Tóm tắt 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

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:26

Thêm vào BST

Báo xấu

28
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt 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" 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: Tóm tắt 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

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 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ Hà Nội – Năm 2022
Luận án được hoàn thành tại Trường Đại học Xây dựng Hà Nội Người hướng dẫn khoa học 1: GS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái Người hướng dẫn khoa học 2: PGS. TS. Nguyễn Văn Hoàng Phản biện 1 : PGS.TS. Nghiêm Vân Khanh Phản biện 2 : PGS.TS. Nguyễn Mạnh Khải Phản biện 3 : PGS.TS. Nguyễn Thị Ánh Tuyết Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường Họp tại Trường Đại học Xây Dựng Hà nội Vào hồi giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại - Thư viện Trường Đại học Xây dựng Hà nội - Thư viện Quốc Gia
1 MỞ ĐẦU I. Lý do lựa chọn đề tài 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 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;
2 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. V. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp tổng hợp, kế thừa và nghiên cứu lý thuyết - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm - Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán lan truyền chất ô nhiễm. 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.
3 Bằng việc sử dụng các khái niệm về trường vectơ gradient ∇C (x, y, z, t), và các phép toán gradient có liên quan (∇⋅), ⊙ và khai thác thuật toán, 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 đề xuất phương pháp tính nước rỉ rác phát sinh phù hợp với điều kiện Việt Nam, tính toán chi tiết nước rỉ rác phát sinh trong thời gian vận hành và khi sau khi đóng ô chôn lấp. Luận án đã 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. 1. Chương 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 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. - Khái niệm về bãi chôn lấp
4 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. - 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. 1.2. Nguồn gốc kim loại nặng trong bãi chôn lấp Nguồn gốc kim loại nặng có trong các bãi chôn lấp chủ yếu là do đồng thời chôn lấp chất thải công nghiệp, tro lò đốt rác, chất thải từ khai thác mỏ và chất thải gia dụng có chứa thành phần nguy hại như pin, sơn, thuốc nhuộm, mực in, …[58]. Kim loại nặng có thể tồn tại trong chất thải rắn ở tất cả các giai đoạn vòng đời sản phẩm, sơ đồ trình bày nguồn gốc của kim loại nặng trong chất thải rắn như minh họa ở Hình 1. Hình 1. Nguồn gốc hình thành kim loại nặng trong chất thải rắn Nguồn: Vitalii Ishchenko, (2019) [111]. Ô nhiễm đất bởi kim loại nặng có nguồn gốc từ các bãi chôn lấp chất thải là một vấn đề nghiêm trọng liên quan đến sự phát triển đô thị và công nghiệp. Các tầng đất là được coi là nơi lưu giữ cuối cùng của kim loại nặng thải ra môi trường và cả các
5 kim loại nặng đang tồn tại trong đất. Do đó khi xem xét các chất ô nhiễm trong đất và nước rỉ rác tại các vị trí bị ô nhiễm, hàm lượng chất ô nhiễm cần phải đo đạc trực tiếp và cụ thể, bởi vì việc xác định tính chất của đất là cần thiết trước khi khuyến nghị các giải pháp kỹ thuật để khắc phục. 1.3. Tính toán lượng nước rỉ rác phát sinh Tính toán lượng nước rỉ rác là quan trọng cho công tác quản lý vận hành bãi chôn lấp. Có nhiều phương pháp tính toán tuy nhiên tùy theo điều kiện thực tế của từng địa phương mà có thể lựa chọn phương pháp phù hợp. Trên thực tế các lớp trong ô chôn lấp không được xây dựng đồng thời, và cũng không phải trong cùng một mùa của năm, thêm vào đó là việc muốn tận dụng những vị trí có sẵn cho việc chôn lấp tại cùng khu vực, và cũng thường bỏ phủ hàng ngày bằng các lớp đất không tuân theo yêu cầu thiết kế vận hành. Bảng 1.Tóm tắt so sánh các phương pháp tính toán nước rỉ rác Phương pháp Phương pháp Phương pháp Phương pháp cân bằng nước định lượng cân bằng theo Tiêu chí - WBM thủy văn bãi chuỗi - SWB chôn lấp - HELP Nơi phát hành Phổ biến chung Mỹ Mexico Cơ sở tính toán Phương trình Xây dựng mô Phương trình cân bằng nước hình phần mềm cân bằng nước máy tính dựa vào phương trình cân bằng nước Yêu cầu số liệu Số liệu địa chất - Số liệu địa chất Tính chất vật lý đầu vào thủy văn (đất, thủy văn của chất thải thời tiết khí - Số liệu thiết kế rắn hậu) BCL Yêu cầu số liệu Tháng Ngày Tháng thời tiết đầu vào Máy móc Đơn giản Chạy hệ điều Excel phương tiện hành DOS và
6 các thiết bị máy tính liên quan Loại hình bãi Các loại bãi rác Các loại bãi rác Bãi rác đang rác áp dụng và các giai đoạn vận hành Lượng nước Dự báo Nhiều hơn thực Ít hơn so với tính toán tế WBM Xem xét điều kiện thực tế của hoạt động chôn lấp CTR tại Việt Nam rất cần có một phương pháp tính dự báo nước rỉ rác phù hợp hơn với tính chất chất thải rắn được chôn lấp, điệu kiện thời tiết khí hậu, thời gian và phương thức vận hành…Chính vì vậy cần nghiên cứu và đề xuất một phương pháp tính toán nước rỉ rác phù hợp với hoạt động và vận hành bãi chôn lấp hiện tại của Việt Nam. 1.4. Sự ảnh hưởng của nước rỉ rác đến môi trường đất và nước dưới đất Khi nghiên cứu sự tích luỹ của KLN trong đất mà chỉ xem xét hàm lượng tổng số thì chưa thể đánh giá đúng độ độc của chúng đối với cây trồng cũng như chiều hướng biến đổi của chúng ở trong đất. Chúng có thể tồn tại ở nhiều dạng khác nhau nhưng chủ yếu ở các dạng sau đây: dạng linh động, liên kết với hữu cơ, liên kết với gốc cacbonat, với oxit sắt, với oxit mangan [64]. Kim loại nặng lan truyền qua các con đường như hô hấp, tiêu hóa, tiếp xúc qua da và thấm hút bề mặt qua mang cá, màng vi sinh vật, qua rễ và lá. Khả năng độc hại của các kim loại nặng phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như: hàm lượng, các con đường xâm nhập, dạng tồn tại và thời gian có thể gây hại. Trong môi trường cần phải xác định được mức độ gây hại đối với cá thể hoặc các loài, hoặc đối với hệ sinh thái 1.5. Tổng quan nghiên cứu về lan truyền kim loại nặng từ bãi chôn lấp 1.5.1. Các nghiên cứu về tính toán lan truyền của kim loại nặng từ bãi chôn lấp đến môi trường đất Sharma và Lewis [94] đã nghiên cứu một mô hình toán học về sự lan truyền của nước rỉ rác bao gồm sự bốc hơi và phân tán của một chất gây ô nhiễm. Varank và cộng sự [109] đã nghiên cứu sự di chuyển của các chất gây ô nhiễm trong nước rỉ bãi rác thông qua các lớp lót composite thay thế. Các vấn đề liên quan đến độ dẫn thủy lực tại bãi chôn lấp của các loại lớp lót đất sét gây ô nhiễm khác nhau, khi nghiên
7 cứu sự di chuyển của nước rỉ rác từ một bãi chôn lấp, sự hút ẩm của lớp lót sét địa chất tổng hợp cũng được đánh giá bởi Hoor và Kerry Rowe [59]. Một số nghiên cứu tập trung vào việc xây dựng các mô hình di chuyển của nước rỉ rác và dùng kỹ thuật số để mô phỏng sự vận chuyển các chất gây ô nhiễm từ nước rỉ rác vào các lớp đất như nghiên cứu của Abriola 1987 [17], Al-Niami ANS và Rushton KR. (1997) [24], Bear J. (1975) [29], Gao G, và cộng sự (2013) [55] , Mirbagheri S A. (2009) [75], Reddy K, và cộng sự. (2015) [84]. Gần đây, một số phương pháp số đã được phát triển để giải phương trình và mô phỏng sự vận chuyển chất ô nhiễm trong không gian; và phương pháp tiếp cận toán học cụ thể khác cũng được sử dụng như các tác giả Lai SH (1971) [71]; Moldrup P (1996) [77] Ataie- Ashtiani B (1996) [25] và Mirbagheri F (2013) [76] đã sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn (FD) và thể tích hữu hạn (FV) để tính toán lan truyền. Rất nhiều nghiên cứu trên thế giới từ lâu đã xây dựng mô hình toán dự báo lan truyền chất ô nhiễm trong nước ri rác như tác giả Ogata (1970) [79]; Ataie-Ashtiani B (1996) [25]; Thongmoon M (2006) [102]; Mirbagheri SA (2009) [75]; Patil S(2014) [81] nghiên cứu và xây dựng mô hình toán để tính toán lan truyền chất ô nhiễm của nước rỉ rác trong đất nhưng chỉ dừng ở mô hình 1 hoặc 2 chiều. Trong một số nghiên cứu công bố, phương trình tổng quát đã được đơn giản hóa bằng cách loại bỏ các thuật ngữ đối lưu hoặc sử dụng kỹ thuật tuyến tính để thu được các giải pháp phân tích trong điều kiện lý tưởng và phương trình đạo hàm riêng chỉ được biến đổi và biểu diễn trong một hoặc hai chiều gần đây như Beidokhti MZ và cộng sự (2019) [30], Buaisha M và cộng sự (2020) [33]. Như vậy, từ việc nghiên cứu các tài liệu tổng quan từ nước ngoài cho thấy việc xây dựng mô hình toán để dự báo lan truyền kim loại nặng trong nước rỉ rác trong không gian 3 chiều là cần thiết và có ý nghĩa khi đánh giá bãi chôn lấp chất thải rắn. 1.5.2. Các nghiên cứu tại Việt Nam Có rất ít các nghiên cứu trong nước về thành phần kim loại nặng trong nước rỉ rác và ô nhiễm đất và nước dưới đất bởi KLN từ nước rỉ rác tại Việt Nam. Hầu hết các nghiên cứu về nước rỉ rác hướng đến các hợp chất hữu cơ, các hợp chất nitơ, phốt- pho và các phương pháp xử lý nước rỉ rác về các chỉ tiêu này.
8 Từ các kết quả nghiên cứu tổng quan trên thế giới và trong nước, có thể nhận thấy rằng nước rỉ rác chưa được xử lý có chứa nhiều KLN với hàm lượng cao là nguồn gây ô nhiễm nước mặt một cách trực tiếp rõ rệt nhất. Hầu hết các nghiên cứu đều cho kết quả là đất và nước dưới đất trên khu vực bãi chôn lấp chất thải rắn và lân cận chưa bị ô nhiễm KLN ở mức lớn hơn qui chuẩn cho phép đối với đất sản xuất nông nghiệp. Tuy nhiên, các nghiên cứu đều cho thấy chất thải rắn và nước rỉ rác có vai trò gây ô nhiễm làm gia tăng hàm lượng KLN trong đất và nước dưới đất dựa trên các phân tích đánh giá theo không gian và giá trị hàm lượng KLN nền trong môi trường. 1.6. Nhận xét chương 1 Các nghiên cứu thực hiện xây dựng phương pháp dự báo tính toán xác định ô nhiễm KLN nhưng chưa tổng quát và khá cồng kềnh, nhiều nghiên cứu chỉ dừng lại ở mô hình 1D và 2D. Phương pháp dự báo lan truyền thường sử dụng các mô hình sẵn có để tính toán, tốn kém chi phí và chưa phù hợp với điều kiện thực tế của Việt Nam. Chính vì vậy rất cần thực hiện nghiên cứu nguy cơ ô nhiễm KLN tại BCL chất thải rắn hợp vệ sinh, xây dựng mô hình toán học tổng quát, ứng dụng và khai thác được trên các công cụ hiện đại để tính toán dự báo ô nhiễm trong không gian 3D là cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn trong công tác quản lý CTR tại Việt Nam. 2. 3. Chương 2. LÝ THUYẾT LAN TRUYỀN Ô NHIỄM VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN NGHIÊN CỨU 2.1. Chất ô nhiễm lan truyền trong đất Chất ô nhiễm trong đất tồn tại ở rất nhiều dạng (hay pha) khác nhau tùy theo bản chất lý hóa của chất ô nhiễm. Chất ô nhiễm có thể hòa tan vào trong nước dưới đất và dịch chuyển qua các lỗ xốp của đất. Theo diện rộng, quá trình này có thể mô hình hóa theo dòng chảy và hướng dòng chảy của nước dưới đất, tuy nhiên xét trên phương diện hẹp, quá trình này liên quan trực tiếp đến kích thước hạt và độ xốp của đất. Khi dịch chuyển trong đất, chất ô nhiễm (hay nói cách khác là dòng chứa chất ô nhiễm) không đi xuyên qua hạt đất mà đi qua các khoảng trống trong đất.
9 2.2. Cơ chế lan truyền chất ô nhiễm trong đất 2.2.1 Lưu lượng dòng thấm Lưu lượng dòng chảy của nước dưới đất trong đất có thể ước tính bằng cách sử dụng công thức của định luật Darcy Q=k. i.A (2-1) Q: lưu lượng (cm3/s); k: hệ số thấm (cm/s); i: gradient thủy lực; A: diện tích mặt cắt (cm2) 2.2.2. Hệ số khuếch tán của chất ô nhiễm Khi thực hiện mô hình hóa sự lan truyền của chất ô nhiễm dọc theo dòng thấm trong đất, cần phải xác định một thông số quan trọng, đó là hệ số khuếch tán của chất ô nhiễm trong đất. Trên thực tế, hệ số khuếch tán này phụ thuộc vào chất ô nhiễm và loại đất, vì vậy cần phải tiến hành thí nghiệm để có thể tìm được hệ số khuếch tán một cách chính xác nhất. Theo nghiên cứu của Çamur và cộng sự [35], Rowe và cộng sự [89], Yang [116] hệ số khuếch tán được các tác giả tìm ra có thể tham khảo sử dụng trong tính toán lan truyền các chất ô nhiễm và kim loại nặng trong đất. 2.3. Các phương pháp nghiên cứu xác định lan truyền ô nhiễm 2.3.1. Phương pháp xác định thành phần và tính chất nước rỉ rác Nước rỉ rác được lấy mẫu và phân tích nhằm xác định hàm lượng các chất ô nhiễm và kim loại nặng phục vụ quá trình tính toán dự báo sự lan truyền kim loại nặng trong bãi chôn lấp. Mẫu nước rỉ rác được lấy tại hố thu gom nước rỉ rác từ các ô chôn lấp trước khi bơm vào hồ tiếp nhận nước thải. Vị trí lấy mẫu thể hiện trên hình 2.3
10 Hình 2.3 Vị trí lấy mẫu đất và nước rỉ rác 2.3.2. Phương pháp xác định thành phần và tính chất của đất Để xác định sự lan truyền của chất ô nhiễm, trên thực địa thường dùng biện pháp khoan lấy mẫu đất. Các lỗ khoan theo chiều sâu từ 0,3m, 0,6m, 0,9m,… 6m. Vị trí lấy mẫu trên hình 2.3, mẫu đất được lấy và đem đi phân tích để xác định hàm lượng KLN trong đất. 2.3.3. Lời giải giải tích – phương trình vi phân xác định lan truyền ô nhiễm Phương trình lan truyền của chất ô nhiễm trong đất có thể được giải quyết thông qua các lời giải giải tích hoặc bằng phương pháp số (sai phân hữu hạn hoặc phần tử hữu hạn). Phương pháp giải tích thường chỉ giải quyết được các bài toán có điều kiện biên và điều kiện đầu đơn giản và nền đất được coi là đồng nhất, đẳng hướng. Để có thể đưa ra được lời giải duy nhất cho một phương trình vi phân thì điều kiện đầu và điều kiện biên cần phải được chỉ định rõ ràng. Điều kiện đầu mô tả các giá trị khởi điểm của một số biến trong bài toán đặt ra, trong trường hợp này là nồng độ chất ô nhiễm. Điều kiện biên mô tả quan hệ hay tương tác giữa vùng được nghiên cứu và khu vực bên ngoài. 2.3.4. Phương pháp phần tử hữu hạn Phương pháp phần tử hữu hạn là một phương pháp số gần đúng để giải các bài toán về kỹ thuật và vật lí toán học.
11 Phương pháp phần tử hữu hạn là một phương pháp rất tổng quát và hữu hiệu cho lời giải số nhiều lớp bài toán kỹ thuật khác nhau. Một hệ phương trình tuyến tính được tạo ra từ các phương trình phần tử thông qua việc chuyển đổi các tọa độ từ các nút cục bộ của các tên miền phụ sang các nút toàn cục của miền. Sự chuyển đổi không gian này bao gồm các điều chỉnh định hướng thích hợp như được áp dụng liên quan đến hệ tọa độ tham chiếu. Quá trình này thường được thực hiện bởi phần mềm phương pháp phần tử hữu hạn bằng cách sử dụng dữ liệu tọa độ được tạo ra từ các tên miền phụ. 2.3.5. Phương pháp xây dựng mô hình mô phỏng lan truyền chất ô nhiễm trong không gian 3D Để thiết lập phương trình lan truyền, ta xét mô hình một ô chôn lấp CTR. Trong đó, nguồn nước rỉ rác ở trên bề mặt nằm ngang. Dòng nước rỉ rác chứa các chất ô nhiễm kim loại nặng lan theo chiều dọc và chiều ngang ra môi trường xung quanh. Trong quá trình này, nồng độ chất ô nhiễm thay đổi theo mọi hướng và theo thời gian. Nước rỉ rác Hình 2.4. Trường gradient của hàm nồng độ C (x, y, z, t) trong hệ tọa độ Oxyz
12 Các điều kiện cho mô - Yêu cầu kỹ thuật hình toán học và mô - Phần mềm và công cụ phỏng - Mô hình hóa & phân tích - Cách tiếp cận trường vector Mô hình toán của lan gradient truyền chất ô nhiễm - Các phép toán vector gradient - Các phương trình vi phân đạo hàm riêng Phát triển các thuật - Phương pháp PTHH toán mô phỏng - Tính toán số và mô phỏng Triển khai nghiên cứu Thu thập và xử lý số liệu điển hình & Thực Phân tích thực nghiệm nghiệm Comparative analysis Hình 1.5 Sơ đồ nghiên cứu xây dựng mô hình dự báo lan truyền KLN trong đất Chương 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Bãi chôn lấp Kiêu Kỵ Khu vực nghiên cứu lựa chọn là bãi chôn lấp Kiêu Kỵ thuộc huyện Gia Lâm, thành phố Hà nội. Đây là bãi chôn lấp vận hành theo phương thức hợp vệ sinh, đến thời điểm khảo sát nghiên cứu có 2 ô chôn lấp đã đóng trên 10 năm. 3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự lan truyền của chất ô nhiễm từ nước rỉ rác phát sinh từ bãi chôn lấp Xây dựng phương pháp mô hình hóa tính toán nước rỉ rác
13 Hình 3.1. Sơ đồ mô tả dòng nước trong ô chôn lấp 3.3. Khảo sát hàm lượng kim loại nặng trong nước rỉ rác Trong số các thành phần chất gây ô nhiễm khác nhau trong nước rỉ rác, các kim loại, đặc biệt là các kim loại nặng, cần được chú ý nhiều hơn vì tác hại của chúng đối với môi trường và ảnh hưởng đến quá trình xử lý sinh học. Có nhiều loại kim loại nặng trong nước rỉ rác, các kim loại không hòa tan trong chất thải được chuyển đổi thành các kim loại hòa tan và sau đó hòa tan trong nước rỉ rác thông qua các phản ứng vật lý và hóa học.
14 Hình 3.2. Nồng độ của kim loại nặng trong nước rỉ rác tại bãi chôn lấp Kiêu Kỵ 3.4. Khảo sát ô nhiễm kim loại nặng trong đất bãi chôn lấp Kiêu Kỵ Các mẫu đất được phân tích hàm lượng các KLN bằng phương pháp phổ khối Plasma (ICP-MS- Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometer) thuộc nhóm phân tích AES, phương pháp này có độ chính xác cao, có thể phân tích được kết quả tới giới hạn ppb hay ppt (tức là 1x10-12).
15 Hình 3.3. Sự biến thiên của As, Cr, Cu, Pb theo độ sâu lỗ khoan L4 và L5 3.5. Đánh giá về các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình lan truyền kim loại nặng từ bãi chôn lấp - Thời gian ô nhiễm - Lượng nước rỉ rác phát sinh: Các kết quả tính toán về lượng nước rỉ rác sinh ra từ ô chôn lấp cho biết nguồn ô nhiễm vẫn tồn tại trong thời gian dài sau khi đóng ô chôn lấp. Lượng nước rỉ rác tại thời điểm 6 tháng cuối năm thứ 21 sinh ra từ ô chôn lấp có diện tích 10.084m2 là 14m3/ngđ. Việc tính toán dự báo lượng nước rỉ rác vẫn phát sinh từ ô chôn lấp đã đóng khẳng định nguy cơ ô nhiễm từ nước rỉ rác còn kéo dài. - Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước rỉ rác: Nồng độ các chất ô nhiễm thu thập được đều vượt quy chuẩn cho phép nếu so sánh với QCVN 25:2009 và QCVN 40:2011. Tùy thời điểm lấy mẫu một số các kim loại nặng như Cr, As, Pb, Hg, Fe trong nước rỉ rác đều có hàm lượng cao hơn quy chuẩn cho phép khi so sánh với QCVN 40:2011. - Hàm lượng ô nhiễm trong đất: Kết quả khảo sát từ lỗ khoan trong bãi chôn lấp rác Kiêu Kỵ cho thấy đất bị ô nhiễm kim loại nặng khi so sánh với QCVN 03: 2015
16 về hàm lượng KLN cho phép trong đất nông nghiệp. Các KLN trong đất có hàm lượng vượt quá quy chuẩn cho phép là As, Cr, Pb theo độ sâu và khoảng cách khoan mẫu so với ô chôn lấp đã đóng. 3.6. Dự báo nồng độ kim loại nặng lan truyền trong môi trường bãi chôn lấp bằng phương pháp phần tử hữu hạn 3.6.1. Các nguy cơ ô nhiễm môi trường đất phát sinh từ bãi chôn lấp chất thải rắn hợp vệ sinh 3.6.2. Dự báo và đánh giá nồng độ kim loại nặng lan truyền bằng mô hình 1D Ba miền mô hình mô phỏng lan truyền các kim loại nặng trong lớp đất thấm yếu được lựa chọn là: 1) Mặt cắt đất tự nhiên cạnh bãi rác (từ mặt đất đến độ sâu 6 m, tức là đến bề mặt tầng chứa nước dưới đất, với chiều dài 6 m); 2) Miền thứ hai là mặt cắt đất dưới đáy hồ thu gom và chứa nước rỉ rác (từ độ sâu 1,5 m đến bề mặt của tầng chứa nước dưới đất, dài 4,5 m); 3) Mặt cắt thứ ba là mặt cắt dưới đáy bãi chôn lấp (từ độ sâu 4,5 m đến bề mặt của tầng chứa nước dưới đất, dài 1,5 m). Miền mô hình thứ nhất, thứ hai và thứ ba được đặt tên lần lượt là miền 1, miền 2 và miền 3. Ba miền mô hình có các điều kiện biên khác nhau. Hình 3.4. Các miền mô hình tính toán lan truyền kim loại nặng Để đảm bảo độ chính xác của kết quả mô hình, bước thời gian t và bước lưới x phải thoả mãn yêu cầu về số Peclet và số Courant như sau [60]:
17 Vx ,i xi Vx ,i t Peclet: Pe   2 ; Courant: Cr  1 (3-9) Dx ,i xi Chương trình mô hình phần tử hữu hạn lan truyền chất hoà tan trong nước dưới đất được sử dụng từ kết quả của Đề tài nghiên cứu cơ bản định hướng ứng dụng của Nguyễn Văn Hoàng (2018) [7], và độ chính xác đã được kiểm định qua các bài toán chuẩn. Chương trình được liên kết với thuật toán tổng hiệu bình phương bé nhất để xác định thông số. Kết quả lan truyền kim loại nặng với 1D Hàm lượng As trong nước 0.20 0.18 0.16 0.14 Sau 4,5 tháng; R=2 Hàm lượng (mg/L) 0.12 Sau 4,5 tháng; R=1 0.10 2,5m 2,5m CTB 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 Chiều sâu tính từ mặt đất (m) Hình 3.5. Hàm lượng As trong nước với R=1 và R=2 Thảo luận kết quả lan truyền theo 1D - Sự lan truyền ô nhiễm KLN từ đáy hồ chứa nước rỉ rác đến tầng chứa nước diễn ra nhanh hơn so với tính lan truyền từ mặt đất nếu tính toán với cùng hệ số trễ R=1. Vì đáy của hồ thu gom và chứa nước rỉ rác là mặt cắt bão hòa và xảy ra dòng thấm theo phương thẳng đứng. Thời gian lan truyền đến tầng chứa nước đạt tới hàm lượng ô nhiễm như nước rỉ rác là 3,5 tháng. - Khi tính đến khả năng hấp phụ của đất đá trong môi trường dưới đất, khó có thể xác định một cách chính xác các quá trình đã xảy ra tác động tới khả năng lan truyền của KLN. Tính toán với hệ số R trễ =2 để đơn giản hóa điều kiện thực tế vì hấp phụ là hàm số của nồng độ KLN trong nước dưới đất biến thiên theo không gian và thời gian. Kết quả dự báo nếu KLN lan truyền trong miền MH1 đến tầng chứa nước sẽ
18 cần thời gian gấp 2 lần khi tính đến khả năng hấp phụ với hệ số R trễ. Tương tự với các miền MH2 và miền MH3 khi tính đến hệ số trễ R thời gian lan truyền sẽ chậm gấp 2 lần khi không có sự hấp phụ. Rất khó có thể xác định một cách chính xác các quá trình đã xảy ra và khả năng hấp phụ của đất đá trong môi trường dưới đất tác động tới khả năng lan truyền của KLN. Để đơn giản hóa điều kiện thực tế mô hình tính toán 1D sử dụng hệ số trễ =2 cho kết quả dự báo KLN lan truyền trong miền mặt cắt đất tự nhiên cạnh bãi rác đến tầng chứa nước sẽ cần thời gian gấp 2 lần khi tính đến khả năng hấp phụ. Tương tự với các miền mặt cắt đất dưới đáy hồ thu gom và chứa nước rỉ rác và mặt cắt dưới đáy bãi chôn lấp khi tính đến hệ số chậm trễ thời gian lan truyền sẽ chậm gấp 2 lần khi không có sự hấp phụ. 3.6.3. Xây dựng phương trình đánh giá lan truyền kim loại nặng với mô hình 3D Trong nghiên cứu này, tác giả xây dựng một thuật toán PTHH để giải phương trình lan truyền ô nhiễm theo biến thời gian t trong không gian 3 chiều x, y, z với giả thiết rằng độ thấm và độ phân tán của nồng độ chất ô nhiễm tương tự nhau theo 2 phương ngang x và y. Để rời rạc hóa phương trình lan truyền ô nhiễm trong không gian 3D gồm các phần tử hữu hạn, phương pháp sai phân hữu hạn được sử dụng cho cả biến thời gian và biến không gian x và z. Phương pháp này cũng có thể được gọi là phương pháp phần tử hữu hạn với các nút lưới của mỗi phần tử khối cách đều nhau ở khoảng cách Δx và Δz. Trong nghiên cứu này, thuật toán PTHH sau đây được xây dựng và các cú pháp lập trình Matlab được sử dụng để thực hiện thuật toán được đề xuất. Thuật toán PTHH: Tính toán nồng độ 𝐶 , tại nút lưới i, j và thời gian n Thông số đầu vào: Nồng độ ban đầu 𝐶 ; 𝐷𝑥 = 𝐷𝑦, 𝐷𝑧, 𝑢 = 𝑣, 𝑤; Bước thời gian 𝛥𝑡; Gia số của lưới 𝛥𝑥 = 𝛥𝑦, 𝛥𝑧; Giới hạn trên của gia số 𝑛 , 𝑛 , 𝑛 ; Đầu ra: 𝐶 , Kết quả mô phỏng lan truyền kim loại nặng trong không gian 3D Thực hiện nghiên cứu sự lan truyền Asen tại bãi rác Kiêu Kỵ, Gia Lâm bao gồm 2 bước chính được thực hiện như sau: