Nghiên cứu sự hình thành và phát tán Hydrosunfua từ sông Tô Lịch

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


Nguyễn Hữu Huấn



NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH
VÀ PHÁT TÁN HYĐROSUNFUA TỪ SÔNG TÔ LỊ CH




LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:







Hà Nội - 2015

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

Nguyễn Hữu Huấn



NGHIÊN CỨU SỰ HÌNH THÀNH
VÀ PHÁT TÁN HYĐROSUNFUA TỪ SÔNG TÔ LỊ CH

Chuyên ngành: Môi trường đất và nước
Mã số: 62 85 02 05

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TSKH. Nguyễn Xuân Hải
2. PGS. TS. Trần Yêm





Hà Nội - 2015
!
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng
dẫn của tập thể cán bộ hướng dẫn. Các kết quả nghiên cứu trong luận án là hoàn
toàn trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào
khác. Các trích dẫn sử dụng trong luận án đã ghi rõ tên tài liệ u tham khảo và tác giả

của tài liệu đó.

Tác giả luận án



Nguyễn Hữu Huấn

!
LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận án này, tác giả đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của
PGS.TSKH. Nguyễn Xuân Hải, và PGS.TS. Trần Yêm, những người Thầy đã trực
tiếp hướ ng dẫn và chỉ dẫn những định hướng nghiên cứu, kiến thức chuyên môn, và
hơn hết là truyền cho tác giả lòng đam mê khoa học và tinh thần tự giác trong học
tập nghiên cứu. Tác giả xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc về sự giúp đỡ
quý báu này với các Thầy, những ngườ i đã hết lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt
nhất để tác giả học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận án này.
Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn tới các Thầy, Cô và tập thể cán bộ trong
Khoa Môi trường, Phòng Sau Đại học, Trường ĐHKHTN, ĐHQG Hà Nội đã đóng
góp những ý kiến chân thành, bổ ích giúp tác giả nghiên cứu và hoàn thành luận án.
Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến tập thể cán bộ Phòng thí nghiệm
Nông nghiệp số 18, Viện Nước, Tưới tiêu và Môi Trường, và Trung tâm Nghiên
cứu Quan trắc và Mô hình hóa Môi trường, Trường ĐHKHTN, ĐHQG Hà Nội đã
giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả có thể hoàn thiện luận án này.
Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới lãnh đạo các cơ quan nơi tác giả công
tác, đồng nghiệp tại Công ty Cổ phần tư vấn xây dựng điện 1, và Viện Nước, Tưới
tiêu & Môi trường đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt thời gian
học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận án này.
Cuối cùng, tác giả xin gửi lờ i cảm ơn tới những người thân yêu trong gia

đình, đã luôn ở bên cạnh và động viên tác giả cả về vật chất và tinh thần để tác giả
vững tâm hoàn thành luận án của mình.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc về tất cả sự giúp đỡ quý báu này!
Tác giả luận án


Nguyễn Hữu Huấn
1

MỤC LỤC
LỜICAMĐOAN
LỜICÁMƠN
MỤC LỤC 1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 5
DANH MỤC CÁC BẢNG 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ,ĐỒ THỊ 8
MỞ ĐẦU 12
1. Sự cần thiết nghiên cứu của luận án 12
2.Ýnghĩakhoahọc và thực tiễn của luận án 14
3. Mục tiêu nghiên cứu 15
4. Nhữngđónggópmới của luận án 15
Chương1:TỔNG QUAN TÀI LIỆU 17
1.1. Chu trình sunfua 17
1.1.1. Nguồn phát sinh sunfua 17
1.1.2. Các dạngsunfuatrongmôitrườngnước 19
1.2. Tính chất lý, hóa học của H
2
S 20
1.2.1. Tính chất lý, hóa học của H
2

S, SO
2
và VOSC 20
1.2.2. Quá trình ô xy hóa sunfua 22
1.2.3. Quá trình kết tủa sunfua 24
1.3.Tácđộngmôitrường của khí H
2
S 26
1.3.1.Độc tính của khí H
2
S 26
1.3.2.Quátrìnhănmòncónguồn gốc sinh học trong HTTN 28
1.3.3.Ănmònkimloại và vật liệu sơntrongkhôngkhícóH
2
S 33
1.4. Quá trình hình thành sunfua và các yếu tố ảnhhưởngđến quá trình
này trong HTTN thải 34
1.4.1. Quá trình hình thành sunfua trong HTTN thải 34
1.4.2. Các yếu tố ảnhhưởngđến sự hình thành sunfua trong HTTN thải 38
1.4.2.1. Thế ô xy hóa khử 38
2

1.4.2.2. Nhiệtđộ 40
1.4.2.3. Chất hữucơ 41
1.4.2.4. pH 41
1.4.2.5.Hàmlượng sunfat 42
1.4.3. Mô hình dự báo sự hình thành sunfua trong HTTN thải 42
1.5. Quá trình phát tán H
2
S trong HTTN thải 46

1.5.1. Tiếp cận lý thuyết 46
1.5.2. Mô hình tiếp cận dựa trên lý thuyết màng kép 46
1.5.3. Phát thải H
2
S từ đất ngậpnước 49
1.6. Các biện pháp xử lý ô nhiễm H
2
S trong HTTN thải 50
1.6.1. Quá trình chuyểnhóalưuhuỳnhtrongnước thải 50
1.6.2. Các biện pháp xử lý 51
Chương2:ĐỐITƯỢNG, NỘIDUNGVÀPHƯƠNGPHÁPNGHIÊN
CỨU 54
2.1.Đốitượng nghiên cứu 54
2.1.1. Hệ thốngthoátnước thải trung tâm TPHN 54
2.1.2.Cáchướngthoátnướcchínhlưuvực sông Tô Lịch 56
2.1.3.Kênhthoátnước cấp I 56
2.1.4. Phạm vi nghiên cứu 59
2.2.Phươngphápnghiêncứu 60
2.2.1.Phươngphápthực hiện 60
2.2.2.Phươngpháplấy mẫu và bảo quản mẫu 61
2.2.3.Phươngphápphântíchcácmẫunước, trầm tích và không khí 66
2.2.4.Phươngphápphântíchdự báo phát thải H
2
S 67
2.2.5.Phươngphápđánhgiáchỉ số ô nhiễmmôitrườngnước mặt 68
2.2.6.Phươngpháptínhhệ số trầm tích 69
2.2.7. Mô hình METI-LIS 69
2.2.7.1.Môhìnhcơsở Gauss 69
2.2.7.2. Mô hình METI-LIS và hiệu chỉnh mô hình 70
3

2.2.8. Thờigianvàđiều kiệnkhítượng thờiđiểm lấy mẫu 72
Chương3:KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 74
3.1. Hiện trạng HTTN thải TPHN 74
3.2. Chấtlượng trầmtíchvànước sông Tô Lịch 77
3.2.1. Chấtlượng trầm tích trên sông Tô Lịch 77
3.2.2. Chấtlượngnước trên sông Tô Lịch 79
3.3. Biếnđộng một số tính chất hóa-lý trong trầmtíchvànước sông Tô
Lịch 86
3.3.1.Động thái Eh trong trầmtíchvànước sông Tô Lịch 86
3.3.2.Động thái pH trong trầm tích vànước sông Tô Lịch 92
3.3.3.Động thái sunfua và H
2
Strongnước sông Tô Lịch 95
3.4. Một số yếu tố ảnhhưởngđến sự hìnhthànhsunfuatrongnước sông
Tô Lịch 97
3.4.1. Quan hệ giữahàmlượng sunfua và Eh 97
3.4.2. Quan hệ giữa Lg[S]/[SO
4
] và Eh 99
3.4.3. Quan hệ giữahàmlượng sunfua và sunfat 101
3.4.4. Quan hệ giữahàmlượng sunfua và pH 104
3.4.5. Quan hệ giữahàmlượng sunfua và ion kim loại 105
3.4.6. Quan hệ giữahàmlượng sunfua và COD, BOD
5
106
3.4.7. Quan hệ giữahàmlượng sunfua và nhiệtđộ 107
3.4.8. Quan hệ giữahàmlượng sunfua và DO 109
3.5. Mô hình dự báo khả nănghìnhthànhsunfuatrênsôngTôLịch 112
3.6. Phát thải H

2
S trên sông Tô Lịch 115
3.6.1. Kiểmđịnh mô hình phát thải H
2
S 115
3.6.2. Thời gian tồnlưucủa H
2
Strongmôitrườngnước và không khí 118
3.7. Kiểmđịnh mô hình lan truyền khí H
2
S 119
3.7.1. Kết quả quan trắchàmlượng H
2
S trong không khí 119
3.7.2. Tỷ lệ phát thải H
2
S từ nước sông Tô Lịch 119
3.7.3. Kiểmđịnh mô hình METI-LIS 120
4

3.7.4. Áp dụng mô hình METI-LIS cho sông Tô Lịch 123
3.8.Cơ sở khoa học và giải pháp kỹ thuật giảm thiểu ô nhiễm H
2
S từ
nước sông Tô Lịch 125
3.8.1.Cơsở khoa học 125
3.8.2.Đề xuất giải pháp kỹ thuật giảm thiểu ô nhiễm H
2
S từ sông Tô
Lịch 126

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 128
Kết luận 128
Kiến nghị 129
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN
QUANĐẾN LUẬN ÁN 130
TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT 131
TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG ANH 133
PHỤ LỤC 150



5

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
TT
Từ viết tắt
Ýnghĩa
1
BOD
Nhu cầu ô xy sinh hóa
2
CHC
Chất hữucơ
3
COD
Nhu cầu ô xy hóa học
4
DO
Ô xy hòa tan
5

Eh
Thế ô xy hóa khử
6
HTTN
Hệ thốngthoátnước
7
KLN
Kim loại nặng
8
KPT
Không phân tích
9
KTT
Khu tiêu thoát
10
MIC
Ănmònbêtôngcónguồn gốc sinh học
11
MPB
Vi sinh vật sinh khí mê tan
12
NTBV
Nước thải bệnh viện
13
NTCN
Nước thải công nghiệp
14
NTDV
Nước thải kinh doanh dịch vụ
15

NTSH
Nước thải sinh hoạt
16
NTSX
Nước thải sản xuất (tính bằng NTCN + NTDV)
17
SBOD
Nhu cầu ô xy sinh hóa của trầm tích
18
SCOD
Nhu cầu ô xy hóa học của trầm tích
19
SOB
Vi sinh vật ô xy hóa sunfua
20
SOD
Nhu cầu ô xy của trầm tích
21
SRB
Vi sinh vật khử sunfat
22
TSS
Chất rắnlơlửng
23
TPHN
Thành phố Hà Nội
24
VOSC
Chất hữucơbayhơichứalưuhuỳnh
25

VSV
Vi sinh vật
26
WQI
Chỉ số chấtlượngnước
6

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng1.1.Ước tính về nguồn khí H
2
S trên thế giới 17
Bảng 1.2. Thời gian tồnlưutrongkhôngkhícủa một số loại khí (ngày) 19
Bảng 1.3. So sánh tính chất vật lý và hóa của H
2
S, SO
2
và VOSC. 21
Bảng 1.4. Mứcđộ độc tiềmnăngcủa một số chấtđộc hạiquyđổitương
đươnghợp chất para-Diclorobenzen 26
Bảng 1.5. Tốcđộ ănmònbêtôngdoMICgâyra 33
Bảng 1.6. Khoảng giá trị Eh thích hợpđể sinh khí H
2
S và CH
4
do VSV
trong HTTN thải 39
Bảng 1.7. Một số công thức dự báo sự hình thành sunfua 44
Bảng 1.8. Mức phát thải của H
2
S từ một số nguồn khác nhau 50

Bảng 2.1. Thông tin chính về các con sông khu vực trung tâm TPHN 54
Bảng 2.2. Vị trí lấy mẫunước, trầm tích và quan trắc tỷ lệ phát thải khí
H
2
S trên sông Tô Lịch 62
Bảng 2.3. Vị trí lấy mẫu khí H
2
S khu vựcĐập Thanh Liệt 62
Bảng2.4.Cácphươngphápphântíchchấtlượngnước 66
Bảng2.5.Cácphươngphápphântíchchấtlượng trầm tích, và không khí 67
Bảng 2.6. Các thông số áp dụng tính tỷ lệ phát thải khí H
2
S 68
Bảng2.7.Thôngtinchungcácđợt lấy mẫumôitrường 72
Bảng3.1.Lưulượng xả nước thải (m
3
/ngày) khu vực trung tâm TPHN 74
Bảng 3.2. Phân vùng các tiểuKTTnước dọc theo sông Tô Lịch 77
Bảng 3.3. Một số thông số chấtlượng trầm tích sông Tô Lịch 78
Bảng 3.4. Hàm lượng và thảilượng một số chất ô nhiễm xả vào sông Tô
Lịch 81
Bảng 3.5. Thảilượng một số chất ô nhiễm ở trầmtíchvànước sông Tô
Lịch 82
Bảng 3.6. Chỉ số WQI củanước sông Tô Lịchgiaiđoạn 2009 ÷ 2013 82
Bảng 3.7. Giá trị chỉ số WQI trên sông Tô Lịchgiaiđoạn2003đến 2013 85
Bảng 3.8. Giá trị Ehtrongnước và trầm tích trên sông Tô Lịch 86
7
!
Bảng 3.9. Giá trị pH nước tầng mặt sông Tô Lịch theo mùa 93!
Bảng 3.10. Động thái sunfua và H

2
S theo mùa (giai đoạn 2009 ÷ 2013) 95!
Bảng 3.11. So sánh lượng H
2
S trong giai đoạn từ 1999 ÷ 2000 đến 2009
÷ 2013 96!
Bảng 3.12. Giá trị Eh và sunfua trong nước tầng mặt trên sông Tô Lịch 98!
Bảng 3.13. So sánh hệ số tương quan (R
2
) giữa Eh và hàm lượng sunfua
với Eh và Lg[S]/[SO
4
] trong tầng nước mặt trên sông Tô Lịch 101!
Bảng 3.14. Diễn biến hàm lượng sunfua, sunfat trong nước tầng mặt trên
sông Tô Lịch 102!
Bảng 3.15. Động thái sunfua và pH trong nước sông Tô Lịch 104!
Bảng 3.16. Hàm lượng sunfua, Fe, và As trong nước tầng mặt sông Tô
Lịch 105!
Bảng 3.17. Hàm lượng sunfua và giá trị COD, BOD
5
trong nướ c tầng
mặt trên sông Tô Lịch 107!
Bảng 3.18. Hàm lượng sunfua và nhiệt độ trong nước sông Tô Lịch 109!
Bảng 3.19. Quan hệ giữa sunfua và DO 110!
Bảng 3.20. Tỷ lệ phát thải H
2
S từ nước sông Tô Lịch 116!
Bảng 3.21. So sánh mức phát thải của H
2
S trong nước sông Tô Lịch với

các nghiên cứu trước đây 116!
Bảng 3.22. Kết quả quan trắc và dự báo bằng mô hình METI-LIS 119!
Bảng 3.23. Tỷ lệ phát thải khí H
2
S (R
H2S
) từ sông Tô Lịch 120!
Bảng 3.24. Kết quả quan trắc và dự báo bằng mô hình METI-LIS 123!

8

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ,ĐỒ THỊ
Hình1.1.Sơđồ chuyển hoá sunfua trong HTTN thải 18
Hình1.2.Độ hòa tan của các dạngsunfuathayđổi theo giá trị pH trong
môitrườngnước (ở 20
0
C, NaCl 2 %) 20
Hình1.3.Sơđồ sự tồn tại và các quá trình chuyển hóa của sunfua 20
Hình1.4.Chutrìnhlưuhuỳnh trong màng sinh học của HTTN thải 22
Hình 1.5. Sự ô xy hóa sunfua theo các trạng thái ôxy hóa củalưuhuỳnh 23
Hình 1.6. Độ hòa tan của một số sunfua kim loại theo giá trị pH 25
Hình 1.7. Dải phạmviđộc tính của H
2
S 28
Hình 1.8. Quá trình MIC trong HTTN thải 30
Hình 1.9. Quan hệ tỷ lệ sunfua hình thành với chiều dầy lớp bùn 37
Hình 1.10. Sự phân tầng của ô xy (nét liền) và H
2
S(nétđứt) trong hồ
Solar 38

Hình1.11.Điều kiệnmôitrườngliênquanđến sự hình thành sunfua 40
Hình 1.12. Quan hệ giữa pH và tốcđộ hình thành sunfua 41
Hình 1.13. Mô hình lý thuyết màng kép 47
Hình 1.14. Sự chuyển hóa các dạng sunfua trong môitrườngnước ở 20
0
C 48
Hình1.15.Cácquátrìnhliênquanđến chu trình sunfua trong HTTN thải 51
Hình1.16.Cácphươngphápxử lý H
2
Strongnước thải 53
Hình2.1.CácKTTvàcácsôngthoátnước thải trung tâm TPHN 55
Hình2.2.Sơđồ phươngphápnghiêncứu 60
Hình2.3.Sơđồ vị trí lấy mẫu 61
Hình2.4.Sơđồ vị tri quan trắc khí H
2
S khu vựcĐập Thanh Liệt 63
Hình2.5.Sơđồ mô tả cân bằng vật chất trong hộp lấy mẫu kín 64
Hình2.6.Sơđồ lấy mẫuđánhgiámức phát thải khí 64
Hình 2.7. Thiết kế hộp lấy mẫuđánhgiámức phát thải H
2
S 65
Hình 2.8. Lấy mẫu quan trắc tỷ lệ phát thải H
2
S trên sông Tô Lịch 66
Hình 3.1. Tỷ lệ xả NTSH của khu vực trung tâm TPHN vào các KTT 75
9
!
Hình 3.2. Tỷ lệ các loại nước thải của khu vực trung tâm TPHN 76!
Hình 3.3. So sánh thành phần cấp hạt trầm tích sông Tô Lịch (2005 ÷
2012) 79!

Hình 3.4. Tổng lư ợ ng trầm tích lắng đọng và thải lượng các chất ô nhiễm
lắng đọng trong trầm tích sông Tô Lịch 80!
Hình 3.5. Tỷ lệ đóng góp thải lư ợ ng một số chất ô nhiễm theo nguồn thải
vào sông Tô Lịch 81!
Hình 3.6. Tỷ lệ đóng góp của các thông số hóa-lý và VSV trong chỉ số
WQI 83!
Hình 3.7. Diễn biến WQI nước sông Tô Lịch 2009 ÷ 2013 84!
Hình 3.8. Quan hệ giữa WQI và tỷ lệ tiêu thoát NTSH trên sông Tô Lịch 85!
Hình 3.9. So sánh chỉ số WQI giai đoạn 2003 đến 2013 85!
Hình 3.10. Giá trị Eh trong trầm tích, nước tầng mặt và nước tầng đáy
trên sông Tô Lịch 87!
Hình 3.11. Diễn biến Eh tầng nước mặt dọc theo sông Tô Lịch 88!
Hình 3.12. Diễn biến Eh tầng nước mặt theo tỷ lệ tiêu thoát nước mưa
trên sông Tô Lịch 89!
Hình 3.13. Diễn biến Eh tầng nước mặt theo tỷ lệ tiêu thoát NTSH trên
sông Tô Lịch 89!
Hình 3.14. Quan hệ Eh và nồng độ sunfua 91!
Hình 3.15. Giá trị pH tầng mặt nước sông Tô Lịch 93!
Hình 3.16. Giá trị pH của các tầng nước và trầm tích sông Tô Lịch 93!
Hình 3.17. Quan hệ giữa pH và tỷ lệ tiêu thoát nước mưa trên sông Tô
Lịch 94!
Hình 3.18. Quan hệ giữa pH và tỷ lệ thải NTSH trên sông Tô Lịch 94!
Hình 3.19. Quan hệ H
2
S trong nước và tỷ lệ tiêu thoát NTSH trên sông
Tô Lịch (2009÷2013) 96!
Hình 3.20. So sánh hàm lượng H
2
S (mg/L) trong nước sông Tô Lịch giai
đoạn từ 1999÷2000 đến 2009÷2013. 97!

10

Hình 3.21. Diễn biếnhàmlượngsunfuavàEhtrongnước tầng mặt trên
sông Tô Lịch 97
Hình 3.22. Quan hệ giữaEhvàhàmlượng sunfua củanước tầng mặt trên
sông Tô Lịchtrongmùamưa(a)vàmùakhô(b) 99
Hình 3.23. Quan hệ giữa Eh với Lg[S]/[SO
4
] trong tầngnước mặt trên
sông Tô Lịchtheomùamưa(a)vàmùakhô(b) 100
Hình 3.24. Quan hệ giữa Eh với Lg[S]/[SO
4
] trong tầngnướcđáytrên
sông Tô Lịch vào mùa khô 101
Hình 3.25. Diễn biếnhàmlượngsunfuavàsunfattheomùatrongnước
tầng mặt trên sông Tô Lịch 103
Hình 3.26. Quan hệ giữahàm lượng sunfua và sunfat trong tầng nước
mặt trên sông Tô Lịch 103
Hình 3.27. Diễn biến sunfua và pH trên sông Tô Lịch 104
Hình 3.28. Diễn biếnhàmlượng sunfua và Fe, As trên sông Tô Lịch mùa
khô 106
Hình 3.29. Diễn biếnhàmlượng sunfua và Fe, As trên sông Tô Lịch mùa
mưa 106
Hình 3.30. Quan hệ sunfua, COD và BOD
5
trên sông Tô Lịchmùamưa 108
Hình 3.31. Quan hệ sunfua, COD và BOD
5
trên sông Tô Lịch mùa khô 108
Hình 3.32. Quan hệ sunfua và nhiệtđộ trongnước tầng mặt trên sông Tô

Lịch 109
Hình 3.33. Giá trị sunfua và DO theo mùa 110
Hình 3.34. Quan hệ hàmlượng sunfua và DO trên sông Tô Lịch (n=32) 111
Hình 3.35. Quan hệ giữa khả nănghìnhthànhsunfuavàDO 111
Hình 3.36. Quan hệ giữahàmlượng H
2
S dự báo và quan trắc 114
Hình 3.37. Tỷ lệ đónggópcácyếu tố chi phốiđếnlượng H
2
S hình thành
được dự báo từ mô hình 115
Hình 3.38. Quan hệ giữa giá trị dự báo và thực nghiệm của mức phát thải
H
2
S 117
11

Hình 3.39. Giá trị quan trắc H
2
S khu vực Thôn Trung và Bằng A 119
Hình 3.40. Kết quả kiểmđịnh mô hình METI-LIS 122
Hình 3.41. Kết quả quan trắc và dự báo từ mô hình METI-LIS 122
Hình 3.42. Quan hệ giữahàmlượng H
2
S quan trắc và giá trị dự báo từ
mô hình METI-LIS 123
Hình 3.43. Lan truyền ô nhiễm H
2
S từ sông Tô Lịch 124
Hình3.44.Sơđồ thiết bị sụckhícưỡng bức kiểu ống chữ U 127

12

MỞ ĐẦU
1. Sự cần thiết nghiên cứu của luận án
Trong thời kỳ hiệnđại hoá, công nghiệp hoá, cùng vớiquátrìnhđôthị hoá ở
Việt Nam nói chung và mở rộng phát triển Thành phố Hà Nội (TPHN) nói riêng,
nhu cầu về nước cho các hộ dùngnước ngày mộtgiatăng,mức xả nước thải sinh
hoạt (NTSH) và nước thải sản xuất (NTSX) cũnggiatăng.Dovậy, chấtlượng môi
trường nước cũng đang ngày càng bị suy giảm nghiêm trọng, đặc biệt là nguồn
nước mặt. Các nguồn gây ô nhiễm trên các hệ thốngthoátnước (HTTN) ngày càng
xuất hiện nhiều,đadạng và khó kiểm soát [15, 16, 108].
Ở khu vực trung tâm TPHN, bốn con sông đóngvaitrònhưlàhệ thống kênh
cấp I cho HTTN bao gồm: sông Tô Lịch, Sông Lừ, sông Sét và sông KimNgưu.
Tổnglượngnước thải của khu vực trung tâm TPHN năm2009ước tính vào khoảng
750.000 m
3
/ngàyđêm,trongđóchỉ có khoảng 10 % là nước thải đãđược xử lý,
phần còn lạiđược xả thải ra sông chưa qua xử lý [147].Theođánhgiáchung,tất cả
cácdòngsôngnàyđềuđangbị ô nhiễm nặng do tảilượng lớn của các chất hữucơ
(CHC),vôcơ,vi sinh vật (VSV)…Các con sông trong khu vực trung tâm TPHN,
đều có mầuđen đặc (do lượng CHC cao trong nước), bốc mùi hôi thối (mùi khí
hyđrosunfua - H
2
S) và gây ảnhhưởng trực tiếp tới vệ sinhmôitrường cảnhquanđô
thị cũngnhư sức khoẻ của nhân dân [5,7, 15, 16, 101, 102, 147].
Nước sông Tô Lịchtrướcđâydocóhàmlượngdinhdưỡngđối với cây trồng
cao, nên vẫnthườngđược tái sử dụng trong sản xuất nông nghiệp, tuy nhiên chất
lượngnước sông Tô Lịch trong thời gian gầnđâyđãthể hiện ô nhiễm nặng cả về
phươngdiện CHC, kim loại nặng (KLN) và VSV [81, 104, 106]. Chấtlượngnước
trên sông Tô Lịchkhôngđápứngđược tiêu chuẩn chấtlượngnướctưới về phương

diện ô nhiễm KLN theo tiêu chuẩnnướctưới của WHO và có thể gây ô nhiễmđất
vàtíchlũytrongsản phẩm nông nghiệp [105], về phươngdiện các CHC tồndưnhư
DDT (Dichloro Diphenyl Trichloroethane), PCB (Poly Chlorinated Biphenyl) cũng
có dấu hiệu ảnhhưởngđến sự tíchlũycủa chúng trong chuỗi thứcăn[122].
13

Cơchế hình thành sunfua trongmôitrườngđất ngậpnước liên quan chặt chẽ
đến quá trình phân giải CHC do hoạtđộng của VSV khử sunfat (Sulfate Reducing
Bacteria - SRB). Sự hình thành sunfuatrongnước thải không chỉ phụ thuộcvàođặc
trưngkhíhậu, tính chất vật lý của HTTN nhưvận tốc dòng chảy,độ dốc, thời gian
lưu…màcònphụ thuộc nhiều vào các tính chất hóa học củanước thảinhưpH,thế
ô xy hóa - khử (Redox Potential - Eh), nhu cầu ô xy sinh học (Biological Oxygen
Demand - BOD
5
) Trongđócác yếu tố ảnhhưởngchínhđến sự hình thành sunfua
là: Sunfat, Eh, pH, nhiệtđộ (T) và BOD
5
[70, 142, 153].
Hiện nay, có nhiều mô hình dự báo quá trình hình thành sunfua trong HTTN
thải đãđược công bố trên thế giới, nhưng việc áp dụng các mô hình này bị hạn chế
do ảnhhưởng của các yếu tố khí hậu (vùng, miền) và phụ thuộc nhiềuvàođặctrưng
của HTTN cũngnhưtínhchất củanước thải [61, 66]. Việc áp dụng các mô hình dự
báotrongđiều kiện ở Việt Nam cần phải có sự kiểm chứng tính phù hợp và xây
dựng các hệ số phù hợp vớiđặcđiểm riêng của HTTN, hoặc cần phải phát triển xây
dựng mô hình dự báo riêng. Đặc biệt là khi áp dụngtrongđiều kiện HTTN thải kết
hợp trên hệ thống kênh hở (sôngthoátnước thải)nhưở TPHN [102].
Ở Việt Nam, đã có một số nghiên cứu về hệ thống cấp thoát nước, môi
trường các sông, tuy nhiên chưađề cập,chúýđến nguồn xả thải, cơchế hình thành
và khả năngphátthải một số khíđộc có ảnhhưởng sức khoẻ người dân và gây thiệt
hại cho HTTN. Các nghiên cứu về khí H

2
S và các CHC bayhơicóchứalưuhuỳnh
(Volatile Organic Sulfur Compound - VOSC) còn thiếuđịnhlượng, vớixuhướng
thiên về định tính và kiểm kê. Lý giải về cơchế hình thành sunfua và phát thải khí
H
2
Strênđất ngậpnướcchưarõràngvàchủ yếu dựa vào các nghiên cứu củanước
ngoài. Các nghiên cứutrongnướccũngchưađề cậpđến các hoạtđộng kiểm chứng
các mô hình dự báo, thực nghiệmđođạc phát thải khí H
2
S từ các HTTN thải, các
mô hình dự báo lan truyền khí H
2
S và ảnhhưởng của khí H
2
Sđến tuổi thọ của các
côngtrìnhcũngnhưmôitrường và sức khoẻ của cộngđồng [15, 16, 74, 148].
Dođó,việc nghiên cứu về cơchế hình thành sunfua và phát tán khí H
2
S, từ
đóđề xuấtđược giải pháp giảm thiểu sự hình thành sunfua và khả năngphát thải khí
14

H
2
S trên hệ thốngsôngthoátnước thảitrongđiều kiện cụ thể ở Việt Nam là rất cần
thiết, cóýnghĩakhoahọc và thực tiễn cao. Xuất phát từ những mối liên quan và
những vấnđề bất cập nói trên, luận án đãđược tiến hành.
2. Ýnghĩakhoahọc và thực tiễn của luận án
Luận án đãxácđịnhđược một số đặctrưngnhư thời gian tồnlưucủa sunfua

trongnước thải, thời gian tồnlưucủa khí H
2
S trong không khí, độ cao ảnhhưởng
của khí H
2
S, đồng thời góp phần làm rõ cơsở khoa học của các yếu tố ảnhhưởng
đến cơchế hìnhthànhsunfua,cơchế phát thải, lan truyền và khuếch tán của khí
H
2
Strongđiều kiện thực tế của hệ thống kênh hở,sôngthoátnước thải ở TPHN.
Luậnánđãđónggópcơsở khoa học trong việcxácđịnh các yếu tố chi phối
chính đến quá trình hình thành sunfua trong hệ thống sông thoát nước thải của
TPHN.Trongđóviệcxácđịnhđược quá trình hình thành sunfua chủ yếu xẩy ra ở
tầngnước mặt, và ngưỡng Eh thích hợp nhất cho quá trình hình thành sunfua và
sinh khí H
2
S với số lượng lớn trongđiều kiện thực tế trên sông Tô Lịchlàcơsở
khoa học cho việc áp dụng vào thực tiễn biện pháp kiểm soát giá trị Eh củanước
thảiđể giảm thiểu ô nhiễm H
2
S trên HTTN thải.
Việc áp dụng mô hình METI-LIS, và hiệu chỉnh mô hình này trong nghiên
cứu của luậnáncũnglàcơsở khoa họcđể có thể hiệu chỉnh, và áp dụng rộng rãi
mô hình METI-LIS vào thực tiễn trong công tác dự báo khả nănglantruyền chất ô
nhiễm từ nguồn ô nhiễm không chỉ đối với nguồnđiểm mà còn bao gồm cả nguồn
đường, mặt với đặc trưng là nguồn lạnh, có độ cao phát tán thấp, gần mặt đất
(nguồn phát thải từ các hoạtđộng sản xuấtnôngnghiêp,chănnuôi,nhàmáyxử lý
nước thải…)cũngnhưnguồncóđộ cao thấphơnmặtđất (kênh hở,sôngthoátnước
thải, ao, hồ ổnđịnhnước thải…).
Luậnánđãcải tiến và thiết kế thiết bị lấy mẫu quan trắc tại hiệntrườngđể

xácđịnh tỷ lệ phát thải các chất khí từ mặtnước. Thiết bị lấy mẫu quan trắc tỷ lệ
phát thải khí H
2
S cải tiến không chỉ áp dụngđược cho việc quan trắc tỷ lệ phát thải
khí H
2
S từ mặtnước mà còn mở ra khả năngáp dụngđối với nhiều loạikhácnhư
CH
4
, NO
2
,NO…phátthải từ đất ngậpnước, hay từ môitrườngđất.Đónggópvề
15

mặt thực tiễn của giải pháp thiết kế cải tiến thiết bị lấy mẫu quan trắc tỷ lệ phát thải
khí từ đấtvàđất ngậpnướclàcơsở giúp cho hoạtđộng thực nghiệmđođạc phát
thải các loại khí từ đất,đất ngậpnước vớixuhướngtăngtínhđịnhlượng của các
nghiên cứu,cũngnhưkhả năngkiểm chứngcácmôhìnhtoánliênquanđến phát
thải và lan truyền, khuếch tán các chất khí từ môitrườngđấtvàđất ngậpnước vào
trong không khí ở Việt Nam.
3. Mục tiêu nghiên cứu
 Đánhgiáhiện trạng chấtlượngnước sông Tô Lịch;
 Đánhgiásự hình thành và phát tán H
2
S từ sông Tô Lịch;
 Đề xuất giải pháp kỹ thuật giảm thiểu ô nhiễm khí H
2
S từ nước thải trên
hệ thốngsôngthoátnước thải TPHN.
4. Nhữngđónggópmới của luận án

- Kết quả nghiên cứu của luận án là nghiên cứu đầutiênđãxácđịnhđược
một số đặc trưngcủa tỷ lệ phát thải khí H
2
S từ nước sông, thời gian tồnlưutrung
bình của khí H
2
Strongmôitrườngnước, thời gian tồnlưutrungbìnhcủa khí H
2
S
trongkhôngkhívàđộ cao ảnhhưởng trongđiều kiện khí hậu ở Việt Nam, góp phần
làmrõcơsở khoa học của việctraođổi chất của khí H
2
S từ pha lỏng sang pha khí.
- Luậnánđãthiết kế, cải tiến thiết bị lấy mẫu quan trắc tỷ lệ phát thải khí
H
2
S từ mặtnước phù hợp vớiđiều kiện thực tế ở ViệtNam,quađóhoànthiện khả
năngápdụngphươngpháplấy mẫu quan trắc tỷ lệ phát thải khí H
2
S từ mặtnước,
đồng thời mở racơhội áp dụng cho việc quan trắc tỷ lệ phát thải của các chất khí
khác từ môitrườngđấtvàđất ngậpnước.
- Luận áncũng lànghiên cứuđầu tiên đãhiệu chỉnh và áp dụng mô hình
METI-LISđối với nguồn phát thải dạngđườngcóđặctrưnglànguồn lạnh, vớiđộ
cao phát thải thấp ở Việt Nam.
- Luận án còn là nghiên cứuđầu tiên xây dựngđược mô hình dự báo tỷ lệ
hìnhthànhsunfuatrongnước thải dựa trên một số thông số chính của chấtlượng
nước trong sôngthoátnước thải (kênh hở) phù hợp vớiđiều kiện thực tiễn ở Việt
16

Nam. Góp phầnnângcaođộ chính xác, tính thời sự của công tác dự báo chấtlượng
nước và quản lý chấtlượngnước trên HTTN thải của TPHN.
- Luậnáncũngđãlàm sáng tỏ cơsở khoa học và ýnghĩathực tiễn của biện
pháp kiểm soát ô nhiễm khí H
2
S từ HTTN thải thông qua việc xác định được
ngưỡng tốiưuvề giá trị Eh đối với quá trình hình thành sunfua trên sông Tô Lịch
thuộc HTTN thải TPHN. Từ đóđề xuất giải pháp sụckhícưỡng bứcđể kiểm soát
Eh trongnước thải nhằm giảm thiểu khả nănghìnhthànhsunfuagópphần cải thiện
chấtlượngnước trên hệ thốngsôngthoátnước thải TPHN.

17

Chương1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU
1.1. Chu trình sunfua
1.1.1. Nguồn phát sinh sunfua
Trong tự nhiên, khí hyđrosunfua(H
2
S) xuất hiện nhiều trong các hoạtđộng
phun trào từ núi lửa, suối sunfua,đáybiển và các thủy vực khác. Quá trình phân
hủy các CHC có chứalưuhuỳnh do các VSV cũnglànguồn phát thải H
2
S trong tự
nhiên. Quá trình này chủ yếu xuất hiện trong các HTTN thải và các thủy vực bị ô
nhiễm [70, 142, 151, 161].
Trong HTTN thải,lưuhuỳnh có nguồn gốc từ 4 nguồn chính [57, 132]:
 Các hợp chấtvôcơcóchứalưuhuỳnhnhư:sunfat,thiosunfat…có
trong nguồnnước cấp;
 Các hợp chấtvôcơcóchứalưuhuỳnhnhư:sunfat,thiosunfat…có
trong nguồnnước ngầm,nước mặt khác xâm nhập vào HTTN thải;

 Các hợp chấtvôcơ,CHC…cóchứalưuhuỳnh hoặcsunfatvôcơcó
trong NTSH;
 Các hợp chấtvôcơ,CHCcóchứalưuhuỳnh có trong nguồn NTSX.
Trongmôitrường không khí tự nhiên,hàmlượng khí H
2
Sdaođộng trong
khoảng từ 0,11 ppb đến 0,33 ppb [157].Ước tính về nguồn khí H
2
S trên thế giới
được trình bày trong bảng 1.1 [161].
Bảng 1.1. Ước tính về nguồn khí H
2
S trên thế giới
Nguồn
Tiêu thụ
Phát thải(Tg/năm)
Đạidương

1,50 ± 0,60
Vùng ven biển

0,30 ± 0,10
Cửa biển

0,50 ± 0,35
Thực vật

0,37 ± 0,007
Rừng nhiệtđới

0,42 ± 0,12
Đất (không kể đất rừng nhiệtđới)

0,002 ± 0,002
Đất ngậpnước

0,20 ± 0,21
18

Nguồn
Tiêu thụ
Phát thải(Tg/năm)
Núi lửa/địa nhiệt

1,05 ± 0,94
Cacbonyl sunfit

0,08 ± 0,07
Nhân tạo

3,30 ± 0,33
Tổng nguồn

7,72 ± 1,25
Phản ứng với OH
8,50 ± 2,80

Tổng tiêu thụ
8,50 ± 2,80

Tổng chênh lệch
0,78 ± 3,1
1Tg = 10
12
gam
Nguồn:Watts, 2000 [161].
Sơđồ chuyển hoá sunfua trong HTTN thảiđược mô tả trong hình 1.1 [169].

Hình 1.1. Sơđồchuyểnhoásunfua trongHTTNthải
Nguồn: Yongsiri và nnk, 2003 [169].
19
!
Trong không khí, khí H
2
S không bền vững, và bị ô xy hóa thành SO
2
, thời
gian tồn lưu của H
2
S trong không khí phụ thuộc vào điều kiện khí hậu, và thay đổi
theo mùa, chúng chỉ tồn tại trong khoảng thời gian ngắ n từ vài giờ cho đến khoảng
vài ngày vào mùa hè và kéo dài tới khoảng 42 ngày vào mùa đông, thời gian tồn tại
của H
2
S trong không khí trung bình vào mùa hè là khoảng 18 giờ [157, 163].
Nghiên cứu củ a Bottenheim và Strausz (1980) về thời gian tồn lưu của một số loại
khí trong không khí được trình bày trong bảng 1.2 [35].
Bảng 1.2. Thời gian tồn lưu trong không khí của một số loại khí (ngày)
STT
Khí

Mùa hè
Mùa đông
1
NH
3

29,4
2,1 x 10
3

2
H
2
S
0,93
41,9
3
SO
2

3,14
118
Nguồn: Bottenheim và Strausz, 1980 [35].
1.1.2. Các dạng sunfua trong môi trường nước
Sunfua (H
2
S, HS
-
, S
2-

) là sản phẩm của quá trình khử sunfat và quá trình
phân huỷ các CHC do VSV kỵ khí, trong môi trường có CHC chứa lưu huỳnh [42,
125, 142]. Trong HTTN thải, sunfua tồn tại trong các pha bao gồm [70, 136, 142]:
- Hyđrosunfua (H
2
S
k
) trong không khí trên bề mặt của nước thải;
- Khí hyđrosunfua (H
2
S
l
) hoà tan trong nước thải;
- Các dạng ion (HS
-
, và S
2-
) trong nước thải;
- Các muối sunfua với các kim loại, như: ZnS, FeS, CuS
H
2
S là khí không màu, có khả năng tan trong nhiều dung môi khác nhau như:
nước, rượu, ete, dung môi kiềm, cacbonat và bicacbonat. Mức độ hòa tan của H
2
S
và các dạng sunfua khác trong môi trườ ng nước thay đổi theo giá trị pH được mô tả
trong hình 1.2 [26].
Sự tồn tại và các quá trình chuyển hóa của sunfua trong HTTN thải có thể
tóm tắt trên sơ đồ trong hình 1.3 [70].
20

Hình 1.2. Độ hòatancủacácdạngsunfua thayđổitheogiátrịpH
trongmôitrườngnước(ở20
0
C, NaCl 2 %)
Nguồn: Balls và Liss, 1983 [26].

Hình 1.3. Sơđồsựtồntạivàcácquátrìnhchuyểnhóacủasunfua
Nguồn: Hvitved - Jacobsen, 2002 [70].
Trongmôitrườngnước, nồngđộ H
2
S bị giảm chủ yếu là do các quá trình
phát thải vào không khí, bị ô xy hóa và kết tủa với kim loại. Theo một số nghiên
cứu, H
2
S có thể tồn tạitrongmôitrườngnước với thời gian từ vàiphútđến vài giờ,
thậm chí là một vàingàytùyvàođiều kiện của Eh,DO,pH…[37, 159].
1.2. Tính chất lý, hóa học của H
2
S
1.2.1. Tính chất lý, hóa học của H
2
S, SO
2
và VOSC
H
2
S là khí có mùi trứng thốivàlàkhíđộc hại.Trongkhôngkhí,ngưỡng phát
hiện mùi của khí H

2
S thayđổi khá rộng, và tùy thuộc vào mức cảm nhận của mỗi cá
nhân, do vậy nhiều nghiên cứuđãcôngbố nhữngngưỡng phát hiện mùi khác nhau.
Theo US EPA (1974; 1985), ngưỡng phát hiện mùi của H
2
S trong khoảng từ 0,1
ppm đến 0,2 ppm [151, 153]. Theo Trần Ngọc Chấn(2002)ngưỡng phát hiện mùi
của H
2
S là từ 0,0005 ppm đến 0,13 ppm [2]. Khí H
2
S có tỷ trọng nặnghơnkhông
khí sạch,nhưngsovới SO
2
và các khí VOSC thì có tỷ trọng nhẹ hơn.Cáctínhchất
vật lý và hóa họccơbản của khí H
2
S, SO
2
và các khí VOSCđược trình bày trong
bảng 1.3.
21

Bảng 1.3. So sánh tính chất vật lý và hóa của H
2
S, SO
2
và VOSC.
Tính chất
Đơnvị

Hyđro
sunfua
Metyl
mercaptan
Dimetyl
sunfua
Dimetyl
disunfua
Cacbonyl
sunfua
Cacbon
disunfua
Ô xít
lưuhuỳnh
Công thức hóa học
-
H
2
S
CH
4
S
C
2
H
6
S
C
2
H

6
S
2

COS
CS
2

SO
2

Khối lượng phân tử
g/mol
34,08
48,11
62,14
94,2
60,075
76,14
64,065
Điểm sôi
0
C
-60,4
6
37,3
109,8
-50
46
-10,05

Điểm nóng chảy
0
C
-85,5
-123
-98,3
-85
-138
-112,1
-75,5
Độ hòatantrongnước
g/L (20
0
C)
3,98
15,4
22
Không hòa tan
1,2
2,16
113
Tỷ trọng
Không khí =1
1,189
1,66
2,14
3,24
2,1
2,67
2,263

Áp suấthơi
mmHg (25
0
C)
15600
1510
502
28,7
9412
359
3000
Hằng số Henry (25
0
C)
M/atm
8,7x10
-2

2,0x10
-1

4,8x10
-1

9,6x10
-1

2,2x10
-2

5,5x10
-2

1,4
Nguồn: Beauchamp và nnk, 1984; Debruyn và nnk, 1995; HSDB, 2013 [30, 43, 67].