Luận án Tiến sĩ Công nghệ môi trường: Nghiên cứu đặc điểm lan truyền kim loại nặng từ bãi chôn lấp chất thải rắn hợp vệ sinh tại Kiêu Kỵ, Gia Lâm, Hà Nội

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:186

Thêm vào BST

Báo xấu

25
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài "Nghiên cứu đặc điểm lan truyền kim loại nặng từ bãi chôn lấp chất thải rắn hợp vệ sinh tại Kiêu Kỵ, Gia Lâm, Hà Nội" là nghiên cứu và đánh giá được đặc điểm ô nhiễm - nguồn ô nhiễm xuất phát từ nước rỉ rác của bãi chôn lấp chất thải rắn hợp vệ sinh nhằm thấy rõ sự ảnh hưởng đến quá trình lan truyền chất ô nhiễm trong môi trường đất bãi chôn lấp.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Công nghệ môi trường: Nghiên cứu đặc điểm lan truyền kim loại nặng từ bãi chôn lấp chất thải rắn hợp vệ sinh tại Kiêu Kỵ, Gia Lâm, Hà Nội

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI Hoàng Ngọc Hà NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM LAN TRUYỀN KIM LOẠI NẶNG TỪ BÃI CHÔN LẤP CHẤT THẢI RẮN HỢP VỆ SINH TẠI KIÊU KỴ, GIA LÂM, HÀ NỘI Chuyên ngành: Công nghệ môi trường - Chất thải rắn Mã số: 9520320-1 LUẬN ÁN TIẾN SỸ Hà Nội – 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI Hoàng Ngọc Hà NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM LAN TRUYỀN KIM LOẠI NẶNG TỪ BÃI CHÔN LẤP CHẤT THẢI RẮN HỢP VỆ SINH TẠI KIÊU KỴ, GIA LÂM, HÀ NỘI Chuyên ngành: Công nghệ môi trường - Chất thải rắn Mã số: 9520320-1 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. GS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái 2. PGS.TS. Nguyễn Văn Hoàng Hà Nội – 2022
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án Tiến sĩ “ Nghiên cứu đặc điểm lan truyền kim loại nặng từ bãi chôn lấp chất thải rắn hợp vệ sinh tại Kiêu Kỵ, Gia Lâm, Hà Nội” là công trình do tôi nghiên cứu và thực hiện. Các kết quả, số liệu của luận án hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Hoàng Ngọc Hà
ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên Tôi xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Trường Đại học Xây Dựng Hà nội, Phòng Quản lý Đào tạo, Khoa Kỹ thuật Môi trường của Trường đã tạo điều kiện hỗ trợ và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc, sự kính trọng nhất đến GS.TS Nguyễn Thị Kim Thái và PGS.TS. Nguyễn Văn Hoàng đã tận tình hướng dẫn, động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất trong thời gian tôi hoàn thành luận án. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy, các nhà khoa học, chuyên gia đã có những ý kiến đóng góp cho luận án trong quá trình thực hiện. Cuối cùng, Tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ, động viên, chia sẻ của gia đình, bạn bè và đồng nghiệp trong quá trình thực hiện nghiên cứu. Tác giả luận án Hoàng Ngọc Hà
iii MỤC LỤC Lời cam đoan……………… .......................................................................................... i Lời cám ơn ………......................................................................................................... ii Danh mục các chữ viết tắt ............................................................................................ vii Danh mục các bảng....................................................................................................... viii Danh mục các hình vẽ, đồ thị ...................................................................................... ix MỞ ĐẦU ........................................................................................................................... 1 I. Lý do lựa chọn đề tài .................................................................................................... 1 II. Mục đích và nội dung nghiên cứu .............................................................................. 2 III. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................. 2 IV. Cơ sở khoa học .......................................................................................................... 2 V. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................ 3 VI. Những đóng góp mới của luận án ............................................................................. 3 VII. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án .............................................................. 4 Chương 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................................. 5 1.1. Tổng quan về chôn lấp chất thải rắn ......................................................................... 5 1.1.1. Các khái niệm liên quan ........................................................................................ 5 1.1.2. Hiện trạng chôn lấp chất thải rắn tại Việt Nam ..................................................... 6 1.2. Tổng quan khu vực nghiên cứu .............................................................................. 10 1.2.1. Điều kiện tự nhiên khu vực bãi chôn lấp Kiêu Kỵ .............................................. 10 1.2.2. Hoạt động của bãi chôn lấp ................................................................................. 16 1.3. Tổng quan sự hình thành chất ô nhiễm trong nước rỉ rác....................................... 17 1.3.1 Nguồn gốc phát sinh kim loại nặng trong chất thải rắn........................................ 17 1.3.2. Sự hình thành nước rỉ rác .................................................................................... 21
iv 1.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến thành phần và tính chất nước rỉ rác .......................... 22 1.3.4. Lượng phát sinh và thành phần nước rỉ rác ......................................................... 25 1.4. Sự ảnh hưởng của nước rỉ rác đến môi trường đất và nước dưới đất ..................... 38 1.4.1. Nguy cơ ô nhiễm từ nước rỉ rác ........................................................................... 38 1.4.2. Các tác động của kim loại nặng trong môi trường đất ........................................ 39 1.5. Tổng quan nghiên cứu về lan truyền kim loại nặng từ bãi chôn lấp ...................... 42 1.5.1. Các nghiên cứu ở nước ngoài .............................................................................. 42 1.5.2. Các nghiên cứu tại Việt Nam .............................................................................. 49 1.6. Lựa chọn hướng nghiên cứu của luận án................................................................ 51 Chương 2. LÝ THUYẾT LAN TRUYỀN Ô NHIỄM VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN NGHIÊN CỨU................................................................................................................... 52 2.1. Chất ô nhiễm lan truyền trong đất .......................................................................... 52 2.1.1. Nước trong đất và hiện tượng mao dẫn ............................................................... 53 2.1.2. Nước di chuyển xuống do trọng lực .................................................................... 54 2.2. Quá trình lan truyền chất ô nhiễm và các yếu tố ảnh hưởng .................................. 55 2.2.1. Lưu lượng dòng thấm .......................................................................................... 55 2.2.2. Hệ số khuếch tán của chất ô nhiễm ..................................................................... 56 2.3. Quá trình thấm nước và vận chuyển chất ô nhiễm ................................................. 59 2.3.1. Cơ chế đối lưu theo dòng hút mao dẫn ................................................................ 59 2.3.2. Cơ chế đối lưu theo dòng nước mao dẫn và khuếch tán ..................................... 62 2.4. Các phương pháp nghiên cứu xác định lan truyền ô nhiễm ................................... 64 2.4.1. Xác định thành phần và tính chất nước rỉ rác ...................................................... 64 2.4.2. Phương pháp xác định thành phần và tính chất của đất ...................................... 66 2.4.3. Lời giải giải tích – phương trình vi phân xác định lan truyền ô nhiễm ............... 68
v 2.4.4. Phương pháp phần tử hữu hạn ............................................................................. 70 2.4.5. Ưu điểm của phương pháp PTHH ....................................................................... 72 2.4.6. Phương pháp xây dựng mô hình mô phỏng lan truyền chất ô nhiễm trong không gian 3D ................................................................................................................................ 73 Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ....................................................................... 78 3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự lan truyền của chất ô nhiễm từ nước rỉ rác phát sinh từ bãi chôn lấp ..................................................................................................................... 78 3.1.1. Lượng nước rỉ rác phát sinh theo thời gian – phương pháp cân bằng nước ........ 78 3.1.2. Xây dựng phương pháp mô hình hóa tính toán nước rỉ rác................................. 85 3.2. Khảo sát hàm lượng chất ô nhiễm trong nước rỉ rác tại bãi chôn lấp Kiêu Kỵ ...... 97 3.2.1. Các hợp chất hữu cơ trong nước rỉ rác ................................................................ 98 3.2.2. Hàm lượng kim loại nặng trong nước rỉ rác ......................................................102 3.2.3. Các chất ô nhiễm khác ....................................................................................... 104 3.3. Khảo sát ô nhiễm kim loại nặng trong đất bãi chôn lấp Kiêu Kỵ ........................ 109 3.3.1. Đặc điểm mẫu đất tại lỗ khoan LK4 và LK5 ....................................................109 3.3.2. Kết quả phân tích mẫu đất .................................................................................111 3.3.3. Nhận xét kết quả khảo sát ô nhiễm môi trường đất khu vực bãi chôn lấp ........115 3.4. Đánh giá về các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình lan truyền kim loại nặng từ bãi chôn lấp ................................................................................................................................. 116 3.5. Dự báo nồng độ kim loại nặng lan truyền trong môi trường bãi chôn lấp bằng phương pháp phần tử hữu hạn ................................................................................................... 117 3.5.1. Các nguy cơ ô nhiễm môi trường đất phát sinh từ bãi chôn lấp chất thải rắn Kiêu Kỵ, Gia Lâm .....................................................................................................................118 3.5.2. Dự báo và đánh giá nồng độ kim loại nặng lan truyền bằng mô hình 1D ......... 121 3.5.3. Xây dựng phương trình đánh giá lan truyền kim loại nặng với mô hình 3D .... 133
vi 3.6. Ý nghĩa của mô hình tính toán lan truyền KLN từ bãi chôn lấp chất thải rắn ..... 140 KẾT LUẬN ................................................................................................................. 142 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ........................144 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 145 PHỤ LỤC 1 .................................................................................................................... 1 PHỤ LỤC 2 .................................................................................................................. 16
vii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt BCL Bãi chôn lấp BOD Biochemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy sinh hóa BXD Bộ Xây dựng COD Chemical Oxygen Demand Nhu cầu oxy hóa học CTR Chất thải rắn CTRSH Chất thải rắn sinh hoạt HELP Hydrologic Evaluation of Định lượng thủy văn bãi chôn Landfill Performance lấp KLN Kim loại nặng PTHH Phần tử hữu hạn SWB Serial Water Balance Cân bằng nước nối tiếp TOC Total organic carbon Tổng lượng cacbon hữu cơ US EPA United State Environmental Cơ quan bảo vệ Môi trường Protection Agency Hoa kỳ VFA Volatile Fatty Acid Axit béo dễ bay hơi WBM Water Balance Method Phương pháp cân bằng nước
viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Tổng hợp khối lượng, số lượng bãi chôn lấp CTR tại Việt Nam ........................... 8 Bảng 1.2. Mô tả đặc điểm các lớp đất khu vực bãi chôn lấp chất thải rắn Kiêu Kỵ ............ 11 Bảng 1.3. Chú giải - Các tầng chứa nước ............................................................................. 14 Bảng 1.4. Độ ẩm, lượng mưa và lượng bốc hơi trung bình .................................................. 15 Bảng 1.5. Hàm lượng kim loại nặng trong rác thải .............................................................. 19 Bảng 1.6. Hàm lượng các chất ô nhiễm trong nước rỉ rác theo thời gian............................. 22 Bảng 1.7. Tóm tắt so sánh các phương pháp tính toán nước rỉ rác ...................................... 28 Bảng 1.8. Thành phần nước rỉ rác với các khoảng giá trị nồng độ....................................... 30 Bảng 1.9. Nồng độ kim loại nặng trong nước rỉ rác tại các nước đang phát triển................ 32 Bảng 1.10. Hàm lượng kim loại nặng trong nước rỉ rác ....................................................... 34 Bảng 1.11 .Thành phần nước rỉ rác ở một số BCL ở Châu Mỹ và Châu Âu ....................... 35 Bảng 1.12. Thành phần nước rỉ rác một số BCL ở Châu Á ................................................. 37 Bảng 1.13. Thành phần nước rỉ rác một số BCL ở Châu Phi ............................................... 38 Bảng 1.14. Khả năng linh động của một số nguyên tố kim loại nặng trong đất .................. 40 Bảng 2.1. Hệ số thấm của các thành phần đất ...................................................................... 55 Bảng 2.2. Chất ô nhiễm và hệ số khuếch tán trong đất ........................................................ 57 Bảng 3.1. Thành phần chất thải rắn sinh hoạt tại huyện Gia Lâm ....................................... 81 Bảng 3.2. Tính toán nước rỉ rác phát sinh theo thời gian ..................................................... 83 Bảng 3.3. Mối quan hệ của lớp che phủ ô chôn lấp và xâm nhập nước mưa ....................... 89 Bảng 3.4. Tỷ trọng rác sau khi đầm nén ............................................................................... 95 Bảng 3.5. Hàm lượng chất ô nhiễm hữu cơ trong nước rỉ rác tại bãi chôn lấp Kiêu Kỵ từ 2008-2017 ............................................................................................................................... 99 Bảng 3.6. Kết quả phân tích mẫu kim loại nặng trong nước rỉ rác ..................................... 103 Bảng 3.7. Hàm lượng Nitơ trong nước rỉ rác tại bãi chôn lấp Kiêu Kỵ từ 2008-2017 ...... 104 Bảng 3.8. Hàm lượng tổng P, tổng Coliform, dầu mỡ trong nước rỉ rác tại bãi chôn lấp Kiêu Kỵ từ 2008-2017 ................................................................................................................... 107 Bảng 3.9. Mô tả mẫu đất khoan trong lỗ khoan L4 và L5 .................................................. 110 Bảng 3.10. Hàm lượng các kim loại nặng trong mẫu đất tại lỗ khoan L4 và L5 ............... 112
ix DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Cấu tạo ô chôn lấp chất thải.................................................................................... 6 Hình 1.2. Vị trí bãi chôn lấp Kiêu Kỵ, Gia Lâm, Hà nội...................................................... 10 Hình 1.3. Cấu tạo địa chất khu vực bãi chôn lấp Kiêu Kỵ ................................................... 12 Hình 1.4. Bản đồ địa chất thủy văn khu vực nghiên cứu...................................................... 12 Hình 1.5. Mặt cắt địa chất thủy văn tuyến 93-93' ................................................................. 13 Hình 1.6. Mặt cắt địa chất thủy văn tuyến 103-103' ............................................................. 13 Hình 1.7. Nguồn gốc hình thành kim loại nặng trong chất thải rắn ..................................... 18 Hình 1.8. Các yếu tố ảnh hưởng tới thành phần và tính chất nước rỉ rác ............................. 23 Hình 1.9. Đồ thị biểu diễn lượng nước rỉ rác phát sinh theo thời gian ................................ 26 Hình 2.1. Chất ô nhiễm lan truyền trong đất ........................................................................ 52 Hình 2.2. Quá trình lan truyền và các yếu tố ảnh hưởng ...................................................... 58 Hình 2.3. Vị trí lấy mẫu đất và nước rỉ rác ........................................................................... 66 Hình 2.4. Trường gradient của hàm nồng độ C (x, y, z, t) trong hệ tọa độ Oxyz ................ 73 Hình 2.5. Sơ đồ nghiên cứu xây dựng mô hình dự báo lan truyền KLN trong đất .............. 76 Hình 3.1. Sơ đồ tổng quát về cân bằng nước trong ô chôn lấp............................................. 79 Hình 3.2. Sự biến thiên của nước rỉ rác ô 9AB theo thời gian ............................................. 85 Hình 3.3. Sơ đồ mô tả dòng nước trong ô chôn lấp .............................................................. 87 Hình 3.4. Kết cấu ô chôn lấp rác theo chiều dọc .................................................................. 90 Hình 3.5. Kết cấu lớp che phủ cuối cùng ............................................................................. 91 Hình 3.6. Sự biến đổi của lượng nước trong rác khi chôn lấp .............................................. 93 Hình 3.7. Sự biến thiên hàm lượng BOD5 theo thời gian ..................................................... 99 Hình 3.8. Sự biến thiên hàm lượng COD theo thời gian .................................................... 100 Hình 3.9. Sự biến thiên tỉ lệ BOD/COD theo thời gian ...................................................... 100 Hình 3.10. Sự biến thiên pH theo thời gian ........................................................................ 101 Hình 3.11. Nồng độ của kim loại nặng trong nước rỉ rác tại bãi chôn lấp Kiêu Kỵ........... 103 Hình 3.12. Sự biến thiên của amoni theo thời gian ............................................................ 105 Hình 3.13. Sự biến thiên Nitrat theo thời gian ................................................................... 105 Hình 3.14. Sự biến thiên Nitrit theo thời gian .................................................................... 106 Hình 3.15. Sự biến thiên tổng Nitơ theo thời gian ............................................................. 106
x Hình 3.16. Sự biến thiên hàm lượng tổng P theo thời gian ................................................ 107 Hình 3.17. Sự biến thiên hàm lượng Coliform theo thời gian ............................................ 108 Hình 3.18. Sự biến thiên dầu mỡ theo thời gian ................................................................. 108 Hình 3.19. Vị trí bãi chôn lấp và vị trí khoan lấy mẫu ....................................................... 109 Hình 3.20. Khoan mẫu tại bãi chôn lấp Kiêu Kỵ tháng 4.2016 ......................................... 110 Hình 3.21. Mẫu đất khoan tại bãi chôn lấp Kiêu Kỵ .......................................................... 111 Hình 3.22. Sự biến thiên của hàm lượng As theo độ sâu lỗ khoan L4 và L5 ..................... 113 Hình 3.23. Sự biến thiên của hàm lượng Cr theo độ sâu lỗ khoan L4 và L5 ..................... 113 Hình 3.24. Sự biến thiên của hàm lượng Cu theo độ sâu lỗ khoan L4 và L5 .................... 114 Hình 3.25. Sự biến thiên của hàm lượng Pb theo độ sâu lỗ khoan L4 và L5 ..................... 114 Hình 3.26. Sự biến thiên của hàm lượng Zn theo độ sâu lỗ khoan L4 và L5 ..................... 115 Hình 3.27. Sơ đồ các hạng mục công trình xử lý chất thải rắn Kiêu Kỵ ............................ 122 Hình 3.28. Mặt cắt các lớp đất qua các lỗ khoan K2-K5-K3 ............................................. 122 Hình 3.29. Các miền mô hình tính toán lan truyền kim loại nặng ..................................... 124 Hình 3.30. Hàm lượng Cd lan truyền trong nước theo thời gian........................................ 126 Hình 3.31. Kết quả lan truyền KLN trong nước MH1 với R=1 ......................................... 127 Hình 3.32. Kết quả lan truyền kim loại nặng As và Cd trong nước MH2 với R=1 ........... 128 Hình 3.33. Kết quả lan truyền kim nặng As và Cd trong nước MH3 với R=1 .................. 129 Hình 3.34. Kết quả lan truyền As và Cd trong MH3 có hấp phụ kim loại nặng ................ 130 Hình 3.35. Hàm lượng As trong nước với R=1 và R=2 ..................................................... 131 Hình 3.36. Đường cong phân bố hàm lượng Cd với hệ số R khác nhau ............................ 131 Hình 3.37. Phân bố nồng độ As ở tháng thứ 10 theo phương X và Z ................................ 137 Hình 3.38. (a) Sự thay đổi nồng độ asen theo Z và t. (b) Sự thay đổi nồng độ asen theo X và t (ở độ sâu Z = 2,0 m) ........................................................................................................... 138
1 MỞ ĐẦU I. Lý do lựa chọn đề tài Việt Nam đang đối mặt với vấn đề ô nhiễm môi trường, tồn tại trong cả 3 thành phần môi trường đất, nước và không khí. Công tác quản lý chất thải rắn chưa hiệu quả, ô nhiễm từ chất thải rắn đã ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe cộng đồng, nghiêm trọng nhất là đối với dân cư khu vực làng nghề, gần khu công nghiệp, bãi chôn lấp chất thải và vùng nông thôn. Phần lớn CTR chưa được phân loại tại nguồn, thu gom chung để vận chuyển đến bãi chôn lấp. Chính vì vậy mà thành phần nước rỉ rác từ các bãi chôn lấp ở Việt Nam phức tạp, khó kiểm soát và xử lý triệt để. Với tốc độ tăng trưởng dự báo về phát sinh chất thải rắn sinh hoạt là 8,4%/ năm đối với khu vực đô thị và tổng mức độ tăng dự báo khoảng 5% mỗi năm, tổng lượng chất thải trên cả nước ước tính tăng lên 54 triệu tấn vào năm 2030. Đối với chất thải được thu gom phần lớn vẫn được xử lý trong các bãi chôn lấp với thiết kế không hợp vệ sinh và quản lý yếu kém, gây ra các vấn đề môi trường nghiêm trọng. Hầu hết các bãi chôn lấp không có máy đầm nén, hệ thống thu gom khí, xử lý nước rỉ rác, hoặc hệ thống quan trắc môi trường [113]. Các công trình xử lí nước thải trong bãi chôn lấp chưa đạt qui chuẩn xả thải gây ảnh hưởng đáng kể đến cuộc sống của người dân trong khu vực. Khi chất thải rắn được chôn lấp không thực hiện đúng qui trình thì bãi chôn lấp sẽ lại trở thành nơi phát sinh ô nhiễm thứ cấp, có thể gây tác hại nghiêm trọng hơn so với chất thải rắn ban đầu thải ban đầu. Tại Việt nam việc thiết kế thi công và vận hành bãi chôn lấp chất thải rắn vẫn còn nhiều bất cập đặc biệt là bãi chôn lấp đã đóng cửa. Vì vậy các chất ô nhiễm lan truyền từ bãi chôn lấp đã có những ảnh hưởng nhất định tới môi trường đất và nước dưới đất. Theo nhiều nghiên cứu đã và đang thực hiện, nước rỉ rác từ các bãi chôn lấp chất thải rắn có hàm lượng cao các chất hữu cơ, nitơ, lưu huỳnh,... có nhiều chất, hợp chất ô nhiễm hữu cơ mang tính bền vững và kim loại nặng tồn tại trong nước rỉ rác, khi lan truyền từ bãi chôn lấp ra môi trường sẽ gây ô nhiễm trầm trọng cho đất và nước dưới đất. Sự ô nhiễm môi trường đất và nước có nguồn gốc từ bãi chôn lấp đã trực tiếp hoặc gián tiếp ảnh hưởng tới sức khỏe của con người, đó là các bệnh nan y ngày càng gia tăng, môi trường sống ngày càng suy thoái. Có thể nói, nghiên cứu ảnh hưởng của nước rỉ rác từ bãi chôn lấp đến môi trường đất khu vực bãi chôn lấp hợp vệ sinh còn ít được quan tâm và hầu như chưa được thực hiện. Chính vì vậy, trong khuôn khổ nghiên cứu của đề tài, tác giả đề cập vấn đề liên quan đến sự lan truyền của chất ô nhiễm từ bãi chôn lấp chất thải hợp vệ sinh, các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lan truyền phát sinh từ hoạt động chôn lấp chất thải rắn và sử dụng các mô hình toán để dự báo mức độ lan truyền của chất ô nhiễm từ bãi chôn lấp tới môi trường đất. Đề tài tiến hành lựa chọn nghiên cứu đặc điểm lan truyền kim loại nặng từ bãi chôn lấp chất thải rắn tại Kiêu Kỵ, Gia Lâm, Hà nội là cần thiết nhằm nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lan truyền chất ô nhiễm của bãi chôn lấp để đánh giá và dự báo mức độ ảnh hưởng ô nhiễm từ
2 bãi chôn lấp làm cơ sở cho việc đề xuất các giải pháp khắc phục, phòng ngừa ô nhiễm, đồng thời tạo thành cơ sở dữ liệu cho công tác quản lý chất thải rắn nói riêng cũng như quản lý môi trường nói chung. II. Mục đích và nội dung nghiên cứu Nghiên cứu và đánh giá được đặc điểm ô nhiễm - nguồn ô nhiễm xuất phát từ nước rỉ rác của bãi chôn lấp chất thải rắn hợp vệ sinh nhằm thấy rõ sự ảnh hưởng đến quá trình lan truyền chất ô nhiễm trong môi trường đất bãi chôn lấp. Đánh giá và dự báo được mức độ lan truyền ô nhiễm kim loại nặng bằng phương pháp định lượng để xây dựng dữ liệu phục vụ công tác quản lý môi trường liên quan đến bãi chôn lấp. Để đạt được các mục đích nêu trên luận án thực hiện nghiên cứu các nội dung sau: 1) Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến việc hình thành lượng và tính chất của nước rỉ rác, khảo sát sự biến thiên nồng độ chất ô nhiễm trong nước rỉ rác và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này; 2) Xây dựng mô hình tính toán nước rỉ rác phù hợp với đối tượng và điều kiện khu vực nghiên cứu; 3) Nghiên cứu lý thuyết về lan truyền chất ô nhiễm bằng mô hình toán học. Áp dụng phương pháp số để giải phương trình đã thiết lập nhằm dự báo nồng độ kim loại nặng trong nước rỉ rác lan truyền trong đất bãi chôn lấp; 4) Nghiên cứu các nguy cơ ô nhiễm môi trường đất phát sinh từ bãi chôn lấp chất thải rắn hợp vệ sinh và đánh giá mức độ ô nhiễm kim loại nặng môi trường đất bãi chôn lấp. III. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường đất bãi chôn lấp chất thải rắn hợp vệ sinh - ô chôn lấp đã đóng tại Kiêu Kỵ, huyện Gia Lâm, Hà Nội. Phạm vi nghiên cứu: Bãi chôn lấp chất thải rắn hợp vệ sinh. IV. Cơ sở khoa học Để thực hiện nghiên cứu, đề tài khảo sát và đánh giá thực tế bãi chôn lấp Kiêu Kỵ tại huyện Gia Lâm, thành phố Hà Nội. Nghiên cứu ảnh hưởng phát sinh từ bãi chôn lấp đến môi trường đất một cách cụ thể bao gồm định lượng các quá trình liên quan, sự hình thành các chất ô nhiễm trong nước rỉ rác theo thời gian dưới ảnh hưởng của các yếu tố môi trường bãi chôn lấp. Trên cơ sở toán học, bằng phương pháp phần tử hữu hạn đề tài xây dựng các mô hình mô phỏng và định lượng các thành phần lan truyền trong cơ chế lan truyền đối với nguy cơ ô nhiễm môi trường đất theo không gian và thời gian tại khu vực nghiên cứu.
3 V. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp tổng hợp, kế thừa và nghiên cứu lý thuyết: Tổng hợp số liệu thu thập thông tin, kế thừa các kết quả nghiên cứu đã thực hiện cũng như nghiên cứu tổng quan thành phần tính chất nước rỉ rác, các phương pháp tính toán dự báo lượng nước rỉ rác phát sinh, các phương pháp mô hình lan truyền chất, cơ chế vận chuyển và lan truyền chất ô nhiễm trong đất khi có rò rỉ từ ô chôn lấp. Nghiên cứu lý thuyết để tìm hiểu những dấu hiệu đặc thù, bản chất, cấu trúc của phương pháp số trong cách tính toán lan truyền ô nhiễm qua đó tiến hành phân tích nội suy khái niệm, xây dựng phương trình toán học mới xác định mức độ lan truyền ô nhiễm với điều kiện biên phức tạp. - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Khảo sát phân tích số liệu thu thập từ hiện trường và phân tích mẫu trong phòng thí nghiệm. Nghiên cứu đã thực hiện lấy mẫu nước rỉ rác với các thời điểm trong năm, theo đặc điểm của mùa. Khoan lấy mẫu đất tại ô chôn lấp đã đóng để xác định nồng độ KLN lan truyền ra môi trường đất. Phân tích mẫu nước rỉ rác và đất bằng các phương pháp thích hợp tại phòng thí nghiệm của Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Viện Khoa học và Kỹ thuật Môi trường trường ĐH Xây dựng Hà nội để xác định nồng độ KLN, sử dụng các số liệu này để phân tích và đánh giá nguy cơ lan truyền ô nhiễm từ BCL. - Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán lan truyền chất ô nhiễm. Phương pháp mô hình là cách mô tả toán học về một hệ vật lý, có thể nghiên cứu bằng nhiều mô hình khác nhau, sao cho phù hợp với bài toán đặt ra và phương pháp giải quyết bài toán. Bản chất của phương pháp mô phỏng là xây dựng một mô hình, được thể hiện bằng các chương trình, thuật toán. Nghiên cứu đã sử dụng phương pháp phần tử hữa hạn là phương pháp số gần đúng để giải các bài toán được mô tả bởi các phương trình vi phân đạo hàm riêng trên miền xác định có hình dạng và điều kiện biên bất kỳ mà nghiệm chính xác không thể tìm được bằng phương pháp giải tích. Sự lan truyền của chất ô nhiễm được mô phỏng từ nước rỉ rác trong không gian 3D của môi trường đất. Sử dụng thuật toán và sự thay đổi nồng độ của kim loại nặng theo thời gian trong không gian có thể được tính toán và mô phỏng một cách định lượng và rõ ràng. VI. Những đóng góp mới của luận án - Luận án đã tổng hợp và đề xuất phương pháp tính toán nước rỉ rác phát sinh phù hợp điều kiện khí hậu khu vực và qui trình vận hành chôn lấp chất thải rắn hợp vệ sinh. - Đánh giá và dự báo được mức độ ô nhiễm kim loại nặng trong môi trường đất từ khu vực ô chôn lấp đã đóng của bãi chôn lấp hợp vệ sinh với mô hình mô phỏng 3D. Bằng việc sử dụng các khái niệm về trường vectơ gradient ∇C (x, y, z, t), và các phép toán gradient có liên quan (∇⋅), ⊙, cơ chế khuếch tán - đối lưu của chất gây ô nhiễm trong nước rỉ rác được mô hình
4 hóa một cách cụ thể và ngắn gọn, thấy được bản chất vật lý của quá trình lan truyền một cách trực quan hơn. Biến đổi phương trình lan truyền về dạng thức phương trình vi phân đạo hàm riêng, thuật toán PTHH đã được xây dựng để giải phương trình bằng phương pháp số một cách hiệu quả. Khai thác thuật toán và sử dụng phần mềm MATLAB để tính toán, dự báo được khả năng lan truyền nồng độ chất ô nhiễm theo thời gian và trong không gian lòng đất. VII. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: Luận án đã tổng quan được các thông tin về nguy cơ ô nhiễm KLN tại bãi chôn lấp với nguồn phát sinh từ chất thải rắn sinh hoạt bao gồm cả thành phần và hàm lượng các KLN tồn tại trong chất thải rắn đưa đến BCL. Luận án đã đề xuất phương pháp tính nước rỉ rác phát sinh phù hợp với điều kiện Việt Nam bằng công thức LLC = IC + WGC + WD + WEM tính toán chi tiết nước rỉ rác phát sinh trong thời gian vận hành (sự xâm nhập nước mưa, lớp che phủ hàng ngày, thiết bị đầm nén, dung dịch sinh học bổ sung) và khi sau khi đóng ô chôn lấp (lớp che phủ cuối cùng không trồng cây, có trồng cây và khả năng suy thoái lớp che phủ cuối cùng). Luận án đã xác định As, Cr, Pb, trong đất BCL Kiêu Kỵ có hàm lượng cao hơn qui chuẩn cho phép và tính toán được nguy cơ lan truyền ô nhiễm As bằng mô hình mô phỏng toán học 1D và 3D. Xây dựng mô phỏng phạm vi lan truyền của kim loại nặng từ bãi chôn lấp chất thải rắn trong môi trường đất theo không gian 3D. Ý nghĩa thực tiễn: Các kết quả nghiên cứu của luận án là nguồn tài liệu tham khảo giúp các nhà nghiên cứu, nhà quản lý có những định hướng, giải pháp trong việc quản lý các BCL đã đóng cũng như góp phần trong việc đề xuất phương án thiết kế xây dựng bãi chôn lấp phù hợp với điều kiện thực tế của Việt Nam. Xác định vành đai an toàn của bãi chôn lấp theo thời gian, cung cấp thông tin cần thiết cho việc giảm thiểu lan truyền ô nhiễm xảy ra phát sinh từ BCL cũng như cải tạo và phục hồi các bãi chôn lấp chất thải rắn ở Việt Nam.
5 1. Chương 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan về chôn lấp chất thải rắn 1.1.1. Các khái niệm liên quan - Khái niệm về chất thải rắn Theo Nghị định 38/2015/NĐ-CP ngày 24 tháng 4 năm 2015 của Chính phủ về quản lý chất thải và phế liệu (Điều 3) các từ ngữ được hiểu như sau:  Chất thải rắn là chất thải ở thể rắn hoặc sệt (còn gọi là bùn thải) được thải ra từ sản xuất, kinh doanh, dịch vụ, sinh hoạt hoặc các hoạt động khác.  Chất thải thông thường là chất thải không thuộc danh mục chất thải nguy hại hoặc thuộc danh mục chất thải nguy hại nhưng có yếu tố nguy hại dưới ngưỡng chất thải nguy hại.  Chất thải rắn sinh hoạt (còn gọi là rác sinh hoạt) là chất thải rắn phát sinh trong sinh hoạt thường ngày của con người. - Khái niệm về bãi chôn lấp Theo quy định của TCVN 6696 - 2009, bãi chôn lấp chất thải rắn hợp vệ sinh (sau đây gọi là bãi chôn lấp) là: Bãi chôn lấp được quy hoạch về địa điểm, có kết cấu và xây dựng đúng với quy định và công năng để chôn lấp gồm các ô để chôn lấp các chất thải rắn thông thường phát sinh từ các khu dân cư và các khu công nghiệp. Bãi chôn lấp gồm các ô để chôn lấp chất thải, vùng đệm, các công trình phụ trợ như: Trạm xử lý nước, trạm xử lý khí thải, trạm cung cấp điện và nước, trạm cân, văn phòng điều hành và các hạng mục khác. Theo TCXDVN 261:2001 về bãi chôn lấp chất thải rắn – tiêu chuẩn thiết kế do Bộ Xây dựng ban hành, tùy đặc thù từng loại chất thải được chôn lấp, đặc điểm địa hình và điều kiện địa chất công trình, địa chất thủy văn, có thể có mô hình bãi chôn lấp như sau:  Bãi chôn lấp khô: là bãi chôn lấp các loại chất thải thông thường (rác sinh hoạt, rác đường phố và chất thải công nghiệp ở dạng rắn).  Bãi chôn lấp ướt: là bãi chôn lấp dùng để chôn lấp các chất thải có dạng bùn nhão (chất thải dạng bùn nhão chiếm trên 60%).  Bãi chôn lấp hỗn hợp khô – ướt: là bãi chôn lấp dùng để chôn lấp các chất thải thông thường và chất thải dạng bùn nhão (chất thải bùn nhão chiếm tỷ lệ 20-60%)  Bãi chôn lấp nổi: là bãi chôn lấp nổi trên mặt đất ở những nơi có địa hình bằng phẳng hoặc độ dốc nhỏ, xung quanh bãi được xây tường hoặc đắp đê bao nổi lên.  Bãi chôn lấp chìm: là bãi chôn lấp chìm dưới mặt đất như các hố đào, moong khai thác cũ, hào, mương, khe núi ở các vùng đồi, núi thấp …  Bãi chôn lấp hỗn hợp kết hợp nổi – chìm: là bãi chôn lấp xây dựng ở dạng nửa chìm, nửa nổi. Chất thải sau khi lấp đầy hố chôn, được tiếp tục chất đống lên trên, thường
6 được sử dụng ở vùng đồng bằng, đào hố lấy đất để đắp đê bao quanh tạo thành ô chôn lấp. Hình 1.1. Cấu tạo ô chôn lấp chất thải Nguồn: UNEP, (2005) [106] - Khái niệm về nước rỉ rác từ bãi chôn lấp Theo qui định của TCVN 6696-2009, nước rỉ rác từ bãi chôn lấp định nghĩa như sau:  Tất cả các chất lỏng, kể cả các thành phần lơ lửng trong chất lỏng đó, được thấm qua hoặc chảy ra từ chất thải được chôn lấp trong ô chôn lấp của một bãi chôn lấp chất thải rắn. Trong các phương pháp xử lý chất thải rắn, chôn lấp là biện pháp phổ biến nhất, mặc dù diện tích dành cho chôn lấp ngày càng khan hiếm nhưng đây vẫn là phương pháp trước mắt và dễ được chấp nhận hơn cả đối với một quốc gia đang phát triển như Việt Nam. 1.1.2. Hiện trạng chôn lấp chất thải rắn tại Việt Nam Hiên nay, trên cả nước có 1.322 cơ sở xử lý CTRSH, gồm 381 lò đốt CTRSH, 37 dây chuyền chế biến phân compost, 904 bãi chôn lấp, trong đó có nhiều bãi chôn lấp không hợp vệ sinh [4]. Một số cơ sở áp dụng phương pháp đốt CTRSH có thu hồi năng lượng để phát điện hoặc có kết hợp nhiều phương pháp xử lý. Trong các cơ sở xử lý CTRSH, có 78 cơ sở cấp tỉnh, còn lại là các cơ sở xử lý cấp huyện, cấp xã, liên xã. Trên tổng khối lượng CTRSH được thu gom, khoảng 71% (tương đương 34.000 tấn/ngày) được xử lý bằng phương pháp chôn lấp. Đây là phương pháp đang được áp dụng phổ biến tại
7 Việt Nam. Trong số các bãi chôn lấp hiện nay chỉ có khoảng 20% là bãi chôn lấp hợp vệ sinh, còn lại là các bãi chôn lấp không hợp vệ sinh hoặc các bãi tập kết chất thải cấp xã. Khác biệt về đặc điểm giữa bãi chôn lấp hợp vệ sinh và bãi chôn lấp hở, không hợp vệ sinh được trình bày trong báo cáo hiện trạng Môi trường quốc gia năm 2019 như sau [4]:  Bãi chôn lấp hở: không thu gom, xử lý khí thải và nước rỉ rác. Phương pháp này chiếm diện tích lớn, thời gian phân hủy kéo dài, gây ô nhiễm môi trường không khí, nước và đất khu vực xung quanh do phát tán các khí thải, mùi, nước rỉ rác...  Bãi chôn lấp hợp vệ sinh: được thiết kế đảm bảo yêu cầu về vệ sinh môi trường, có hệ thống thu gom khí thải, nước rỉ rác để xử lý và bổ sung chất khử mùi. Bãi chôn lấp hợp vệ sinh có thể thu hồi khí biogas và sử dụng để phát điện. Việt Nam đã có hệ thống tiêu chuẩn, qui chuẩn liên quan đến hoạt động chôn lấp chất thải rắn từ khá lâu, có thể kể đến như TCXDVN 261:2001 Bãi chôn lấp chất thải rắn – tiêu chuẩn thiết kế; Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 6696 : 2009 Chất thải rắn - Bãi chôn lấp hợp vệ sinh - Yêu cầu chung về bảo vệ môi trường; QCVN 25 :2009/BTNMT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải bãi chôn lấp; Nghị định 38/2015/NĐ-CP ngày 24 tháng 4 năm 2015 của Chính phủ về quản lý chất thải và phế liệu…Mặc dù đã có hệ thống pháp lý và hoạt động chôn lấp chất thải rắn đã thực hiện các biện pháp ngăn ngừa ô nhiễm nhưng chưa hợp lý và đầy đủ, vì vậy nguy cơ ô nhiễm phát sinh từ bãi chôn lấp là không nhỏ, cần phải giám sát một cách chặt chẽ hoạt động của BCL chất thải rắn hợp vệ sinh. Nước rỉ rác được tạo thành khi chôn lấp chất thải rắn thường được thu gom và tiến hành xử lý bằng một số phương pháp xử lý nước thải. Vì lý do tài chính nước rỉ rác thường được xử lý gần giống với nước thải đô thị. Với cách xử lý này, một số lượng đáng kể của các kim loại nặng có trong nước rỉ rác sẽ được giữ lại trong bùn thải, trong khi phần còn lại sẽ được phát tán vào môi trường nước. Lượng kim loại được giữ lại trong bùn cặn sẽ được sử dụng trực tiếp trong nông nghiệp, đốt hoặc thải bỏ trở lại vào bãi chôn lấp. Do đó, chu kỳ được tạo ra trong qui trình sẽ cho phép tất cả các kim loại nặng trong nước rỉ rác được thải ra môi trường. Thời gian vận hành của bãi chôn lấp được tính từ khi chất thải được đưa đến bãi chôn lấp cho đến khi lượng chất thải được chôn lấp đủ công suất thiết kế và lớp che phủ cuối cùng được thiết lập, nước rỉ rác được thu gom để xử lý. Nguy cơ ô nhiễm kim loại nặng từ bãi chôn lấp vào môi trường là rất cao vì 2/3 bãi chôn lấp ở Việt Nam không hợp vệ sinh, nước rỉ rác không được kiểm soát. Con đường chính của sự lan truyền kim loại nặng từ chất thải rắn là nước rỉ rác chứa kim loại nặng bị rò rỉ từ bãi chôn lấp vào môi trường xung quanh.
8 Bảng 1.1. Tổng hợp khối lượng, số lượng bãi chôn lấp CTR tại Việt Nam Số Số lượng BCL Số lượng Tổng khối Từ Số lượng BCL lượng Từ 20 1ha < BCL TT Tỉnh lượng BCL không CTR được ha BCL < 01 BCL hợp vệ hợp tiếp nhận trở < ha sinh vệ (tấn/năm) lên 20ha sinh (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9) Vùng Tây Bắc 1 Điện Biên 9 2 7 30.638 0 4 5 2 Lai Châu 8 8 0 68.081 0 8 0 3 Sơn La 13 0 13 93.440 1 11 1 4 Hòa Bình 9 2 7 32.166 0 7 2 Vùng Đông Bắc Bộ 1 Lào Cai 10 10 0 54.129 0 6 4 2 Yên Bái 10 1 9 88.756 2 6 2 3 Hà Giang 7 2 5 41.574 0 5 2 4 Cao Bằng 12 4 8 22.490 0 8 4 5 Bắc Kạn 8 2 6 20.600 0 3 5 6 Tuyên Quang 5 1 4 44.799 1 1 3 7 Lạng Sơn 7 7 0 94.518 1 4 2 8 Phú Thọ 4 3 1 50.059 0 4 0 9 Thái Nguyên 6 2 4 116.800 3 3 0 10 Bắc Giang 16 2 14 9.490 0 4 12 Vùng Kinh tế trọng điểm Bắc Bộ 1 Quảng Ninh 13 5 8 306.923 2 11 0 2 Hà Nội * 4 4 0 3.700 1 3 0 3 Hải Dương 15 15 0 9.804 0 4 11 4 Hải Phòng 6 4 2 15.422 0 1 1 5 Hưng Yên 3 2 1 26.048 0 3 0 6 Vĩnh Phúc 76 2 74 0 4 72 7 Bắc Ninh 1 1 0 44.141 0 1 0 Vùng Bắc Trung bộ Đồng bằng Sông Hồng 1 Hà Nam 5 1 4 25.550 0 2 3 2 Nam Định 5 4 1 41.304 1 4 0 3 Ninh Bình 2 1 1 38.128 0 2 0 4 Thái Bình 1 1 0 18.250 0 1 0 5 Thanh Hóa 33 3 30 804.095 2 18 13 6 Nghệ An 15 8 7 12 3 7 Hà Tĩnh 11 5 6 135.571 0 10 1 (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (9)