CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 1. Khả năng tự làm sạch của nguồn nước 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]. 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com + 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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]. Phân chia các vùng của dòng chảy theo khả năng tự làm sạch của nguồn nước 1. 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
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.