CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về phú dưỡng 1.1 Khái niệm, cơ chế hình thành phú dưỡng 1.1 Khái niệm Hiện tượng phú dưỡng (hay phú dưỡng) là một dạng gây suy giảm chất lượng nước thường xảy ra ở các hồ, hồ chứa do nồng độ các chất dinh dưỡng trong hồ tăng quá cao, chủ yếu là phốt pho [4], gây bùng phát thực vật thủy sinh bao gồm tảo trôi nổi tự do, tảo bám dính hay cộng sinh và thực vật nước có rễ hay còn gọi là hiện tượng nở hoa trong nước, dẫn đến làm tăng hàm lượng các chất lơ lửng, chất hữu cơ, làm suy giảm lượng oxy hòa tan trong nước nhất là ở tầng đáy gây ảnh hưởng không tốt đến chất lượng và hệ sinh thái nước [5].2 Cơ chế hình thành Khi mới hình thành, các hồ đều ở tình trạng nghèo dinh dưỡng, nước thường khá trong. Chất dinh dưỡng đến hồ được bổ sung từ nước mưa, dòng chảy mang phù sa giàu chất dinh dưỡng, khoáng chất, trầm tích, sự phân hủy xác động thực vật thủy sinh và chất thải của chúng. Do các chất rắn, trầm tích lắng xuống đáy hồ và sự phát triển mạnh của các loài thực vật có rễ ở ven bờ làm cho hồ nước ngày trở nên nông hơn và diện tích mặt thoáng ngày càng bị thu hẹp nên hồ tự nhiên sẽ dần biến thành các đầm lầy sau đó trở thành các đồng cỏ [6]. Sự tăng trưởng của thực vật nổi đặc biệt là tảo là một trong những quá trình chủ yếu của phú dưỡng.
Sinh khối thực vật nổi được sản sinh thông qua quá trình quang hợp bằng cách sử dụng năng lượng mặt trời và các chất vô cơ được tóm tắt như sau [1]: Ánh sáng + 6CO2 + 6H2O = C6H12O6 + 6O2 (1-1) Trong đó glucose (C6H12O6) đại diện cho hợp chất hữu cơ trong thực vật. Thực vật nổi sản sinh ra oxy thông qua quá trình quang hợp và tiêu thụ oxy thông qua quá trình hô hấp. Lượng oxy sản sinh ra phụ thuộc vào dạng nitơ vô cơ sử dụng cho quá trình tăng trưởng của thực vật nổi được thể hiện trong phương trình sau [7]: 106CO +16NH +HPO +106H O NL NTVL C H O N P + 106O + 15H (1-2) 6 106CO +16NO +HPO +122H O+17H NL NTVL C H O N P +138O (1-3) Khi cường độ bức xạ mặt trời tăng lên sẽ cung cấp thêm nguồn năng lượng cho quá trình quang hợp dẫn đến sinh khối của thực vật nổi tăng khi sử dụng các chất dinh dưỡng dưới dạng hòa tan. Cơ chế này tiếp diễn đến khi chất dinh dưỡng trong nước không đáp ứng được nhu cầu phát triển của thực vật nổi thì sự gia tăng sinh khối sẽ dừng lại [8].2 Nguyên nhân gây phú dưỡng Theo nhiều nghiên cứu, có nhiều nguyên nhân dẫn đến phú dưỡng nhưng chủ yếu do nồng độ các chất dinh dưỡng trong vùng nước cao, đặc biệt là các muối đa lượng của nitơ và phốt pho [9], nhiệt độ nước ấm, cường độ bức xạ mặt trời ở mức cao, giá trị pH cao và nồng độ CO2 thấp [10], [11].
Đối với các vùng nước chịu ảnh hưởng của các nguồn thải đầu vào thì nguyên nhân chính gây ra phú dưỡng là do các nguồn đầu vào chứa nhiều chất dinh dưỡng [12]. Các nguồn thải chủ yếu gây ra phú dưỡng là từ khu vực đô thị và từ hoạt động sản xuất nông nghiệp. Trong đó, nguồn thải đô thị (công nghiệp, sinh hoạt) đóng góp một lượng đáng kể các chất dinh dưỡng đổ vào hệ thống sông, hồ. Thêm vào đó tại các đô thị, việc sử dụng các chất tẩy rửa trong sinh hoạt nên nước thải sinh hoạt là một trong những nguồn bổ sung phốt pho quan trọng đổ vào các vùng nước [13].
Có hai loại nguồn dinh dưỡng chủ yếu là nguồn điểm và nguồn phân tán. Các nguồn phân tán thường là mối quan tâm lớn hơn nguồn điểm vì lượng lớn, phạm vi rộng và khó kiểm soát hơn. Các nguồn phân tán như lắng đọng từ khí quyển và nước chảy tràn trên bề mặt đã thay thế nguồn điểm là tác nhân chính gây phú dưỡng trong nhiều loại vùng nước khác nhau [14]. Nguồn cung cấp nitơ và phốt pho từ sự lắng đọng của khí quyển bao gồm khuếch tán từ không khí (lắng đọng khô) và mưa (lắng đọng ướt) là nguồn dinh dưỡng đáng kể từ bên ngoài cho hệ sinh thái dưới nước đặc biệt với các vùng nước ở trong các khu vực đô thị khi ít có sự gia nhập của các nguồn thải tập trung.
Chất ô nhiễm được lắng đọng trực tiếp hoặc gián tiếp vào trong các vùng nước và ảnh hưởng đến chất lượng nước của chúng. Lắng đọng trực tiếp xảy ra khi các chất ô nhiễm được lắng đọng lên bề mặt 7 của vùng nước còn lắng đọng gián tiếp xảy ra khi các chất ô nhiễm được lắng đọng trên bề mặt đất trước và sau đó được rửa trôi vào trong nước thông qua lượng nước mưa chảy tràn [15]. Trong đó, sự lắng đọng nitơ có nồng độ cao hơn so hơn với phốt pho bao gồm nitơ vô cơ hòa tan và một số hợp chất hữu cơ khác [6] bởi trong thành phần của không khí nitơ chiếm tới 78% theo thể tích. Theo nghiên cứu của FISRWG trong nước mưa nồng độ trung bình của TN là 0,9 mg/l trong khi đó TP là 0,015 mg/l [16].
Ở Việt Nam theo nghiên cứu của Minju Lee et al. Thêm vào đó nghiên cứu của Nguyen Thi Thu Thuy et al. Từ các nghiên cứu cho thấy nồng độ chất dinh dưỡng trong nước mưa ở khu vực Hà Nội khá cao góp phần cung cấp thêm nguồn dinh dưỡng cho các hồ. Thêm vào đó do ảnh hưởng của quá trình đô thị hóa khi thảm thực vật trên bề mặt đệm được thay bằng những toà nhà, khu trung tâm thương mại, bãi đậu xe, mặt đường giao thông và các công trình dân dụng khác đã làm cho bề mặt đệm không thấm tăng lên ở đô thị.
Bề mặt đệm không thấm tăng cùng với các hoạt động phát triển kinh tế trên bề mặt đệm làm nhiều chất ô nhiễm tích luỹ trên bề mặt và khi mưa các chất ô nhiễm sẽ cuốn trôi theo nước mưa chảy tràn [18]. Nguồn chất dinh dưỡng trong nước mưa chảy tràn đổ vào hồ là một trong những nguồn quan trọng làm suy thoái chất lượng nguồn nước trong đó có các chất hữu cơ chủ yếu là hợp chất của nitơ và phốt pho. Nước mưa chảy tràn có nồng độ TN trong khoảng từ 3-10 mg/l và TP từ 0,2-1,7 mg/l [16]. Ở Việt Nam trong nghiên cứu của Nguyễn Văn Hồng khi phân tích các mẫu nước mưa chảy tràn đặc trưng cho khu vực đô thị ở thành phố Hồ Chí Minh trong năm 2013-2014 có giá trị nồng độ trung bình các chất hữu cơ bao gồm TN là 2,82 (2,016-3,98) mg/l, NH4-N là 1,46 (0,905- 1,976) mg/l, NO3-N là 0,201 (0,056-0,371) mg/l và TP là 0,608 (0,135-1,126) mg/l [18].
8 Ngoài ra chất dinh dưỡng tuần hoàn từ quá trình bài tiết của các sinh vật, sự phân hủy và trao đổi các chất dinh dưỡng ở bề mặt trầm tích đáy và cột nước góp phần lớn thúc đẩy quá trình phú dưỡng trong hồ.3 Phương pháp đánh giá phú dưỡng hồ Đánh giá phú dưỡng là điều cần thiết để xác định mức độ phú dưỡng trong khu vực nghiên cứu để có cái nhìn tổng thể, từ đó đề xuất các giải pháp phù hợp để giảm thiểu tác động tiêu cực của chúng. Để nhận biết trạng thái dinh dưỡng trong các vùng nước, một số thuật ngữ như nghèo dinh dưỡng, dinh dưỡng trung bình, phú dưỡng và siêu phú dưỡng đã được định nghĩa để sử dụng [19]. Nghèo dinh dưỡng là trạng thái hồ có nồng độ chất dinh dưỡng thấp, không có động thực vật thủy sinh. Những hồ này có rất ít thực vật nổi và thích hợp cho mục đích cấp nước.
Trung dưỡng là trạng thái hồ có nồng độ dinh dưỡng trung bình, đời sống của động thực vật thủy sinh khá phong phú và cho thấy những dấu hiệu ban đầu các vấn đề chất lượng nước. Phú dưỡng là trạng thái hồ có nhiều chất dinh dưỡng tập trung, sinh vật nổi phát triển phong phú, cho thấy dấu hiệu ngày càng lớn các vấn đề chất lượng nước. Siêu phú dưỡng là trạng thái hồ mà nồng độ chất dinh dưỡng chiếm ưu thế, sự phát triển của thực vật thủy sinh được xác định bởi các yếu tố vật lý. Các vấn đề chất lượng nước gần như liên tục và trở nên nghiêm trọng.
Sinh vật thủy sinh ngưng phát triển ở độ sâu thấp hơn khi nồng độ oxy hòa tan suy giảm [20]. Có nhiều nghiên cứu phát triển phương pháp đánh giá phú dưỡng và điển hình trong số đó là phương pháp của Hakanson et al. (2007) khi tập trung sử dụng giá trị nồng độ của các thông số TN, TP và Chlorophyll-a (Chl.a) để phân chia thành các mức độ dinh dưỡng [21].1 Phân loại mức độ dinh dưỡng hồ theo phương pháp Hakanson [21] Nghèo dinh Dinh dưỡng Siêu phú Thông số Phú dưỡng dưỡng trung bình dưỡng Tổng phốt pho (mg/l) < 0,008 0,008 – 0,025 0,025 – 0,06 > 0,06 Tổng nitơ (mg/l) < 0,06 0,06 – 0,18 0,18 – 0,43 > 0,43 Chl.a (g/l) <2 2–6 6 – 20 > 20 Hiện nay nồng độ TN và TP được coi là yếu tố chính gây ra hiện tượng phú dưỡng trong hệ sinh thái nước ngọt. Như vậy với phương pháp của Hakanson đánh giá mức 9 độ phú dưỡng trong hồ cần tập trung phân tích các thông số TN, TP đại diện cho nồng độ các chất dinh dưỡng trong hồ và thông số Chl.a để xem xét sự phát triển của thực vật nổi trong hồ.
Đây là phương pháp có độ tin cậy cao khi sử dụng các thông số cơ bản đặc trưng cho nguyên nhân gây ra phú dưỡng và đã được sử dụng rộng rãi với nhiều đối tượng hồ khác nhau khi có độ sâu và ở các vùng khí hậu khác nhau. Tuy nhiên, giàu chất dinh dưỡng trong nước chỉ là điều kiện cần chứ chưa phải là điều kiện đủ cho “sự bùng nổ tảo”. Phú dưỡng không có khả năng xảy ra nếu nồng độ TN và TP trong nước ở mức thấp, nhưng cũng có thể không xảy ra trong nước khi TN và TP ở nồng độ cao nếu các điều kiện khác như nhiệt độ, ánh sáng và vận tốc dòng nước không thuận lợi. Thêm vào đó phương pháp đánh giá mức độ phú dưỡng theo chỉ số trạng thái dinh dưỡng Carlson (Trophic State Index-TSI).
Phương pháp Carlson tập trung vào xây dựng công thức tính toán trạng thái dinh dưỡng với mối liên hệ với giá trị nồng độ TP và Chl.a bởi TP là chất dinh dưỡng hạn chế chủ yếu cho sự phát triển của thực vật nổi và Chl.
