Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật môi trường: Nghiên cứu quá trình chuyển hóa của Phospho dưới ảnh hưởng của thủy triều trên sông Sài Gòn

Một nghiên cứu khảo sát tài trợ bởi Đại học AO-AGIR Grenoble Alpes và dự án CMIRA TAKE Région Rhône Alpes được thực hiện vào 2013 và 2014 trên Sông Sài Gòn đã báo động nồng độ các chất d

CHƯƠNG MỞ ĐẦU

Đặt vấn đề

Sông Sài Gòn nằm ở phía nam Việt Nam và chảy qua một trong những thành phố phát triển nhất khu vực Đông Nam Á: Thành phố Hồ Chí Minh (TPHCM) Sông Sài Gòn cung cấp nguồn nước phục vụ cho những nhu cầu thiết yếu của thành phố Tuy nhiên, sự phát triển nhanh chóng của công nghiệp và các hoạt động đô thị đối với cơ sở hạ tầng thành phố đã khiến cho nước thải chưa được xử lý từ các hoạt động này đổ trực tiếp ra sông, gây ảnh hưởng đến chất lượng nước sông Lượng chất dinh dưỡng nitơ (N) và phospho (P) dư thừa từ nước thải là nguyên nhân gây ra hiện tượng phú dưỡng Hậu quả là nhiều động vật thuỷ sinh sẽ bị đe doạ bởi sự thiếu oxy và các chất độc sinh ra từ hiện tượng tảo nở hoa (Cyanobacteria)

Một nghiên cứu khảo sát (tài trợ bởi Đại học AO-AGIR Grenoble Alpes và dự án CMIRA TAKE Région Rhône Alpes) được thực hiện vào 2013 và 2014 trên Sông Sài Gòn đã báo động nồng độ các chất dinh dưỡng hoà tan và lơ lửng trong khu vực lân cận TPHCM [4], đặc biệt là tại những địa điểm có nguồn thải vào hệ thống kênh rạch của thành phố Nghiên cứu này nhấn mạnh sự tích lũy chất dinh dưỡng và chất hữu cơ hấp phụ trong các chất rắn lơ lửng Nghiên cứu cũng chỉ ra sự ảnh hưởng chỉ giới hạn ở khu vực cửa sông, nơi đặt ra câu hỏi về ảnh hưởng của các biến đổi sinh hoá diễn ra khi độ mặn thay đổi ở hạ lưu cửa sông đối với sự suy giảm chất dinh dưỡng

Do đó, cần phải tiến hành nghiên cứu chất lượng nước sông Sài Gòn để có một cái nhìn tổng quan về hoạt động của các chất dinh dưỡng ở Sông Sài Gòn và để đánh giá rủi ro của hiện tượng phú dưỡng.

Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu này nhằm trả lời câu hỏi: Có các quá trình chuyển hóa phospho nào diễn ra ở khu vực cửa sông? Nhiệm vụ của nghiên cứu này là để hiểu sâu hơn có những trình chuyển hoá phospho nào diễn ra trong bùn và nước ở những cường độ xáo trộn khác nhau (mô phỏng theo khu vực cửa sông), làm cơ sở cho những nghiên cứu tiếp theo về vấn đề phú dưỡng trên sông Sài Gòn.

Đối tượng nghiên cứu

Vùng nghiên cứu được chọn ở đây là sông Sài Gòn, từ trạm Phú Cường đến trạm Bình Khánh có vị trí ở gần với thành phố Hồ Chí Minh hơn nhằm đánh giá khả năng hấp phụ phospho của trầm tích và bùn lơ lửng khi chịu nhiều tác động từ con người.

Nội dung nghiên cứu

• Thu thập mẫu bùn rắn dưới đáy sông và bùn lơ lửng trong nước sông Sài Gòn theo chế độ thủy triều

• Phân tích các chỉ tiêu phospho có trong bùn: phospho tổng, phospho vô cơ và phospho hữu cơ dạng rắn và nghiên cứu sự ảnh hưởng của độ mặn đến các thành phần này trong bùn lơ lửng

• Tiến hành thí nghiệm Jar test để nghiên cứu tác động của sự xáo trộn đến quá trình hấp phụ phospho giữa bùn và nước sông thông qua đồ thị đường đẳng nhiệt hấp phụ của Langmuir.

Ý nghĩa khoa học thực tiễn

Đề tài này dùng làm tiền đề, cơ sở cho nghiên cứu đánh giá nguy cơ phú dưỡng ở sông Sài Gòn và rừng ngập mặn Cần Giờ.

Tính mới của đề tài

Dự án này sẽ kết hợp thuỷ văn học và các thí nghiệm thuỷ lực chất lơ lửng, địa hoá thuỷ triều và các chu kỳ sinh hoá của chất dinh dưỡng để làm sáng tỏ các tác động qua lại và các liên kết sơ bộ giữa các quá trình vật lý và sinh hoá Khó khăn ở đây là mô tả chính xác sự thay đổi thuỷ lực của các chất lơ lửng trong điều kiện phòng thí nghiệm.

TỔNG QUAN

Quản lý chất lượng nước và ảnh hưởng bởi hoạt động của các thành phố lớn

2.1.1 Tác động của các thành phố lớn đến chất lượng nước

Mặc dù sở hữu nguồn tài nguyên nước dồi dào, các nước trong khu vực Đông Nam Á vẫn phải đối diện với áp lực nặng nề do sự gia tăng dân số, đô thị hoá, và biến đổi khí hậu Sự phát triển kinh tế và đô thị hoá quá nhanh mà không có bất kì kế hoạch phát triển bền vững nào đã dẫn đến sự thất thoát tài nguyên, bao gồm nguồn nước và các nguồn tài nguyên tương tự trong hệ sinh thái Nhiều con sông chảy qua các thành phố trong khu vực bị ô nhiễm nghiêm trọng do chất thải sinh hoạt, công nghiệp, và nông nghiệp [5]

Các nước trong khu vực Đông Nam Á đang đối mặt với sự khan hiếm nước sạch do khoảng 90% nước thải được đổ trực tiếp ra sông, hồ, và biển [6] Sự mở rộng công nghiệp và phát triển kinh tế đã dẫn đến nhiều thay đổi không mong muốn cho tài nguyên nước, hệ sinh thái, và môi trường ở nhiều hệ thống sông Công nghiệp hoá và đô thị hoá phát triển quá nhanh trong khi sự phát triển của các cơ sở hạ tầng xử lý chất thải rắn và nước thải không thể nào theo kịp [7] Hậu quả là nước thải đô thị chưa được xử lý đi vào môi trường nước, dẫn đến ô nhiễm hữu cơ và chất dinh dưỡng nghiêm trọng, gây ra hiện tượng phú dưỡng Đi đôi với sự phát triển đô thị, sự phát triển nông nghiệp thúc đẩy nạn phá rừng và tăng cường sử dụng phân bón Những thay đổi trong việc sử dụng đất và đô thị hoá tác động trực tiếp đến hàm lượng chất dinh dưỡng trong nước mặt, được đặc trưng bởi sự gia tăng của chúng ở đầu ra của các lưu vực lớn (ví dụ, Sông Mekong ở Châu Á [8])

2.1.2 Quản lý chất lượng nước ở khu vực Đông Nam Á

Khu vực Đông Nam Á có nguồn tài nguyên nước dồi dào Lượng mưa trung bình hàng năm của khu vực tương đương gần 10% lượng mưa trên toàn thế giới và lượng nước tái sinh chiếm gần 12% tổng lượng nước tái sinh trên toàn cầu Dù vậy, lượng nước tái sinh ở mỗi quốc gia trong khu vực Đông Nam Á có sự chênh lệch rất lớn (từ 0.6 tỷ m 3 /năm ở Singapore đến 2,019 tỷ m 3 /năm ở Indonesia) Nguồn tài nguyên nước dồi dào của khu vực khiến cho lượng nước trên đầu người của các quốc gia trong khu vực khá lớn so trung bình của thế giới (trừ Singapore và Philippines) Với mật độ dân số gần tám nghìn người trên một km 2 thì Singapore gánh chịu áp lực rất lớn đối với nguồn tài nguyên nước Hằng năm, Đông Nam Á thất thoát 4.5% tổng lượng nước tái sinh Trong đó, nông nghiệp thất thoát nhiều nhất chiếm 85.5% tổng lượng nước thất thoát, kế đó là công nghiệp 7.8% và sinh hoạt 6.6% [9]

2.1.3 Ảnh hưởng của thành phố Hồ Chí Minh đến sông Sài Gòn

Thành phố Hồ Chí Minh được xây dựng từ thế kỷ 17, trên một vùng đồng bằng châu thổ nằm gần các con sông lớn Trải qua hơn 300 năm phát triển, thành phố ngày càng mở rộng, trở thành một trong những thành phố lớn của khu vực, và là trung tâm kinh tế phía nam Việt Nam với mức tăng trưởng GDP bình quân trên 9% mỗi năm, đóng góp gần 20% GDP cả nước [10] Thành phố có hệ thống sông ngòi và kênh rạch chằng chịch với chiều dài lên đến 8,000 km, bao phủ gần 33,500 ha, chiếm 16% tổng diện tích toàn thành phố (Hình 2.1) Hệ thống sông ngòi và kênh rạch này là nguồn cung cấp nước cho hầu hết các hoạt động của thành phố

Sông Sài Gòn là một trong những con sông chính của thành phố Hồ Chí Minh Bắt nguồn ở phía đông nam Campuchia, chảy qua Hồ Dầu Tiếng, hồ chứa nước lớn thứ tư Việt Nam với trữ lượng 470–1680 triệu m 3 Ở hạ lưu của Hồ Dầu Tiếng, Sông Sài Gòn chảy qua thủ phủ kinh tế thành phố Hồ Chí Minh nơi nó liên kết với hệ thống kênh rạch của thành phố và hợp với Sông Đồng Nai hình thành Sông Nhà Bè chảy qua rừng ngập mặn Cần Giờ và cuối cùng đổ ra Biển Đông

Cũng như những thành phố lớn khác ở Đông Nam Á, dù nằm ở khu vực có nguồn tài nguyên nước phong phú, thành phố Hồ Chí Minh vẫn thường xuyên thiếu hụt nước sạch vào mùa khô Trong khi nguồn nước sinh hoạt phụ thuộc chủ yếu vào Sông Đồng Nai và Sông Sài Gòn, chất lượng nước mặt đang trở thành một vấn đề nhức nhối đối với các cơ quan quản lý khi hạn hán diễn ra càng lúc càng nghiêm trọng, hiện tượng xâm nhập mặn ảnh hưởng đến các nhà máy xử lý nước và hiện trạng nước thải công nghiệp và sinh hoạt chưa xử lý đổ trực tiếp ra sông vẫn tiếp tục gia tăng Mỗi ngày, thành phố Hồ Chí Minh thải ra Sông Sài Gòn và Sông Đồng Nai 200,000 m 3 nước thải công nghiệp[11] Lượng chất dinh dưỡng nitơ (N) và phospho (P) dư thừa từ nước thải là nguyên nhân gây ra hiện tượng phú dưỡng Hậu quả là nhiều động vật thuỷ sinh sẽ bị đe doạ bởi sự thiếu oxy và các chất độc sinh ra từ hiện tượng tảo nở hoa Theo đó, chính quyền Việt Nam đang tăng cường quan tâm đến sự gia tăng rủi ro sụt giảm các nguồn tài nguyên nước và đặc biệt là hiện tượng phú dưỡng của Sông Sài Gòn và khu vực ven biển

Hình 2.1: Bản đồ lưu vực Sông Sài Gòn và các nhánh sông của nó cùng với lãnh thổ địa lý của Thành phố Hồ Chí Minh.

Hệ thống sông chịu ảnh hưởng của khí hậu nhiệt đới gió mùa

2.2.1 Hệ thống sông ở vùng nhiệt đới

Chỉ có 19% diện tích đất trên thế giới nằm ở khu vực nhiệt đới, có khoảng 60.1% diện tích đất chịu tác động của khí hậu nhiệt đới ở Nam Mỹ, 31% ở châu Phi, 16.3% ở châu Á, 8.3% ở châu Úc và 5.9% ở Bắc Mỹ như Hình 2.2

Hệ sinh thái thuỷ sinh nhiệt đới có các đặc điểm khí hậu có thể thúc đẩy và đẩy nhanh hiện tượng phú dưỡng Khí hậu gió mùa ở nhiều quốc gia giữa hai chí tuyến được đặc trưng bởi lượng mưa nhiều ảnh hưởng lớn đến tỷ lệ xói mòn và dòng trầm tích trong sông [12] Lượng mưa thay đổi theo mùa được thể hiện rõ rệt trong sự chuyển giao giữa mùa khô và mùa mưa hạn chế mạnh chế độ thuỷ văn và quá trình sinh hoá của các con sông nhiệt đới [13]

Hệ sinh thái thuỷ sinh nhiệt đới có các đặc điểm khí hậu có thể thúc đẩy và đẩy nhanh hiện tượng phú dưỡng Khí hậu gió mùa ở nhiều quốc gia giữa hai chí tuyến được đặc trưng bởi lượng mưa nhiều ảnh hưởng lớn đến tỷ lệ xói mòn và dòng trầm tích trong sông [12] Lượng mưa thay đổi theo mùa được thể hiện rõ rệt trong sự chuyển giao giữa mùa khô và mùa mưa hạn chế mạnh mẽ chế độ thuỷ văn và chức năng sinh hoá của các con sông nhiệt đới [13] Ở các con sông có khí hậu gió mùa, lượng nước ngọt cũng chịu tác động theo mùa và bị ảnh hưởng bởi cường độ xáo trộn, độ mặn, sự phân tầng trong nước và sóng thuỷ triều ở cửa sông Nồng độ chất rắn lơ lửng có thể liên quan đến cường độ xáo trộn do

Hình 2.2: Các khu vực nhiệt đới trên thế giới quá trình xói mòn và các nguồn chất rắn dòng vào lưu vực sông Sự cân bằng giữa sự lan truyền sóng thuỷ triều và vùng nước ngọt được xác định bởi hướng và biên độ của dòng chảy hiện tại và mức độ xáo trộn trong nước, cả hai yếu tố đều tác động đến việc di chuyển của trầm tích (Dyer 1995) Sự phân tầng trong nước có thể tạo thành trở ngại cho sự thúc đẩy cường độ xáo trộn theo chiều dọc cột nước và có thể ngăn cản quá trình tạo bông trong lớp nước giao giữa nước ngọt và nước mặn, dẫn tới các bông cặn thường nằm phía dưới lớp nước ngọt hoặc phía trên lớp nước biển [26]

2.2.2 Ảnh hưởng của thủy triều

Thủy triều là mực nước lên và xuống ở đại dương, cửa sông và một số con sông Thủy triều được tạo ra là do lực hấp dẫn từ Mặt Trăng và Mặt Trời tại một điểm bất kỳ trên bề mặt Trái Đất trong khi Trái Đất quay tạo nên hiện tượng triều lên và triều xuống vào những khoảng thời gian nhất định trong ngày Sự bất đối xứng giữa thuỷ triều lên và thuỷ triều xuống gây ra bởi sự tương tác sóng không theo tuyến tính và thuỷ triều tạo ra do tác động của trong lực Do sóng thuỷ triều tăng đột ngột so với sự gia tăng của mực nước Điều này làm cho hình dạng của sóng thuỷ triều bị biến dạng khi di chuyển vào đất liền Sự bất đối xứng này làm cho sự vận chuyển bùn ở vùng thượng lưu khi thuỷ triều lên lớn hơn vùng hạ lưu khi thuỷ triều xuống [26] Việc vận chuyển trầm tích diễn ra là do thuỷ triều đóng vai trò như một cái bơm được mô tả bởi Geyer và cộng sự, 2001[14] cho đoạn cửa sông Hudson vào mùa xuân

Sông Sài Gòn chịu ảnh hưởng mạnh bởi chu kì bán nhật triều bất đối xứng [15] Nghĩa là, trong một ngày có hai lần thủy triều lên và hai lần thủy triều xuống (Hình 2.3) Chế độ bán nhật triều khiến cho mực nước của sông Sài Gòn thay đổi liên tục trong giờ và trong ngày Dự đoán mức thủy triều ở trạm Nhà Bè – thuộc vùng hạ nguồn của sông Sài Gòn sẽ thay đổi khoảng 300 cm khi triều lên và 50 cm khi triều xuống.

Phospho

2.3.1 Vòng tuần hoàn của Phospho

Trên thực tế phosho không đi theo chu kỳ như Nito, Carbon nhưng lại theo đường từ trên cạn xuống dưới nước Vòng tuần hoàn của phospho được phân thành các chu trình sinh địa hóa, là sự chuyển động và biến đổi của phospho trong: thạch quyển, thủy quyển và sinh quyển Sự chuyển hóa phospho trong khí quyển không đáng kể là do các hợp chất phospho chỉ có thể tạo thành chất rắn trong một khoảng nhiệt độ và

Hình 2.3: Sự biến đổi mực nước của vùng hạ lưu Sông Sài Gòn (trạm

Nhà Bè) vào mùa khô và mùa mưa (dữ liệu dự đoán 2015) áp suất nhất định Tuy nhiên, quá trình này xảy ra trong đất và đại dương rất chậm [16]

Phospho tồn tại phần lớn trong đất và khoáng, thông thường dưới dạng quặng apatit (một dạng đá chứa phosphate trong tự nhiên) là một trong những khoáng chất chính hình thành từ quá trình phong hóa Một phần nhỏ lượng phospho bị thất thoát trong môi trường trên cạn là do bị rửa trôi và xói mòn đất Phosphate tích lũy vào đất bằng cách hấp phụ trên oxit sắt, nhôm hydroxit, bề mặt đất sét và các hạt chất hữu cơ có nguồn gốc từ các acid hữu cơ chứa phospho có khối lượng phân tử thấp Quá trình này có thể dẫn tới sự giải phóng P vô cơ kết hợp với nhôm, sắt, canxi trong khoáng chất Chúng rất quan trọng trong việc bổ sung phospho cho cây [17] Phospho đóng vai trò rất quan trọng cho sự sinh trưởng của thực vật và động vật Phospho được giải phóng từ đá và khoáng chất tạo thành dạng hòa tan để thực vật có thể hấp thụ được để tạo thành các hợp chất hữu cơ Sau đó, thực vật sẽ được động vật tiêu thụ và phospho sẽ được đưa vào mô và qua con đường bài tiết của động vật Động vật và

Hình 2.4: Chu kỳ sinh địa hoá của phospho thực vật sau khi chết sẽ bị phân hủy và chuyển hóa vào trong đất dưới dạng không hòa tan [18] Phospho thường được sử dụng để bón phân trong nông nghiệp, chất tẩy rửa và có mặt trong nước thải là nguyên nhân gây ra ô nhiễm ở hồ, sông và biển Phospho tích lũy trong nước bằng cách hấp phụ vào trầm tích và các chất rắn lơ lửng Các loài động vật có xương sống trong nước sau khi chết đi sẽ góp phần tích lũy phospho trong trầm tích dưới đáy sông và đại dương

Nhiều nghiên cứu tập trung chủ yếu vào nguồn điểm đóng vai trò chính cung cấp phospho đầu vào hệ sinh thái dưới nước (60% chủ yếu là dạng phospho hòa tan) [19] Trong đó, nguồn phát sinh từ nhà máy xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp là chủ yếu

• Polyphosphate có trong chất tẩy rửa, bột giặt đang được sử dụng rộng rãi ở nhiều quốc gia châu Á

• Sự gia tăng dân số ở các khu đô thị và quá trình công nghiệp hóa là một trong những nguyên nhân phát thải ra một lượng lớn phospho trong nước thải Bên cạnh đó, phospho còn tích lũy trong bùn sinh học khi đã qua giai đoạn xử lý trong các nhà máy xử lý nước thải Việc tái sử dụng bùn sinh học thay thế cho phân bón hóa học ngày càng được ứng dụng phổ biến

Phospho phát sinh từ các nguồn khuếch tán chỉ chiếm một phần nhỏ và tồn tại chủ yếu dưới dạng rắn (60%) [19] Trong đó, dòng chảy tràn và nước rỉ từ kênh mương là hai quá trình chính vận chuyển phospho từ đất trồng trọt

Dòng chảy tràn từ đất nông nghiệp

• Phospho tích lũy rất nhanh khi sử dụng một lượng lớn phân bón cho cây trồng nhằm tăng sản lượng thu hoạch Nước chảy tràn từ đất trồng trọt với một lượng lớn phân bón và thuốc trừ sâu còn dư tồn đọng trên mặt đất

• Lương thực dư thừa sau khi thu hoạch như: lá cây, thân cây, rơm rạ, trấu…

• Phopho xả thải từ hoạt động của các trang trại trồng trọt và chăn nuôi gia súc (ví dụ như heo, trâu, bò,…)

• Các khu vực nuôi trồng thủy sản (ví dụ như nuôi cá, tôm) thải ra một hàm lượng lớn chất dinh dưỡng, dầu mỡ, chất hữu cơ ra nước sông mà không qua xử lý làm suy giảm chất lượng nguồn nước

Ngoài ra, sự xói mòn rửa trôi đất từ rừng và nước rỉ rác từ các bãi chôn lấp gần các con kênh đổ ra sông cũng góp phần gia tăng hàm lượng phospho trong nước sông

Dựa trên nghiên cứu của Julien và Josette, 2007 về trữ lượng phospho ở lưu vực sông Sein cho thấy phopho phát sinh từ nguồn điểm chiếm 75-81% trong khi nguồn khuếch tán chỉ chiếm khoảng 19 – 25% Phospho có trong nguồn thải bao gồm dạng rắn (56%) và dạng hòa tan (44%) Trong nguồn điểm, các điểm phát thải ở hạ nguồn phần lớn là nguồn xả thải từ các nhà máy xử lý nước thải chiếm phần lớn, chủ yếu dưới dạng phospho rắn (3685 tP/năm) Ngược lại, trong nguồn khuếch tán, dòng chảy tràn (chủ yếu từ đất nông nghiệp) chiếm phần lớn nhưng chủ yếu dưới dạng phospho hòa tan (1237 – 1916 tP/năm) Mặc dù nguồn phospho điểm là nguồn chi phối phospho đầu vào khu vực hạ nguồn nhưng nguồn khuếch tán lại chiếm ưu thế ở những khu vực cao hơn là những nơi ít chịu áp lực từ hoạt động của con người

Hình 2.5: Trữ lượng phospho ở lưu vực Sông Seine [2]

Đánh giá quá trình phú dưỡng hóa

2.4.1 Nguyên nhân gây ra hiện tượng phú dưỡng hóa

Phú dưỡng hóa xảy ra khi nồng độ dinh dưỡng đi vào trong nước cao và gây mất cân bằng trong chuỗi thức ăn dẫn tới sinh khối thực vật phù du tăng mạnh Kết quả dẫn đến suy giảm oxy gần lớp nước mặt và sự phát triển bùng nổ của tảo Ở những mức độ phú dưỡng khác nhau sẽ có những tác động đến môi trường nước khác nhau Quá trình phú dưỡng được tạo điều kiện bởi nguồn dinh dưỡng từ bên trong và bên ngoài Môi trường phú dưỡng có thể tồn tại trong môi trường tự nhiên nhưng nhiều trường hợp chủ yếu xuất phát từ các hoạt động của con người Chất dinh dưỡng đi vào nước thông qua: nước mưa, nước chảy tràn trên mặt đất và hệ thống cống rãnh Nhiều nơi trên thế giới, dân số tăng nhanh dẫn đến nhu cầu sử dụng nước ngày càng tăng là nguyên nhân phát sinh một lượng lớn nước thải Đặc biệt là do sử dụng phân bón trong nông nghiệp (trồng trọt), nuôi trồng thủy sản chứa một lượng lớn chất dinh dưỡng (N, P) làm ô nhiễm nguồn nước mặt

Một số hoạt động dẫn tới tác hại của hiện tượng phú dưỡng [20] được chú ý như sau:

- Nuôi trồng thủy sản: góp phần tăng quá trình phú dưỡng bởi việc xả thải thức ăn dư thừa của động vật và phân cá vào trong nước

- Chuyển động các loài ngoại lai: do chấn động tàu thuyền, độc tố của tảo, vi khuẩn lam và cỏ độc có thể lan truyền từ vùng đặc hữu sang vùng không ô nhiễm Trong môi trường này, chúng có thể tìm môi trường thuận lợi để khuếch tán và phát triển quá mức bởi những chất dinh dưỡng có sẵn

- Hồ chứa nước ở nhưng vùng khô hạn: việc xây dựng hồ chứa nước để trữ nước diễn ra ở khắp nơi trên thế giới Những cái đập này được xây để thu gom nước từ mương, cống

Cùng với sự phát triển của dân số và quá trình công nghiệp hóa sẽ yêu cầu chất lượng nước khác nhau nhiều cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau Nước cần cung cấp cho hoạt động sinh hoạt và ăn uống của con người, nuôi trồng thủy sản, tưới tiêu, chăn nuôi gia súc, các hoạt động sản xuất hàng hóa công nghiệp, nước giải nhiệt, thủy điện… dẫn đến phát sinh một lượng lớn nước thải chưa xử lý giàu chất dinh dưỡng từ các khu công nghiệp và khu đô thị xả thải trực tiếp ra sông, hồ

2.4.2 Các yếu tố chính gây ra phú dưỡng hóa

Nito và Phospho có trong chất dinh dưỡng là hai yếu tố chính gây ra phú dưỡng hóa

Tỉ lệ hợp chất nitơ và phospho trong nước là một yếu tố quan trọng, cả hai đều là yếu tố giới hạn cần được kiểm soát để hạn chế tảo nở hoa (Bảng 2.1) Bởi vì N-NH4 + và N-NO3 - dễ dàng thoát ra khỏi đất, nước ngọt và một số vùng sinh thái ven biển hơn phospho nên hàm lượng phospho nhiều hơn Nito Phospho được xem là yếu tố giới hạn cho sự phát triển của tảo trong nước ngọt [21] Trong khi đó, Nitơ lại trở thành yếu tố giới hạn trong nước biển, đặc biệt là vào mùa hè Ở khu vực sông, hồ thì phospho là yếu tố giới hạn trong suốt mùa xuân nhưng lại chuyển sang nitơ hay silic vào mùa hè

Bảng 2.1: Tỷ lệ Nitơ/Phospho (theo khối lượng) đối với nhiều yếu tố giới hạn trong nước ngọt và nước ở cửa sông/ven biển [20]

Tỷ lệ N/P N giới hạn Trung bình P giới hạn

Nước ở cửa sông/ven biển < 5 5–10 > 10

Năm 1963, Redfield và cộng sự [22] đã tìm thấy tỉ lệ C:N:P = 106:16:1 là tỉ lệ thích hợp để các loài thực vật phù du phát triển

Ngoài ra, còn có một yếu tố thứ ba nữa là Si cũng rất cần thiết cho sự phát triển của tảo Tỉ lệ N:P:Si càng gần tỉ lệ 16:1:16 sẽ hạn chế được sự phát triển nhanh chóng của những loài không phải tảo cát [23] Khi thay đổi giữa tỉ lệ Si:N và Si:P có khả năng dẫn đến phú dưỡng ở vùng ven biển

2.4.3 Ảnh hưởng của quá trình phú dưỡng

Hai nguyên nhân chính điều khiển sự phát triển của tảo trong nước là phospho và nitơ dưới dạng ortho-phosphate PO4 3-, NO3 - và NH4 + Khi các chất dinh dưỡng dư thừa từ nhiều nguồn đi vào trong nước sông, nước biển sẽ làm cho thực vật phù du (rong, tảo) phát triển vượt mức Kết quả là, diễn ra hiện tượng tảo nở hoa, lớp tảo trên mặt nước cản trở ánh sáng mặt trời cung cấp cho quá trình quang hợp của thực vật làm cho chúng chết đi Lớp thực vật chết bị vi sinh vật phân hủy, lấy đi oxy trong nước gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng nguồn nước sinh hoạt và các thủy vực nuôi trồng thủy sản Tảo lam trong nước ngọt sinh ra chất độc trong nước uống gây tổn thương cho gan Tảo đơn bào hai roi (dianoflagelates) nước biển sinh ra nhiều loại độc như: độc tố làm sò bị tê liệt, độc tố tiêu chảy… N-NO3 - có thể gây bệnh thiếu máu cho người ở nồng độ cao và nó là một tiền chất của N-nitroso, nitrosamin có khả năng gây ung thư mạnh nhất hiện nay [24]

Vấn đề chính là sự sinh sôi của các loài tảo nước mặn và nước ngọt khi chúng sử dụng chất dinh dưỡng dư thừa để phát triển và hình thành hoa Quá trình này còn bị tác động của các yếu tố vật lý như: ánh sáng (độ màu và độ đục), nhiệt độ, sự phân tầng cũng như các yếu tố hóa học Các yếu tố hóa học bao gồm: phospho, nitơ, carbon, oxy hòa tan, sulfur, silica (đối với tảo cát và tảo vàng), anions (sulfate, chloride) và một lượng kim loại vết

Chất dinh dưỡng vi lượng có sẵn đóng vai trò quan trọng trong quá trình trao đổi chất của vi khuẩn lam và nhân tảo Sắt rất cần thiết cho quá trình quang hợp và phân phối năng lượng trong tế bào Trong vi khuẩn lam, Fe, Mo và Na là một vài kim loại vết cần thiết cho sự cố định nitơ, khử nitrate Một số enzym tảo sử dụng đồng (Cu) nhưng chúng cũng gây độc với tảo, ức chế sự phát triển cũng như qua trình quang hợp ở nồng độ khoảng 2àg/L Trong trường hợp một số kim loại vết chỉ ở nồng độ thấp nhưng có thể gây ra độc tính mạnh

Hình 2.6: Biểu đồ khái niệm mô tả ảnh hưởng và kết quả của việc dư thừa chất dinh dưỡng và phú dưỡng trong môi trường biển [3]

Quá trình chuyển hóa phospho từ trầm tích vào nước nước sông

2.5.1 Trầm tích – vật liệu hấp phụ

Bùn trong nước đóng vai trò như một loại vật liệu hấp phụ vì có những đặc tính như: diện tích bề mặt và lỗ rỗng tương đối lớn Vì vậy, quá trình di chuyển của trầm tích và chất rắn lơ lửng trong nước đang dần trở thành một khía cạnh quan trọng của nghiên cứu này bởi vì nó là phương tiện vận chuyển chất ô nhiễm (bao gồm phospho) từ đất vào nước [25] Mặt khác, bùn còn đóng vai trò chính điều chỉnh nồng độ phospho trong nước và là nguồn cung cấp chất dinh dưỡng cho tảo phát triển và tham gia vào quá trình trao đổi chất của sinh vật dưới nước Sự hình thành và di chuyển của các chất dinh dưỡng có liên quan đến quá trình động học và thủy văn của trầm tích và bùn lơ lửng trong nước sông

Brostrom cho rằng [26] cho rằng Phospho có thể được chuyển hóa thành những dạng hòa tan trong nước qua các quá trình sinh học, hóa học và vật lý Do phospho có ái lực mạnh với bùn, quá trình hấp phụ và giải hấp phospho giữa bùn và nước là hai quá trình chính tạo ra sự thay đổi nồng độ phospho trong nước ngọt [19]

Sự biến đổi theo mùa tác động đến hình thành khối bùn

Sự biến thiên của cường độ xáo trộn trong nước sông chịu nhiều ảnh hưởng từ chu kỳ thuỷ triều và sự thay đổi dòng chảy theo mùa - là các hiện tượng đặc trưng của khí hậu nhiệt đới gió mùa ở Việt Nam [27]

• Vào mùa mưa, nguồn nước ngọt tăng lên gây ra mức năng lượng xáo trộn cao có khuynh hướng chuyển hóa bùn từ những hạt cặn thô có kích thước lớn (macroflocs 200-500 àm, microflocs 50-200 àm) thành cỏc hạt rắn mịn hơn (flocculi 10-15àm) và thỳc đẩy quỏ trỡnh vận chuyển bựn trong nước

• Vào mùa khô, do ảnh hưởng của thủy triều, nguồn nước ngọt giảm xuống và chịu ảnh hưởng của sự xâm nhập mặn Cường độ xáo trộn chủ chỉ vừa đủ mạnh để tạo ra khối bùn có kích thước bằng bông cặn Ở mức năng lượng xáo trộn thấp, sự thay đổi thành phần kích thước của các bông cặn phụ thuộc vào tốc độ lắng khác nhau tương ứng Vì vậy, bùn trong nước sông vào mùa khô tích lũy nhiều chất dinh dưỡng hơn làm suy giảm chất lượng nguồn nước

Cường độ xáo trộn và tốc độ lắng của sự bông cặn có kích thước khác nhau thường phụ thuộc vào quá trình tạo bông và phá vỡ bông cặn Quá trình hình thành bông cặn được đánh giá qua các chỉ tiêu: nồng độ SS, kích thước hạt cặn và vận tốc lắng của bông cặn Quá trình này phụ thuộc ba yếu tố: cường độ xáo trộn, nồng độ SS và độ mặn [28]

2.5.2 Cơ chế hấp phụ/giải phóng phosphate

Cả phospho vô cơ và phospho hữu cơ đều tồn tại trong nước dưới hai dạng: dạng rắn và hòa tan Phospho vô cơ chứa những hợp chất hữu cơ dạng rắn, đất sét, đá vôi canxi carbonate hay trong hydroxide sắt hoặc nhôm Phospho hữu cơ có nguồn gốc từ sinh khối của sinh vật và sự phân hủy của chất hữu cơ Quá trình chuyển hóa phospho vô cơ trong bùn lắng và nước bị ảnh hưởng chủ yếu bởi các quá trình hóa lý như: quá trình hấp phụ và giải hấp Ion phosphate hòa tan trong nước sẽ kết hợp với một số nguyên tố khác như Ca, Fe, hoặc Al tạo thành muối phosphate lắng đọng trong lớp trầm tích Đồng thời, trầm tích cũng sẽ giải phóng trở lại phosphate hòa tan vào trong

Hình 2.7: Quá trình chuyển hoá phospho của bùn và nước [1] nước Có hai quá trình diễn ra thuận nghịch ở đây Khi nồng độ ion PO4 3- trong nước cao, nó sẽ được chuyển hóa từ nước vào trầm tích gọi là quá trình hấp phụ Ngược lại, khi tảo và các vi sinh vật sử dụng PO4 3- hòa tan trong nước để tổng hợp tế bào là cho nồng độ PO4 3- trong nước giảm mạnh thì ion PO4 3- sẽ được giải phóng trở lại vào nước từ trầm tích hay còn gọi là quá trình giải phóng Một số thành phần phospho vô cơ có khả năng thay đổi tính chất hóa lý trong suốt quá trình chuyển hóa từ cặn thành đá trong lớp trầm tích (Hình 2.7) Qúa trình sinh học diễn ra ở đây như quá trình khoáng hóa của hợp chất hữu cơ có chứa phospho và cũng tham gia vào quá trình chuyển hóa từ pha rắn vào pha lỏng Tuy nhiên, quá trình trao đổi phospho giữa các hạt rắn và mặt nước còn chịu nhiều ảnh hưởng bởi những yếu tố khác như: nhiệt độ, pH, các thành phần khác nhau trong nước và độ mặn [29]

Có nhiều cách để khảo sát quá trình chuyển hóa PO4 3-, ví dụ: xét nghiệm sinh học- bioassay [30], trích ly hóa học-chemical extraction [31], hấp thu và nhả hấp – sorption/desorption [32] Phương pháp phổ biến nhất thường được sử dụng để đánh giá quá trình trao đổi PO4 3- là dùng phương trình cân bằng Langmuir, cho cả nghiên cứu trong môi trường đất và nước

Quá trình chuyển hóa phospho từ đất vào nước

Quá trình chuyển hóa của các dạng phospho khác nhau từ đất vào nước sông được thể hiện rất rõ trong Hình 2.8 [29] Từ nguồn phospho đầu vào đất nông nghiệp đến lưu lượng dòng phospho đi vào nước sông đều được chuyển hóa thành dạng rắn và hòa tan, cũng như dạng hữu cơ và vô cơ Phospho khác với Nito ở chỗ không tồn tại dưới dạng khí, thành phần phospho dạng hòa tan trong tự nhiên cũng rất thấp do sự hấp phụ của thực vật trong quá trình sinh trưởng

Trong đất, thành phần phospho vô cơ dạng rắn (PIP) có khả năng hấp phụ và giải phóng phospho hòa tan (SRP) trong nước Các ion phosphate sẽ được thực vật hấp thụ và sau đó chuyển hóa thành dạng phospho rắn hữu cơ (POP) có trong cây lương thực sau khi thu hoạch Ở vùng thượng nguồn, sự xói mòn đất có thể được xem là một quá trình chính chuyển đổi phospho từ trong đất ra sông như các hạt rắn chứa phospho vô cơ (PIP) nhưng cũng bao gồm chất hữu cơ dạng rắn và hòa tan (POP và DOP, nhưng DOP ở đây không được tìm thấy) có thể bị khoáng hóa thành SRP và sau đó trao đổi với PIP Trong các con sông lớn, gần các khu vực đô thị, SRP chứa trong dòng nước thải đầu ra sẽ được hấp thụ trực tiếp bởi tảo, hình thành các hợp chất hữu cơ rồi chất hữu cơ lại được chuyển hóa lại dưới dạng SRP sau khi bị phân hủy và một lần nữa trao đổi với các hạt rắn và PIP

Hình 2.8: Quá trình chuyển hoá nhiều dạng phospho từ đất vào thượng lưu và nước sông trong mạng lưới thuỷ văn của Sông Sein [29]

Quá trình trao đổi của phospho dưới nước chịu ảnh hưởng bởi sự thay đổi độ mặn Ở những lưu vực sông có độ đục cao (>50mg/l), quá trình động học trong nước đạt được trạng thái cân bằng khi phospho được hấp phụ trong bùn giải phóng ngược lại vào nước sông đã bị nhiễm mặn có chứa nồng độ ion cao cạnh tranh với các khu vực hấp phụ trên hạt Nồng độ ion phosphate trong nước có xu hướng giảm khi độ mặn càng tăng ở những lưu vực sông khác nhau (Hình 2.9) Vai trò của trầm tích như một nguồn hấp phụ hoặc giải phóng P có liên kết chặt chẽ với trạng thái oxy hoá khử và thành phần hoá học địa chất của bùn hay trầm tích Sắt/nhôm hydroxide trong bùn có khả năng hấp phụ phosphate trong nước hiệu quả Trầm tích lúc này trở thành một nguồn hấp thu phosphate Nếu môi trường thiếu khí diễn ra trong trầm tích do sự thiếu oxy trong nước, khi đó sắt oxyhydroxides sẽ bị khử và hoà tan trong nước dẫn đến sự giải phóng P [33]

Hình 2.9: Biểu đồ thể hiện nồng độ phosphate của lưu vực Sông Amazon (A) và Sông Ochlockonee (B) Sông Amazon là một hệ thống sông lớn có độ đục cao trong khi sông Ochlockoneee là sông nhỏ có độ đục thấp [33]

Ngoài ra, nghiên cứu khác của Julien và Josette năm 2007 [34] cũng cho thấy trong khoảng độ mặn từ 0 đến 30, nồng độ của phospho vô cơ dạng rắn có xu hướng giảm 30% do tham gia vào quá trình giải phóng phosphate trong nước để đáp ứng sự pha loãng của nước biển Nồng độ phospho trao đổi là tối đa khi nằm trong khoảng chênh lệch độ mặn thấp nhất, nồng độ SS đạt giá trị cao nhất Kết quả đo được thể hiện nồng độ ion PO4 3- có xu hướng tăng dần khi độ mặn càng gần 0 và gần như không đổi khi độ mặn tăng từ 2-3 đến 10-20 do diễn ra sự pha loãng của nước biển Bên cạnh đó, Phospho dạng rắn ở những vùng có độ đục cao đóng vai trò là một nguồn phospho hòa tan giúp cho tảo phát triển gây ra phú dưỡng hóa ở sông và vùng ven biển

Bài luận văn này sẽ tiến hành phân tích lượng ion PO 4 3- hòa tan chuyển hóa từ trầm tích vào nước và ngược lại để đánh giá khả năng hấp phụ lớn nhất của lớp bùn lờ lửng có trong nước sông Từ đó, dự đoán nồng độ phosphate dư thừa trong nước gây rủi ro phú dưỡng trong nước sông.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Vùng nghiên cứu – Sông Sài Gòn

Sông Sài Gòn nằm ở phía nam Việt Nam, có chiều dài khoảng 250 km, chiều sâu khoảng 10-20 m và diện tích khoảng 4717 km 2 Bắt nguồn từ Phum Daung phía nam Campuchia, chảy qua các tỉnh Tây Ninh, Bình Dương, TP.Hồ Chí Minh và chảy vào hồ Dầu Tiếng (một trong bốn hồ lớn nhất Việt Nam có diện tích 130–270 km 2 , cung cấp nước cho tỉnh Tây Ninh và TP.HCM) Hồ này chủ yếu cung cấp nước tưới tiêu và cấp nước sinh hoạt cho TP.HCM Sông Sài Gòn chảy qua nhiều kênh rạch (kênh Tham Lương, kênh Hạ An, kênh Thái Mỹ, kênh Đông, rạch Bến Cát, rạch Thị Nghè, rạch Tra, ) trong TP.HCM và kết hợp với sông Đồng Nai hình thành nên sông Nại

Bè chảy qua vùng rừng ngập mặn Cần Giờ và đổ ra Biển Đông

Sông Sài Gòn chịu ảnh hưởng của khí hậu gió mùa: mùa mưa bắt đầu từ tháng 5 đến tháng 10 và mùa khô kéo dài từ tháng 11 đến tháng 4 Vào mùa mưa, lượng mưa lớn

Rừng ngập mặn Cần Giờ

Hình 3.1: Lưu vực Sông Sài Gòn nhất thường rơi vào tháng 6, lượng mưa trung bình khoảng 250-330mm/tháng và có thể đạt giá trị lớn nhất là 683 mm [35] Tốc độ dòng chảy hàng năm được ước lượng khoảng 54-85 m 3 /s [36] Ngoài ra, sông Sài Gòn còn bị tác động bởi chế độ bán nhật triều (hai lần triều lên và triều xuống trong ngày) gây ra sự xáo trộn hướng dòng chảy lên đến 20km hạ lưu của hồ Dầu Tiếng và hiện tượng xâm nhập mặn ở vùng thượng nguồn vào mùa khô Nhánh chính của sông Sài Gòn tiếp nhận nước thải từ các khu công nghiệp và khu đô thị.[4]

Khu vực dân cư dọc trên sông Sài Gòn có khoảng 27 khu dân cư và 5.75 triệu dân sinh sống Ước tính khoảng 1 triệu m 3 nước thải đô thị chứa 375 tấn TSS, 244 tấn BOD5, 456 tấn COD, 15 tấn N_amonia và 8 tấn TP thải trực tiếp ra sông mà không qua xử lý [35]

Tiến hành lấy mẫu

➢ Chuyến đi dọc theo chiều dài sông Sài Gòn từ Phú Cường đến Bình Khánh

Mẫu trầm tích thu thập được từ đáy sông tại 18 điểm dọc theo sông có vị trí được thể hiện ở Bảng 3.1 Trầm tích được lấy bằng máy xúc bùn Shipek, 5 cm từ vùng đáy sông được thu lấy để phân tích phospho dạng rắn

Kí hiệu: SG1704 – tên thứ tự của vị trí lấy mẫu

Hình 3.2: Biểu đồ lấy mẫu bùn lơ lửng và trầm tích theo chiều dọc cột nước

Vùng nước ngọt bị xâm nhập mặn bởi thủy triều Cột nước

Trầm tích Lớp biên nước-trầm tích

Bảng 3.1: Vị trí lấy mẫu từ Phú Cường đến Bình Khánh

STT Tên mẫu GPS pK* Chiều dài (km)

* Chọn pK = 0 tại ngã ba sông Sài Gòn - Đồng Nai Giá trị pK âm chỉ từ chỗ hợp lưu đến vùng thượng lưu, giá trị pK dương chỉ về đến vùng hạ lưu

Hình 3.4: Thu thập mẫu trầm tích

➢ Chuyến đi lấy mẫu theo sự chênh lệch độ mặn (Hình 3.4)

Chuyến số 1, tiến hành lấy mẫu bùn lơ lửng vùng nước bề mặt tại 11 điểm từ Bình Qưới đến Bình Khánh ngày 21/04/2017 Vị trí lấy 11 mẫu tương ứng vị trí từ SG1704-08 tới SG1704-18 (

Kí hiệu: PS1704 – 1 - tên thứ tự của vị trí lấy mẫu

Chuyến số 2, tiến hành lấy mẫu bùn lơ lửng ở vùng nước bề mặt và vùng nước đáy của sông tại 6 điểm ngày 25/04/2017 Vị trí lấy 6 mẫu tương ứng vị trí từ SG1704-13 tới SG1704-18 (

Kí hiệu: PS1704 – 2 - tên thứ tự của vị trí lấy mẫu – S (vùng nước bề mặt)/B (vùng nước đáy)

Vì trong chuyến đi lấy mẫu theo chênh lệch độ mặn, từ vị trí SG1704-01 đến SG1704-07 (chuyến số 1) và SG1704-01 đến SG1704-12, độ mặn của nước sông gần như bằng 0 nên không phân tích mẫu ở những vị trí đó

Ngoài ra, các thông số hoá lý của nước sông sẽ được đo tại hiện trường: nhiệt độ, pH, độ đục, O2 hoà tan (DO), TSS và độ mặn Các thành phần phospho trong bùn (TPP, PIP) sẽ được phân tích trong phòng thí nghiệm CARE

Hình 3.5: Biểu đồ phân bố triều cường dự báo trong tuần lấy mẫu

Chuẩn bị mẫu và phân tích Phospho

Trầm tích được lấy từ đáy sông trong chuyến lấy mẫu tháng 01/2016, 10/2016 và 04/2017 Bùn lơ lửng (04/2017) được lấy bằng bình 30 lít, để lắng sau 24 tiếng, rút hết nước rồi thu lấy phần cặn

Mẫu trầm tích lấy vào tháng 01/2016 và tháng 10/2016 tương ứng vào mùa khô và mùa mưa trong năm 2016 nhằm phân tích hàm lượng phospho trong mẫu Vì mẫu được lấy ở nhiều vị trí khác nhau (kênh rạch, sông Sài Gòn và rừng ngập mặn Cần Giờ) nên chỉ chọn những vị trí trùng với vị trí lấy mẫu tháng 04/2017 để tập hợp dữ liệu phân tích năm 2016 nhằm so sánh với năm 2017, từ đó rút ra kết luận chung

• 1/21016: vị trí lấy mẫu tương ứng với SG1704-03, SG1704-07, SG1704-09, SG1704-10, SG1704-11, SG1704-12, SG1704-14

• 10/2016: vị trí lấy mẫu tương ứng với SG1704-15, SG1704-16, SG1704-17, SG1704-18

Mẫu được bảo quản trong phòng trữ lạnh nên đảm bảo không ảnh hưởng đến kết quả phân tích thành phần phospho của trầm tích

Chuẩn bị mẫu bùn sấy khô:

Hình 3.6: Sơ đồ các bước chuẩn bị mẫu bùn khô

Mẫu bùn ướt được đem cân khoảng 20 gram, trữ tủ đông và sấy khô trước khi đem đi phân tích trong phòng thí nghiệm Sau đó, những mẫu bùn khô được nghiền nhỏ và rõy qua khõy 200 àm để loại bỏ cỏc hạt cặn thụ

Phân tích phospho trong bùn

Cân 20g mẫu bùn ướt Trữ đông Sấy lạnh Sấy khô Nghiền Rây

Hàm lượng tổng phopho rắn (TPP) trong bùn được phân tích bằng phương pháp nung/trích ly [37] Trước khi trích ly sẽ tiến hành nung 1.5 gram mỗi mẫu bùn khô (chuẩn bị ở bước trên) trong 12 tiếng Thành phần phopho rắn hữu cơ (POP) trong bùn bị khoáng hóa ở nhiệt độ 500 0 C Thành phần phospho rắn vô cơ (PIP) được phân tích tương tự TPP nhưng không có bước nung

Cả hai dạng phospho vô cơ và phospho hữu cơ đã bị khoáng hóa được trích ly với dung dịch axit HCl 1N trước khi đem mẫu đi lắc trong 12 giờ rồi ly tâm 4000 vòng/phút trong 10 phút Sau đó, mẫu sẽ được phân tích hàm lượng phosphate bằng phương pháp so màu blue molybdate Nồng độ phospho (mg PO4/l) được xác định bằng phương pháp so màu dùng máy đo quang phổ ở bước sóng 885 nm [38] Phần trăm phospho hữu cơ được tính toán bởi sự chênh lệch khối lượng trước và sau khi nung [39] TPP, PIP và POP trong trầm tích được thể hiện dưới dạng gP/kg bùn

Phân tích phospho trong nước

Ortho-phosphate trong nước được phân tích bằng phương pháp so màu sử dụng máy đo quang phổ ở bước súng 885 nm sau khi lọc bằng giấy lọc 0.45àm [38] Lượng phospho tổng (TP) trong nước được xác định bằng phản ứng thủy phân để chuyển hóa toàn bộ phospho rắn trong nước về dạng phospho hòa tan Mẫu sẽ được đem nung ở nhiệt độ 120 0 C trong một giờ sau khi thêm dung dịch acid H2SO4 15% và potassium persulfate [40]

Hình 3.7: Phân tích phospho trong bùn bằng phương pháp trích ly

1g bùn sau khi nung + 30ml HCl 1N

Ly tâm 4000 vòng/phút trong 10 phút

Pha loãng 50 lần, dùng phương pháp so màu blue molybdate

Sơ đồ phân tích phospho tiến hành trong các thí nghiệm

Phân tích tính chất vật lý của bùn

SCAF (System of Characterization of Aggregates and Flocs – Hệ thống mô tả đặc điểm của các tập hợp và bông cặn) dùng để đánh giá vận tốc lắng của các bông cặn

Hệ thống này thiết kế tích hợp các cảm biến điện từ theo tiêu chuẩn của dụng cụ lấy mẫu tự động cho phép đo các đặc tính của hạt cặn lơ lửng trong một khoảng nồng độ đến vài chục g/l Thiết bị dùng một ống thủy tinh trong suốt có đường kính 40 mm và chiều cao 200 mm, được trang bị 16 cặp sensor hồng ngoại cách nhau 10 mm dọc theo trục thẳng đứng Trong thiết bị SCAF, tốc độ lắng của hạt cặn được xác định bởi sự thay đổi của độ đục theo thời gian và được tính toán bằng phần mềm Matlab Có nhiều loại cặn trong nước sông như hạt cặn lớn, hạt cặn nhỏ, flocculli và bông cặn, sét hay hạt cát với tốc độ lắng tương ứng khác nhau [41]

LISST dùng để đánh giá sự phân phối kích thước hạt Mỗi thí nghiệm sẽ dùng một ống nhựa (đường kính 1 cm) để lấy một vài ml mẫu nước cặn ở thí nghiệm Jar test sau 4h cho vào bình khuấy trộn có chiếu laser của một thiết bị xách tay LISST XR Mỗi mẫu được phân tích trước và sau 2 phút siêu âm Sau đó, so sánh quang phổ khi có và không có siêu âm nhằm tách các hạt cặn ra khỏi bông cặn.

Vận tốc lắng phụ thuộc vào kích thước trung bình của hạt cặn Trong môi trường lơ lửng, các hạt keo, hạt cặn có kích thước từ vài micromet đến vài milimet có khả năng kết hợp với nhau hình thành bông cặn lớn hơn Quá trình “tạo bông” đóng vai trò quan trong trong động lực học của bùn lơ lửng

Thiết kế thí nghiệm Jar test

Mục tiêu của thí nghiệm Jar test nhằm mô phỏng cường độ xáo trộn cũng như những điều kiện khác tác động vào quá trình chuyển hoá của phospho (như nồng độ SS, độ mặn) diễn ra ở khu vực cửa sông Mô hình thí nghiệm này được thiết kế dựa trên thí nghiệm của những nghiên cứu tương tự: Grouz và cộng sự, 2016 [29]

Lấy 90 lít mẫu nước sông tại trạm Bình Khánh đem trữ trong phòng lạnh và để lắng trong vũng 24 giờ, sau đú lấy phần nước trong và lọc (dựng màng lọc GF/F 0.74 àm) Thí nghiệm được thực hiện với hai tốc độ khuấy trộn khác nhau (G = 44 và 22 s -1 ), độ mặn là 2.7 và nồng độ chất rắn lơ lửng đạt 500 mg/l Có tổng cộng 20 thí nghiệm

Hình 3.8: Thiết bị đo LISST và SCAF

Hình 3.9: Mô hình thí nghiệm Jar Test diễn ra nhằm mô phỏng quá trình biến đổi tự nhiên của các quá trình sinh hóa diễn ra trong nước

Tìm thời gian đạt đến trạng thái cân bằng

Thí nghiệm đầu tiên nhằm tìm thời gian tối ưu mà khi đó quá trình hấp phụ của bùn đạt đến trạng thái ổn định

1.5 lít nước siêu sạch được bỏ vào trong bình và thêm vào 0.75 và 1.5 gram bùn để có hai nồng độ chất rắn lơ lửng khác nhau tương ứng với 0.5 và 1.0 g/l Một giọt chloroform được thêm vào nhầm ngăn chặn các hoạt động sinh học thể diễn ra trong nước Trong mỗi thí nghiệm, mẫu sẽ được đem phân tích nồng độ ortho-phosphate

Hình 3.10: Các bước thí nghiệm

Mẫu nước sông ở Bình Khánh (2 lít) Độ khuấy trộn

SCAF & LISST Độ xáo trộn

70 vòng/phút trong mỗi giờ sau 9 tiếng sau khi lọc qua giấy lọc 0.45àm Mỗi mẫu sẽ được đo ba lần bằng phương pháp Hach Kits Kết quả phân tích được thể hiện trên Hình 3.11

Nồng độ ortho-phosphate thay đổi liên tục trong ba giờ đầu ở cả hai nồng độ khác nhau với độ lệch chuẩn khá lớn Tuy nhiên, khả năng hấp phụ của bùn từ giờ thứ 3 trở về sau thay đổi không nhiều Nồng độ phospho hòa tan trở nên ổn định khoảng 0.03 mg/l sau bốn giờ

Hình 3.12: Tìm thời gian cân bằng khi so sánh giữa hai nồng độ SS khác nhau

Thời gian (giờ) Thí nghiệm 2-1.0g/l

Hình 3.11: Khả năng hấp phụ phospho của bùn trong 9 giờ ở nồng độ 0.5 và 1.0 g/l

Các bước thí nghiệm Jar test

1) Mẫu nước lấy ở trạm Bình Khánh được đo tại hiện trường các thông số: pH,

DO, nhiệt độ, độ dẫn điện và độ mặn, TSS; riêng Phospho tổng (TP) và phospho hòa tan (SRP) được đo tại phòng thí nghiệm CARE

2) Sau đó, bỏ 2 lít dung dịch mẫu vào các bình, thêm chính xác một lượng