CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU VÀ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan về sức tải môi trường 1. Các khái niệm Sức tải môi trường (STMT) là một hướng nghiên cứu của khoa học môi trường, mới được phát triển trong hơn ba thập kỷ gần đây.
Bắt đầu từ cuối những năm 1980, Nhóm các chuyên gia về khoa học ô nhiễm biển (GESAMP) [3] đã tìm hiểu về khái niệm, cách tiếp cận liên quan đến STMT. Sau này, với việc phát triển của các công cụ mô hình hóa, hướng nghiên cứu này đã được áp dụng tại một số lĩnh vực như trong nuôi trồng thủy sản, du lịch, kiểm soát nguồn thải v. Đặc biệt, trong khoảng 15 năm trở lại đây, dưới sức ép của các quy hoạch phát triển và sự suy thoái của tài nguyên và môi trường, hướng nghiên cứu STMT được phát triển và áp dụng khá rộng rãi. Vấn đề đặt ra là cần làm rõ các khái niệm, hiểu đúng bản chất của STMT và có phương pháp tính toán đúng đắn để có thể áp dụng vào trong thực tiễn quản lý nguồn thải và bảo vệ môi trường.
Ngoài khái niệm về STMT, các khái niệm về khả năng tự làm sạch và cân bằng chất ô nhiễm trong thủy vực cũng có mối liên quan chặt chẽ với nhau, bổ sung cho nhau. Khả năng tự làm sạch của thủy vực: Các chất ô nhiễm khi đi vào các thủy vực tự nhiên như sông, hồ và biển sẽ bị biến mất dần dần theo thời gian. Việc loại bỏ các chất ô nhiễm từ các thủy vực mà không có bất kỳ can thiệp nào của con người được gọi là quá trình tự làm sạch, hoặc sự làm sạch tự nhiên [4]. Cơ chế của quá trình tự làm sạch tự nhiên có thể chia làm 3 nhóm: vật lý, hóa học và sinh học [2].
Quá trình vật lý đóng góp vào việc loại bỏ chất ô nhiễm từ thủy vực tự nhiên bao gồm pha loãng/trộn lẫn bằng các dòng chảy, khuyếch tán chất ô nhiễm trong nước và kết tủa/lắng đọng chất ô nhiễm xuống trầm tích đáy. Sự bay hơi của các chất ô nhiễm dễ bay hơi vào bầu khí quyển cũng làm giảm chất ô nhiễm trong nước. Quá trình hóa học liên quan đến việc loại bỏ các chất ô nhiễm khỏi vực nước là sự oxi hóa bởi các chất ô xi hóa như ozon và oxy, sự oxi hóa bởi tia tử ngoại; quá trình khử và sự trung hòa. 4 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật Quá trình sinh học bao gồm sự thoái hóa/chuyển đổi các chất ô nhiễm hữu cơ bởi vi khuẩn dưới các điều kiện hiếu khí hoặc yếm khí, cũng như sự tham gia của các vi khuẩn trong quá trình nitrat hóa và phản nitrat hóa tương ứng.
Quá trình sinh học giữ một vai trò quan trọng trong cơ chế làm sạch nước ở các thủy vực tự nhiên. Việc loại bỏ chất ô nhiễm khỏi thủy vực bằng phương pháp sinh học thường được gọi là “tự làm sạch đúng nghĩa” và sự tự làm sạch tổng số “lý, hóa, sinh” được gọi là “tự làm sạch biểu kiến”. Cân bằng chất ô nhiễm trong thủy vực: Nghiên cứu về cân bằng các chất ô nhiễm cung cấp cơ sở để dự báo động thái ô nhiễm của các vùng nước biển và đại dương theo những giá trị cho trước về phát thải các chất ô nhiễm, xây dựng những khuyến cáo về chế độ phát thải tối ưu và xác định các mức chịu tải cho phép tới hạn hay dung lượng dung hòa của biển với các chất ô nhiễm. Vlađimirov trong cuốn “Bảo vệ Môi trường” [5], về định tính, cân bằng các chất ô nhiễm đối với biển nói chung có thể biểu diễn bằng sơ đồ sau: ∆C = C vào – C ra Ở đây ∆C là gia lượng nồng độ chất ô nhiễm sau thời gian t, C vào là phát thải chất ô nhiễm vào thủy vực (bao gồm phát thải từ bờ, phát thải do sông mang ra, phát thải trực tiếp từ biển như tàu, giàn khoan v.v; lượng chất tới trong quá trình trao đổi nước, lượng chất xâm nhập từ khí quyển vào nước) và C ra là lượng chất ô nhiễm ra khỏi thủy vực trong thời gian t (bao gồm lượng chất đi do trao đổi nước, lượng chất đi từ biển vào không khí, lượng chất bị phân hủy hóa học, sinh hóa và lượng chất lắng đọng vào bùn đáy).
Sự bảo tồn trạng thái bình thường của môi trường biển đòi hỏi phải thỏa mãn những điều kiện hạn chế: 0< C ≤ NĐTHCP và ∆C < 0 trong đó NĐTHCP là nồng độ tới hạn cho phép của các chất ô nhiễm. Sức tải môi trường: Với quan điểm tiếp cận phòng ngừa ô nhiễm, năm 1986, UNESCO đã công bố báo cáo của Nhóm các chuyên gia về khoa học ô nhiễm biển (GESAMP), theo đó, sức tải môi trường (Environmental carrying capacity hay Environmental capacity) được định nghĩa "là một tài sản của môi trường và được xác định như khả năng chứa đựng các hoạt động hay là tốc độ các hoạt động (ví dụ thể tích chất thải trên một đơn vị 5 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật thời gian, số lượng chất thải nạo vét trên một đơn vị thời gian, số lượng các muối khoáng được chiết trên một đơn vị thời gian) mà không có các tác động bất lợi" [3]. STMT sẽ biến đổi theo đặc trưng khu vực, loại và lượng thải, các hoạt động hoặc các nguồn tài nguyên, các tiện ích bị ảnh hưởng. Theo định nghĩa này, cần phải làm rõ ngưỡng nào của môi trường thì có các tác động bất lợi.
Trong cuộc hội thảo diễn ra từ ngày 12 -15/5/2002 tại Malaysia về “Xác định sức tải môi trường khu vực biển và ven bờ: tiến trình, sự bắt buộc và lựa chọn tương lai”, một loạt các khái niệm và cách hiểu về STMT được đưa ra. Đây là một sự tổng hợp toàn diện các kết quả nghiên cứu về STMT cho tới thời điểm đó. Về phía nuôi trồng loài hai mảnh vỏ, STMT được định nghĩa là ”trữ lượng tối đa của một hệ sinh thái cụ thể với mức sản xuất tối đa mà không có các ảnh hưởng bất lợi đến tốc độ tăng trưởng’’ [6]. Định nghĩa này khá hẹp do chỉ tập trung vào các loài hai mảnh vỏ trong NTTS.
Mục đích là tối đa sức sản xuất và tối ưu sự kết hợp các loài và đóng góp vào việc giảm thiểu các tác động môi trường do việc nuôi trồng. Cũng liên quan đến nuôi trồng loài hai mảnh vỏ, khả năng tải đã được điều chỉnh thành bốn loại [7]: 1) Khả năng tải vật lý - "tổng diện tích các trang trại biển có thể được chứa đựng trong không gian vật lý sẵn có"; 2) Khả năng tải sản xuất - "mật độ thả của loài hai mảnh vỏ sao cho thu hoạch đạt tối đa "; 3) Khả năng tải sinh thái - "mật độ thả giống hoặc mật độ trang trại mà tại đó gây ra các tác động sinh thái không thể chấp nhận được"; 4) Khả năng tải xã hội - "mức phát triển nông trại mà tại đó gây ra các tác động xã hội không thể chấp nhận." Do hệ sinh thái có nhiều chức năng nên nhu cầu quản lý bền vững càng ngày càng gia tăng. Vì vậy, một định nghĩa chung về sức tải ở mức hệ sinh thái có thể là “một sự thay đổi mà một quá trình phải chịu trong một hệ sinh thái cụ thể mà không có sự thay đổi về cấu trúc và chức năng của nó quá các giới hạn cho phép” [8]. Tương tự như vậy, “khả năng tải” đề cập đến mức sản xuất (quy mô sản xuất hoặc mật độ nuôi trồng) mà không gây ra “tác động bất lợi đến môi trường rộng hơn” [9].
Ngắn gọn hơn, khả năng tải (CC – Carrying Capacity), tức là mật độ thả giống mà tại đó sức khỏe hệ sinh thái không bị tổn hại [10]. Ken Furuya (2003) [11], đề cập rằng STMT có thể được định nghĩa theo nhiều cách bởi vì các thủy vực ven bờ có các chức năng khác nhau. Hiểu biết về chu kỳ vật 6 Luận án tiến sĩ Kĩ thuật chất trong tự nhiên và các HST sẽ cho ta những kiến thức quan trọng trọng việc định nghĩa STMT. Định nghĩa của Furuya về STMT khá đơn giản, là sức sản xuất tối đa hoặc trữ lượng tối đa với tác động môi trường ít nhất.
Khái niệm STMT này cũng khá hẹp như các khái niệm của Pedro Duarte (2003) [6] chỉ tập trung vào 1 số loài trong HST, trong khi ngoài NTTS, thủy vực còn chịu tác động của nhiều hoạt động khác. Chang Hee- Lee, (2003) [12] tiếp cận STMT qua việc tính toán tổng lượng thải tối đa thải ra hồ Shihwa để điều chỉnh và xử lý nguồn phát thải sao cho chất lượng nước trong hồ đạt đến mức có thể sử dụng cho công nghiệp và tưới tiêu. Công trình này được thực hiện dựa vào ý tưởng tổng tải lượng ô nhiễm từ các lưu vực và các nguồn nội tại cần phải được kiểm soát trong năng lực đồng hóa của nguồn nước tiếp nhận. Hệ thống này đã được thực hiện ở Nhật Bản và Mỹ dưới dạng “Hệ thống kiểm soát tổng tải lượng ô nhiễm phạm vi rộng” và “tổng tải lượng tối đa hàng ngày” (TMDL), tương ứng.
Trong vòng 10 năm trở lại đây, khái niệm “sức tải môi trường nước” (water environmental carrying capacity) được nghiên cứu khá nhiều, mang ý nghĩa rộng hơn và có nhiều cách hiểu. Trong một nghiên cứu ở thành phố Hoài An nằm ở lưu vực sông Huaihe, STMT nước được định nghĩa là “quy mô dân số và kinh tế lớn nhất mà môi trường nước có thể hỗ trợ ở một khu vực cụ thể trong một khoảng thời gian mà không ảnh hưởng xấu đến môi trường nước khu vực” [13]. Cũng mang ý nghĩa như vậy, STMT nước được hiểu là “tốc độ tiêu thụ tài nguyên và xả thải tối đa có thể được duy trì vô thời hạn trong một khu vực nhất định mà không làm giảm tính toàn vẹn chức năng và năng suất của HST có liên quan” [14]. Ở đây, STMT nước không chỉ đề cập đến chất thải, chất lượng môi trường mà còn mở rộng đến tài nguyên, mức tiêu thụ tài nguyên, tính dễ tổn thương của môi trường nước và cả các yếu tố kinh tế - xã hội khác như trình độ công nghệ, thể chế v.