Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu xây dựng mô hình đánh giá khả năng tự làm sạch của nước sông, ứng dụng cho sông Nhuệ đoạn chảy qua thành phố Hà Nội

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:81

Thêm vào BST

Báo xấu

38
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nghiên cứu khả năng tự làm sạch của nguồn nước là một trong những cơ sở khoa học để đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm, từ đó đưa ra các biện pháp phù hợp nhằm kiểm soát và xử lý ô nhiễm nguồn nước. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu xây dựng mô hình đánh giá khả năng tự làm sạch của nước sông, ứng dụng cho sông Nhuệ đoạn chảy qua thành phố Hà Nội

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Đỗ Thị Hiền NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TỰ LÀM SẠCH CỦA NƯỚC SÔNG, ỨNG DỤNG CHO SÔNG NHUỆ ĐOẠN CHẢY QUA THÀNH PHỐ HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội, 2016
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Đỗ Thị Hiền NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TỰ LÀM SẠCH CỦA NƯỚC SÔNG, ỨNG DỤNG CHO SÔNG NHUỆ ĐOẠN CHẢY QUA THÀNH PHỐ HÀ NỘI Chuyên ngành: Hóa môi trường Mã số: 60440120 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Lê Thị Trinh PGS.TS. Trần Hồng Côn Hà Nội, 2016
LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS. Trần Hồng Côn đã tin tưởng giao đề tài và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu làm luận văn. Em xin được gửi lời biết ơn sâu sắc tới cô giáo TS. Lê Thị Trinh, Khoa Môi trường, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội. Cô đã tận tình giúp đỡ, dạy bảo và hướng dẫn em trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn. Em cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô giáo là cán bộ quản lý tại Phòng thí nghiệm Khoa Môi trường, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn tốt nghiệp của mình. Đồng thời em xin gửi lời cám ơn đến các thầy, cô giáo trong Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, người thân trong gia đình, bạn bè và các anh, chị đồng nghiệp đã truyền đạt kiến thức, giúp đỡ và ủng hộ em trong suốt thời gian qua. Em xin chân thành cảm ơn! Học viên cao học Đỗ Thị Hiền
MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN ......................................................................................... 3 1.1. Khả năng tự làm sạch của nguồn nước ................................................................. 3 1.1.1. Giới thiệu chung về khả năng tự làm sạch của nguồn nước ...................... 3 1.1.2. Các quá trình xảy ra khi nước tự làm sạch ................................................. 3 1.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tự làm sạch của nguồn nước ............ 7 1.2. Khả năng tiếp nhận chất thải của nguồn nước .................................................... 16 1.2.1. Khái niệm khả năng tiếp nhận chất thải của nguồn nước ........................ 16 1.2.2. Các yếu tố tác động đến khả năng tiếp nhận chất thải của nguồn nước .. 17 1.3. Tổng quan về phương pháp, mô hình đánh giá khả năng tự làm sạch và khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm của nguồn nước ........................................................... 17 1.3.1. Đánh giá khả năng tự làm sạch của nguồn nước dựa trên khoảng cách từ nguồn thải ........................................................................................................... 17 1.3.2. Đánh giá khả năng tự làm sạch của nguồn nước dựa trên tải lượng chất ô nhiễm .................................................................................................................. 18 1.3.3. Đánh giá khả năng tự làm sạch của nguồn nước bằng phương pháp mô hình hóa .............................................................................................................. 19 1.3.4. Đánh giá khả năng tiếp nhận chất thải của nguồn nước theo thông tư số 02/2009/TT-BTNMT ......................................................................................... 20 1.3. Tổng quan về sông Nhuệ .................................................................................... 23 1.3.1. Giới thiệu chung về sông Nhuệ ................................................................ 23 1.3.2. Hiện trạng chất lượng nước sông Nhuệ ................................................... 25 CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........ 28 2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 28 2.2. Cách tiếp cận ....................................................................................................... 28 2.3. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu ....................................................................... 28 2.3.1. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................. 28 2.3.2. Nội dung nghiên cứu ................................................................................ 29
2.4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 29 2.5. Thực nghiệm ....................................................................................................... 29 2.5.2. Xây dựng mô hình nghiên cứu ................................................................. 33 2.5.3. Đánh giá khả năng tự làm sạch của nước sông trong mô hình ................ 35 2.5.4. Đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm của nước sông Nhuệ bằng mô hình ..................................................................................................................... 36 2.5.6. Phương pháp phân tích các thông số chất lượng nước ............................ 40 CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................................... 42 3.1. Kết quả đánh giá chất lượng nước sông Nhuệ và khảo sát quá trình tự làm sạch theo khoảng cách từ nguồn thải ................................................................................. 42 3.2.1. Kết quả đo nhanh các thông số nhiệt độ, pH, DO trong mô hình ............ 44 3.2.2. Đánh giá khả năng tự làm sạch đối với các thông số ............................... 47 3.3. Kết quả đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm của nước sông Nhuệ trong mô hình ...................................................................................................................... 54 3.3.1. Khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm a = Lls/2 ....... 55 3.3.2. Khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm a = Lls........... 56 3.3.3. Khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm a = 2Lls......... 58 3.3.4. Khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm a = 10Lls....... 59 3.3.5. Khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm a = 50Lls....... 60 3.3.6. Khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm a = 100Lls..... 61 KẾT LUẬN ................................................................................................................... 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 66 PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 69
DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 2.1. Các vị trí lấy mẫu khảo sát ........................................................................... 30 Bảng 2.2. Mô tả các điều kiện lấy mẫu khảo sát chất lượng nước sông Nhuệ ............. 32 Bảng 2.3. Ký hiệu các vị trí lấy mẫu tại mô hình ......................................................... 34 Bảng 2.4. Thiết bị đo đạc các thông số đo nhanh ......................................................... 40 Bảng 2.5. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu trong Phòng thí nghiệm ....................... 41 Bảng 3.1. Kết quả phân tích chất lượng nước sông Nhuệ............................................. 42 Bảng 3.2. Khả năng tự làm sạch của sông Nhuệ trên một đơn vị chiều dài qua 4 đợt quan trắc ........................................................................................................................ 43 Bảng 3.3. Kết quả phân tích COD................................................................................. 47 Bảng 3.4.Tốc độ tự làm sạch của nước sông đối với thông số COD ............................ 49 Bảng 3.5. Kết quả phân tích hàm lượng NH4+ .............................................................. 49 Bảng 3.6. Tốc độ tự làm sạch của nước sông đối với thông số NH4+ ........................... 51 Bảng 3.7. Kết quả phân tích hàm lượng NO3- ............................................................... 51 Bảng 3.8. Kết quả phân tích hàm lượng tổng P ............................................................ 53 Bảng 3.9. Tốc độ tự làm sạch của nước sông đối với thông số tổng P ......................... 54 Bảng 3.10. Kết quả đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm a = Lls/2.......................................................................................................................... 55 Bảng 3.11. Kết quả đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm a = Lls ............................................................................................................................. 56 Bảng 3.12. Khả năng tiếp nhận của nước sông khi giá trị thêm a = Lls ........................ 57 Bảng 3.13. Kết quả đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm 2Lls ................................................................................................................................. 59 Bảng 3.14. Kết quả đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm 10Lls ............................................................................................................................... 59 Bảng 3.15. Kết quả đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm 50Lls ............................................................................................................................... 60 Bảng 3.16. Kết quả đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm 100Lls ............................................................................................................................. 61 Bảng 1. Kết quả đo nhanh các thông số nhiệt độ, pH, DO trong mô hình đánh giá khả năng tự làm sạch của nước sông ................................................................................... 70
DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1.1. Phân chia các vùng của dòng chảy theo khả năng tự làm sạch của nguồn nước ................................................................................................................................. 7 Hình 1.2. Sự thay đổi DO theo khoảng cách về phía hạ lưu tính từ điểm nhận nước thải ......................................................................................................................................... 9 Hình 1.3. Mối quan hệ giữa nồng độ DO và số vi sinh vật ở các vùng khác nhau ......... 9 Hình 1.4. Độ hoà tan oxy trong nước ở các nhiệt độ khác nhau ................................... 14 Hình 1.5. Sự hoà tan oxy trong dòng chảy rối .............................................................. 15 Hình 1.6. Sự hoà tan oxy trong dòng chảy chậm .......................................................... 15 Hình 1.7. Đường cong diễn biến DO điển hình ............................................................ 20 Hình 1.8. Bản đồ lưu vực sông Nhuệ - Đáy trên địa bàn Hà Nội ................................. 25 Hình 2.1. Sơ đồ vị trí lấy mẫu ....................................................................................... 31 Hình 2.2. Cống thải ngay trước vị trí SN1 .................................................................... 31 Hình 2.3. Sơ đồ các mô hình thí nghiệm đánh giá khả năng tự làm sạch của nước sông trong phòng thí nghiệm ................................................................................................. 33 Hình 2.4. Hình ảnh mô hình đánh giá khả năng tự làm sạch của nước sông trong phòng thí nghiệm...................................................................................................................... 33 Hình 2.5. Sơ đồ quy trình thực nghiệm đánh giá khả năng tự làm sạch bằng mô hình 36 Hình 2.6. Sơ đồ quy trình thực nghiệm đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm bằng mô hình .......................................................................................................................... 40 Hình 3.1. Diễn biến thông số nhiệt độ .......................................................................... 45 Hình 3.2. Diễn biến thông số pH................................................................................... 45 Hình 3.3. Diễn biến thông số DO .................................................................................. 46 Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của thông số COD ........................................... 48 Hình 3.5. Diễn biến thông số NH4+ ............................................................................... 50 Hình 3.6. Diễn biến thông số NO3- ............................................................................... 52 Hình 3.7. Diễn biến thông số tổng P ............................................................................. 53 Hình 1.a. Sông Nhuệ tại vị trí SN1 ngày 21/3/2016 ..................................................... 72 Hình 1.b. Sông Nhuệ tại vị trí SN2 ngày 21/3/2016 ..................................................... 72 Hình 2. Hình ảnh của mẫu nước nghiên cứu trong các cột ........................................... 72 Hình 3. Các mẫu nước lấy từ mô hình sau 3 ngày tự làm sạch..................................... 72 Hình 4.a. Mẫu nước ở 3 cột trước khi bắt đầu thêm nước thải giả định ....................... 72 Hình 4.b. Mẫu nước ở 3 cột sau khi thêm nước thải giả định a = 100Lls .................... 72
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT BOD : Nhu cầu oxy sinh hóa BHC : Benzen hecxa clorua COD : Nhu cầy oxy hóa học CSUL : Khả năng tự làm sạch trên một đơn vị chiều dài DDT : Diclo diphenyl tricloetan DO : Oxy hòa tan trong nước DObh : Lượng oxy hão hòa trong nước QCVN : Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia QCCP : Quy chuẩn cho phép TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam TN : Tổng nitơ TP : Tổng photpho
MỞ ĐẦU Sông, hồ là những công trình thiên nhiên hoặc nhân tạo, là nguồn cung cấp nước mặt, đồng thời là nơi tiếp nhận nước mưa, nước thải sinh hoạt, công nghiệp… Ở những điều kiện bình thường, trong nguồn nước sẽ diễn ra một chu trình kín của sự cân bằng giữa sự sống của các loài động thực vật và vi sinh vật. Sự sống của chúng có quan hệ tương hỗ với nhau. Khi nguồn nước bị ô nhiễm bởi nước thải sinh hoạt và công nghiệp sẽ tạo thành một dư lượng chất gây phá vỡ chu trình. Tuy nhiên, sau một khoảng cách nào đó từ nguồn ô nhiễm tùy thuộc lượng các chất ô nhiễm, lưu lượng nước nguồn,… những chu trình bình thường sẽ được phục hồi trở lại. Sự phục hồi này gọi là sự tự làm sạch. Mỗi nguồn nước đều có khả năng tự làm sạch của nó. Ví dụ như khi một dòng sông bị ô nhiễm bởi các chất hữu cơ nó sẽ khôi phục lại trạng thái sạch ban đầu bởi các quá trình tự nhiên như hiện tượng pha loãng, lắng cặn, quá trình khử chất ô nhiễm bởi sinh vật. Tuy nhiên, hiện nay hầu hết các nguồn nước mặt như sông ngòi đều đang phải “oằn mình” gánh chịu vô số các nguồn thải khác nhau được đổ xuống làm cho dòng sông ngày càng bị ô nhiễm. Trong số đó không thể không nhắc tới sông Nhuệ, một con sông điển hình về mức độ ô nhiễm mà hầu hết mọi người đều biết đến. Sông Nhuệ là một phụ lưu của sông Đáy. Sông dài khoảng 76 km, chảy qua địa phận thành phố Hà Nội và tỉnh Hà Nam. Trong những năm gần đây, sự phát triển kinh tế - xã hội trên sông Nhuệ diễn ra rất mạnh mẽ, đem lại nhiều lợi ích kinh tế góp phần nâng cao đời sống cho người dân. Tuy nhiên, ngoài những lợi ích mang lại thì tình trạng ô nhiễm môi trường nói chung và môi trường nước nói riêng trên sông Nhuệ ngày càng gia tăng, gây ảnh hưởng đến sức khoẻ cho cộng đồng dân cư sống quanh vùng. Sông Nhuệ đoạn chảy qua thành phố Hà Nội là nơi tiếp nhận nước thải sinh hoạt, nước thải làng nghề tại các vùng ven sông. Bên cạnh đó, tình trạng đổ phế thải, 1
rác thải xuống sông còn phổ biến. Chính vì luôn phải tiếp nhận lượng chất thải quá lớn nên dòng sông đã bị ô nhiễm nghiêm trọng. Nghiên cứu khả năng tự làm sạch của nguồn nước là một trong những cơ sở khoa học để đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm, từ đó đưa ra các biện pháp phù hợp nhằm kiểm soát và xử lý ô nhiễm nguồn nước. Xuất phát từ thực tiễn trên, chúng tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu xây dựng mô hình đánh giá khả năng tự làm sạch của nước sông, ứng dụng cho sông Nhuệ đoạn chảy qua thành phố Hà Nội”. Đây là kết quả nghiên cứu ban đầu, mang tính thăm dò và định hướng thông qua những thử nghiệm ở điều kiện đơn giản. Để có cơ sở khoa học thực hiện các nghiên cứu tiếp theo ở mức độ sâu hơn và hoàn thiện hơn. 2
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 1.1. Khả năng tự làm sạch của nguồn nước 1.1.1. Giới thiệu chung về khả năng tự làm sạch của nguồn nước Nước thải được pha loãng với nguồn nước tiếp nhận đến một khoảng nào đó thì được xáo trộn hoàn toàn với nước nguồn. Ở những điều kiện bình thường, trong nguồn nước sẽ diễn ra một chu trình kín thiết lập sự cân bằng giữa sự sống của các loài động thực vật và vi sinh vật. Khi nguồn nước bị ô nhiễm bởi các hoạt động do con người tạo ra hoặc do tự nhiên, hàm lượng các chất hóa học trong nước tăng, tạo thành lượng dư chất phá vỡ các chu trình chuyển hóa tự nhiên. Sự ô nhiễm quá mức sẽ phá vỡ các cân bằng của sinh vật, sự hòa tan oxy... Tuy nhiên, tiếp theo một khoảng cách nào đó về hạ nguồn, tùy thuộc nồng độ các chất gây ô nhiễm trong nước, lưu lượng nước nguồn, các điều kiện thuỷ động lực của dòng chảy,..., những chu trình bình thường sẽ được phục hồi trở lại. Có thể nói, tự làm sạch là tổ hợp các quá trình tự nhiên như: vật lý, hóa học, sinh học,... diễn ra trong sông hồ bị nhiễm bẩn từ các nguồn ô nhiễm và từ đó nguồn nước có thể phục hồi trạng thái (thành phần và tính chất) ban đầu [1,25]. 1.1.2. Các quá trình xảy ra khi nước tự làm sạch Tự làm sạch bao gồm hai quá trình cơ bản: Quá trình pha loãng nguồn thải với nguồn nước tiếp nhận và quá trình chuyển hoá chất bẩn theo thời gian. Hai quá trình này diễn ra đồng thời nhưng cường độ của chúng phụ thuộc vào vị trí, tính chất của nguồn thải, các yếu tố thuỷ động học dòng chảy như vận tốc, mực nước, lưu lượng, hệ số nhám, hệ số khuếch tán rối, hình thái sông hồ, độ khúc khuỷu của dòng chảy và các điều kiện môi trường khác. - Quá trình pha loãng nguồn thải với nguồn nước tiếp nhận: 3
Đây là một trong những yếu tố chính làm giảm nồng độ chất bẩn khi xả vào nguồn nước. Trong quá trình pha loãng, tổng lượng chất bẩn được coi như không thay đổi cho cả trường hợp chất ô nhiễm bền vững và không bền vững. Đối với các nguồn tiếp nhận nước thải (sông, hồ), quá trình xáo trộn và pha loãng của nguồn tiếp nhận và nguồn thải có ý nghĩa rất lớn trong việc bảo vệ nguồn nước: + Giảm được nồng độ chất ô nhiễm tại các điểm cục bộ trong sông hồ; + Phân bố đều tải trọng chất ô nhiễm trong toàn bộ dung tích nước nên tăng cường được quá trình tự làm sạch (phân bố tải trọng chất ô nhiễm cho vi sinh vật); + Do giảm được tải lượng chất bẩn cục bộ, phù hợp với khả năng tự điều chỉnh của hệ sinh thái vực nước nên độ ổn định của hệ được bảo đảm; + Dựa vào số lần pha loãng nước nguồn với nước thải, chúng ta có thể xác định được mức độ xử lý nước thải cần thiết và thiết lập được các biện pháp bảo vệ sông hồ khác. - Quá trình chuyển hoá chất bẩn theo thời gian: Các quá trình hoá lý và sinh hoá diễn ra theo xu hướng làm giảm nồng độ chất bẩn theo các quá trình oxy hóa sinh hoá các chất hữu cơ, lắng đọng chất lơ lửng, hấp thụ chất ô nhiễm, và tích tụ sinh học các chất bẩn không hoà tan trong chuỗi thức ăn, tái xâm nhập chất bẩn từ trầm tích vào nước… Kết quả cuối cùng của các quá trình này là phục hồi một phần hoặc toàn bộ trạng thái ban đầu của nguồn nước. Dưới đây là các quá trình chuyển hóa thường diễn ra trong quá trình tự làm sạch của nguồn nước: + Các quá trình oxy hóa sinh hoá các chất bẩn (chủ yếu là chất hữu cơ) trong nước, trong cặn lơ lửng và trong cặn đáy; 4
+ Các quá trình trực tiếp oxy hóa chất ô nhiễm nhờ oxy hoà tan trong nước hoặc oxy hóa quang hoá…; + Các quá trình hoá lý: hấp thụ, keo tụ, lắng, tạo các chất khó hoà tan, bay hơi, tạo váng bọt…; + Các quá trình dinh dưỡng để tích tụ các chất bẩn và chất độc hại trong chuỗi thức ăn hoặc bài tiết chúng thành cặn lắng; + Các quá trình cạnh tranh sinh học dẫn đến việc tiêu diệt các loại vi khuẩn gây bệnh và vi sinh vật có hại trong nước. Tốc độ chuyển hoá chất ô nhiễm trong từng quá trình trên phụ thuộc vào hàng loạt yếu tố như thành phần và đặc điểm quần xã thuỷ sinh vật trong vực nước, nhiệt độ nước, độ pH, cường độ ánh sáng, độ sâu lớp nước, thành phần cặn lơ lửng và các chất hoà tan, đặc điểm bùn đáy,… Để đơn giản cho việc nghiên cứu, đánh giá quá trình tự làm sạch nguồn nước, người ta chia ra các vùng làm sạch theo không gian trong dòng chảy sông. Mỗi vùng được đặc trưng bởi các điều kiện hoá, lý, sinh học mà có thể quan sát kiểm tra đánh giá được. Các vùng đó là: - Vùng phân huỷ: Được hình thành ngay sau nguồn nước tiếp nhận nước thải và được biểu hiện bởi độ đục và màu đen của nước. Ở đây sẽ diễn ra sự phân huỷ kỵ khí; sự tiêu thụ oxy tăng nhanh, xuất hiện CO2 và NH4+. Các dạng sinh vật bậc cao, đặc biệt là cá sẽ bị chết hoặc là chúng phải rời đi nơi khác. Nấm có thể hình thành và xuất hiện thành khối màu nâu trắng hoặc màu xám như những chiếc đũa nhỏ và chìm xuống; vi khuẩn xuất hiện ít hơn nấm. Trong cặn lắng có một loài ấu trùng roi; loài này nuốt cặn và thải cặn ra ở dạng ổn định và lại được các sinh vật khác sử dụng. - Vùng phân huỷ mạnh: Vùng này thấy rất rõ khi nước bị ô nhiễm nặng và đặc trưng bởi sự thiếu hụt oxy hoà tan, diễn ra sự phân huỷ kỵ khí. Các bọt khí và bùn cặn 5
có thể xuất hiện trên mặt nước tạo thành váng màu đen. Nước sẽ có màu xám đen và có mùi hôi thối của các hợp chất chứa lưu huỳnh. Các vi sinh vật chủ yếu là vi khuẩn kỵ khí, nấm hầu như đã biến mất; các loài động vật bậc cao cũng rất ít, chỉ có một ít loài ấu trùng, côn trùng... - Vùng phục hồi: Vùng này nhiều chất hữu cơ đã lắng đọng xuống ở dạng cặn. Cặn bị phân huỷ kỵ khí dưới đáy hoặc trong dòng nước chuyển động. Vì nhu cầu tiêu thụ oxy của nước nhỏ hơn tốc độ làm thoáng bề mặt nên tình trạng được cải thiện, nước được trong hơn. Lượng CO2, NH4+ giảm và oxy hoà tan, NO2-, NO3- tăng lên. Vi khuẩn có xu hướng giảm về số lượng vì việc cung cấp thức ăn bị giảm, chúng chủ yếu là loài hiếu khí. Nấm xanh, tảo xuất hiện đã sử dụng các hợp chất chứa nitơ và CO2 rồi giải phóng oxy giúp cho việc làm thoáng và hoà tan oxy mạnh mẽ hơn. Tiếp theo, nhu cầu tiêu thụ oxy giảm; các loài khuê tảo cũng ít hơn; xuất hiện các loài nguyên sinh động vật, nhuyễn thể, các thực vật nước; quần thể cá cũng ổn định dần và tìm thức ăn trong vùng này. - Vùng nước trong: Ở đây dòng chảy đã trở lại trạng thái tự nhiên và có các loài phù du thông thường của nước sạch. Do ảnh hưởng của độ phì dưỡng do ô nhiễm trước đây cho nên các loài phù du sẽ xuất hiện với số lượng lớn. Nước trở lại trạng thái cân bằng oxy - lượng oxy hoà tan lớn hơn lượng oxy tiêu thụ - trạng thái ban đầu của nước đã được phục hồi hoàn toàn. Trong quá trình phục hồi, coliforms và các sinh vật gây bệnh cũng đã giảm về số lượng vì môi trường không thuận lợi cho chúng và xuất hiện những sinh vật chủ đạo. Tuy nhiên một số loài gây bệnh còn tồn tại trong vùng nước trong, do đó có thể nước vẫn còn bị ô nhiễm bởi vi khuẩn gây bệnh và không thể dùng cho ăn uống, sinh hoạt nếu không được xử lý. Khả năng tự làm sạch của nước sẽ diễn ra không đạt kết quả khi trong nước thải có chứa các chất độc hại đối với sự sống của các sinh vật; quá trình tự làm sạch của 6
nước chỉ diễn ra khi các chất độc hại trong nước bị phân hủy hoặc pha loãng hay lý do nào khác. Vì vậy cần phải giám sát chặt chẽ hàm lượng các chất độc hại trong nước thải [11]. Hình 1.1. Phân chia các vùng của dòng chảy theo khả năng tự làm sạch của nguồn nước 1.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tự làm sạch của nguồn nước a. Nồng độ oxy hòa tan Nồng độ oxy hòa tan (DO) trong nước là một yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng đến quá trình tự làm sạch của nước. Nếu trong nước có nồng độ oxy hòa tan lớn (điều kiện hiếu khí) thì hoạt động của nhóm vi sinh vật hiếu khí được đẩy mạnh, quá trình phân hủy chất hữu cơ diễn ra nhanh và tạo ra các sản phẩm cuối cùng ít độc hại. Trong trường hợp này ta có sơ đồ chuyển hóa dưới tác dụng của vi khuẩn [1]: Cacbon hữu cơ + O2 → CO2 Hydro hữu cơ + O2 → H2 O 7
Nito hữu cơ + O2 → NO− 3 Lưu huỳnh hữu cơ + O2 → SO2− 4 Photpho hữu cơ + O2 → PO3− 4 Ngược lại nếu nồng độ oxy hòa tan thấp thì việc phân hủy chất hữu cơ sẽ do nhóm vi sinh vật yếm khí thực hiện, sản phẩm tạo ra có mùi hôi và có tính độc hại. Cacbon hữu cơ + O2 → CO2 , CH4 Nito hữu cơ + O2 → NH3 Lưu huỳnh hữu cơ + O2 → H2 S Photpho hữu cơ + O2 → PH3 Sự thay đổi độ hòa tan oxy vào trong nguồn nước phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Tùy theo lượng chất hữu có thải ra trong dòng chảy, lượng oxy hòa tan sẽ biến đổi như biểu đồ trong hình 1.2 [1]: 8
Hình 1.2. Sự thay đổi DO theo khoảng cách về phía hạ lưu tính từ điểm nhận nước thải Sự thay đổi và mối quan hệ giữa nồng độ DO và số lượng vi sinh vật ở các vùng nước trong quá trình tự làm sạch được biểu thị trong hình 1.3 [1]. Hình 1.3. Mối quan hệ giữa nồng độ DO và số vi sinh vật ở các vùng khác nhau Tại điểm xả nước thải, nhu cầu oxy cho việc phân hủy các chất hữu cơ vượt quá tốc độ hòa tan của oxy từ khí quyển vào nguồn nước, do đó nồng độ oxy hòa tan sẽ giảm đi và lượng vi sinh vật bắt đầu tăng lên. Tại một điểm nào đó ở hạ lưu, tốc độ hòa tan oxy khí quyển vào nguồn nước cân bằng với tốc độ tiêu thụ oxy của vi sinh vật. Sau điểm này, nồng độ oxy hòa tan lại tăng lên từ từ tới giá trị bão hòa. Do lượng chất hữu cơ trong nước đã bị phân hủy gần hết và lượng vi sinh vật cũng giảm theo. b. Loại chất hữu cơ Tốc độ tự làm sạch của nguồn nước phụ thuộc vào tính chất của chất hữu cơ gây ô nhiễm. Có những chất hữu cơ dễ dàng bị phân hủy như protein, đường, chất béo… và cùng có chất khó phân hủy như lignin, xenlulozo… Những chất hợp chất hữu cơ cơ clo như DDT, BHC (benzen hecxa clorua)… có tính bền sinh học cao nên tồn tại 9
khá lâu trong nước. Các chất mùn là những chất hữu cơ phức tạp rất bền đối với sự phân hủy sinh học nên thường tồn tại dưới dạng bùn cặn màu đen hay nâu đen [1]. c. Các loài thủy sinh vật * Thực vật - Thực vật phù du (tảo) làm giàu oxy trong nước nhờ quá trình quang hợp : Tảo + ánh sáng H2O + CO2 tế bào tảo mới + H2O + O2 Oxy hòa tan trong nước cần cho quá trình phân hủy chất hữu cơ, làm giảm các nguyên tố dinh dưỡng trong nước. Thực vật phù du còn là nguồn thức ăn cho các loài sinh vật ăn thực vật. Bên cạnh đó, nhờ các phản ứng xúc tác sinh học có sự tham gia của tảo mà nhiều chất lắng và khoáng sản được hình thành [3]. Tuy nhiên nếu thực vật phù du phát triển quá mạnh thì khi chúng chết đi, xác của chúng lại làm nguồn nước bị nhiễm bẩn. - Những loài thực vật lớn cũng làm giàu oxy trong nước và làm giảm lượng các chất dinh dưỡng, tham gia tích cực vào việc khử các chất độc, dễ tách khỏi bùn nước [9]. * Vi sinh vật Vi sinh vật đóng vai trò chính trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ, chúng có khả năng phân hủy nhiều loại hợp chất hữu cơ, là nguồn thức ăn cho các sinh vật ở mức tiếp theo. Các chất bẩn hữu cơ ở dạng hòa tan, keo, không hòa tan sẽ bị hấp phụ lên bề mặt của tế bào vi khuẩn, sau đó chúng được chuyển hóa và phân hủy. Quá trình này được thực hiện trên bề mặt tế bào vi khuẩn nhờ men ngoại bào permeaza làm chất xúc tác. Một phần chất hữu cơ được vận chuyển qua màng tế bào vi khuẩn vào bên 10
trong và tiếp tục oxi hóa giải phóng năng lượng để tổng hợp thành tế bào chất, sinh khối vi sinh vật sẽ tăng lên [17,18]. Vi sinh vật oxi hóa các chất hữu cơ bằng cách hô hấp và lên men. - Trong điều kiện hiếu khí, các hợp chất hữu cơ đơn giản như các loại đường, tinh bột, chất béo, protein… cũng như các hợp chất hữu cơ tự nhiên hoặc tổng hợp phức tạp được phân hủy do quá trình hô hấp của vi sinh vật. Quá trình oxy hóa sinh hóa diễn ra bằng cách sử dụng oxy hòa tan có sẵn trong nước. Quá trình này được gọi là hô hấp hiếu khí. Các vi sinh vật tham gia được gọi là vi sinh vật hiếu khí. Quá trình hô hấp hiếu khí có thể biểu diễn bằng phương trình phản ứng như sau: Chất hữu cơ + O2  VI KHUAN  tế bào vi khuẩn mới + H2O + CO2 + PO43- + NO3- - Trong điều kiện oxy hòa tan trong nước không sẵn có, một số vi sinh vật được gọi là vi sinh vật yếm khí và một số được gọi là vi sinh vật tuỳ nghi sẽ tách oxy trong liên kết nitrat, nitrit hoặc sunfat để oxy hóa các hợp chất hữu cơ. Sản phẩm tạo ra từ quá trình này là các chất mang tính khử như H2S, NO2- hoặc N2. - Trong môi trường giàu chất hữu cơ và không có oxy hòa tan, các cơ chất có thể oxy hóa theo nguyên lý lên men. Vi khuẩn thực hiện quá trình này là các loại vi khuẩn kỵ khí, các sản phẩm tạo thành là CH4, H2S, axit hữu cơ. Quá trình lên men kỵ khí gồm bốn giai đoạn: - Giai đoạn thủy phân: Các chất hữu cơ phức tạp được thủy phân thành những chất đơn giản như monosacrit, axit amin… với sự tham gia các men của vi sinh vật. Các hợp chất đơn giản này là nguồn thức ăn và năng lượng cho vi sinh vật hoạt động. - Giai đoạn axit hóa: Sản phẩm của giai đoạn thủy phân được vi sinh vật tiếp tục phân giải thành các axit hữu cơ. Giai đoạn này gọi là giai đoạn lên men axit. Chất hữu cơ  VI KHUAN  Tế bào vi khuẩn mới + hỗn hợp axit hữu cơ 11
- Giai đoạn axetat hóa: Các vi khuẩn tạo metan vẫn không thể sử dụng các sản phẩm của quá trình axit hóa, các chất này cần được phân giải tiếp thành CH3COOH, H2, CO2. CH3CH2COO- + 3H2O  CH3COO- + HCO3- + 2H+ + 3H2 CH3(CH2)2COO- + 2H2O  CH3COO- + 2H+ + 2H2 - Giai đoạn sinh metan: Đây là giai đoạn cuối cùng của quá trình lên men kỵ khí. Ở đây, những vi sinh vật sinh metan đóng vai trò chủ yếu. Những vi sinh vật này bao gồm: Nhóm 1: Loại vi sinh vật Hidrogenotrophe methanogen sử dụng H2 và CO2. Lượng metan tạo ra khoảng 30%. CO2 + 4H2  CH4 + 2H2O Nhóm 2: Loại vi sinh vật Acetotrophe methanogen chuyển hóa axit axetic thành CH4 và CO2. Khoảng 70% lượng metan được tạo ra. CH3COOH  CH4 + CO2 Nhóm 3: Loại vi sinh vật Methylotrophe methanogen phân giải các chất chứa nhóm metyl. Một lượng CH4 không đáng kể được tạo thành: CH3OH + H2  3CH4 + CO2 + 2H2O Nhóm 4: Một số loại vi sinh vật khác có khả năng sử dụng các axit hữu cơ như axit propionic: 4CH3CH2COOH + 2H2O  4CH3COOH + 2CO2 + 2CH4 Giai đoạn sinh metan xảy ra chậm, năng lượng giải phóng thấp. Như vậy, thông qua hoạt động của vi sinh vật, quá trình tự làm sạch của nguồn nước diễn ra nhưng đồng thời, hàm lượng oxy hòa tan trong nước sẽ giảm đi. Do đó, 12