Dự báo chất lượng nước sông Tô Lịch sau khi tiếp nhận nước thải của Nhà máy XLNT tập trung

Tóm tắt: Sông Tô Lịch là sông thoát nước nội đô với nguồn bổ cập là nước mưa và nước thải lưu vực S2 và S3 thành phố Hà Nội. Dùng mô hình tự làm sạch nước của dòng chảy sông theo chỉ tiêu BOD có thể dự báo được chất lượng nước sông sau khi tiếp nhận nước thải từ các nhà máy xử lý nước thải tập trung. Các đại lượng của mô hình là hệ số chuyển hóa chất ô nhiễm hữu cơ theo BOD K1 và hàm lượng BOD bổ sung trên đoạn sông Lb được xác định bằng phương pháp thực nghiệm trên sông. Mô hình đảm bảo sự tương hợp cho sông Tô Lịch nên được sử dụng để dự báo chất lượng nước trên từng đoạn sông sau khi tiếp nhận nước sạch bổ cập từ sông Nhuệ, nước thải sau xử lý đạt mức A của các nhà máy XLNT Hồ Tây, Phú Đô và Yên Xá. Kết quả tính toán cho thấy nước sông có thể đạt mức A2 – B1 của QCVN 08-MT:2015/BTNMT, đảm bảo được yêu cầu làm nguồn nước cảnh quan khu vực.
 

1. Giới thiệu chung

Sông Tô Lịch  là sông chính trong hệ thống các sông thoát nước khu vực trung tâm thành phố Hà Nội, chiều dài 14,6 km, tiếp nhận nước mưa và nước thải của lưu vực diện tích 77,5km2 với lưu lượng  khoảng 30m3/s để vận chuyển và tiêu thoát ra sông Nhuệ và sông Hồng [1]. Sông còn là khung sinh thái của trung tâm thành phố với diện tích mặt nước và cây xanh lớn, là nơi vui chơi giải trí và tạo cảnh quan môi trường.

Sông Tô Lịch đã được cải tạo, nạo vét và kè bờ trong giai đoạn 1 từ  năm 2001 đến năm 2005của dự án Thoát nước Hà Nội. Nguồn bổ cập  nước chính cho sông vẫn là nước thải về mùa khô và nước mưa về mùa mưa. Hiện toàn tuyến tiếp nhận khoảng 150.000m3 nước thải mỗi ngày từ 200 cửa xả lớn nhỏ, chưa kể lượng nước thải sông Lừ và sông Kim Ngưu đổ vào. Do dòng chảy nhỏ và tiếp nhận tải lượng các chất ô nhiễm hữu cơ, dinh dưỡng, kim loại nặng,… nên chất lượng nước sông giảm sút. Các nghiên cứu của Trung tâm Quan trắc môi trường Sở Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, Viện Khoa học và Kỹ thuật môi trường, Công ty TNHH Thoát nước Hà Nội,… cho thấy: với tải lượng hữu cơ xả vào sông từ 8,2 đến 15 kg BOD/ha.ngày, toàn bộ dòng chảy sông từ cống Bưởi đến cống Thanh Liệt trong trạng thái ô nhiễm nặng polysaprobe và α-mezosaprobe, oxy hòa tan hầu như không có, nước sông màu đen và bốc mùi nặng về mùa khô [3].

Quy hoạch thoát nước Hà Nội đã được Thủ tướng  phê duyệt theo Số: 725/QĐ-TTgngày 10 tháng 05 năm 2013, chỉ rõ:  nước thải khu vực phía Tây thành phố Hà Nội cũ với phía Bắc giáp với quận Tây Hồ, phía Nam giáp với đường 70, phía Tây giáp với sông Nhuệ, phía Đông giáp với trục đường Lê Duẩn - Giải Phóng, thuộc sông Tô Lịch sẽ được thu gom về  nhà máy XLNT Yên Xá công suất 270.000 m3/ngày (lưu vực S2  diện tích 4.936 ha) và nhà máy XLNT Phú Đô công suất 84.000 m3/ngày (lưu vực S3 diện tích 2.485 ha).  Ngoài ra, liên quan đến lưu vực sông Tô Lịch, còn có nhà máy XLNT Hồ Tây, công suất giai đoạn 1 là 15000 m3/ngày,  đi vào vận hành năm 2014  thu gom và xử lý một phần diện tích quận Tây Hồ là 180 ha. Giai đoạn 2 đến năm 2030 công suất của nhà máy sẽ đạt tới 30000 m3/ngày với mức độ xử lý loại A theo QCVN 40:2011/BTNMT [1].

Cũng theo Quy hoạch thoát nước Hà Nội, trong tương lai, để bổ cập và làm sạch nước sông Tô Lịch vào mùa khô, một trạm bơm nước từ sông Nhuệ (với nguồn nước trực tiếp từ sông Hồng) công suất 5 m3/s sẽ được xây dựng. Nước sông Nhuệ sẽ đấu nối vào sông Tô Lịch tại điểm đường Bưởi [1].

Vì vậy mục đích của bài báo này là ứng dụng mô hình chất lượng nước sông trên cơ sở quá trình tự làm sạch theo chỉ tiêu BOD để dự báo chất lượng nước sông Tô Lịch theo các phương án thu gom, xử lý nước thải và bổ cập nước sạch cho sông như Quy hoạch thoát nước Hà Nội đến năm 2030 và tầm nhìn đến năm 2050 đề xuất.

2. Mô hình tính toán

Sơ đồ lan truyền và chuyển hóa chất ô nhiễm trong dòng chảy sông sau khi tiếp nhận nước thải được nêu trên Hình 1.

Hình 1. Sơ đồ lan truyền ô nhiễm trong dòng chảy sông sau khi tiếp nhận nước thải

 Hàm lượng BOD5 lớn nhất trong dòng hỗn hợp nước sông và nước thải Lt  theo thời gian dòng chảy t là [4, 5]:

(1)

trong đó:  K1,s và K1,hh là các hệ số chuyển hóa chất ô nhiễm hữu cơ theo BOD  trong  nước sông thoát nước và trong dòng hỗn hợp nước sông và nước thải, ngày-1.

n - số lần pha loãng; Lb là lượng chất hữu cơ tính theo nồng độ BOD bổ sung vào dòng chảy.

 Trong trường hợp nhiều điểm xả nước thải trên sông:    

   (2)

trong đó: Ls,i là hàm lượng BOD trong nước sông trước điểm xả nước thải thứ i được lấy bằng hàm lượng BOD trong dòng hỗn hợp nước sông và nước thải Lnt,i-1, ngay trước điểm xả đó.

Hệ số K1 là hằng số tốc độ phản ứng bậc 1 oxy hóa sinh hóa (phản ứng bậc 1)  các chất hữu cơ trong  hỗn hợp nước thải và nước sông Tô Lịch, đặc trưng cho khả năng tự làm sạch các chất hữu cơ dễ oxy hóa sinh hóa (BOD) trong nước sông theo các yếu tố nhiệt độ, vận tốc dòng chảy và các yếu tố môi trường khác nên là đại lượng thực nghiệm nêu trong biểu thức (2). Tuy nhiên trong trường hợp nghiên cứu coi nước thải xả vào các đoạn sông được xáo trộn hoàn toàn ngay nên biểu thức (2) có thể biểu diễn như sau:

(3)

trong đó: Li,t– BOD5 của hỗn hợp nước thải và nước sông cuối đoạn (i-1) – (i), mg/L;

              Ls,i - BOD5 của hỗn hợp nước thải và nước sông đầu đoạn (i-1) – (i), mg/L;

             Lb,i- BOD5 bổ sung do các miệng xả phân tán (các ống thoát nước ven sông D≤200 mm) vào sông, mg/L.

3. Xác định đại lượng thực nghiệm của mô hình tính toán

Để xác định các đại lượng K1 và Lb tham gia vào mô hình tính toán (1), (2) và (3)  cho sông Tô Lịch, trên đoạn sông dài 12 km từ đường Hoàng Quốc Việt đến đập Thanh Liệt được bố trí 10 điểm lấy mẫu tại các vị trí có cống xả lớn nước thải vào sông (Hình 2). 

Hình 2. Sơ đồ vị trí lấy mẫu nước trên sông Tô Lịch

Tại các điểm này, mẫu nước phân tích BOD được lấy  để phía trước (cách 10 m) và phía dưới (cách 15 m) cống xả nước thải. Phương pháp lấy mẫu theo TCVN 5999:1995 (ISO 5667-10: 1992), Chất lượng nước - Lấy mẫu. Hướng dẫn lấy mẫu nước thải và phân tích theo TCVN 6001-1:2008 (ISO 5815-1:2003), Chất lượng nước – Xác định nhu cầu oxy sinh hóa sau n ngày (BODn).  Lưu lượng nước sông được đo theo phương pháp lưu tốc dòng chảy. Do mùa khô là mùa mà  nồng độ các chất ô nhiễm trong sông ở mức cao và  dòng chảy nhỏ nên mẫu  nước thải được lấy từ  ngày 15/10/2015 đến 25/10/2015. Các số liệu về vị trí lấy mẫu  tại các điểm xả nước thải chính trên sông Tô Lịch nêu trong Bảng 1.

Bảng 1. Số liệu  các đoạn  tính toán trên sông Tô Lịch

 

Ký hiệu

Vị trí

Khoảng cách, m

Lưu lượng, m3/s

Vận tốc v, m/s

TL2

Đường Đội Cấn

940

0,56

0,07

TL3

Cầu Giấy

980

0,79

0,08

TL4

Cầu Trần Duy Hưng

2040

1,072

0,09

TL5

Cầu Lê Văn Lương

820

1,23

0,10

TL6

Cống Yên Lãng

420

1,338

0,10

TL7

Cầu Mới

860

1,731

0,12

TL8

Ngõ 64 Kim Giang

2210

2,14

0,125

TL9

Cầu Dậu

1950

2,94

0,14

TL10

Cầu Nhà máy Sơn

1780

3,5

0,145

Từ các kết quả phân tích mẫu nước sông, bằng phần mềm Excel,  thiết lập được mối quan hệ giữa nồng độ BOD5 của điểm đầu và điểm cuối các đoạn sông (Hình 3). Đây là cơ sở để thiết lập được mô hình tính toán chất lượng nước sông Tô Lịch theo thông số BOD.

Hình 3. Biểu đồ quá trình tự làm sạch theo chỉ tiêu BOD5 trên các đoạn sông Tô Lịch.

Từ kết quả này thấy rằng giữa Lt và Ls trêntừng đoạn sông có quan hệ là:

 Lt = 0,8236Ls + 1,4355  với R² = 0.9371                                          (4)

Thay vào biểu thức (20) ta có được:

 10-K1t=0,823 và Lb = 1,4355 mg/L                                                  (5)

Như vậy trên từng đoạn sông Tô Lịch, với khoảng cách từ hai cống xả chính chiều dài từ 400 đến 2200 m, lượng chất ô nhiễm bổ sung (chất hữu cơ trong nước thải và chất thải sinh hoạt) từ các cống xả  nhỏ phân tán (điểm xả không kiểm soát được) làm cho hàm lượng BOD5 trong nước sông tăng thêm trung bình là 1,4355 mg/L.

 Do chiều dài các đoạn sông khác nhau nên thời gian dòng chảy khác nhau. Tại các điểm nghiên cứu theo thời điểm khác nhau trong mùa khô năm 2015, thời gian dòng chảy giữa các điểm lấy mẫu nghiên cứu dao động từ 0,049 đến 0,264 ngày  với vận tốc dòng chảy từ 0,07 đến 0,145 m/s (Bảng 1). Trên các đoạn sông này các hệ số K1 thực nghiệm có khác nhau. Tuy nhiên từ biểu thức (5) 10-K1t=0,823 có thể xác định được  hệ số K1  cho từng đoạn sông. Và từ đó xây dựng được mối quan hệ giữa  với thới gian dòng chảy trên đoạn sông Tô Lịch tnhư Hình 4.

Hình 4. Quan hệ giữa hệ số K1 và thời gian dòng chảy t trên các đoạn sông Tô Lịch về mùa khô.

Từ các quan hệ giữa hệ số K1 và thời gian dòng chảy trên các đoạn sông Tô Lịch về mùa khô tiến hành xử lý số liệu bằng phần mềm Excel  thấy được mối quan hệ này theo biểu thức:

K1 = 18,657e-7.511t,    ngày-1   với    R² = 0,9305                                           (6)

Hệ số K1 xác định được có giá trị tương đối cao, chứng tỏ khả năng tự làm sạch của dòng chảy sông theo chỉ tiêu BOD tương đối lớn.Theo nghiên cứu của Trần Đức Hạ, 1991, trước đây, K1 trong các sông thoát nước Hà Nội phụ thuộc vào hàm lượng BOD5 đầu đoạn sông (Ls) theo biểu thức[2]:

K1=0,0142+0,14lg Ls                                                                                                         (7)

Tuy nhiên theo thời gian, với sự phát triển đô thị,  HTTN Hà Nội đã thay đổi rất nhiều, nồng độ ô nhiễm trong nước sông thoát nước tăng lên rõ rệt nên biểu thức thực nghiệm (7) không phù hợp với sông Tô Lịch.

Để kiểm chuẩn tính tương hợp của mô hình, tiến hành thu thập số liệu quan trắc của Trung tâm quan trắc tài nguyên và môi trường Hà Nội và Công ty TNHH MTV Thoát nước Hà Nội cũng như cập nhật các số liệu thực đo trong thời gian tháng 12 năm 2015 trên sông Tô Lịch.  Kết quả tính toán mô hình  thực nghiệm quá trình tự làm sạch nước sông Tô Lịch theo BOD với số liệu thực đo (Lđo) được thể hiện trên Hình 5.

Hình 6. Kết quả tính toán theo mô hình (Ltt) và số liệu thực đo (Lđo) để kiểm chuẩn mô hình.

 Do điều kiện thí nghiệm hạn chế nên các số liệu để kiểm chuẩn chủ yếu thu thập từ nguồn dữ liệu hiện có của các đơn vị thực hiện nhiệm vụ quan trắc chất lượng nước sông thoát nước Hà Nội và cập nhật kết quả phân tích trong thời gian tháng 10 đến tháng 12 năm 2015 của đơn vị tư vấn thiết kế hệ thống XLNT Yên Xá Hà Nội. Tuy nhiên cũng thấy rằng độ lệch của số liệu thực đo (Lđo)và kết quả tính toán (Ltt) theo mô hình với dữ liệu thủy văn sông Tô Lịch mùa khô 2015 là không lớn. Trên các đoạn sông thượng lưu và hạ lưu, nơi có số lượng các điểm xả  nhỏ phân tán không nhiều các kết quả tính toán và thực đo gần khớp với nhau. Ở vùng giữa, từ vị trí Láng Trung đến Kim Giang, nơi có nhiều quán ăn, cửa hàng, khách sạn ven sông các số liệu BOD thực đo cao hơn số liệu tính toán. Xét trên toàn bộ chiều dài 12 km của sông Tô Lịch, mô hình tính toán quá trình tự làm sạch theo BOD thiết lập được là tương hợp với kết quả thực đo. Mô hình có thể ứng dụng để tính toán chất lượng nước sông Tô Lịch.

4. Tính toán dự báo chất lượng nước sông Tô Lịch

Theo Quy hoạch thoát nước Hà Nội đã được phê duyệt,  nước thải các lưu vực S2 và S3 thuộc sông Tô Lịch sẽ được thu gom về  nhà máy XLNT Yên Xá (công suất 234.000 m3/ngày) và nhà máy XLNT Phú Đô (công suất 84.000 m3/ngày). Nước thải sau khi xử lý sẽ được xem xét xả vào sông Tô Lịch để bổ cập nước cho sông. Ngoài ra, liên quan đến lưu vực sông Tô Lịch, còn có nhà máy XLNT Hồ Tây, công suất giai đoạn 1 là 15000 m3/ngày,  đi vào vận hành năm 2014  thu gom và xử lý một phần diện tích quận Tây Hồ là 180 ha. Giai đoạn 2 đến năm 2030 công suất của nhà máy sẽ đạt tới 30000 m3/ngày với mức độ xử lý loại A theo QCVN 40:2011/BTNMT.  Mặt khác, cũng theo Quy hoạch thoát nước Hà Nội, một trạm bơm nước sông công suất Q=5 m3/s sẽ bơm nước sông Hồng (lấy từ cống Liên Mạc trên sông Nhuệ  theo dự án tiếp nước cho sông Tô Lịch) về pha loãng và làm sạch sông Tô Lịch [1].

Như vậy, trên sông Tô Lịch sẽ có các nguồn bổ cập nước sau đây:

-  Nguồn 1: Nước sông  Hồng tiếp cho sông Tô Lịch tại vị trí đường Hoàng Quốc Việt, lưu lượng 5 m3/s:

-  Nguồn 2: Nước thải sau xử lý  nhà máy XLNT Hồ Tây công suất Q=30.000 m3/ngày, xả vào sông Tô Lịch tại vị trí đường Hoàng Quốc Việt;

-  Nguồn 3: Nước thải sau xử lý  nhà máy XLNT Phú Đô dự kiến xả khoảng 40.000 m3/ngày (trên tổng số 84.000 m3/ngày) vào sông Tô Lịch tại vị trí Cầu Giấy;

-  Nguồn 3: Nước thải sau xử lý  nhà máy XLNT Yên Xá  lưu lượng trung bình về mùa khô 232.000 m3/ngày xả vào sông Tô Lịch tại vị Kim Giang.

Các số liệu đầu vào để tính toán dự báo chất lượng  nước sông Tô Lịch được nêu trong Bảng 2.

Bảng 2. Các dữ liệu để tính toán dự báo chất lượng nước sông Tô Lịch theo thông số BOD

 

TT

Đoạn sông

Chiều dài, m

Lưu lượng, m3/s

BOD5, mg/L

Kích thước tiết diện đoạn sông

Qs

Qx

Ls

Lx

B1

B2

H

1

Hoàng Quốc Việt - Cầu Giấy

1920

5

0.347

10

30

6

17.8

2.5

2

Cầu Giấy - Hoàng Đạo Thành

4140

0.463

 

30

6.5

18

2.5

3

Hoàng Đạo Thành -Cống Thanh Liệt

5920

2.7

 

20

7

25.6

2.6

Ghi chú: Qs- lưu lượng nước sông Hồng bơm vào sông Tô Lịch; Qx- lưu lượng nước thải đã xử lý xả vào sông Tô Lịch; Ls- BOD của nước sông Hồng; Lx- BOD của nước thải sau xử lý; B1- chiều dài đáy sông,m; B2- bề rộng sông, m; H- mực nước trong sông, m.

Sử dụng các biểu thức (3), (4) và (5) để tính toán, xác định được nồng độ BOD5 trong nước sông Tô Lịch đoạn từ đường Hoàng Quốc Việt đến Nhà máy Sơn dài 12 km. Kết quả tính toán thể hiện trên Hình 7.

Hình 7. Kết quả tính toán dự báo chất lượng nước sông Tô Lịch theo chỉ tiêu BOD

Theo kết quả tính toán trên Hình 7, với giải pháp bổ cập nước sạch từ sông Hồng và nước thải sau xử lý đạt mức A theo QCVN 40:2011/BTNMT – Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp của các nhà máy XLNT Hồ Tây, Phú Đô và Yên Xá, trên hầu hết  đoạn sông Tô Lịch chất lượng nước sông sẽ nằm ở mức A2 (nhỏ hơn 6 mg/L) của QCVN 08:2008/BTNMT – Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước mặt. Một số đoạn sông khi  mới tiếp nhận nước thải như tại hạ lưu đường Hoàng Quốc Việt (trên 1000 m) hoặc hạ lưu đường Hoàng Đạo Thành (chiều dài 1,5 km), BOD trong nước sông vượt trên 6 mg/L, và nằm ở mức B1 theo QCVN 08-MT:2015/BTNMT.  Sông Tô Lịch được bổ cập nước sạch,  chiều sâu lớp nước khoảng 2,5 m, chất lượng mức B1-A2, phù hợp với sông cảnh quan đô thị.

5.  Kết luận

Mô hình tính toán tự làm sạch nước  theo chỉ tiêu BOD (1), (2) và (3)  có thể dự báo được chất lượng  nước dòng chảy sông. Sau khi hiệu chỉnh và kiểm chuẩn, mô hình có thể ứng dụng để đánh giá và dự báo chất lượng nước sông khi tiếp nhận nước thải tập trung của đô thị cũng như làm cơ sở đề xuất các giải pháp cải thiện môi trường nước sông. Bằng phương pháp thực nghiệm, xây dựng được các phương trình tương quan chất lượng nước sông Tô Lịch theo chỉ tiêu BOD. Hệ số tự làm sạch theo chỉ tiêu BOD đối với sông Tô Lịch là K1 = 18,657e-7.511t, trongđó t là thời gian dòng chảy, ngày. Lượng chất bẩn theo BOD bổ sung trên  từng đoạn sông tính toán là 1,45 mg/L. Mô hình tính toán với các giá trị thực nghiệm  K1 và Lb tương hợp cho sông Tô Lịch nên có thể sử dụng để  tính toán và dự báo tình trạng chất lượng nước sông Tô Lịch.

Kết quả tính toán trên mô hình tự làm sạch với các hệ số thực nghiệm xây dựng được cho thấy với nguồn bổ cập nước sông Hồng theo Dự án “Tiếp nước cho sông Tô Lịch” và nước thải sau xử lý đạt mức A của các nhà máy XLNT trên lưu vực, chất lượng nước sông  Tô Lịch  đạt được mức A2 – B1 của QCVN 08-MT:2015/BTNMT, phù hợp với nguồn nước mặt cảnh quan đô thị.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1.UBND thành phố Hà Nội . Quy hoạch thoát nước Thủ đô Hà Nội đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050, Hà Nội, 2013.

2.Trần Đức Hạ, Mô hình hóa quá trình tự làm sạch chuỗi hồ trong điều kiện Việt Nam, Luận án tiến sĩ, Trường Đại học Xây dựng Leningrad, 1991.

3. Trần Đức Hạ, Nguyễn Bá Liêm. Xử lý tại chỗ nguồn nước thải không thu gom được vào hệ thống thoát nước tập trung trên lưu vực sông Tô Lịch. Tạp chí “Môi trường” , số 5/2015.

4. Trần Đức Hạ. Xây dựng mô hình tính toán chất lượng nước sông mương thoát nước đô thị. Tạp chí Khoa học công nghệ Xây dựng (ĐHXD), số Số 25 (9-2015).

5.Rodzinler I.D (1985), Dự báo chất lượng nguồn nước sau khi tiếp nhận nước thải, NXB Xây dựng Leningrad, 1985 (bản tiếng Nga).

Bài viết cùng chuyên mục

Tạp chí CTN online
Báo Môi trường và đô thị
Quảng cáo trang con [vị trí 02]