Đánh giá mức độ phân rã hữu cơ sinh học ở Cửa Bé - Nha Trang

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 2/2014<br /> <br /> THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC<br /> <br /> ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ PHÂN RÃ HỮU CƠ SINH HỌC<br /> Ở CỬA BÉ - KHÁNH HÒA<br /> ASSESSMENT OF BIODEGRADATION OF ORGANIC MATTER<br /> IN BE MOUTH - KHANH HOA<br /> Phan Minh Thụ1, Tôn Nữ Mỹ Nga2, Nguyễn Thị Miền3<br /> Ngày nhận bài: 03/10/2013; Ngày phản biện thông qua: 06/11/2013; Ngày duyệt đăng: 02/6/2014<br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Tốc độ phân rã sinh học chất hữu cơ thể hiện mức độ tự làm sạch của thủy vực. Hằng số tốc độ phân rã sinh học<br /> chất hữu cơ cao hay thấp có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình quản lý chất lượng môi trường của thủy vực. Dựa vào kết<br /> quả thực nghiệm của 10 đợt thu mẫu nước tại Cửa Bé (Khánh Hòa), cũng như giải phương trình Streeter & Phelps (1925)<br /> cho trường hợp BOD, hằng số tốc độ phân rã chất hữu cơ dao động 0,0643 - 0,3202 ngày-1. Giá trị này chịu sự chi phối<br /> bởi hàm lượng chất hữu cơ trong thủy vực, loại chất hữu cơ, chế độ thủy triều và khả năng trao đổi nước của thủy vực. Do<br /> đó, quản lý nguồn thải chất hữu cơ trực tiếp vào thủy vực phù hợp là việc làm cần thiết nhằm để nâng cao khả năng hồi<br /> phục của thủy vực.<br /> Từ khóa: phân rã sinh học, chất hữu cơ, tự làm sạch, BOD, vùng ven bờ<br /> <br /> ABSTRACT<br /> Rate of biodegradation of organic matter presented the capacity of self-purification in waters. The changes of the<br /> decay rate constants of organic matter would be able to impact significantly on approaches of water quality control. Based<br /> on laboratory experiment results of ten water samples collected at Be Mouth (Khanh Hoa) and solved the Streeter &<br /> Phelps’ function (1925) in the case of BOD, the decay rate constant of organic matter ranked in 0.0643 – 0.3202 day-1. This<br /> constant was contributed by concentration of organic matter in water bodies, kind of organic matters, tidal systems and<br /> water exchanges. Thus, the suitable management of organic matter waste, which discharged directly in the waters, would<br /> help to improve the capacity of recovering waters.<br /> Keywords: biodegradation, organic matter, self-purification, BOD, coastal waters<br /> <br /> I. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Ở vùng cửa sông và ven bờ biển, chất hữu cơ<br /> có nguồn gốc từ nhiều nguồn khác nhau. Chúng có<br /> thể được sản sinh ra từ quá trình quang tổng hợp<br /> chất hữu cơ của thực vật nổi; từ các quá trình trao<br /> đổi chất của các bậc dinh dưỡng khác nhau và là<br /> chất thải từ các sinh vật này, hoặc được vật chuyển<br /> từ biển vào, từ thượng nguồn xuống, và từ quá trình<br /> xáo trộn của chất hữu cơ trong nền đáy. Trong đó,<br /> hơn 60% chất hữu cơ ở vùng cửa sông và ven bờ<br /> có nguồn gốc từ chất thải do các hoạt động kinh tế<br /> xã hội. Tuy nhiên, các chất hữu cơ này luôn vận<br /> động, chúng bị chuyển hóa bởi các quá trình lý học,<br /> <br /> 1<br /> 2<br /> <br /> hóa học và sinh học. Chỉ có khoảng 1% chất hữu<br /> cơ trầm lắng xuống, 30% chất hữu cơ được vận<br /> chuyển ra khỏi hệ, còn lại phần lớn chất hữu cơ<br /> phân rã trong cột nước [5], [7], [ 9]. Chính nhờ điều<br /> này mà môi trường nước ven bờ ổn định và hồi<br /> phục lại trạng thái ban đầu.<br /> Chất lượng môi trường nước vịnh Nha Trang<br /> không chỉ chịu ảnh hưởng từ các hoạt động kinh<br /> tế, du lịch và nuôi trồng thủy sản nội tại trong vịnh<br /> mà còn chịu sự chi phối của vật chất có nguồn gốc<br /> lục nguyên từ lưu vực sông Cái và sông Bé. Trong<br /> đó, đáng chú ý hơn là lưu vực sông Bé, nơi sẽ<br /> tiếp nhận nguồn thải do hệ thống thoát nước của<br /> <br /> ThS. Phan Minh Thụ: Viện Hải dương học Nha Trang<br /> ThS. Tôn Nữ Mỹ Nga, 3 Nguyễn Thị Miền: Viện Nuôi trồng thủy sản – Trường Đại học Nha Trang<br /> <br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 57<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 2/2014<br /> <br /> toàn thành phố Nha Trang vận chuyển về đây. Trong<br /> tương lai gần, khi nhà máy nước xử lý nước thải<br /> sinh hoạt được xây dựng, nơi đây lại tiếp nhận<br /> nguồn nước sau khi xử lý đạt tiêu chuẩn. Tuy nhiên,<br /> khi đó, chất lượng môi trường nước trong khu vực<br /> này cũng ảnh hưởng rất nhiều. Do đó, việc đánh giá<br /> khả năng phân rã sinh học của chất hữu cơ ở Cửa<br /> Bé góp phần quản lý chất lượng môi trường nước<br /> trong khu vực nói riêng, vịnh Nha Trang nói chung,<br /> phục vụ phát triển kinh tế bền vững.<br /> II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br /> Quá trình đánh giá khả năng phân rã sinh học<br /> chất hữu cơ ở Cửa Bé được thực hiện từ kết quả thí<br /> nghiệm trong phòng của 10 mẫu nước thu tại Cửa<br /> Bé (hình 1) vào thời điểm nước chân triều và đỉnh<br /> triều của chu kỳ triều cường (bảng 1). Quá trình này<br /> được xác định dựa vào mối quan hệ giữa nhu cầu<br /> oxy sinh hóa (BOD) theo thời gian.<br /> <br /> Hình 1. Sơ đồ trạm vị nghiên cứu<br /> <br /> Bảng 1. Thời gian thu mẫu tại cầu Bình Tân<br /> Đợt<br /> <br /> Ngày thu mẫu<br /> <br /> TT<br /> <br /> 1<br /> <br /> 13/3/2012<br /> 13/3/2012<br /> 27/3/2012<br /> 27/3/2012<br /> 10/4/2012<br /> 10/4/2012<br /> 24/4/2012<br /> 25/4/2012<br /> 8/5/2012<br /> 9/5/2012<br /> <br /> 21h35’<br /> <br /> 2<br /> 3<br /> 4<br /> 5<br /> <br /> TC<br /> <br /> 13h23’<br /> 21h01’<br /> 12h29’<br /> 20h22’<br /> 12h00’<br /> 19h54’<br /> 11h25’<br /> 19h26’<br /> 11h17’<br /> <br /> Mẫu nước được xác định các giá trị BOD trong<br /> 1 ngày, 3 ngày, 5 ngày, 6 ngày, 10 ngày, 15 ngày và<br /> 20 ngày ở nhiệt độ 270C. BODi là sự suy giảm giá<br /> trị oxy hòa tan (DO) sau ngày thứ i so với ngày đầu<br /> trong điều kiện che tối. DO được định lượng bằng<br /> phương pháp Winkler [3]. Thêm vào đó, các yếu<br /> tố chất lượng nước cũng được kiểm tra. Độ mặn<br /> và pH đo bằng máy đa yếu tố YSI tại hiện trường<br /> với độ chính xác tương ứng 0,1 và 0,01. NH4+<br /> được xác định bằng phương pháp lên màu xanh<br /> Indophenol (phương pháp 4500-NH3), NO2- được<br /> xác định bằng phương pháp được lên màu với<br /> Acid sunlfanilamide và Naphthylamin (phương<br /> pháp 4500-NO2), NO3- được khử trên cột Cu-Cd và<br /> định lượng theo phương pháp NO2- và PO43- được<br /> xác định bằng phương pháp lên màu màu xanh<br /> Molypdenum (phương pháp 4500-P) [3]. Tất cả các<br /> yếu tố NH4+, NO2-, NO3- và PO43- định lượng bằng<br /> máy quang phổ khả kiến U2900.<br /> <br /> 58 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br /> Độ cao triều (m)<br /> <br /> Thời gian thu<br /> <br /> Thời tiết<br /> <br /> 0,9<br /> 1,8<br /> 0,9<br /> 1,8<br /> 0,8<br /> 1,8<br /> 0,8<br /> 1,7<br /> 0,6<br /> 1,9<br /> <br /> 21h40’<br /> 13h26’<br /> 21h00’<br /> 12h25’<br /> 20h15’<br /> 12h00’<br /> 19h50’<br /> 11h25’<br /> 19h23’<br /> 11h15’<br /> <br /> Trời nhiều mây<br /> Trời nắng<br /> Trời nhiều mây<br /> Trời nắng<br /> Trời mưa<br /> Trời nắng<br /> Trời mưa<br /> Trời nắng<br /> Trời nắng<br /> <br /> Đánh giá hằng số tốc độ phân rã chất hữu cơ<br /> được thực hiện dựa vào phương trình Streeter &<br /> Phelps [4], [8]. Phương trình tổng quát có dạng sau:<br /> dS<br /> -  = - kS<br /> (1)<br /> dt<br /> Trong đó: dS là giá trị BOD theo thời gian dt; S<br /> là giá trị BOD; K là hằng số phân rã chất hữu cơ.<br /> Giải phương trình này bằng cách kết hợp giữa<br /> giá trị thực nghiệm BOD theo thời gian và áp dụng<br /> phương pháp bình phương tối thiểu. Thêm vào<br /> đó, các số liệu so sánh giữa triều cao và triều thấp<br /> bằng phương pháp thống kê ANOVA one-tailed<br /> trên Excel.<br /> III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN<br /> 1. Đặc điểm môi trường vùng nghiên cứu<br /> Quá trình khoáng hóa các chất hữu cơ được<br /> thực hiện nhờ hoạt động của vi sinh vật dị dưỡng.<br /> Tốc độ của quá trình khoáng hóa (thông qua<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 2/2014<br /> <br /> BOD5, BOD10) và cường độ hoạt động của vi khuẩn<br /> dị dưỡng (thông qua biến động mật độ của chúng)<br /> phụ thuộc vào nhiều yếu tố môi trường, đặc biệt<br /> là: độ mặn, nhiệt độ, chất dinh dưỡng, DO… Kết<br /> quả khảo sát các thông số môi trường tại Cửa Bé<br /> trong thời gian nghiên cứu biến động mạnh<br /> theo thời gian (bảng 2). Tại thời điểm chân triều,<br /> <br /> độ mặn và pH thấp hơn có ý nghĩa thống kê so<br /> với thời điểm đỉnh triều (p < 0,05), ngược lại,<br /> muối dinh dưỡng PO43- và NO2- tại thời điểm chân<br /> triều cao hơn có ý nghĩa so với đỉnh triều (p < 0,05),<br /> trong khi đó, các yếu tố hóa môi trường khác như<br /> DO, muối dinh dưỡng NH4+ và NO3- không có sự<br /> khác nhau.<br /> <br /> Bảng 2. Các thông số môi trường tại Cửa Bé (từ 3 - 5/2012)<br /> Yếu tố<br /> <br /> Đơn vị tính<br /> <br /> Độ mặn<br /> <br /> ‰<br /> <br /> pH<br /> <br /> Triều thấp<br /> Min<br /> <br /> Max<br /> <br /> Triều cao<br /> Trung bình<br /> <br /> Min<br /> <br /> Max<br /> <br /> Trung bình<br /> <br /> 16,6<br /> <br /> 24,6<br /> <br /> 21,3 ± 3,0a<br /> <br /> 20,4<br /> <br /> 32,3<br /> <br /> 28,5 ± 4,7b<br /> <br /> 7,86<br /> <br /> 8,01<br /> <br /> 7,94 ± 0,06a<br /> <br /> 7,99<br /> <br /> 8,14<br /> <br /> 8,03 ± 0,06b<br /> <br /> DO<br /> <br /> mgO2/L<br /> <br /> 5,16<br /> <br /> 5,84<br /> <br /> 5,56 ± 0,28 a<br /> <br /> 5,63<br /> <br /> 6,62<br /> <br /> 6,08 ± 0,44 a<br /> <br /> NO2-<br /> <br /> mgN/m3<br /> <br /> 47,95<br /> <br /> 67,34<br /> <br /> 56,35 ± 8,08a<br /> <br /> 25,40<br /> <br /> 33,55<br /> <br /> 28,41 ± 3,20b<br /> <br /> NO3-<br /> <br /> mgN/m3<br /> <br /> 0<br /> <br /> 686,03<br /> <br /> 360,15 ± 333,03 a<br /> <br /> 0,00<br /> <br /> 198,27<br /> <br /> 94,18 ± 93,18 a<br /> <br /> NH4+<br /> <br /> mgN/m3<br /> <br /> 37,77<br /> <br /> 252,44<br /> <br /> 92,03 ± 92,34 a<br /> <br /> 25,82<br /> <br /> 100,40<br /> <br /> 46,78 ± 30,32 a<br /> <br /> PO43-<br /> <br /> mgP/m3<br /> <br /> 59,00<br /> <br /> 114,79<br /> <br /> 82,09 ± 26,87a<br /> <br /> 37,84<br /> <br /> 68,62<br /> <br /> 56,56 ± 11,61b<br /> <br /> a và b chỉ sự khác nhau (p < 0,05), a và a chỉ sự giống nhau<br /> <br /> 2. Đánh giá khả năng chuyển hóa chất hữu cơ<br /> Biến động BOD5, BOD10 trong pha triều cao diễn<br /> ra mạnh hơn so pha triều thấp (hình 2). BOD5 lúc<br /> đỉnh triều dao động 0,74 - 4,74 mgO2/L, trung bình<br /> đạt 2,23 ± 1,54 mgO2/L; lúc chân triều dao động 1,72<br /> - 2,85 mgO2/L, trung bình đạt 2,17 ± 0,44 mgO2/L.<br /> BOD10 lúc đỉnh triều dao động 1,16 - 5,59 mgO2/l,<br /> <br /> trung bình đạt 2,67 ± 1,74 mgO2/L; lúc chân triều dao<br /> động 2,79 - 4,82 mgO2/L, trung bình đạt 3,77 ± 0,84<br /> mgO2/L. Các giá trị cực trị của BOD5 và BOD10 được<br /> xác định khi có sự thay đổi mạnh của thời tiết, đặc<br /> biệt là khi mưa lớn, nước mưa chảy tràn ở lưu vực<br /> đã rửa trôi chất hữu cơ và đổ ra biển. Đó là lý do tại<br /> sao BOD5 và BOD10 tăng cao vào đợt thu mẫu thứ 4.<br /> <br /> Hình 2. Biến động hàm lượng BOD5 và BOD10 trong nước ở Cửa Bé theo thủy triều<br /> <br /> 3. Khả năng phân rã sinh học chất hữu cơ<br /> Kết quả thực nghiệm khả năng phân rã sinh học<br /> chất hữu cơ với mẫu nước thu được ở vùng Cửa Bé<br /> được trình bày ở hình 3. Mối quan hệ phi tuyến cao<br /> giữa giá trị BOD với thời gian, tức là quá trình phân<br /> rã tích lũy, tương tự quá trình phản ứng tự xúc tác.<br /> <br /> Điều này tương tự những nghiên cứu trước đây của<br /> Nguyễn Tác An và cs [1] và Nguyễn Hữu Huân và<br /> cs [2], quá trình phân rã chất hữu cơ của vịnh Nha<br /> Trang là quá trình tự xúc tác. Do đó, có thể áp dụng<br /> phương trình Streeter & Phelps [4], [8] để đánh giá<br /> tốc độ phân rã sinh học chất hữu cơ ở khu vực này.<br /> <br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 59<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 2/2014<br /> <br /> Hình 3. Quan hệ giữa BOD với thời gian phân rã sinh học chất hữu cơ lúc triều thấp (TT - trên) và triều cao (TC - dưới)<br /> <br /> Kết quả tính toán dựa vào công thức (1) và giá<br /> trị thực nghiệm (bảng 3) cho thấy tại thời điểm triều<br /> cao, hằng số tốc độ phân rã chất hữu cơ dao động<br /> trong khoảng 0,0643 - 0,3082 ngày-1, trung bình là<br /> 0,1214 ± 0,1052 ngày-1; và triều thấp có dao động<br /> trung bình trong khoảng 0,0883 - 0,3202 ngày-1,<br /> trung bình 0,1722 ± 0,1143 ngày-1. Trong thời gian<br /> đầu (tháng 3 và đầu tháng 4), quá trình phân rã chất<br /> hữu cơ diễn ra nhanh (hệ số k nhỏ), do lượng hữu<br /> cơ trong môi trường thấp (BOD5 và BOD10 thấp hình 2), trong khi đó khi mà lượng chất hữu cơ trong<br /> môi trường tăng cao ở thời gian sau (tháng 4 và<br /> 5), hệ số k tăng lên đáng kể (gấp 3 - 4 lần) làm<br /> giảm khả năng tự làm sạch. Điều đó có nghĩa là khi<br /> hàm lượng chất hữu cơ tăng cao, chất lượng môi<br /> trường suy giảm có nghĩa là khả năng phân rã chất<br /> hữu cơ cũng suy giảm theo. Hằng số tốc độ giai<br /> đoạn đầu của quá trình sinh hóa tiêu thụ oxy của<br /> nước thải sinh hoạt (trước khi đạt đến giai đoạn có<br /> dạng đường thẳng), thường dao động trong khoảng<br /> 0,1 - 0,3 ngày-1 [4], [6] .<br /> <br /> 60 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG<br /> <br /> Bảng 3. Hằng số tốc độ phân rã chất hữu cơ (K)<br /> ở Cửa Bé (đơn vị: ngày-1)<br /> Đợt<br /> <br /> K triều cao<br /> <br /> K triều thấp<br /> <br /> 1<br /> <br /> 0,0643<br /> <br /> 0,0883<br /> <br /> 2<br /> <br /> 0,0720<br /> <br /> 0,0855<br /> <br /> 3<br /> <br /> 0,0660<br /> <br /> 0,0952<br /> <br /> 4<br /> <br /> 0,3082<br /> <br /> 0,3202<br /> <br /> 5<br /> <br /> 0,0965<br /> <br /> 0,2716<br /> <br /> Trung bình<br /> <br /> 0,1214 ± 0,1052<br /> <br /> 0,1722 ± 0,1143<br /> <br /> Thêm vào đó, khi so sánh hằng số tốc độ phân<br /> rã của mẫu nước ở Cửa Bé với các thành phần hữu<br /> cơ khác cho thấy các hợp chất hữu cơ trong nước<br /> vùng Cửa Bé phần lớn là những hợp chất hữu cơ<br /> dễ phân rã. Glucose là một trong những hợp chất<br /> hữu cơ dễ phân hủy sinh hóa nhất trong thành phần<br /> nước thải sinh hoạt. Ngoài các hợp chất dễ phân<br /> hủy, còn có rất nhiều hợp chất khó phân hủy hơn<br /> như: cellulose, sáp, linhin,… Hằng số tốc độ phân<br /> hủy ở mẫu nước thí nghiệm vẫn lớn hơn phenol và<br /> <br /> Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản<br /> <br /> Số 2/2014<br /> <br /> một số hợp chất bền vững khác như: chlorobenzen, parathion,… Chúng có nguồn gốc từ chất thải sinh hoạt là<br /> chủ yếu.<br /> Sự khác nhau giữa hằng số tốc độ phân rã chất hữu cơ triều cao và triều thấp chứng tỏ khả năng tự làm<br /> sạch của Cửa Bé khi triều cao lớn hơn triều thấp. Điều này đồng nghĩa khả năng tự làm sạch Cửa Bé bị ảnh<br /> hưởng bởi thủy triều, tức là ảnh hưởng của khả năng trao đổi nước. Sự gia tăng khả năng trao đổi nước (pha<br /> loãng) giúp cho quá trình tự làm sạch của thủy vực tăng mạnh.<br /> IV. KẾT LUẬN<br /> Tốc độ phân rã sinh học chất hữu cơ thể hiện mức độ tự làm sạch của thủy vực. Giá trị trung bình của BOD5<br /> lúc đỉnh triều đạt 2,23 ± 1,54 mgO2/L và lúc chân triều đạt 2,17 ± 0,44 mgO2/L, trong khi đó, BOD10 lúc đỉnh triều<br /> đạt 2,67 ± 1,74 mgO2/L và lúc chân triều đạt 3,77 ± 0,84 mgO2/L. Hằng số tốc độ phân rã chất hữu cơ (K) trung<br /> bình lúc triều cao là 0,1214 ± 0,1052 ngày-1 và triều thấp là 0,1722 ± 0,1143 ngày-1. Các giá trị BOD5, BOD10 và<br /> hằng số tốc độ phân rã chất hữu cơ biến động mạnh, phụ thuộc vào hàm lượng chất hữu cơ, loại chất hữu cơ,<br /> khả năng trao đổi nước của vùng và chế độ thủy triều.<br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> Tiếng Việt<br /> 1.<br /> <br /> Nguyễn Tác An, Lê Lan Hương, Phan Minh Thụ, 1999. Sơ bộ đánh giá khả năng tự làm sạch ở vực nước ven bờ Nha Trang.<br /> Tuyển tập nghiên cứu biển. Tập. IX. 123 – 136.<br /> <br /> 2.<br /> <br /> Nguyễn Hữu Huân, Hồ Hải Sâm, Phan Minh Thụ, 2001. Động học quá trình sinh hoá tiêu thụ oxy trong nước vùng cửa sông<br /> Cái (Nha Trang). Tuyển tập báo cáo khoa học Hội nghị khoa học “Biển Đông 2000”, 19 - 22/9/2000. Nha Trang: 287-294.<br /> <br /> 3.<br /> <br /> APHA, 2005. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 21st Edition. American Public Health<br /> Association.<br /> <br /> 4.<br /> <br /> Gotovtsev, A.V., Danilov-Danilyan, V.I. & Nikanorov, A.M., 2012. BOD monitoring problems. Water Resources 39: 546-555.<br /> <br /> 5.<br /> <br /> Hedges, J. I. and Keil, R. G., 1995. Sedimentary organic matter preservation: an assessment and speculative synthesis. Mar.<br /> Chem., 49: 81-115.<br /> <br /> 6.<br /> <br /> Leonov, A.B, 1974. Generalization, typification and kinetic analysis of the biochemical consumption of oxygen curves based<br /> on BOD-experiments. Oceanologia (Oceanology), XIV: 82-87.<br /> <br /> 7.<br /> <br /> Middelburg, J. J. and Meysman, F. J. R., 2007. Burial at sea. Science, 316: 1294-1295.<br /> <br /> 8.<br /> <br /> Streeter, H. W. and Phelps, E. B., 1925. A Study of the pollution and natural purification of the Ohio river. III. Factors<br /> concerned in the phenomena of oxidation and reaeration. Public Health Bulletin No. 146, Reprinted by U.S. Department of<br /> Health, Education and Welfare. Public Health Service, 1958, 75.<br /> <br /> 9.<br /> <br /> Suess, E., 1980. Particulate organic carbon flux in the oceans - surface productivity and oxygen utilization. Nature,<br /> 288: 260-263.<br /> <br /> Tiếng Anh<br /> <br /> TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 61<br /> <br />