Đánh giá khả năng tự làm sạch và khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm của nước sông nhuệ ở điều kiện mô phỏng trong phòng thí nghiệm

Untitled Tạp chí phân tích Hóa, Lý và Sinh học Tập 25, Số 1/2020 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TỰ LÀM SẠCH VÀ KHẢ NĂNG TIẾP NHẬN CHẤT Ô NHIỄM CỦA NƯỚC SÔNG NHUỆ Ở ĐIỀU KIỆN MÔ PHỎNG TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM Đến tòa[.]

Tạp chí phân tích Hóa, Lý Sinh học - Tập 25, Số 1/2020 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TỰ LÀM SẠCH VÀ KHẢ NĂNG TIẾP NHẬN CHẤT Ô NHIỄM CỦA NƯỚC SƠNG NHUỆ Ở ĐIỀU KIỆN MƠ PHỎNG TRONG PHỊNG THÍ NGHIỆM Đến tịa soạn 15-11-2019 Đỗ Thị Hiền, Lê Thị Trinh, Lê Thu Thủy Khoa Môi trường, Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Hà Nội Trần Hồng Cơn Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - ĐHQGHN SUMMARY ASSESSING THE SELF PURIFICATION CAPACITY AND THE POLLUTANTS RECEIVING CAPACITY OF NHUE RIVER WATER IN LABORATORY SIMULATION CONDITIONS The self purification capacity and the pollutants receiving capacity of Nhue river were calculated by the experimental model in three conditions: static (DO < mg/L); stirring (2 mg/L  DO  mg/L); aerobic (DO > mg/L) The water quality parameters were assessed as COD, NH4+, and total phosphorus (TP) The study result showed that in aerobic conditions, the self purification rate (Lls) of COD and NH4+ was the highest, as 15.5 mg/L per day and 1.78 mgN/L per day respectively The self purification rate for TP in different conditions ranged from 0.20 to 0.28 mgP/L per day The maximum reception capacity (Ltn) for NH4+ in mixing and aerobic conditions was 0.8 mgN/L per day; Ltn for TP in aerobic conditions and mixing was 0.2 mgP/L per day, in static conditions Ltn for TP ranged from 0.1 to 0.2 mgP/L per day; Ltn for COD, in the aerobic conditions, mixing and static conditions could be up to 240 mg/L per day Key words: self purification capacity, pollutants receiving capacity, self purification rate, Nhue river MỞ ĐẦU Các q trình xảy tự nhiên ln có xu hướng đưa mơi trường trạng thái cân Ví dụ, nguồn nước tiếp nhận lượng thải hoạt động nhân tạo tự nhiên, hàm lượng chất hóa học nước tăng ảnh hưởng đến trình trao đổi chất, phát triển sinh vật, hịa tan oxy , từ ảnh hưởng đến chu trình cân nguồn nước Đối với nước sơng, theo dịng chảy đến khoảng cách hạ nguồn, tùy thuộc nồng độ chất ô nhiễm nước, hàm lượng oxy hòa tan, sinh vật nước, điều kiện thuỷ động lực dịng chảy, , chu trình bình thường phục hồi trở lại Quá trình phục hồi gọi tự làm nguồn nước [1] Trong q trình này, hàm lượng oxy hịa tan (DO) nước yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ tự làm Thông thường, nước có nồng độ oxy hịa tan lớn (điều kiện hiếu khí) hoạt động vi sinh vật đẩy mạnh, trình phân hủy chất hữu diễn nhanh tạo sản phẩm độc hại [1] Từ lâu giới có nghiên cứu sử dụng phương pháp mơ hình hóa để đánh giá khả tự làm tiếp nhận chất ô nhiễm nguồn nước, ví dụ mơ hình Streeter- 54 Phelps (1925) [6] Hiện nay, mơ hình mở rộng phát triển từ mơ hình truyền thống có tính tốn đến q trình phụ, làm giảm thiểu sai số Các mơ hình tính tốn cần phải có liệu đầu vào phong phú [3,4] Dựa việc lấy mẫu nước trầm tích vị trí thuộc vùng: ô nhiễm nghiêm trọng, vùng tự làm vùng phục hồi, Shimin Tian cộng (2011), định lượng khả tự làm sông Juma [5] Tại Việt Nam, tác giả Nguyễn Bắc Giang Nguyễn Thị Mai Dung đánh giá khả tự làm tiếp nhận chất thải đầm Cầu Hai sở xác định số tốc độ phân hủy số tốc độ thơng khí [2] Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu thực thơng qua việc mơ q trình tự làm nước điều kiện khác nhau, đặc biệt sông, hồ hứng chịu tải lượng ô nhiễm mức cho phép Nghiên cứu nhằm mục đích khảo sát tác động hàm lượng oxy hịa tan (thơng qua xáo trộn) đến q trình tự làm tiếp nhận chất nhiễm môi trường nước sông Nhuệ Các nghiên cứu thực mẫu nước thực tế lấy sông Nhuệ sau khảo sát để lựa chọn vị trí phù hợp trì điều kiện xáo trộn mơ hình phịng thí nghiệm Để có điều kiện ổn định nghiên cứu, nhóm nghiên cứu giả thiết rằng: 1) Mẫu nước không nhận thêm chất ô nhiễm a) Cột 2) Trong tự nhiên xảy ba trường hợp: + Nước cung cấp đầy đủ oxy + Nước có mặt thống xáo trộn vừa phải + Nước có mặt thống khơng xáo trộn Mơ hình thí nghiệm thiết kế với điều kiện tương ứng để kiểm tra xem điều kiện nước cần thời gian làm Khi mơ hình tự làm đến giới hạn cho phép, thêm nước thải giả định chứa chất ô nhiễm với mức tăng dần đến nước tiếp nhận, từ xác định giới hạn tiếp nhận mẫu nước Kết nghiên cứu sở để thiết lập biện pháp phù hợp nhằm kiểm soát xử lý lượng chất ô nhiễm phát thải vào nguồn nước PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Phương pháp thu thập tài liệu Tiến hành thu thập tài liệu liên quan đến: khả tự làm nguồn nước; sông Nhuệ, trạng chất lượng nước sông Nhuệ; sở lý thuyết xây dựng mơ hình nghiên cứu 2.2 Phương pháp xây dựng mơ hình nghiên cứu Để đánh giá khả tự làm tiếp nhận nước sông điều kiện hàm lượng oxy hịa tan khác nhau, mơ hình nghiên cứu xây dựng phịng thí nghiệm gồm ba cột (hình 2.1, hình 2.2) b) Cột Hình 2.1 Sơ đồ mơ hình thí nghiệm đánh giá khả tự làm nước sơng phịng thí nghiệm 55 c) Cột Mẫu nước từ mơ hình lấy phân tích thơng số với tần suất lần/ngày 2.3 Phương pháp lấy mẫu nước phân tích chất lượng nước Mẫu nước đầu vào nghiên cứu lấy sơng Nhuệ vị trí có tọa độ: 21.04180B 105.76150Đ (Cầu Diễn, Hà Nội); thời gian lấy mẫu: tháng năm 2016 Đặc điểm khu vực lấy mẫu: dân cư đông đúc; mực nước sâu khoảng 1,5m; nước có màu xanh đen, nhiều chất rắn lơ lửng, mùi hôi thối, hai bên bờ sông nhiều rác thải Các thông số đo nhanh: nhiệt độ, pH, DO xác định thiết bị Hach HQ440d Các thông số phân tích phịng thí nghiệm gồm: COD (SMEWW 508), NH4+ (TCVN 6180:1996), tổng P (TCVN 6202:2008) 2.4 Phương pháp đánh giá khả tự làm nước sông mơ hình Tốc độ tự làm sạch, số miligam (mg) chất ô nhiễm mà lit nước sông tự làm ngày (mg.L-1.ngày-1) tính theo cơng thức sau: Hình 2.2 Hình ảnh mơ hình đánh giá khả tự làm nước sơng phịng thí nghiệm Cột 1: giữ n trạng thái để mô tả diễn biến nước điều kiện tĩnh, nhằm đánh giá khả tự làm nước sơng vị trí có mặt thống khơng có xáo trộn dịng chảy, nước bị ứ đọng Ở độ sâu khác nước sơng có khả tự làm khác nên cột có vị trí lấy mẫu nước (C1-1, C1-2, C1-3, C1-4, C1-5) Cột 2: khuấy đảo nước cánh khuấy có mơ tơ điện với tốc độ 120 vịng/phút Cột mơ tả trạng thái nước điều kiện nước có mặt thống có khuấy trộn, nhằm đánh giá khả tự làm nước sơng vị trí có xáo trộn dịng chảy Cột 3: sục khơng khí với tốc độ 6,0 l/phút Cột mơ tả trạng thái nước điều kiện hiếu khí (DO ≥ mg/L), nhằm đánh giá khả tự làm nước sơng vị trí có giá trị DO cao nước tầng mặt, vị trí nước xáo trộn mạnh Nước cột cột ln có đồng nên hai cột có vị trí lấy mẫu độ sâu 800 mm (C2 C3) Lls = Ci  C j t (2.1) Trong đó: Lls: Tốc độ tự làm (mg.L-1.ngày-1); Ci: Nồng độ chất ô nhiễm thời điểm thời điểm ban đầu (mg/L); Cj: Nồng độ chất ô nhiễm thời điểm nước sông tự làm (giá trị thông số bắt đầu đạt giới hạn cho phép theo QCVN 08MT:2015/BTNMT - cột B1) (mg/L); t: Thời gian cần thiết để nước sông tự làm (ngày) Sơ đồ quy trình thực nghiệm để đánh giá khả tự làm nước sông tóm tắt hình 2.3 56 Hình 2.3 Sơ đồ quy trình thực nghiệm đánh giá khả tự làm mơ hình 2.5 Phương pháp đánh giá khả tiếp nhận chất ô nhiễm nước sông mơ hình Sau nước sơng tự làm chất ô nhiễm, thêm chất thải giả định vào ba cột để đánh giá khả tiếp nhận chất ô nhiễm nước sông điều kiện thí nghiệm Chất thải giả định thêm gồm có: C6H12O6.H2O (đánh giá khả tiếp nhận thông số COD), NH4Cl (đánh giá khả tiếp nhận thông số NH4+) KH2PO4 (đánh giá khả tiếp nhận thông số tổng P) Trong trường hợp sau ngày, nước tự làm được, tiếp tục thêm nước thải giả định với nồng độ tăng lên (a = Lls; Lls; 10 Lls…) Giá trị cao có khả tiếp nhận tối đa nước sông điều kiện cụ thể Sơ đồ quy trình thực nghiệm để đánh giá khả tiếp nhận nước sơng thể hình 2.4 Hình 2.4 Sơ đồ quy trình thực nghiệm đánh giá khả tiếp nhận chất ô nhiễm mô hình mơ hình nghiên cứu thể bảng 3.1 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Phân tích chất lượng nước sơng Nhuệ Kết phân tích nước sông Nhuệ đầu vào 57 Bảng 3.1 Kết phân tích chất lượng nước sơng Nhuệ Thơng số Đơn vị Kết phân tích QCVN 08MT:2015/BTNMT Nhiệt độ C 20,5 - 7,58 DO mg/L 0,95 COD mg/L 52 NH4+ mgN/L 25,6 Tổng P mgP/L 1,88 5,5 - ≥4 30 0,9 0,3 (PO43-) pH Từ bảng 3.1 cho thấy mẫu nước nghiên cứu có thơng số dinh dưỡng COD, amoni, tổng P vượt qua giới hạn cho phép Trong tự nhiên, nguồn nước có khả tự làm thông số [4,5] Tuy nhiên trường hợp sơng Nhuệ, q trình tự làm hạn chế 3.2 Kết đánh giá khả tự làm sông Nhuệ điều kiện khác 3.2.1 Kết đo nhanh thông số nhiệt độ, pH, DO Nhiệt độ nước dao động theo nhiệt độ phòng từ 20,5 đến 30,00C Khoảng nhiệt độ thuận lợi cho sinh trưởng nhiều chủng vi sinh vật môi trường nước Giá trị pH nằm khoảng từ 7,13 đến 7,88 điều kiện tĩnh; từ 7,32 đến 7,96 điều kiện khuấy trộn từ 7,58 đến 8,44 điều kiện hiếu Cột sau ngày tự làm sạch, mặt nước xuất váng đen khí Theo thời gian, xu hướng pH cột cột giảm dần cột pH tăng dần Tuy nhiên mức độ thay đổi giá trị pH khơng nhiều Ở điều kiện tĩnh (yếm khí), giá trị DO cao đạt 2,97 mg/L, sau giảm dần Tuy nhiên, nước có mùi thối, từ ngày xuất lớp váng màu đen ngăn cản khuếch tán oxy vào nước Ở điều kiện khấy trộn, giá trị DO tăng dần sau ngày đạt 3,66 mg/L sau khơng thay đổi nhiều ngày Ở điều kiện hiếu khí, DO tăng dần đạt giá trị ≥ mg/L từ ngày thứ Trong cột cột 3, từ ngày thứ trở nước khơng cịn mùi hôi thối Cột sau ngày tự làm Cột sau 15 ngày tự làm Cột sau 15 ngày tự làm Hình 3.1 Hình ảnh mẫu nước mơ hình nghiên cứu Kết thể bảng 3.2 3.2.2 Đánh giá khả tự làm thông số a) Thông số COD Áp dụng cơng thức (2.1) để tính tốn tốc độ tự làm nước sông thông số COD 58 Bảng 3.2.Tốc độ tự làm nước sông thông số COD Ký hiệu mẫu t (ngày) C1-1 TT Lls (COD ) Ci (mg/L) Cj (mg/L) 10 52 24 2,80 C1-2 12 52 25 2,25 C1-3 13 52 24 2,15 C1-4 52 29 3,29 C1-5 52 25 3,00 C2 52 29 11,50 C3 52 21 15,50 Ở điều kiện tĩnh, thời gian cần thiết để nước sông tự làm từ đến 12 ngày Ở điều kiện khuấy trộn hiếu khí, thời gian cần thiết ngày Tốc độ tự làm mẫu nước sông nghiên cứu thông số COD điều kiện tĩnh khoảng từ 2,15 đến 3,29 mg.L-1.ngày-1, (mg.L-1.ngày-1) điều kiện khuấy trộn 11,5 mg.L-1.ngày1 điều kiện hiếu khí 15,5 mg.L1 ngày-1 b) Thông số NH4+ Kết đánh giá khả tự làm thông số NH4+ thể bảng 3.3: Bảng 3.3 Tốc độ tự làm nước sông thông số NH4+ Ký hiệu mẫu t (ngày) C1-1 TT Lls ( NH  ) Ci (mg/L) Cj (mg/L) - 25,6 - - C1-2 - 25,6 - - C1-3 - 25,6 - - C1-4 - 25,6 - - C1-5 - 25,6 - - C2 15 25,6 0,8 1,65 C3 14 25,6 0,7 1,78 Hàm lượng NH4+ giảm dần theo thời gian, đặc biệt giảm nhanh điều kiện khuấy trộn hiếu khí từ ngày thứ trở Ở điều kiện tĩnh, hàm lượng NH4+ giảm không nhiều Như vậy, mẫu nước sơng nghiên cứu khơng có khả tự làm thơng số NH4+ điều kiện tĩnh cịn điều kiện khuấy trộn tốc độ tự làm 1,65 mgN.L1 ngày-1, điều kiện hiếu khí 1,78 (mgN.L-1.ngày-1) mgN.L-1.ngày-1 c) Thông số tổng P Áp dụng giới hạn tối đa cho phép thông số tổng P 0,3 mgP/L để xác định thời gian cần thiết tự làm sạch, tính tốn tốc độ tự làm mẫu nước sơng mơ hình thông số tổng P Kết thể bảng 3.4: 59 Bảng 3.4 Tốc độ tự làm nước sông thông số tổng P TT Ký hiệu mẫu t (ngày) Ci (mg/L) Cj (mg/L) C1-1 C1-2 C1-3 C1-4 C1-5 C2 C3 7 7 1,88 1,88 1,88 1,88 1,88 1,88 1,88 0,23 0,14 0,30 0,28 0,24 0,18 0,16 Lls (TP ) (mgP.L-1.ngày-1) 0,28 0,25 0,23 0,20 0,23 0,24 0,25 độ thêm Lls, sau ngày nước sông tự làm thông số COD; sau từ đến hai ngày tự làm thông số tổng P ba điều kiện khác Đối với thông số NH4+ cần ngày để tự làm điều kiện khuấy trộn hiếu khí Ltn thơng số NH4+ điều kiện khuấy trộn hiếu khí tối đa 0,8 mgN.L-1.ngày-1 Ở khoảng nồng độ thêm a = Lls, Ltn thông số tổng P điều kiện hiếu khí, điều kiện khuấy trộn điều kiện tĩnh (các vị trí C1-1, C1-2) 0,2 mgP.L-1.ngày-1 Khi hàm lượng tổng P vừa đạt ngưỡng cho phép theo QCVN nên khả tiếp nhận tối đa mẫu nước sông nghiên cứu thơng số tổng P Các vị trí C1-3, C1-4 có Ltn tối đa 0,1 mgP.L-1.ngày-1 Đối với thông số COD, nước sơng Nhuệ có khả tiếp nhận ba điều kiện với Ltn = 2,4 mg.L-1.ngày-1 3.3.3 Khả tiếp nhận chất ô nhiễm khoảng nồng độ thêm a = 2Lls Sau ngày nước tự làm thông số COD điều kiện khác Khi đó, khả tiếp nhận Ltn thông số COD điều kiện có giá trị 24 mg.L-1.ngày-1 3.3.5 Khả tiếp nhận chất ô nhiễm khoảng nồng độ thêm a = 50Lls Sau tiếp nhận thêm nồng độ a (COD) = 120 mg/L, sau ngày nước điều kiện tĩnh hiếu khí tự làm Ở điều kiện khuấy trộn cần ngày để thực trình Như vậy, khả tiếp nhận Ltn thông số COD điều kiện tĩnh hiếu khí 120 Như vậy, hàm lượng tổng P nước ba điều kiện giảm dần theo thời gian Ở ba điều kiện: tĩnh, khuấy trộn hiếu khí, nước sơng Nhuệ có khả tự làm thơng số tổng P Khả tự làm đạt giá trị khoảng từ 0,2 đến 0,28 mgP.L-1.ngày-1 3.3 Kết đánh giá khả tiếp nhận chất ô nhiễm nước sơng Nhuệ mơ hình Lựa chọn giá trị Lls xác định làm mức nồng độ chất thải giả định tăng thêm chung cho cột Các giá trị lựa chọn tương ứng với thông số sau: Lls (COD) = 2,4; Lls (NH4+) = 1,6; Lls (tổng P) = 0,2 mg.L-1.ngày-1 Ở điều kiện tĩnh, nước tự làm thông số NH4+ nên không đánh giá khả tiếp nhận NH4+ cho cột 3.3.1 Khả tiếp nhận chất ô nhiễm khoảng nồng độ thêm a = Lls/2 Khi thêm nước thải giả định ở khoảng nồng độ thêm Lls/2, sau ngày nước sông tự làm thông số COD, NH4+ tổng P ba điều kiện khác Như vậy, mẫu nước sông Nhuệ nghiên cứu ba điều kiện thí nghiệm có khả tiếp nhận nước thải tương ứng: Ltn COD = 1,2 mg.L1 ngày-1; Ltn NH4+ = 0,8 mgN.L-1.ngày-1 (trừ điều kiện tĩnh); Ltn tổng P = 0,1 mgP.L-1.ngày1 3.3.2 Khả tiếp nhận chất ô nhiễm khoảng nồng độ thêm a = Lls Khi thêm nước thải giả định ở khoảng nồng 60 mg.L-1.ngày-1; điều kiện khuấy trộn Ltn 60 mg.L-1.ngày-1 Cần tăng giá trị a để đánh giá khả tiếp nhận tối đa nguồn nước 3.3.6 Khả tiếp nhận chất ô nhiễm khoảng nồng độ thêm a = 100Lls Sau tiếp nhận thêm nồng độ a (COD) = 240 mg/L, sau ngày nước điều kiện hiếu khí tự làm nên Ltn 240 mg.L-1.ngày-1, giá trị COD vừa đạt ngưỡng cho phép theo QCVN nên khả tiếp nhận tối đa mẫu nước sông nghiên cứu điều kiện hiếu khí Giá trị Ltn (COD) tối đa cột nước nghiên cứu điều kiện tĩnh 120 mg.L-1.ngày-1, điều kiện khuấy trộn 60 mg.L-1.ngày-1 Đối với thông số COD, chất ô nhiễm đưa vào C6H12O6, hợp chất hữu dễ phân hủy vi sinh vật nên giá trị Ltn cao nhiều lần so với giá trị Lls Điều cho thấy loại hợp chất hữu có nước ảnh hưởng nhiều đến khả tự làm nước KẾT LUẬN Các kết tính tốn khẳng định khả tự làm nước sông Nhuệ phụ thuộc nhiều vào điều kiện xáo trộn nước, đặc biệt thông số COD amoni Trong điều kiện tĩnh, trình tự làm xảy chậm, sản phẩm tạo thành có mùi thối Khi nước xáo trộn mạnh, giá trị DO cao, trình tự làm xảy nhanh Đối với thông số tổng P, trình tự làm xảy nhanh điều kiện nước cung cấp đủ oxy (DO ≥ 4mg/L) tầng đáy cột nước Sau tự làm sạch, nguồn nước có khả tiếp nhận chất ô nhiễm, nhiên loại chất ô nhiễm điều kiện xáo trộn (hay nồng độ oxy hòa tan) ảnh hưởng lớn tới khả tiếp nhận Nghiên cứu thực điều kiện cô lập phịng thí nghiệm Vì vậy, cần có nghiên cứu sâu yếu tố ảnh hưởng đến khả tự làm khả tiếp nhận chất ô nhiễm nguồn nước loại vi sinh vật; tốc độ dịng chảy; điều kiện trầm tích; điều kiện thời tiết… Bên cạnh đó, cần áp dụng nghiên cứu vào thử nghiệm điều kiện thực tế đoạn sông không tiếp nhận nguồn thải TÀI LIỆU THAM KHẢO Lê Huy Bá (2009), Sinh thái môi trường học (Fundamental environmental ecology), NXB Đại học Quốc gia TP.HCM Nguyễn Bắc Giang, Nguyễn Thị Mai Dung (2012), “Đánh giá khả tiếp nhận chất thải đầm Cầu Hai, Thừa Thiên Huế”, Tạp chí Khoa học, Đại học Huế, tập 73, số 4, năm 2012 Khemlal Mahto, Indeewar Kumar (2015), “The Self Purification Model for Water Pollution”, International Journal Of Mathematics And Statistics Invention, Volume 3, Issue 1, pp 17-32 M.Hanelore (2013), “The process of selfpurification in the rivers”, SGEM2013 Conference Proceedings, pp 409-416 Shimin Tian, Zhaoyin Wang, Hongxia Shang (2011), “Study on the Self-purification of Juma River”, Procedia Environmental Sciences, 11, pp 1328–1333 Streeter, H.W., Phelps, E.B (1925), “A Study of the Pollution and Natural Purification of the Ohio River”, Public Health Bulletin, No 146, Public Health Service, Washington DC 61 ... đánh giá khả tiếp nhận chất ô nhiễm nước sơng mơ hình Sau nước sông tự làm chất ô nhiễm, thêm chất thải giả định vào ba cột để đánh giá khả tiếp nhận chất ô nhiễm nước sông điều kiện thí nghiệm Chất. .. (đánh giá khả tiếp nhận thông số COD), NH4Cl (đánh giá khả tiếp nhận thông số NH4+) KH2PO4 (đánh giá khả tiếp nhận thông số tổng P) Trong trường hợp sau ngày, nước tự làm được, tiếp tục thêm nước. .. Giá trị cao có khả tiếp nhận tối đa nước sông điều kiện cụ thể Sơ đồ quy trình thực nghiệm để đánh giá khả tiếp nhận nước sông thể hình 2.4 Hình 2.4 Sơ đồ quy trình thực nghiệm đánh giá khả tiếp