BÀI GIẢNG Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC (WATER POLLUTION)

ĐẠI HỌC NHA TRANG VIỆN NUÔI TRỒNG THỦY SẢN BÀI GIẢNG Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC (WATER POLLUTION) Biên soạn: Nguyễn Văn Quỳnh Bôi Nguyễn Đặc Kiên Đặng Thi Đoan Trang Nha Trang, 112013 Trường Đại học Nha Trang – Viện Nuôi trồng thủy sản Bài giảng học phần Ô nhiễm môi trường nước Nguyễn Văn Quỳnh Bôi – Nguyễn Đắc Kiên – Đặng Thị Đoan Trang 2013 1 Vấn đề 1: Những vấn đề cơ bản về ô nhiễm môi trường nước. Theo UNEP (2006), nước là yếu tố quyết định đối với tất cả các sinh vật sống (bao gồm cả con người), tuy nhiên nguồn tài nguyên giá trị này đang ngày càng bị đe dọa do dân số gia tăng và nhu cầu nước có chất lượng cao đối với sinh hoạt và các hoạt động kinh tế. Việc khai thác nguồn nước phục vụ sinh hoạt gia đình, sản xuất nông nghiệp, khai thác mỏ, hoạt động công nghiệp, sản xuất năng lượng và cả trồng rừng có thể đưa đến suy thoái chất lượng và giảm sút số lượng gây ảnh hưởng không những đến hệ sinh thái thủy sinh mà cả lượng nước đáp ứng yêu cầu (an toàn) có khả năng sử dụng cho con người. Ngày nay con người đã công nhận rộng rãi rằng các thủy vực không thể được nhìn nhận đơn giản như là những “thùng chứa” chỉ cung cấp nước cho các hoạt động nhân sinh mà những môi trường này là các “ma trận” phức tạp đòi hỏi sử dụng một cách thận trọng nhằm bảo đảm hoạt động chức năng bền vững của các môi trường này trong tương lai. Theo đó, việc quản lý các thủy vực đòi hỏi sự hiểu biết về các mối liên hệ quan trọng giữa những đặc trưng của hệ sinh thái với cách thức mà các hoạt động nhân sinh có thể làm thay đổi sự ảnh hưởng qua lại giữa các tiến trình vật lý, hóa học và sinh học đưa đến hoạt động chức năng của thủy vực (với tính chất là hệ sinh thái). Chất lượng nước không phải là điều kiện tĩnh của một hệ thống và nó cũng không được xác định bởi việc đo lường chỉ một thông số. Trong thực tế, nước thay đổi cả theo thời gian và không gian, và đòi hỏi sự quan trắc đều đặn nhằm phát hiện những khuôn mẫu không gian và các thay đổi theo thời gian. Có một phạm vi các thành phần hóa học, vật lý và sinh học có thể ảnh hưởng đến chất lượng nước và hàng trăm biến số có thể được khảo sát và đo lường. Một vài “biến” cung ứng một “dấu hiệu” tổng quát của ô nhiễm nước, trong khi đó các “biến” khác cho phép chỉ ra trực tiếp các nguồn gây ô nhiễm. 1. Đặc trưng cơ bản của nước tự nhiên Đặc trưng của nước tự nhiên được xem xét theo cả ba khía cạnh vật lý, hóa học và sinh học. 1.1 Đặc trưng vật lý và hoá học Nhiệt độ: Bên cạnh các thành phần hóa học và sinh học, để đánh giá đặc trưng của một thủy vực, nhiệt độ của nước cũng cần được chú ý. Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ của các phản ứng hóa học, tốc độ (rate) quang hợp của tảo và thực vât thủy sinh, tỷ lệ trao đổi chất của các sinh vật khác, cũng như khả năng tương tác của tác nhân ô nhiễm, vật ký sinh và các tác nhân gây bệnh khác với các thủy sinh vật. Nhiệt độ đóng vai trò rất quan trọng trong hệ sinh thái thủy sinh do nó có thể gây tử vong và có thể ảnh hưởng đến khả năng hòa tan của oxy và các chất khác (ví dụ ammonia) (UNEP, 2006). Tuy nhiên, xem xét theo khía cạnh ô nhiễm môi trường nước, một số tác giả chú ý nhiều hơn đến các thành phần hóa học và sinh học. Các hợp chất vô cơ, hữu cơ trong nước tự nhiên có thể tồn tại ở các dạng ion, hòa tan, khí hòa tan, dạng rắn, lỏng. Sự phân bổ các hợp chất này quyết định bản chất của nước tự nhiên: nước ngọt, nước mặn, nước giàu dinh dưỡng, nước nghèo dinh dưỡng, nước cứng, nước mềm, nước bị ô nhiễm… Trường Đại học Nha Trang – Viện Nuôi trồng thủy sản Bài giảng học phần Ô nhiễm môi trường nước Nguyễn Văn Quỳnh Bôi – Nguyễn Đắc Kiên – Đặng Thị Đoan Trang 2013 2 pH và độ kiềm: pH của một hệ sinh thái thủy sinh đóng vai trò quan trọng vì nó gắn liền chặt chẽ với năng suất sinh học. Mặc dù khả năng chống chịu của các loài là khác nhau, pH từ 6,5 đến 8,5 thường chỉ ra chất lượng nước tốt. Tính chất acid tự nhiên của nước mưa là do khả năng hòa tan của CO 2 khí quyển. Ion H + trong các khu vực tích tụ nước mưa được trung hòa bởi khoáng carbonate và silicate do nước thấm qua đất. Khả năng trung hòa này xác định có hoặc không sự lắng đọng acid gây ra những tác động đến chất lượng nước trong các thủy vực. Khả năng của đá và đất ở khu vực tích tụ nước mưa bất kỳ nhằm đệm cho tính acid của nước mưa có liên quan đến thời gian tồn tại của nước trong đá cũng như lượng khoáng calcium carbonate, bicarbonate, và silicate (Friedl et al., 2004; Wetzel and Likens, 2000; dẫn theo UNEP, 2006). Độ kiềm chỉ khả năng của hệ thống (nước) chống lại các tác động của acid. Khả năng đệm là khả năng của thủy vực chống lại sự thay đổi về pH. Các phức hợp có tính kiềm trong nước như là các bicarbonate, carbonate, và hydroxide thu nhận H + và hạ thấp tính acid của nước (tăng pH). Nước thấm qua đất ở các tầng đất có khả năng đệm kém (thường là đất với đá núi lửa) có xu hướng chứa nhiều các acid hữu cơ hòa tan và có thể làm pH của các mạch nước giảm đến 4,0. Điển hình là các vùng nằm dưới (xuôi dòng) các bãi than bùn (peat bog) và các vùng đất ngập nước khác. Các điều kiện này có thể tạo ra “nước đen” (“blackwater”) mang tính acid với độ cứng và hàm lượng chất khoáng thấp, và năng suất sinh học thấp. Trái lại, tầng nước nằm trên đá trầm tích, đặc biệt là đá vôi giàu carbonate, có hàm lượng cao silicate có khả năng bão hòa acid cao và khả năng đệm tốt nhìn chung đưa đến các dòng nước trung tính (pH = 7) đến hơi kiềm (pH = 7,5 – 8,5). Độ đục và chất rắn lơ lửng: Theo UNEP (2006), độ đục đề cập đến sự trong sạch của nước. Lượng chất rắn lơ lửng trong nước càng cao, nước càng đục. Nguồn gốc chủ yếu của độ đục ở các khu vực nước “mở” (open water zone) của phần lớn các hồ chủ yếu là phytoplankton, nhưng càng gần bờ thành phần hạt có thể bao gồm các hạt sét và phù sa (bùn) do xói lở bờ, cặn khuấy động của trầm tích đáy, và các mảnh vỡ hữu cơ từ các nguồn nước đổ vào. Độ đục thường cũng có thể được thể hiện dưới dạng tổng chất rắn lơ lửng (TSS). Theo Lê Trình và cộng sự (1992), các chất rắn bao gồm các thành phần vô cơ, hữu cơ và sinh vật, được phân thành 2 loại dựa vào kích thước: • Chất rắn không thể lọc được: Là loại có đường kính ≤10 6 m, ví dụ: chất rắn dạng keo, chất rắn hoà tan (các ion và phân tử hòa tan). • Chất rắn có thể lọc: Loại này có đường kính > 10 6 m, ví dụ: tảo, hạt mùn… Các ion hòa tan: Nước tự nhiên là dung môi hòa tan tốt các acid, base và các muối vô cơ (Bảng 1.1). Sự hòa tan các chất rắn (ion) là yếu tố quyết định độ mặn của nước. Đồng thời nồng độ các ion hòa tan càng lớn thì độ dẫn điện (EC) của nước càng cao. Thành phần hóa học của nước biển tương đối đồng nhất nhưng đối với nước sông thì còn phụ thuộc vào đặc điểm khí hậu, địa chất và vị trí của thủy vực. Theo UNEP (2006), thành phần ion của nước bề mặt và nước ngầm bị chi phối bởi sự trao đổi với thành phần địa chất bên dưới vùng tiêu nước (mưa) và với sự lắng đọng từ khí quyển. Nếu không tính đến ảnh hưởng do hoạt động của con người, nồng độ trung bình toàn cầu của 4 cation chủ yếu (Ca 2+ , Mg 2+ , Na + và K + ) và 4 anion chính (HCO 3 , CO3 2 , Trường Đại học Nha Trang – Viện Nuôi trồng thủy sản Bài giảng học phần Ô nhiễm môi trường nước Nguyễn Văn Quỳnh Bôi – Nguyễn Đắc Kiên – Đặng Thị Đoan Trang 2013 3 SO4 2, và Cl ) trong nước mặt có xu hướng tiếp cận các khuôn mẫu trong đó nồng độ Ca 2+ lấn át các cation và nồng độ bicarbonate vàhoặc carbonate lấn át các anion (Wetzel, 2001, dẫn theo UNEP, 2006). Tuy nhiên, Bảng 1.2 cũng cho thấy có sự thay đổi đáng kể về khuôn mẫu đối với các cation trong nước sông ở quy mô toàn cầu. Bảng 1.1 Thành phần hóa học của nước tự nhiên. Nước biển Nước sông, hồ, đầmThành phần Nồng độ (mgl) Thứ tự Nồng độ (mgl) Thứ tự Các ion chính Chlo – Cl Natri – Na + Sulphat – SO 4 2Magne – Mg 2+ Canci – Ca 2+ Kali – K + Bicarbonat – HCO 3 Bromua – Br Stronti – Sr 2+ 19340 10770 2712 1290 412 399 140 65 9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 8 6 11 4 15 2 58 4 5 3 6 2 7 1 Các nguyên tố vi lượng Nồng độ: gl Nồng độ: gl Bo – B Silic – Si Flo – F Nitơ – N Phopho – P Molipden– Mo Kẽm – Zn Sắt – Fe Mangan – Mn 4.500 5.000 1.400 250 35 11 5 3 2 2 1 3 4 5 6 7 8 9 10 13.100 100 230 20 1 20 670 7 15 3 12 11 13 18 14 9 16 (Nguồn: Phạm Văn Thường – Đặng Đình Bạch, 1999) Bảng 1.2 Thành phần các cation chủ yếu trong nước sông và hồ thế giới Các cation (mgl)Khu vực Ca 2+ Mg 2+ Na + K + Châu Phi 13 5 18 4 Châu Mỹ 22 6 8 1 Châu Á 20 9 11 2 Châu Âu 45 6 10 2 Châu Đại dương 8 2 6 1 (Nguồn: UNEP, 2006) Thành phần ion của nước bề mặt thường được xem là tương đối ổn định và không chịu ảnh hưởng bởi các tiến trình sinh học xảy ra trong cùng một thủy vực. Nồng độ magnesium (Mg 2+ ), sodium (Na + ) và potassium (K + ) có xu hướng không chịu ảnh Trường Đại học Nha Trang – Viện Nuôi trồng thủy sản Bài giảng học phần Ô nhiễm môi trường nước Nguyễn Văn Quỳnh Bôi – Nguyễn Đắc Kiên – Đặng Thị Đoan Trang 2013 4 hưởng nhiều bởi các hoạt động chuyển hóa (trao đổi chất) của các sinh vật thủy sinh, trái lại, calcium (Ca 2+ ) có thể thể hiện động thái theo không gian và theo mùa đáng chú ý với tính chất là kết quả của hoạt động sinh học. Tương tự như vậy, nồng độ chlo (Cl ) không bị ảnh hưởng đáng kể bởi hoạt động sinh học, ngược lại, nồng độ sulphate (SO 4 2) và carbon vô cơ (carbonate và bicarbonate) có thể bị thay đổi bởi chu kỳ quang hợp và hô hấp quần xã sinh vật thủy sinh (Wetzel, 2001; dẫn theo UNEP, 2006). Những tác động bên ngoài như là các sự kiện khí hậu chi phối chế độ bay hơi và dòng chảy, và các tác động nhân sinh cũng có thể làm thay đổi các khuôn mẫu nồng độ ion. Những tác như vậy chắc chắn chịu trách nhiệm lớn nhất đối với sự thay đổi dài hạn về thành phần ion của các hồ và sông (UNEP, 2006). Các khí hoà tan: Hầu hết các chất khí có thể hoà tan hoặc phản ứng với nước (trừ metan CH 4 ). Các khí hoà tan trong nước do sự hấp thụ không khí vào nước hoặc do các quá trình sinh hóa trong nước tạo ra. • Oxi hòa tan: Có ý nghĩa lớn đối với quá trình tự làm sạch của nước (oxi hóa chất hữu cơ trong điều kiện tự nhiên), và đảm bảo sự sống cho thủy sinh vật. Trong nước oxi tự do ở dạng hòa tan ít hơn nhiều lần so với không khí, khoảng 812 ppm (tương đương mgl). Oxy thường được sử dụng với tính chất là một chỉ báo chất lượng nước (oxy hòa tan cao thường chỉ ra chất lượng nước tốt). Lượng oxy hòa tan phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ và phần nào đó là áp suất khí quyển. Độ mặn cũng ảnh hưởng đến hàm lượng oxy hòa tan, oxy hoa tan thấp khi độ mặn cao và ngược lại. Cũng như các chất khí khác, khả năng hòa tan của oxy trong nước tỷ lệ nghịch với nhiệt độ. • Khí CO2: Đóng vai trò rất quan trọng trong nước. Khi CO 2 hòa tan trong nước tạo ra HCO3 và CO3 2. Nồng độ CO2 trong nước phụ thuộc vào pH: pH thấp CO 2 ở dạng khí, pH=89 CO 2 ở dạng HCO 3 , pH>10 CO 2 ở dạng CO 3 2. Sự tồn tại các dạng CO 2, CO 3 2, HCO3 theo một tỷ lệ nhất định được gọi là trạng thái cân bằng. Trạng thái này quyết định sự ổn định của nước tránh hiện tượng xâm thực của CO 2 và các hiện tượng lắng cặn của muối carbonat. Tỷ lệ mole pH Hình 1.1. Ảnh hưởng của pH lên tỷ lệ của các dạng tổng CO 2, HCO 3 và CO 3 2 Trường Đại học Nha Trang – Viện Nuôi trồng thủy sản Bài giảng học phần Ô nhiễm môi trường nước Nguyễn Văn Quỳnh Bôi – Nguyễn Đắc Kiên – Đặng Thị Đoan Trang 2013 5 Các chất dinh dưỡng: Các chất dinh dưỡng là những thành phần thiết yếu của sự sống. Những chất dinh dưỡng chủ yếu, hoặc những nguyên tố có ích cho sự phát triển của sinh vật (macronutrients – đa lượng), được đòi hỏi cho sự trao đổi chất và tăng trưởng của các sinh vật bao gồm carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, phosphorus, potassium, sulphur, magnesium, và calcium. Trong các hệ thống thủy sinh, nitrogen và phosphorus là hai thành phần dinh dưỡng giới hạn sinh khối tối đa của tảo và thực vật thủy sinh (sinh vật sản xuất sơ cấp) phổ biến nhất, xảy ra khi nồng độ trong môi trường xung quanh thấp so với yêu cầu tăng trưởng cực thuận của tảo, thực vật và vi khuẩn. Có nhiều thành phần vi lượng (micronutrients) cũng được đòi hỏi cho trao đổi chất và tăng trưởng của sinh vật, nhưng đối với phần lớn trường hợp, nhu cầu của tế bào đối với các thành phần dinh dưỡng này không vượt quá khả năng cung ứng. Ví dụ, những yếu tố như sắt (Fe), và mangan (Mn) đóng vai trò thiết yếu đối với cấu tạo tế bào nhưng được đòi hỏi với lượng tương đối thấp so với nồng độ trong trong các thủy vực nước ngọt (US EPA, 1997; dẫn theo UNEP, 2006). Nitrogen (N) và Phosphorus (P): Các phức hợp của nitrogen (N) và phosphorus (P) là những hợp phần chủ yếu của tế bào của các sinh vật. Do sự có mặt của các thành phần này thường thấp hơn nhu cầu sinh học, các nguồn cung ứng của môi trường có thể điều chỉnh hoặc hạn chế năng suất của các sinh vật trong hệ sinh thái thủy sinh. Năng suất của các hệ sinh thái thủy sinh có thể, do vậy, được quản lý bởi việc điều chỉnh đầu vào N và P trực tiếp hoặc gián tiếp với mục đích hoặc làm giảm hoặc gia tăng sức sản xuất sơ cấp. + Phosphorus nguyên thủy có mặt trong các thủy vực tự nhiên dưới dạng các phosphate, chúng có thể được chia làm hai nhóm là các phosphate hữu cơ và các phosphate vô cơ. Các phosphate có thể xâm nhập môi trường thủy vực từ sự phong hóa tự nhiên khoáng chất trong các khu vực tiêu nước, từ sự phân hủy sinh học, và dưới dạng nước chảy tràn từ các hoạt động nhân sinh ở đô thị hoặc vùng sản xuất nông nghiệp. Phosphorus vô cơ như là orthophosphate (PO 4 3) có thể sử dụng theo con đường sinh học cho các sinh vật sản xuất sơ cấp mà nhóm này phụ thuộc vào phosphorus đối với quá trình sản xuất và đã được mô tả là một thành phần dinh dưỡng quan trọng hạn chế sinh khối tối đa của các sinh vật này trong nhiều hệ thống nội địa. Phosphorus trong nước thường được đo dưới dạng P tổng số (total phosphorus), tổng số P hòa tan (total dissolved phosphorus) (có nghĩa tất cả P đi qua màng lọc có kích thước lỗ 0,45 μm), và ở dạng hòa tan có khả năng phản ứng (soluble reactive) hoặc orthophosphophate. + Nitrogen xuất hiện trong môi trường nước ở nhiều dạng bao gồm cả vô cơ lẫn hữu cơ và nồng độ của mỗi dạng đầu tiên được quyết định bởi hoạt động sinh học. Sự có định N, được thực hiện bởi vi khuẩn lam (cyanobacteria hay tảo lam bluegreen algae) và các vi khuẩn khác chuyển phân tử N 2 hòa tan thành ammonium (NH 4 + ). Các vi khuẩn hiếu khí chuyển ammonium (NH 4 + ) thành nitrate (NO 3 ) và nitrite (NO 2 ) qua quá trình oxy hóa (nitrification), và các vi khuẩn kỵ khí và tùy nghi chuyển NO 3 và NO2 thành khí N 2 qua quá trình khử N. Sinh vật sản xuất sơ cấp đồng hóa N vô cơ dưới dạng NH 4 + và NO3 , và Nhữu cơ trở lại là nguồn dinh dưỡng vô cơ thông qua phân hủy bởi vi khuẩn và sự bài tiết NH 4 + và các amino acid của sinh vật sống. N trong Trường Đại học Nha Trang – Viện Nuôi trồng thủy sản Bài giảng học phần Ô nhiễm môi trường nước Nguyễn Văn Quỳnh Bôi – Nguyễn Đắc Kiên – Đặng Thị Đoan Trang 2013 6 nước thường được đo dưới dạng total nitrogen, ammonium, nitrate, nitrite, total Kjeldahl nitrogen (N hữu cơ + NH 4 + ), hoặc sự kết hợp các thông số này để đánh giá hàm lượng N vô cơ hoặc N hữu cơ. P và N được xem là những thành phần phát động (driver) nguyên thủy của sự phú dưỡng đối với các hệ sinh thái thủy sinh, là nơi mà hàm lượng các chất dinh dưỡng gia tăng dẫn đến năng suất sơ cấp gia tăng. Theo Bách khoa thủy sản, phú dưỡng là sự gia tăng hàm lượng N và P trong thủy vực làm các loài thực vật bậc thấp (rong, tảo) phát triển mạnh tạo ra những biến đổi lớn gây giảm oxy hòa tan dẫn đến suy giảm chất lượng nước và ô nhiễm. Cơ sở sinh hóa của hiện tượng phú dưỡng là phản ứng quang hóa (photosynthesis). Với thực vật phù du, công thức phân tử có thể được minh họa như sau: (CH 2 O)106(NH 3 ) 16H3PO 4 . Công thức này cho thấy tỷ số C:N:P là 106:16:1. Tỷ số N:P được gọi là giá trị biên độ đỏ (Redfield value). Dựa vào giá trị này, có thể biết yếu tố nào là yếu tố hạn chế sự phát triển thực vật phù du trong thủy vực. Nếu chuyển “giá trị biên độ đỏ” từ nguyên tử gam sang mgl, tỷ lệ trở thành N:P = 7:1. Do đó, nếu nếu N:P>7 thì P là yếu tố hạn chế; ngược lại, nếu N:P