Bài viết trình bày xác định ảnh hưởng của độ mặn đến tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước sông Cái nhằm nâng cao hiệu quả, tính chính xác, độ tin cậy trong đánh giá khả năng tự làm sạch của dòng sông, góp phần bảo vệ chất lượng nước sông.
Nghiên cứu khoa học công nghệ XÁC ĐỊNH ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ MẶN ĐẾN TỐC ĐỘ PHÂN HỦY CHẤT HỮU CƠ TRONG NƯỚC SƠNG CÁI Nguyễn Văn Sơn* Tóm tắt: Một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy chất hữu nước sông độ mặn Kết nghiên cứu cho đối tượng sông Cái, nhánh sông Đồng Nai, với độ mặn khác S = 0,5‰, S = 1,0‰, S = 2,0‰, S = 3,0‰, S = 4,0‰ xác định tốc độ phân hủy chất hữu nước sông Cái giảm độ mặn gia tăng mối tương quan hệ số tốc độ phân hủy chất hữu độ mặn phương pháp Slope Từ khóa: Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ; Độ mặn; Sông Cái ĐẶT VẤN ĐỀ Một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến kết đánh giá khả tự làm dịng sơng hệ số thực nghiệm hay gọi hệ số phân hủy hay hệ số tốc độ phân hủy Đối với trình phân hủy chất hữu nước sông, hệ số thực nghiệm hệ số phân hủy chất hữu vi khuẩn Trên giới, hướng nghiên cứu liên quan đến khả tự làm dịng sơng như: nghiên cứu khả tự làm dựa vào đặc trưng dòng chảy; nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến loại bỏ chất ô nhiễm dòng chảy; nghiên cứu xác định hệ số liên quan đến khả tự làm dòng sơng Tại Việt Nam có số cơng trình nghiên cứu khả tự làm dòng sông thực với công cụ sử dụng để đánh giá mơ hình tốn; có cơng trình nghiên cứu hệ số phân hủy chất hữu nước sông, đặc biệt nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố đến tốc độ phân hủy chất hữu nước sông [1] Tốc độ phân hủy chất hữu nước sông q trình sinh hóa phụ thuộc vào yếu tố khác như: nhiệt độ, pH, độ mặn, ơxy hịa tan (DO), thành phần chất hữu cơ, lưu lượng dòng chảy, ổn định cột nước phân tầng Một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ phân hủy chất hữu nước sông độ mặn [2] Sông Cái nhánh sông Đồng Nai, chảy qua địa bàn xã Đại Phước, Long Tân Phú Thạnh huyện Nhơn Trạch, tỉnh Đồng Nai Sông Cái với chiều dài khoảng 10 km, chiều rộng 220-380 m, độ sâu dòng 15-20 m tùy theo vị trí Sơng Cái có chức năng: vận tải (giao thông thủy, vận chuyển phù sa), sản xuất (cung cấp nước cho sinh hoạt tưới tiêu), bảo vệ (thoát lũ, tiếp nhận đồng hóa chất nhiễm, điều hịa vi khí hậu) Với chức nêu cho thấy sông Cái có vai trị quan trọng khu vực Xác định ảnh hưởng độ mặn đến tốc độ phân hủy chất hữu nước sông Cái nhằm nâng cao hiệu quả, tính xác, độ tin cậy đánh giá khả tự làm dịng sơng, góp phần bảo vệ chất lượng nước sông VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu Theo TCVN 6663-6:2018, mẫu nước sông lấy để đo đạc, phân tích thực theo dạng mẫu đơn mẫu tổ hợp (trộn mẫu đơn) Sự hòa trộn dòng nước xảy theo chiều: chiều thẳng đứng (lấy mẫu theo độ sâu), chiều ngang (lấy mẫu từ bờ sang bờ kia), chiều dài dịng sơng (lấy mẫu dọc theo chiều dài sông) Mẫu nước sông Cái lấy thực cho nghiên cứu mẫu tổ hợp theo chiều thẳng đứng, chiều ngang chiều dài dịng sơng Sơng Cái với chiều dài khoảng 10 km, theo chiều dài dịng sơng, lấy mẫu vị trí, vị trí cách 2,0-2,5 km, kí hiệu N1-N5 (hình 1) Tại vị trí, theo chiều thẳng đứng chiều ngang, lấy mẫu: dòng lấy mẫu theo độ sâu, Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san HNKH dành cho NCS CBNC trẻ, 11 - 2021 223 Hóa học - Sinh học - Môi trường bờ phải lấy mẫu theo độ sâu, bờ trái lấy mẫu theo độ sâu, bờ phải lấy mẫu bờ trái lấy mẫu (hình 2) Mẫu nước sơng Cái cho nghiên cứu mẫu tổ hợp 45 mẫu đơn Sử dụng thiết bị lấy mẫu nước sông theo độ sâu hãng Wildco (Mỹ) Mẫu lấy can nhựa (lấy đầy can), bảo quản lạnh nhiệt độ 1-5 oC, sau vận chuyển phịng thí nghiệm ngày Hình Các điểm lấy mẫu theo chiều dài dịng sơng Cái Hình Các điểm lấy mẫu mặt cắt sông Cái Sử dụng thiết bị BOD EZ-Oxyro 4R Respirometer Hàn Quốc để phân tích BOD (hình hình 4) Sử dụng hóa chất KOH dạng hạt (độ tinh khiết 85% hãng Scharlau/Tây Ban Nha) để hấp thụ CO2 sinh trình hô hấp Sử dụng oxy tinh khiết (độ tinh khiết 99,999% hãng Qingdao/Trung Quốc) cấp vào để cân áp suất bình phản ứng Thiết bị dựa sụt giảm áp suất tạo trình hơ hấp vi khuẩn Trong mơi trường kín, q trình hơ hấp diễn dẫn đến oxy bị giảm Đồng thời, CO2 sinh trình với tỷ lệ tương đương CO2 hấp thụ hạt KOH, tạo thành K2CO3 Sự giảm sút áp suất bình phản ứng đo cảm biến áp suất Cảm biến dùng điểm áp suất không đổi khác để làm điểm tham chiếu áp suất Khi cảm biến kích hoạt, hệ thống tự động bơm lượng oxy vào bình phản ứng [3] Để xác định ảnh hưởng độ mặn đến tốc độ phân hủy chất hữu nước sông, NaCl tinh khiết (độ tinh khiết 99,5% hãng Merck/Đức) cho vào mẫu nước sơng trước phân tích thiết bị BOD EZ-Oxyro 4R Respirometer Hình Thiết bị EZ-Oxyro 4R Respirometer Hình Nguyên lý đo BOD EZ-Oxyro 4R Respirometer 2.2 Phương pháp nghiên cứu Ở điều kiện hiếu khí, hợp chất hữu vài hợp chất vơ vi khuẩn 224 Nguyễn Văn Sơn, “Xác định ảnh hưởng độ mặn … chất hữu nước sông Cái.” Nghiên cứu khoa học công nghệ sử dụng để tạo thành tế bào mới, lượng, CO2 phần lại Lượng ơxy sử dụng để ơxy hóa hợp chất hữu hợp chất nitơ khoảng 60-90 ngày gọi BOD toàn phần (uBOD) Lượng ôxy sử dụng để ôxy hóa hợp chất hữu (La) ngày thứ 20 phản ánh 99% La [4] Định luật Phelps cho tốc độ ôxy hóa sinh hóa chất hữu tỷ lệ thuận với nồng độ chất hữu lại chưa bị ôxy hóa Định luật Phelps biểu diễn phương trình vi phân [4]: (1) Lấy tích phân vế (1): ∫ ∫ (2) Trong đó: - Lt: BOD lại sau thời gian t ngày (mg/l); - La: BOD toàn phần giai đoạn (mg/l); - K1: Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ số e (ngày-1), K1 = 2,303k1; - k1: Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ số 10 (ngày-1), k1 = 0,4343K1; - e: Cơ số e, e=2,7183 Nhu cầu ôxy tiêu thụ theo thời gian t, hay cịn gọi BOD tiêu thụ hay BOD, kí hiệu y, theo phương trình phản ứng bậc 1: (3) Hoặc theo log10: ( ) (4) Phương pháp Slope phương pháp Thomas, H A., Jr phát triển dựa bình phương cực tiểu phương trình phản ứng bậc [4, 5]: ) (5) Trong đó: - dy: BOD gia tăng đơn vị thời gian; - K1: Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ số e (ngày-1); - La: BOD toàn phần giai đoạn (mg/l); - y: BOD tiêu thụ (mg/l) Phương trình vi phân tuyến tính dy/dt y Đặc y’= dy/dt biểu thị mức độ thay đổi BOD n số lần đo BOD trừ Hai phương trình xác định K1 La là: ) (6) ∑ ∑ ∑ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san HNKH dành cho NCS CBNC trẻ, 11 - 2021 (7) 225 Hóa học - Sinh học - Mơi trường Các tính tốn cho y’, yy’, y2 cho giá trị y Sau tính y’, yy’, y2 để sử dụng cho phương trình (6) (7) Giá trị độ dốc tính tốn từ giá trị y t sau: )( ) )( ) (8) Trường hợp đặc biệt, khoảng thời gian gia tăng nhau, ti+1 – ti = t3 – t2 = t2 – t1 = t, y’ xác định sau: ) (9) ) (10) Số lần đo BOD tối thiểu n > Giải phương trình (6) (7) tìm giá trị a b Từ đó, xác định K1 La sau: (11) Phương pháp xác định BOD dựa chênh lệch áp suất lượng ôxy cấp vào: sử dụng thiết bị BOD EZ-Oxyro 4R Respirometer Hàn Quốc [3] Kết quan trắc chất lượng nước sông Cái năm 2019 2020 cho thấy độ mặn nước sông dao động khoảng 0,03-3,9‰ tùy theo thời điểm ngày thời điểm năm Trên sở đó, lựa chọn đo BOD tiêu thụ (y) mức độ mặn khác nhau: S=0,5‰, S=1‰, S=2‰, S=3‰ S=4‰ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Kết phân tích BOD tiêu thụ (y) 20 oC nước sông Cái độ mặn khác sau: Hình Giá trị y 20oC nước sông Cái độ mặn khác Dựa vào số liệu hình 5, hệ số tốc độ phân hủy chất hữu 20 oC nước sông Cái xác định theo phương pháp Slope sau: 226 Nguyễn Văn Sơn, “Xác định ảnh hưởng độ mặn … chất hữu nước sông Cái.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Bảng Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu 20 oC nước sông Cái Giá trị (ngày-1) Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu S = 0,5‰ S = 1,0‰ S = 2,0‰ S = 3,0‰ S = 4,0‰ K1 (theo số e) 0,086 0,068 0,065 0,042 0,041 k1 (theo số 10) 0,037 0,030 0,028 0,018 0,018 Kết bảng cho thấy hệ số tốc độ phân hủy chất hữu nước sông Cái thấp sơng Cái có hệ số trao đổi nước với sơng Đồng Nai không lớn, hệ số tốc độ phân hủy chất hữu giảm độ mặn gia tăng, cụ thể sau: - Hệ số K1 độ mặn S = 0,5‰ 0,086 ngày-1, S = 1,0‰ 0,068 ngày-1, S = 2,0‰ 0,065 ngày-1, S = 3,0‰ 0,042 ngày-1, S = 4,0‰ 0,041 ngày-1 - Hệ số k1 độ mặn S = 0,5‰ 0,037 ngày-1, S = 1,0‰ 0,030 ngày-1, S = 2,0‰ 0,028 ngày-1, S = 3,0‰ 0,018 ngày-1, S = 4,0‰ 0,018 ngày-1 Kết nghiên cứu phù hợp với [2] độ mặn tăng cao không thuận lợi cho vi khuẩn phát triển, tốc độ phân hủy chất hữu giảm Kết bảng cho thấy mối tương quan hệ số tốc độ phân hủy chất hữu độ mặn nước sơng Cái sau: Hình Mối tương quan K1 S Hình Mối tương quan k1 S - Mối tương quan K1 S: K1 = -0,0126S + 0,0869 với R² = 0,8968 - Mối tương quan k1 S: k1 = -0,0055S + 0,0377 với R² = 0,8968 Từ hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ, BOD toàn phần giai đoạn (La) 20 oC nước sông Cái xác định theo phương pháp Slope sau: Bảng BOD toàn phần giai đoạn (La) 20 oC nước sông Cái Giá trị La (mg/l) BOD toàn phần giai đoạn S = 0,5‰ S = 1,0‰ S = 2,0‰ S = 3,0‰ S = 4,0‰ La 19,1 19,1 19,0 17,8 12,0 Tương tự hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ, BOD toàn phần giai đoạn (L a) giảm độ mặn gia tăng KẾT LUẬN Kết nghiên cứu xác định tốc độ phân hủy chất hữu nước sông Cái giảm độ mặn gia tăng, từ K1 = 0,086 ngày-1 độ mặn S = 0,5‰ giảm K1 = 0,041 ngày-1 độ mặn S = 4,0‰ hay k1 = 0,037 ngày-1 độ mặn S = 0,5‰ giảm k1 = 0,018 ngày-1 độ mặn S = 4,0‰ Mối Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san HNKH dành cho NCS CBNC trẻ, 11 - 2021 227 Hóa học - Sinh học - Mơi trường tương quan hệ số tốc độ phân hủy chất hữu độ mặn nước sông Cái xác định phương trình: K1 = -0,0126S + 0,0869 với R² = 0,8968 k1 = -0,0055S + 0,0377 với R² = 0,8968 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Sơn “Nghiên cứu tác động phát triển kinh tế - xã hội đến chất lượng nước rạch àm B ng đề xuất biện pháp quản lý t ng hợp bảo vệ nguồn nước” Báo cáo tổng kết nhiệm vụ, Bình Dương, 2013 [2] P.G Whitehead and T Lack “Dispersion and self-purification of polluants in surface water systems: a contribution to the international hydrological programme” Paris: UNESCO, Technical Papers in Hydrology 23, 1982 [3] Dream Bios “Operation Manual for EZ-Oxyro 4R Respirometer” Seoul Korea, 2015 [4] C C Lee and Shun Dar Lin “Handbook of Environmental Engineering Calculations” Mc Graw Hill, Second Edition, 2007 [5] Thomas, H A., Jr “The Slope method of evaluating the constants of the first-stage biochemical oxygen demand curve” Sewage Works Journal, Vol 9, No 3, pp 425-430, 1937 ABSTRACT DETERMINING THE EFFECT OF SANILITY ON DEOXYGENATION RATE FOR CAI RIVER One of the important factors effecting on deoxygenation rate of river water is sanility Research result for Cai River, which is a branch of Dong Nai River, with different salinity levels S = 0.5‰, S = 1.0‰, S = 2.0‰, S = 3.0‰, S = 4.0‰, has determined deoxygenation rate of Cai River water decreases with increasing salinity and correlation between deoxygenation rate and sanility by Slope method Keywords: Deoxygenation rate, sanility, Cai River Nhận ngày 20 tháng năm 2021 Hoàn thiện ngày 20 tháng 10 năm 2021 Chấp nhận đăng ngày 28 tháng 10 năm 2021 Địa chỉ: Viện Nhiệt đới môi trường/Viện Khoa học Công nghệ quân * Email: sonvittep@gmail.com 228 Nguyễn Văn Sơn, “Xác định ảnh hưởng độ mặn … chất hữu nước sông Cái.” ... Sơn, ? ?Xác định ảnh hưởng độ mặn … chất hữu nước sông Cái. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ Bảng Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu 20 oC nước sông Cái Giá trị (ngày-1) Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu. .. Kết phân tích BOD tiêu thụ (y) 20 oC nước sông Cái độ mặn khác sau: Hình Giá trị y 20oC nước sông Cái độ mặn khác Dựa vào số liệu hình 5, hệ số tốc độ phân hủy chất hữu 20 oC nước sông Cái xác định. .. Tương tự hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ, BOD toàn phần giai đoạn (L a) giảm độ mặn gia tăng KẾT LUẬN Kết nghiên cứu xác định tốc độ phân hủy chất hữu nước sông Cái giảm độ mặn gia tăng, từ