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

Theo dõi MTĐT trên

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.

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.

a. 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)

b. 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)

c. 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)= Cs (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

a. 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) Ex phụ thuộc vào bán kính thuỷ lực R (m) và vận tốc động học dòng chảy V* (m/s). Giá trị Ex (m2/s) thông thường xác định bằng các công thức thực nghiệm dưới dạng:

Ex= 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 Qs (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 Ex 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, m0,5/s.

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

Ex=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 Ex [2] :

(9)

b. 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 Qs (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/xthẳng) với xthẳng 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)

c. 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: Cbs- 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, Cbs 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].

d. 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)

5. Các ví dụ tính toán

a. 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: Qs=25 m3/s, v=0,25 m/s, H=3 m, Cs=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: Qs = 25 m3/s, v = 0,25 m/s, H = 3 m, B = 33,3 m, Cs = 10 mg/l, Cbs = 1,2 mg/l nhiệt độ trung bình của nước sông Ts = 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 Ex = 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 Ts = 250C sẽ là:

KT = K20xθT-20 = 0,23x1,04725-20 = 0,289 ngày-1 hay bằng 0,00000334s-1

Các hệ số khuếch tán rối Extính theo biểu thức (8) và hệ số phân hủy chất hữu cơ KT (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 Cbs 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.

c. 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: Qs=25 m3/s, v=0,25 m/s, H=3 m, B=33,3 m, Cs=10 mg/l

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

- Nước thải: Q0 = 0,115 m3/s, nồng độ BOD dao động theo hàm C0,t = 200(1-e-0,5t) mg/l.

Trong trường hợp này, hệ số khuếch tán rối của dòng chảy trong sông cũng là Ex=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 Ts=250C thì KT= 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 Cs). 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)

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.

Determination of pollution contents in river or channel after receiving waste water

Trần Đức Hạ

Hanoi University of Civil Engineering,

Institute of Water supply, Sewerage and Environment

Abstract: The article discusses methods of calculating and assessing water quality in rivers and in canals when receiving concentrated wastewater from urban areas, residential areas and industrial zones, which have been presented in textbooks and technical standards. This method can calculate for the cases of treated wastewater (case 1 and case 2) and untreated (case 3) to determine the concentration of pollutants in the downstream stream according to the decomposition time and accumulation of pollutants in the water. The calculation method is simple and easy to program with clear diagrams. The data determined on this basis can be applied in controlling wastewater pollution in urban areas, residential areas or industrial zones for river channels flowing through these areas.

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