nước hồ > 8 mg/lít;
4. Hoạt động của HJ-1000 không phát sinh ô nhiễm thứ cấp trong nước hồ;
5.  Hoạt động của HJ-1000 không làm xáo trộn, thay đổi môi trường sống của các loài thủy sinh trong hồ;
6. HJ-1000 tạo điểm nhấn cảnh quan trên hồ;
7. HJ-1000 có chi phí đầu tư và vận hành thấp;
8. HJ-1000 hoạt động ổn định, tuổi thọ cao, thích ứng với nhiều loại hồ khác nhau;
9. HJ-1000 có thể được sản xuất và chế tạo tại Việt Nam sau khi được chuyển giao công nghệ từ Hàn Quốc hoặc hợp tác với Công ty Hàn Quốc nội địa hóa một phần các chi tiết trong HJ-1000 nhằm giảm giá thành sản phẩm tại Việt Nam.

Hệ thống tuần hoàn nước Model HJ-1000 do Hàn Quốc thiết kế và chế tạo là công nghệ mới, có độ tin cậy cao, cần được phát triển và ứng dụng rộng rãi vào việc xử lý ô nhiễm hữu cơ cho các hồ cảnh quan, hồ điều hòa, hồ dự trữ nguồn nước, hồ nuôi trồng thủy hải sản ở mỗi địa phương trong Việt Nam.

Các đô thị ở các tỉnh, thành phố ở Việt Nam đều có nhiều hồ (quy mô lớn nhỏ khác nhau), với mật độ dân số cao, hoạt động dân sinh tác động rõ rệt đến môi trường nước các hồ, chất lượng nước hồ đang xấu đi từng ngày. Để đảm bảo duy trì chất lượng nước hồ, ngoài các hoạt động tuyên truyền vận động người dân sinh hoạt quanh hồ có ý thực bảo vệ môi trường hồ, không gieo rắc các nguồn gây ô nhiễm cho hồ... thì việc sử dụng công nghệ cao để xử lý ô nhiễm và duy trì chất lượng cho nước hồ là việc các địa phương cần quan tâm.

6.2. Một số hình ảnh liên quan HJ-1000 trên hồ 1,4 ha Công viên Mai Dịch

Hình 3. Ảnh sóng nước tạo ra xung quanh HJ-1000

HJ-1000 thực hiện tuần hoàn nước trong lòng hồ và tạo sóng nước lan tỏa khắp mặt hồ xung quanh điểm đặt HJ-1000, giúp cho việc thẩm thấu Oxy tự nhiên vào nước hồ một cách hiệu quả nhất. Oxy hòa tan (DO) trong nước tăng lên, giúp cho việc xử lý các chất ô nhiểm, ngăn chặn việc phát triển các loại tảo độc hại và tạo môi trường sống tốt cho các loại thủy sinh trong hồ.

Hình 4. Ảnh HJ-1000 tạo cảnh quan cho mặt hồ 1,4 ha Công viên Mai Dịch

Theo Kỹ sư Đỗ Tất Việt/ Tạp chí Môi trường Việt Nam