Nghiên cứu ứng dụng hệ thống đất ngập nước nhân tạo xử lý nước thải đô thị ở thành phố đông hà tỉnh quảng trị

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

NGUYỄN XUÂN CƯỜNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN
TẠO XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ Ở THÀNH PHỐ ĐÔNG HÀ,
TỈNH QUẢNG TRỊ

LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG

Hà Nội - 2018


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

NGUYỄN XUÂN CƯỜNG
NGUYỄN XUÂN CƯỜNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN
TẠO XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ Ở THÀNH PHỐ ĐÔNG HÀ,
TỈNH QUẢNG TRỊ

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG ĐẤT NGẬP NƯỚC NHÂN TẠO XLNT ĐÔ
THỊ Ở TP ĐƠNG HÀ, TỈNH QUẢNG TRỊ

Chun ngành: Mơi trường đất và nước
MãChuyên
số: 62440303
ngành: Môi trường đất và nước
Mã số: 62440303
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS Nguyễn Thị Loan
PGS.TS. NGUYỄN THỊ LOAN

Hà Nội - 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tôi
dưới sự hướng dẫn trực tiếp của giáo viên hướng dẫn. Các số liệu và kết quả
thể hiện trong luận án được thực hiện trong q trình nghiên cứu luận án.
Các số liệu, thơng tin, ý tưởng mang tính tham khảo, chứng minh và so
sánh từ các nguồn khác tơi đã trích dẫn theo đúng quy định. Việc sử dụng các
nguồn tài nguyên và số liệu này chỉ phục vụ cho mục đích học thuật.
Tơi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này và các kết quả
nghiên cứu trong luận án của mình.

Tác giả luận án

Nguyễn Xuân Cường

LỜI CẢM ƠN
Để hồn thành được luận án này tơi xin chân thành cảm ơn đến quý
thầy, cô trong Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại
học Quốc gia Hà Nội đã quan tâm giúp đỡ chỉ bảo tận tình và có nhiều nhận
xét, góp ý q báu trong q trình thực hiện và hồn thiện luận án.
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS. Nguyễn Thị Loan đã
trực tiếp hướng dẫn, tư vấn chun mơn, giúp đỡ tận tình và tạo điều kiện tốt
nhất cho tơi trong q trình thực hiện luận án.
Tơi xin gửi lời cảm ơn của mình tới lãnh đạo Phân hiệu Đại học Huế tại
tỉnh Quảng Trị - Đại học Huế, đã tạo mọi điều kiện để tôi hồn thành chương
trình và thực hiện luận án. Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các đồng nghiệp
của tôi ở Khoa Công nghệ kĩ thuật môi trường, nơi tôi công tác đã luôn chia
sẻ, động viên và hỗ trợ cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến lãnh đạo các Ban, Ngành TP Đông Hà, tỉnh
Quảng Trị đã tạo điều kiện để tôi thu thập đầy đủ số liệu và triển khai thí
nghiệm ở thực địa.
Và cuối cùng, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến gia đình đã tạo
mọi điều kiện tốt nhất để tơi hồn thành tốt mọi cơng việc trong q trình thực
hiện luận án.
Tơi xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2018
Tác giả

Nguyễn Xuân Cường


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .............................................................. iii

DANH MỤC BẢNG ........................................................................................ iv
DANH MỤC HÌNH ......................................................................................... vi
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN ........................................................................... 5
1.1. Nước thải đô thị và công nghệ xử lý ............................................ 5
1.1.1. Đặc trưng nước thải đô thị và hệ thống quản lý .................... 5
1.1.2. Công nghệ xử lý nước thải đô thị .......................................... 9
1.2. Đất ngập nước nhân tạo ............................................................. 13
1.2.1. Giới thiệu ............................................................................. 13
1.2.2. Thành phần .......................................................................... 16
1.2.3. Cơ chế xử lý ........................................................................ 23
1.2.4. Động học và mơ hình loại bỏ ơ nhiễm ................................ 29
1.3. Cải thiện hiệu suất của đất ngập nước nhân tạo......................... 34
1.3.1. Cấp khí chủ động và bị động............................................... 34
1.3.2. Tuần hoàn nước thải ............................................................ 35
1.3.3. Cấp nước gián đoạn ............................................................. 36
1.3.4. Thiết kế tối ưu ..................................................................... 36
1.4. Nghiên cứu và ứng dụng đất ngập nước nhân tạo ..................... 38
1.4.1. Trên thế giới ........................................................................ 38
1.4.2. Ở Việt Nam ......................................................................... 45
CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............. 52
2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.............................................. 52
2.1.1. Đối tượng nghiên cứu .......................................................... 52
2.1.2. Phạm vi nghiên cứu ............................................................. 53

i


2.2. Phương pháp nghiên cứu............................................................ 55
2.2.1. Phương pháp thu thập tài liệu.............................................. 55

2.2.2. Phương pháp thực nghiệm................................................... 55
2.2.3. Phương pháp lấy, xử lý và phân tích mẫu ........................... 71
2.2.4. Phương pháp phân tích và xử lý số liệu .............................. 74
CHƯƠNG 3 – KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ...................... 75
3.1. Hiện trạng và tính chất nước thải thành phố Đơng Hà .............. 75
3.1.1. Thành phần và tính chất ...................................................... 75
3.1.2. Hiện trạng thu gom và xử lý................................................ 77
3.2. Kết quả nghiên cứu quy mơ phịng thí nghiệm .......................... 79
3.2.1. Tính chất nước thải đầu vào ................................................ 79
3.2.2. Hiệu quả loại bỏ ô nhiễm .................................................... 80
3.2.3. Nhận xét kết quả nghiên cứu ............................................... 95
3.3. Kết quả nghiên cứu quy mô thực địa ......................................... 96
3.3.1. Tính chất nước thải đầu vào ................................................ 96
3.3.2. Hiệu quả loại bỏ ô nhiễm .................................................... 98
3.3.3. Mơ hình động học.............................................................. 117
3.3.4. Nhận xét kết quả nghiên cứu ............................................. 119
3.4. Đề xuất mơ hình xử lý nước thải cho thành phố Đông Hà ...... 121
3.4.1. Cơ sở đề xuất ..................................................................... 121
3.4.2. Tính tốn đề xuất mơ hình xử lý ....................................... 123
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................... 132
KẾT LUẬN ..................................................................................... 132
KIẾN NGHỊ .................................................................................... 133
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 135
PHỤ LỤC .......................................................................................................... a
ii


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
BOD5

Nhu cầu ơxy sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand)

COD

Nhu cầu ơxy hóa học (Chemical Oxygen Demand)

CSTR

Dịng chảy rối liên tục (Continuous Stirred Tank Reactor)

CW

Đất ngập nước nhân tạo (Constructed Wetland)

FWS

Dòng chảy tự do bề mặt (Free Water Surface)

HCHC

Hợp chất hữu cơ

HF

Dòng chảy ngang (Horizontal Flow)

HLR

Tải trọng thủy lực (Hydraulic Loading Rate)

HRT

Thời gian lưu nước (Hydraulic Retention Time)

Lrb

Tải trọng loại bỏ BOD5

Lrn

Tải trọng loại bỏ NH4-N

NTĐT

Nước thải đơ thị

PE

Dân số tương đương (Population Equivalent)

PFR

Dịng chảy đẩy (Plug Flow Reactor)

R2

Hệ số xác định (Coefficient of Determination)

SD

Độ lệch chuẩn (Standard Deviation)

SH

Sinh học

Tcol

Coliform tổng số (Total Coliforms)

TP

Thành phố

VF

Dòng chảy đứng (Vertical Flow)

VSV

Vi sinh vật

XLNT

Xử lý nước thải

iii


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Phân cấp mức độ ô nhiễm của nước thải đơ thị................................ 6
Bảng 1.2: Đặc tính nước thải đầu vào nhà máy XLNT ở Việt Nam ................ 6
Bảng 1.3: Một số cơng nghệ/q trình xử lý nước thải đô thị ........................ 11
Bảng 1.4: Công nghệ XLNT ở các nhà máy tập trung ở Việt Nam................ 12
Bảng 1.5: Đặc tính và nồng độ kim loại trong một số vật liệu lọc ................. 17
Bảng 1.6: Các quá trình loại bỏ chất nhiễm bẩn cơ bản ................................. 24
Bảng 1.7: Thông số thiết kế đất ngập nước nhân tạo qua các giai đoạn......... 36
Bảng 1.8: Thông số thiết kế đất ngập nước nhân tạo điển hình ..................... 37
Bảng 1.9: Số liệu về ứng dụng đất ngập nước nhân tạo ở Anh Quốc............. 39
Bảng 1.10: Ứng dụng đất ngập nước nhân tạo tích hợp trên thế giới ............ 45
Bảng 2.1: Tổng hợp các giá trị vận hành của mơ hình thí nghiệm ................. 65
Bảng 2.2: Lượng nước bổ sung cho thí nghiệm theo thời gian ...................... 69
Bảng 2.3: Tổng hợp các giá trị vận hành của nghiên cứu quy mô thực địa ... 71
Bảng 2.4: Các phương pháp phân tích nước thải ............................................ 73
Bảng 3.1: Tính chất nước thải đơ thị TP Đơng Hà (6/2010) .......................... 75
Bảng 3.2: Tính chất nước thải đô thị TP Đông Hà (1- 3/2013) ...................... 76
Bảng 3.3: Tính chất nước thải đầu vào nghiên cứu quy mơ thí nghiệm........... 80
Bảng 3.4: Giá trị P của TSS đầu ra giữa các hệ thống .................................... 82
Bảng 3.5: Hiệu quả loại bỏ TSS của các nghiên cứu khác ............................. 82
Bảng 3.6: Kết quả loại bỏ BOD5 của các nghiên cứu khác ............................ 85
Bảng 3.7: Giá trị P của BOD5 đầu ra giữa các hệ thống ................................. 85
Bảng 3.8: Kết quả tải lượng loại bỏ BOD5 của các nghiên cứu khác ............. 86
Bảng 3.9: Hiệu quả xử lý BOD5 ở 3 bể HF của hệ thống I và II .................... 87
Bảng 3.10: Hiệu quả loại bỏ NH4-N của các nghiên cứu khác ....................... 89
Bảng 3.11: Giá trị P của NH4-N đầu ra giữa các các hệ thống ....................... 89
Bảng 3.12: Loại bỏ Tcol của các nghiên cứu khác ......................................... 95
Bảng 3.13: Tính chất nước thải đầu vào nghiên cứu thực địa (n = 23 mẫu) .. 97
iv

Bảng 3.14: Nồng độ TSS vào và ra ứng với các HLR .................................... 99
Bảng 3.15: Loại bỏ hợp chất hữu cơ của VF-HF từ các nghiên cứu khác.... 104
Bảng 3.16: Giá trị BOD5 và hiệu quả xử lý ứng với các HLR ..................... 105
Bảng 3.17: Giá trị COD và hiệu quả xử lý ứng với các HLR ....................... 105
Bảng 3.18: Hiệu quả loại bỏ dinh dưỡng của VF – HF từ các nghiên cứu... 110
Bảng 3.19: Nồng độ chất dinh dưỡng và hiệu quả loại bỏ ứng với HLR ..... 112
Bảng 3.20: Giá trị Tcol tương ứng với các HLR .......................................... 116
Bảng 3.21. Hằng số tốc độ phản ứng của hợp chất hữu cơ và nitơ .............. 118
Bảng 3.22: Tổng hợp thông số các khu vực xử lý nước thải ........................ 130
Bảng 3.23: Thông số thiết kế CW cho từng khu vực.................................... 131

v


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Trạng thái quản lý nước thải đơ thị ở Việt Nam ............................... 8
Hình 1.2: Sơ đồ quản lý nhà nước về thoát nước và xử lý NTĐT ở Việt Nam 8
Hình 1.3: Sơ đồ cơng nghệ xử lý nước thải đô thị phổ biến ở Việt Nam ....... 12
Hình 1.4: Các kiểu đất ngập nước nhân tạo .................................................... 13
Hình 1.5: Đất ngập nước nhân tạo dịng chảy tự do bề mặt ........................... 14
Hình 1.6: Đất ngập nước nhân tạo dịng chảy ngang ...................................... 14
Hình 1.7: Đất ngập nước dịng chảy đứng ...................................................... 16
Hình 1.8: Cây chuối hoa trong bể thí nghiệm ................................................. 19
Hình 1.9: Cây mơn nước trong các bể thí nghiệm .......................................... 20
Hình 1.10: Cây mơn đốm ................................................................................ 21
Hình 1.11: Cây phát lộc trong bể thí nghiệm ................................................... 22
Hình 1.12: Cây hoa súng ngồi mơi trường (a) và trong bể thí nghiệm (b) .... 22
Hình 1.13: Cơ chế chuyển hóa chất ơ nhiễm trong CW ................................. 24
Hình 1.14: Quá trình lắng chất rắn trong FWS ............................................... 25
Hình 1.15: Chuyển hóa chất hữu cơ trong CW............................................... 26

Hình 1.16: Hệ thống cấp khí chủ động tự nhiên bằng ống “hút” khí ............. 34
Hình 1.17: Hệ thống cấp khí chủ động tự nhiên gián đoạn ............................ 34
Hình 1.18: Tháp đất ngập nước nhân tạo “lai” ............................................... 37
Hình 1.19: Mơ hình đất ngập nước nhân tạo xếp tầng .................................... 38
Hình 1.20: Cơng trình CW tại nhà máy dệt may Hịa Thọ, Đà Nẵng ............. 48
Hình 2.1: Sơ đồ địa điểm lấy mẫu nước thải và đặt hệ thống CW thực địa ... 54
Hình 2.2: Sơ đồ nghiên cứu ............................................................................ 54
Hình 2.3: Sơ đồ bố trí các hệ thống CW quy mơ phịng thí nghiệm .............. 57
Hình 2.4: Sơ đồ mơ hình thí nghiệm của hệ thống I (HF-VF-FWS) .............. 58
Hình 2.5: Sơ đồ mơ hình thí nghiệm của hệ thống II (VF-HF-FWS) ............. 58
Hình 2.6: Sơ đồ vị trí lẫy mẫu mơ hình thí nghiệm ở 2 hệ thống chính (I, II) 58
Hình 2.7: Chi tiết các bể thí nghiệm................................................................ 59
Hình 2.8: Các lớp vật liệu lọc trong bể thí nghiệm ......................................... 60
Hình 2.9: Mơ hình nghiên cứu quy mơ thí nghiệm ......................................... 61

vi


Hình 2.10: Sơ đồ bố trí nghiên cứu thực địa ................................................... 66
Hình 2.11: Vị trí và mơ hình nghiên cứu thực địa .......................................... 67
Hình 3.1: Hiệu quả loại bỏ và nồng độ TSS đầu ra ........................................ 81
Hình 3.2: Nồng độ TSS qua các bể hệ thống I và II ....................................... 83
Hình 3.3: Đầu ra và hiệu quả loại bỏ BOD5 của các mơ hình ........................ 84
Hình 3.4: Giá trị BOD5 qua các bể xử lý hệ thống I và II .............................. 87
Hình 3.5: Nồng độ và loại bỏ NH4-N trong các hệ thống thí nghiệm ............ 88
Hình 3.6: Giá trị và loại bỏ NO3-N trong các hệ thống thí nghiệm ................ 90
Hình 3.7: Nồng độ NH4-N qua các bể xử lý hệ thống I và II ......................... 93
Hình 3.8: Giá trị và loại bỏ Tcol của các hệ thống thí nghiệm ....................... 94
Hình 3.9: Biến động giá trị TSS vào – ra các bể thí nghiệm .......................... 98
Hình 3.10: Nồng độ và hiệu quả loại bỏ TSS qua các bể thí nghiệm ............. 99

Hình 3.11: Tương quan TSS đầu vào, ra và HLR......................................... 100
Hình 3.12: Giá trị BOD5 vào – ra các bể thí nghiệm theo thời gian ............. 101
Hình 3.13: Giá trị COD vào – ra các bể thí nghiệm theo thời gian .............. 101
Hình 3.14: Phân phối giá trị BOD5 dịng vào – ra ........................................ 102
Hình 3.15: Giá trị và hiệu quả xử lý BOD5 qua các bể thí nghiệm .............. 102
Hình 3.16: Giá trị và hiệu quả loại bỏ COD qua các bể thí nghiệm ............. 103
Hình 3.17: Tương quan BOD5 đầu ra, vào và HLR ...................................... 106
Hình 3.18: Tương quan tuyến tính giữa COD vào, ra và HLR..................... 106
Hình 3.19: Biến động giá trị NH4-N theo thời gian ...................................... 107
Hình 3.20: Nồng độ và hiệu quả loại bỏ NH4-N, TN qua các bể thí nghiệm 108
Hình 3.21: Giá trị và hiệu quả chuyển hóa NO3-N tại các bể thí nghiệm..... 109
Hình 3.22: Biến động nồng độ PO4-P theo thời gian .................................... 111
Hình 3.23: Tương quan tuyến tính NH4-N vào, ra và HLR .......................... 113
Hình 3.24: Tương quan tuyến tính giữa TN vào, ra và HLR ........................ 113
Hình 3.25: Tương quan tuyến tính PO4-P đầu vào, ra và HLR .................... 114
Hình 3.26: Biến động giá trị Tcol theo thời gian .......................................... 115
Hình 3.27: Giá trị và hiệu quả xử lý Tcol qua các bể thí nghiệm ................. 116
Hình 3.28: Đề xuất hệ thống xử lý nước thải cho thành phố Đông Hà ........ 123

vii


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Theo thống kê, chỉ khoảng 10% (700.000 m3/ngày) nước thải đô thị
(NTĐT) ở Việt Nam được xử lý trong các nhà máy tập trung [1]. Cịn lại,
khoảng 90% nước thải ở các đơ thị được xả trực tiếp ra môi trường.
NTĐT không được xử lý là một trong những nguyên nhân hàng đầu
gây ô nhiễm môi trường ở Việt Nam [3]. Quản lý và xử lý NTĐT nói chung
và nước thải sinh hoạt nói riêng là một trong những nội dung trọng tâm trong

công tác bảo vệ môi trường ở nước ta hiện nay.
Nước thải ở TP Đơng Hà, tỉnh Quảng Trị có lưu lượng khoảng 6.248
m3/ngày và đang xả trực tiếp ra mơi trường. Đây được xem là nguồn gây ơ
nhiễm chính cho hạ lưu sông Hiếu, các hồ nội thành và khu vực ngoại thành
của thành phố.
Để giải quyết vấn đề NTĐT, Đơng Hà có thể lựa chọn phương án xây
dựng các nhà máy xử lý nước thải (XLNT) tập trung. Tuy nhiên, kinh nghiệm
từ các nhà máy xử lý NTĐT như TP Hồ Chí Minh Đà Lạt, Đà Nẵng, Hà
Nội… cho thấy nhiều bất cập, như chi phí xây dựng và vận hành lớn, tiêu thụ
nhiều năng lượng, một số nhà máy hoạt động không hiệu quả, và chủ yếu sử
dụng vốn vay ODA [1, 2, 170]. Các nghiên cứu trên thế giới cũng cho thấy
rằng, công nghệ XLNT truyền thống, đặc biệt cơng nghệ bùn hoạt tính có giới
hạn là chi phí cao, xây dựng và vận hành phức tạp, nhạy cảm với nhiệt độ và
dư thừa bùn [133, 150, 179].
Với đơ thị nhỏ và có tiềm lực kinh tế hạn chế như Đông Hà [10], việc
xây dựng các nhà máy XLNT tập trung truyền thống sẽ gặp khó khăn. Các
cơng nghệ xử lý NTĐT có chi phí đầu tư thấp, sử dụng ít năng lượng và giảm
chi phí vận hành, sẽ là sự lựa chọn bền vững hơn cho TP Đông Hà. Trong các
công nghệ xử lý NTĐT hiện nay, đất ngập nước nhân tạo (CW) đã được
chứng minh có chi phí đầu tư thấp [26, 46, 122, 147], tiêu thụ ít điện năng và

1


kỹ thuận vận hành đơn giản [80, 122]. Chi phí đầu tư hệ thống CW chỉ bằng
1/2 đến 1/3 so với nhà máy XLNT truyền thống [93].
Công nghệ CW bắt đầu được nghiên cứu và phát triển từ những năm
1970 và đến nay đã trở thành một phương pháp XLNT khá phổ biến trên thế
giới [31, 80]. Nhiều nước đã triển khai thành công CW với nhiều loại nước
thải này như Hà Lan, Úc, Mỹ, Ireland, Đức, Anh, Đan Mạch… và gần đây là

Trung Quốc và các quốc gia Đông Nam Á [68, 160, 176].
Như vậy, CW mở ra hướng tiếp cận bền vững cho xử lý NTĐT TP
Đông Hà, tỉnh Quảng Trị. Tuy nhiên, việc ứng dụng CW cần có nghiên cứu
và thử nghiệm để lựa chọn kiểu mơ hình xử lý, vận hành, loại cây trồng và vật
liệu phù hợp.
Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn và khoa học nêu trên, tác giả đã lựa chọn
thực hiện đề tài: “Nghiên cứu ứng dụng hệ thống đất ngập nước nhân tạo xử
lý nước thải đô thị ở thành phố Đông Hà, tỉnh Quảng Trị”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Luận án này được tiến hành với các mục tiêu sau đây:
 Đánh giá được khả năng XLNT đô thị ở TP Đông Hà, tỉnh Quảng Trị
bằng hệ thống đất ngập nước nhân tạo;
 Đưa ra được mơ hình đất ngập nước nhân tạo, XLNT đô thị ở TP Đông
Hà đạt yêu cầu xả thải (Cột B, QCVN 14: 2008/BTNMT – Khu vực tiếp
nhận nước thải khơng sử dụng cho mục đích cấp nước sinh hoạt).
3. Luận điểm khoa học
Đặt ra nghiên cứu này dựa trên những luận điểm sau:
Đã có nhiều nghiên cứu về CW trong những năm vừa qua và gần đây
phát triển khá mạnh ở Châu Á. CW được xem là công nghệ phù hợp cho xử lý
NTĐT ở các nước đang phát triển như Việt Nam [176]. Tuy nhiên vẫn còn
nhiều “lỗ hổng” và thách thức trong các nghiên cứu về CW [55, 176].
Thứ nhất, cây trồng, vật liệu lọc và các thông số hoạt động (như HRT,
tải lượng ô nhiễm, kiểu thiết kế…) chi phối và ảnh hưởng lớn đến hiệu quả xử
2


lý của CW. Các nhân tố này luôn biến động và thay đổi, dẫn đến các kết quả
nghiên cứu khác nhau [39, 80, 176].
Thứ hai, các quá trình loại bỏ chất ô nhiễm (như lắng, lọc, kết tủa, bay
hơi, hấp thụ…) chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi yếu tố địa phương như nhiệt độ,

pH, nguồn cacbon, điều kiện ơxy hóa khử và vận hành [41, 71].
Thứ ba, sự khác nhau về yêu cầu xử lý cũng dẫn đến các đòi hỏi khác
nhau về kiểu mơ hình và u cầu thiết kế CW. Các quốc gia, khu vực thường
có các tiêu chuẩn và giới hạn xả thải khác nhau đối với NTĐT.
Trên cơ sở đó, nghiên cứu này đặt ra để giải quyết các câu hỏi nghiên
cứu sau: 1) Ứng dụng hệ thống CW nào có hiệu suất xử lý tốt hơn; 2) Cây
trồng nào thích nghi tốt đối với NTĐT và đạt hiệu suất xử lý cao trong môi
trường CW; 3) Các thông số vận hành ảnh hưởng như thế nào đến hiệu quả xử
lý và giá trị phù hợp cho việc thiết kế và vận hành CW để đáp ứng với nhu
cầu xả thải (QCVN 14:2008/BTNMT, Cột B).
4. Nội dung nghiên cứu
Nội dung 1. Khảo sát hiện trạng NTĐT thành phố Đông Hà nhằm đánh giá
mức độ ô nhiễm và xác định nhu cầu xử lý.
Nội dung 2. Nghiên cứu, so sánh khả năng loại bỏ ô nhiễm (TSS, HCHC, N
và P) của các hệ thống CW quy mô phịng thí nghiệm, qua đó đánh giá lựa
chọn hệ thống phù hợp.
Nội dung 3: Nghiên cứu khả năng loại bỏ ô nhiễm (TSS, HCHC, N và P) của
hệ thống CW quy mô thực địa.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học:
Kết quả của luận án đưa ra dữ liệu về thiết kế, vận hành và hiệu quả của
CW xử lý NTĐT với các cây trồng mới trong điều kiện khí hậu Việt Nam.
Đây là cơ sở cho việc thiết kế và vận hành các hệ thống CW tương đương.
Ý nghĩa thực tiễn:

3


Kết quả của nghiên cứu góp phần đưa ra phương án lựa chọn khả thi
trong việc xử lý NTĐT và có thể ứng dụng phù hợp cho TP Đơng Hà, tỉnh

Quảng Trị. Đây là phương án có thể xử lý NTĐT TP Đông Hà đạt yêu cầu xả
thải (Loại B, QCVN 14:2008/BTNMT) với các thông số kĩ thuật được kiểm
chứng và nghiên cứu.
6. Những đóng góp mới của đề tài
Xác định được khả năng loại bỏ chất ô nhiễm và thích nghi của 03 loại
cây chưa được nghiên cứu nhiều (môn nước, môn đốm và phát lộc) trong môi
trường CW xử lý NTĐT ở TP Đông Hà, tỉnh Quảng Trị.
Xác định được hiệu quả và mức độ thích nghi của hệ thống CW 2 giai đoạn
(VF và HF) xử lý NTĐT ở môi trường thực địa (tại cống thải); qua đó đề xuất mơ

hình CW xử lý NTĐT cho TP Đông Hà.
7. Cấu trúc của Luận án
Luận án này chia thành 03 chương. Chương 1, giới thiệu lý thuyết các
khái niệm, thành phần, cơ chế và động học quá trình của CW. Các nghiên cứu
CW đã thực hiện trên thế giới và Việt Nam cũng được giới thiệu chi tiết ở
chương này. Chương 2, mô tả đối tượng, phạm vi nghiên cứu và làm rõ các
phương pháp, vật liệu đã sử dụng trong vận hành và đánh giá mơ hình thí
nghiệm. Chương 3, giới thiệu kết quả chính của nghiên cứu. Dữ liệu và kết
quả của nghiên cứu quy mô thí nghiệm và thực địa được phân tích, so sánh,
đánh giá và thảo luận chi tiết trong chương này.
Ngoài ra, luận án còn bao gồm phần mở đầu gồm các nội dung về tính
cấp thiết, mục tiêu và nội dung nghiên cứu, điểm mới và đóng góp của đề tài.
Phần kết luận và kiến nghị, gồm tổng lược một số điểm nổi bật và ý kiến đề
xuất của nghiên cứu được thể hiện ở cuối luận án.

4


CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN
1.1. Nước thải đô thị và công nghệ xử lý

1.1.1. Đặc trưng nước thải đô thị và hệ thống quản lý
1.1.1.1. Đặc trưng nước thải đô thị
Nguồn nước và chất lượng nước phản ánh sự phát triển của xã hội. Q
trình đơ thị hóa và tiêu thụ tăng mạnh ở các đô thị làm gia tăng mức độ ô
nhiễm và thách thức trong quản lý nguồn nước. Có khoảng ½ dân số tồn cầu
khơng có phương tiện xử lý và thải bỏ nước thải hợp lý. NTĐT là nguồn chứa
đựng nhiều vi khuẩn gây bệnh và ảnh hướng rất lớn đến sức khỏe [171].
NTĐT được hiểu là nước thải trong các hệ thống cống thu gom của các
đô thị (thị trấn, thị xã và TP). Tùy vào đặc trưng và hệ thống quản lý nước
thải ở từng đơ thị, NTĐT có thể bao gồm hỗn hợp nhiều loại nước thải như
nước thải sinh hoạt, nước thải dịch vụ - thương mại, nước thải sản xuất… Ở
các đơ thị có thệ thống thu gom và quản lý nước thải tốt, NTĐT thường là
nước thải sinh hoạt và kinh doanh – dịch vụ thông thường.
Thành phần NTĐT thay đổi phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tiêu chuẩn
dùng nước trên đầu người, chất lượng nước cấp, điều kiện thốt nước và thói
quen của người dân. Hệ thống cống hỗn hợp cả nước mưa và nước thải
thường có giá trị BOD5 thấp hơn và NH4-N cao hơn hệ thống thốt riêng [2].
Về thành phần, NTĐT có thể chứa chất rắn vô cơ (cát, sỏi, mãnh vỡ…),
vật chất nổi (dầu, mỡ…), kim loại, chất dinh dưỡng, HCHC, VSV (phổ biến
E.coli và coliform) và mầm bệnh. Mức độ ô nhiễm của NTĐT có thể phân
thành các mức độ thấp - trung bình - cao (Bảng 1.1).

5


Bảng 1.1: Phân cấp mức độ ô nhiễm của nước thải đơ thị [95]
Thơng số

Đơn vị

Thấp

Trung bình

Cao

TSS

mg/L

100

220

350

BOD5

mg/L

110

220

400

COD

mg/L

250

500

1.000

TN

mg/L

20

40

85

NH4-N

mg/L

12

25

50

N – hữu cơ

mg/L

8

15

35

TP

mg/L

4

8

15

MPN/100

106 - 107

107 – 108

108 –

Tcol

109

mg/L

Thành phần và tính chất của NTĐT ở Việt Nam rất khác nhau giữa các
địa phương. Bảng 1.2 cho thấy giá trị BOD5 và COD ở TP Đà Lạt và Buôn
Ma Thuật cao hơn Hà Nội và TP Hồ Chí Minh từ 3 – 5 lần. Trong khi đó,
BOD5 ở Quảng Ninh thậm chí cịn thấp hơn QCVN 14:2008/BTNMT (cột B).
Bảng 1.2: Đặc tính nước thải đầu vào nhà máy XLNT ở Việt Nam [170]
Nhà máy

BOD5

COD

TSS

NH4-N

TN

73

156,7

71,3

23

40,3

TP Hồ Chí Minh

60,3

169

76

18

11

Đà Nẵng

60,3

108,7

50,5

-

21,5

Quảng Ninh

40,5

74

118

1,2

0,15

Đà Lạt

380

604

792

68

95

Bn Ma Thuột

336

564

285

36

93

QCVN 14:2008/BTNMT

50

100

100

10

-

Hà Nội

Đơn vị: mg/L

6


1.1.1.2. Quản lý nước thải đô thị
Quản lý NTĐT được xem là một công cụ quan trọng để cải thiện và
duy trì tính tồn vẹn của mơi trường và chức năng kinh tế của hệ sinh thái. Hệ
thống quản lý NTĐT bao gồm 04 hợp phần chính sau [149]:
 Chính sách và cách tiếp cận quản lý;
 Thỏa thuận mang tính hành chính của các bên tham gia (nhà nước, tư
nhân, người sử dụng...);
 Cơng nghệ lựa chọn;
 Tài chính.
Có 02 cách tiếp cận cơ bản trong quản lý NTĐT, gồm quản lý tập trung
và quản lý phân tán. Quản lý NTĐT tập trung là hệ thống quản lý trong đó
việc cung cấp cơ sở hạ tầng cơng cộng chủ yếu bởi chính quyền. Hệ thống thu
gom NTĐT của khu vực được kết nối với nhau và được xử lý hoặc thải bỏ tập
trung. Quản lý NTĐT phân tán là hệ thống quản lý chú trọng đến sự hữu dụng

của cơng nghệ, trong đó có thể xử lý NTĐT ở nơi phát sinh [155]. Hệ thống
thu gom và XLNT phân tán thường là các hệ thống quy mô nhỏ, linh động và
gắn với tái sử dụng nước [98].
Với khoảng 90% nước thải không được xử lý và xả trực tiếp ra mơi
trường, NTĐT nói chung và nước thải sinh hoạt nói riêng đang là ngun
nhân hàng đầu gây ơ nhiễm nguồn nước ở Việt Nam. Chất lượng nước các hệ
thống sơng chính, đặc biệt khu vực hạ lưu trong những năm qua suy giảm
nghiêm trọng. Các thông số TSS, BOD5, COD, NH4-N, NO3-N và Tcol ở
nhiều khu vực vượt QCVN 08:2015/BTNMT [2].
Xem xét hiện trạng quản lý NTĐT ở Việt Nam cho thấy: khoảng 60%
các hộ gia đình có đấu nối với hệ thống cống thải công cộng, tuy nhiên chỉ có
10% NTĐT được xử lý. Khoảng 90% người dân ở đơ thị có bể tự hoại với
mức độ quản lý bùn thấp, trong đó chỉ 4% bùn thải được xử lý. 77% hộ gia
đình có bể tự hoại để xử lý sơ bộ nước thải, trong đó 55% số bể tự hoại có
thốt nước đấu nối với hệ thống cống thải cơng cộng và 22% bể tự hoại có
thốt nước tự thấm ra mơi trường (Hình 1.1). Sự tham gia của các đơn vị
ngoài nhà nước vào hệ thống quản lý NTĐT không hiệu quả.
7


Hình 1.1: Trạng thái quản lý nước thải đơ thị ở Việt Nam [170]
Nhìn chung, quản lý nhà nước về thốt nước và xử lý NTĐT có liên
quan đến nhiều Bộ, ngành và chính quyền địa phương. Trên cơ sở quy hoạch,
kế hoạch và phân bổ ngân sách hằng năm, UBND tỉnh trực tiếp quản lý đầu tư
cơ bản thoát và XLNT ở các đơ thị (Hình 1.2).

Hình 1.2: Sơ đồ quản lý nhà nước về thoát nước và xử lý NTĐT ở Việt Nam

8

1.1.2. Công nghệ xử lý nước thải đô thị
Xử lý NTĐT là tập hợp các q trình vật lý, hóa học và sinh học, hoạt
động để loại bỏ chất rắn, vật chất hữu cơ, mầm bệnh, kim loại và đôi khi là
chất dinh dưỡng. Công nghệ xử lý NTĐT phát triển từ xử lý đơn giản đến xử
lý nâng cao và tái sử dụng nước thải.
Các nhà máy xử lý NTĐT trước đây (cuối những năm 1980), chủ yếu
chú trọng loại bỏ thành phần hữu cơ, SS, vật chất nổi và VSV gây bệnh với
công nghệ SH truyền thống [102, 146]. Những năm gần đây, công nghệ
XLNT tập trung loại bỏ chất dinh dưỡng, vi khuẩn và thậm chí sử dụng công
nghệ UV và màng (UF/siêu lọc, NF/Lọc nano và RO/thẩm thấu ngược) cho
mục đích tái sử dụng nước thải [90, 102, 144, 146]. Tuy nhiên, công nghệ xử
lý SH vẫn phổ biến hơn các công nghệ khác. Nghiên cứu ở 6 quốc gia ở Châu
Mỹ - La Tinh cho thấy có đến 80% nhà máy xử lý NTĐT sử dụng cơng nghệ
hồ ổn định, bùn hoạt tính và kị khí dịng ngược (UASB/Upflow Anaerobic
Sludge Blanket Reactor) [110].
Các nhà máy xử lý NTĐT hiện nay trên thế giới chủ yếu là nhà máy xử
lý tập trung với quy mô nhỏ đến lớn [58, 152]. Tuy nhiên, công nghệ xử lý
phân tán gồm các cơng trình xử lý tại chỗ hay tổ hợp bể tự hoại, lọc đất,
CW... cũng đang được mở rộng ứng dụng cho NTĐT. Cơng nghệ này góp
phần làm giảm áp lực của hệ thống thu gom và phù hợp với các nước đang
phát triển [95, 151].
Nhìn chung, công nghệ xử lý NTĐT giữa các khu vực và quốc gia khá
đa dạng. Tùy theo bản chất công nghệ và mục đích xử lý có thể phân chia các
nhóm công nghệ xử lý NTĐT như sau:
 Công nghệ xử lý sơ bộ: Bao gồm các cơng trình như song/lưới chắn rác,
bể tách dầu mỡ, lắng cát và lọc cát.
9

 Công nghệ xử lý bậc 2: Bao gồm các q trình xử lý và loại bỏ HCHC
như cơng nghệ bùn hoạt tính, sinh học bám dính và hồ sinh học.
 Công nghệ xử lý bằng đất: Bao gồm các hệ thống lọc đất chậm và nhanh.
 Công nghệ đất ngập nước nhân tạo: Bao gồm các hệ thống CW đơn hoặc
kết hợp.
 Công nghệ khử trùng: Bao gồm khử trùng bằng Clo, Ozon và UV.
 Công nghệ xử lý nâng cao: Bao gồm các cơng nghệ hóa lý (keo tụ - kết
bông, hấp thụ, màng, trao đổi ion, thấm thấu ngược), quá trình xử lý dinh
dưỡng (N, P) và thấp phụ các bon.
Việc lựa chọn công nghệ xử lý NTĐT phụ thuộc vào thành phần và đặc
trưng của nước thải và hệ thống quản lý. Ngoài ra, quy chuẩn xả thải cũng là
một yếu tố quyết định đến quy mơ và trình độ cơng nghệ áp dụng trong xử lý
NTĐT. Đối với các nước đang phát triển, công nghệ xử lý NTĐT quan tâm
nhiều đến các yếu tố bền vững như: chi phí thấp, khơng dùng hoặc ít dùng
năng lượng và hóa chất, hiệu quả cao và bùn sinh ra ít. Các cơng nghệ phù
hợp gồm hồ kị khí, hồ tùy nghi, và hoàn thiện và CW [95, 139].
Một số q trình và cơng nghệ xử lý NTĐT được trình bày ở Bảng 1.3.

10


Bảng 1.3: Một số cơng nghệ/q trình xử lý nước thải đơ thị [152]
Cơng nghệ/Q trình
Q trình

Thiết bị/cơng
nghệ
Song chắn rác
thơ/lắng cát

Sơ bộ và
Lưới chắn rác
Bậc 1
siêu mịn
Bể lắng 1
Tuyển
nổi

Tuyển nổi khí
hịa tan
Lọc thường

Lọc

Lọc nano và
thẩm thấu ngược
Tháp lọc
Trao đổi ion
Keo tụ
Bậc 1 nâng cao
Lọc khử nitơ
Ơxy hóa Cl, OH-…
Oxít nhơm
Hấp phụ
Than hoạt tính
Cl, O3, Br, UV
Khử
trùng
Bám dính,
Kị khí

tương tác
Bùn hoạt tính
Bùn hoạt Sinh học theo
tính
mẻ; màng
Lọc sinh học
Kết hợp Hiếu – kị khí

Ứng dụng xử lý
Rác
/Cát
*

SS

*

BOD5 NH4N

NO3N

P VSV

Độc
chất

*
*

*

*
*
*

*
*

*

*

*
*

*
*
*

*

*
*
*

*

*

*

*

*
*

*
*
*

*
*

*

*

*

*

*

*

*

Nhìn chung, cơng nghệ của các nhà máy xử lý NTĐT ở Việt Nam bao
gồm 03 giai đoạn/hợp phần chủ yếu: Xử lý sơ bộ, xử lý bậc 2 – công nghệ
sinh học và khử trùng. Một số nhà máy xử lý chú trọng đến loại bỏ chất dinh

11


dưỡng (như cơng nghệ kị khí - thiếu khí – hiếu khí ở nhà máy Kim Liên –
Trúc Bạch, Hà Nội) hay khử mùi khép kín (như nhà máy xử lý NTĐT Hịa
Xn và Phú Lộc, TP Đà Nẵng) (Hình 1.3).

Hình 1.3: Sơ đồ cơng nghệ xử lý nước thải đô thị phổ biến ở Việt Nam
Thống kê đến năm 2013 ở Việt Nam cho thấy, có 17 nhà máy xử lý
NTĐT đã xây dựng ở các TP, trong đó có 8 nhà máy sử dụng cơng nghệ bùn
hoạt tính truyền thống. Có 32 nhà máy đang đang thi cơng hoặc chuẩn bị triển
khai, trong đó 25 cơng trình sẽ áp dụng bùn hoạt tính (như bùn hoạt tính
truyền thống, theo mẻ, mương ơxy hóa, kị khí – thiếu khí) (Bảng 1.4) [170].
Bảng 1.4: Công nghệ XLNT ở các nhà máy tập trung ở Việt Nam

Nhà
máy

Kim Liên –
Trúc Bạch –
Bắc Thăng
Long (Hà
Nội)

A2O (kị
Cơng khí/thiếu
nghệ khí/hiếu
khí)

n Sở (Hà

Nội) – Bãi Cháy
– Hà Khánh
(Quảng Ninh) Hòa Xuân – Phú
Lộc
(Đà Nẵng)
SH theo mẻ

Sơn Trà – Hịa
Cường – Ngũ
Hành Sơn (Đà
Nẵng)

Bắc
Giang

Hồ kị khí

Mương Hồ SH
ơxy
hóa

12

Bn
Ma
Thuột

Đà Lạt

Bể lắng

2 vỏ +
Lọc nhỏ
giọt


1.2. Đất ngập nước nhân tạo
1.2.1. Giới thiệu
Đất ngập nước nhân tạo là một cơng trình mơ phỏng hệ sinh thái đất
ngập nước tự nhiên để cải thiện chất lượng nước [53].
CW có thể được phân loại thành các mơ hình đơn hoặc tích hợp. Theo
kiểu dịng chảy, CW được chia thành 03 loại: CW dòng chảy tự do bề mặt
(FWS), CW dòng chảy đứng (VF), và CW dòng chảy ngang (HF) [80, 140,
150, 161] (Hình 1.4). FWS có thể chia thành loại có lớp lọc, loại khơng có lớp
lọc, loại có cây nổi (một phần) và ngập nước hoặc trơi nổi [140].

Hình 1.4: Các kiểu đất ngập nước nhân tạo [80]
1.2.1.1. Đất ngập nước dòng chảy tự do bề mặt
FWS gần giống với vùng đất ngập nước tự nhiên, có dịng chảy trên
mặt nhiều hơn dịng chảy dưới bề mặt (Hình 1.5).
FWS phổ biến ở Bắc Mỹ và được dùng như cơng trình chính XLNT
hoặc cơng trình xử lý hoàn thiện sau bậc 2 hoặc bậc 3 [80, 186]. Cơ chế làm
sạch nước thải của FSW gồm có: lắng, lọc, ơxy hóa, hấp phụ và lắng [80]. Độ
sâu mực nước của FWF từ 5 đến 90 cm, thông thường 30 – 40 cm [30].

13


Hình 1.5: Đất ngập nước nhân tạo dịng chảy tự do bề mặt [124]
FWS là sự lựa chọn tốt để XLNT đơ thị, nơng nghiệp và nước mưa vì
nó có khả năng điều hòa tốt. FWS còn được sử dụng để XLNT khai khoáng,

nước ngầm tái chế, nước rỉ rác [80] và nước thải sau sự cố sóng thần [36].
Tuy nhiên, FWS thường có hiệu suất loại bỏ ơ nhiễm trên một đơn vị diện
tích thấp hơn CW dịng chảy ngầm. Các loại nước thải có nồng độ ơ nhiễm
cao cũng khơng phù hợp với FWS.
1.2.1.2. Đất ngập nước dịng chảy ngang
Trong HF, nước được cấp chủ yếu theo chiều ngang, song song với mặt
nước. Độ dốc đáy của HF thường lớn hơn mơ hình VF [158] và độ sâu thường
từ 30 – 80cm [140, 150] (Hình 1.6).

Hình 1.6: Đất ngập nước nhân tạo dòng chảy ngang [158]

14