Một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến kết quả đánh giá khả năng tự làm sạch của dòng sông là hệ số phân hủy chất hữu cơ bởi vi khuẩn. Kết quả nghiên cứu cho đối tượng sông Cái, là một nhánh của sông Đồng Nai, có vai trò hết sức quan trọng đối với Căn cứ 696, Vùng 2 Hải quân, đã xác định được hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ ở 20o C và xây dựng được phương trình động học phân hủy chất hữu cơ ở 20o C theo phương pháp Slope.
Nghiên cứu khoa học công nghệ XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ PHÂN HỦY CHẤT HỮU CƠ TRONG NƯỚC SÔNG CÁI Nguyễn Văn Sơn* Tóm tắt: Một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến kết đánh giá khả tự làm dịng sơng hệ số phân hủy chất hữu vi khuẩn Kết nghiên cứu cho đối tượng sông Cái, nhánh sơng Đồng Nai, có vai trị quan trọng Căn 696, Vùng Hải quân, xác định hệ số tốc độ phân hủy chất hữu 20oC xây dựng phương trình động học phân hủy chất hữu 20oC theo phương pháp Slope Từ khóa: Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ; BOD tiêu thụ; BOD toàn phần; Sông Cái ĐẶT VẤN ĐỀ Các hướng nghiên cứu liên quan đến khả tự làm dòng sông giới 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 dịng sơng Tại Việt Nam, khái niệm khả tự làm dịng sơng đề cập thường xuyên tài liệu nghiên cứu; có số cơng trình nghiên cứu khả tự làm dịng sơng thực Cơng cụ sử dụng để đánh giá khả tự làm dịng sơng mơ hình tốn [1] Một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến kết đánh giá khả tự làm dịng sơng hệ số thực nghiệm hay cịn 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 Hiện nay, Việt Nam, hệ số thực nghiệm lựa chọn theo gợi ý mơ hình áp dụng đánh giá khả tự làm dịng sơng [1] Sơng 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 10km, chiều rộng 220-380m, độ sâu dòng 15-20m 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) Sơng Cái có vai trị quan trọng Căn 696, Vùng Hải quân Xác định tốc độ phân hủy chất hữu nước sông Cái nhóm vi khuẩn hiếu khí 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 Mẫu nước sông: sông Cái với chiều dài khoảng 10km, lấy mẫu vị trí, vị trí cách 2,0-2,5 km (kí hiệu N1-N5) Tại vị trí lấy mẫu: dòng lấy mẫu theo độ sâu, bờ phải lấy mẫu theo độ sâu, bờ trái lấy mẫu theo độ sâu, bờ phải lấy mẫu bờ trái lấy mẫu Các mẫu sau trộn chung với tạo thành mẫu tổ hợp để phân tích Các mẫu lấy can nhựa, bảo quản lạnh nhiệt độ 1-5 oC, sau vận chuyển phịng thí nghiệm Sử dụng thiết bị BOD EZ-Oxyro 4R Respirometer Hàn Quốc để phân tích Sử dụng hóa chất hạt KOH để hấp thụ CO2 sinh q trình hơ hấp Sử dụng oxy tinh khiết 5,0 cấp vào để cân áp suất bình phản ứng [2] Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 403 Hóa học – Sinh học – Mơi trường Hình Vị trí điểm lấy mẫu sơng Cái Hình Phương thức lấy mẫu tổ hợp vị trí sơng Cái Thiết bị dựa sụt giảm áp suất tạo q 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 [2] Hình Thiết bị EZ-Oxyro 4R Respirometer Hình Nguyên lý đo BOD EZOxyro 4R Respirometer 2.2 Phương pháp nghiên cứu Ở điều kiện hiếu khí, hợp chất hữu vài hợp chất vơ vi khuẩn sử dụng để tạo thành tế bào mới, lượng, CO2 phần cịn lại Lượng ơxy sử dụng để ôxy hóa hợp chất hữu hợp chất nitơ khoảng 60-90 ngày gọi BOD tồn phần (uBOD) Lượng ơxy sử dụng để ơxy hóa hợp chất hữu (La) ngày thứ 20 phản ánh 99% La [3] Định luật Phelps cho tốc độ ơxy hóa sinh hóa chất hữu tỷ lệ thuận với nồng độ chất hữu cịn lại chưa bị ơxy hóa Định luật Phelps biểu diễn phương trình vi phân [3]: =− Lấy tích phân vế: =− =− = = 404 = −0,434 hoặc = 10 = =− 10 Nguyễn Văn Sơn, “Xác định tốc độ phân hủy chất hữu nước sông Cái.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Trong đó: - Lt: BOD cịn 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 tự nhiên, 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: = − = (1 − ) = (1 − 10 ) Hoặc theo log10: Phương pháp Slope phương pháp Thomas, H A., Jr phát triển dựa bình phương cực tiểu phương trình phản ứng bậc [3, 4]: = ( − )= − 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: + ∑ −∑ =0 ∑ + ∑ −∑ =0 Các tính tốn cho y’, yy’, y2 cho giá trị y Sau tính y’, yy’, y2 để sử dụng cho phương trình Giá trị độ dốc tính tốn từ giá trị y t sau: − − ( − ) +( − ) − − = = − Trường hợp đặc biệt, khoảng thời gian gia tăng nhau, ti+1 – ti = t3 – t2 = t2 – t1 = t, y’ xác định sau: = = = = ( − 2 ) ( − − ) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 405 Hóa học – Sinh học – Mơi trường Số lần đo BOD tối thiểu n > Giải phương trình tìm giá trị a b Từ đó, xác định K1 La sau: K1 = -b La = -a/b 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 [2] KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Kết phân tích BOD tiêu thụ (y) nhiệt độ 20oC mặt cắt sông Cái thời điểm khác sau: Hình Giá trị y vào tháng 8/2019 Hình Giá trị y vào tháng 12/2019 Hình Giá trị y vào tháng 4/2020 Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu 20oC nước sông Cái theo phương pháp Slope xác định: Bảng Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ số e (K1) 20oC sông Cái Hệ số K1 (ngày-1) Thời điểm N1 N2 N3 N4 N5 Trung bình Tháng 8/2019 0,066 0,071 0,062 0,064 0,057 0,064 Tháng 12/2019 0,061 0,071 0,065 0,073 0,066 0,067 Tháng 4/2020 0,061 0,059 0,052 0,066 0,054 0,059 Trung bình 0,063 0,067 0,060 0,068 0,059 0,063 o Bảng Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ số 10 (k1) 20 C sông Cái Hệ số k1 (ngày-1) Thời điểm N1 N2 N3 N4 N5 Trung bình Tháng 8/2019 0,029 0,031 0,027 0,028 0,025 0,028 Tháng 12/2019 0,026 0,031 0,028 0,032 0,029 0,029 Tháng 4/2020 0,027 0,025 0,023 0,029 0,024 0,025 Trung bình 0,027 0,029 0,026 0,029 0,026 0,027 o Từ kết nghiên cứu trên, xác định hệ số tốc độ phân hủy chất hữu 20 C nước sông Cái K1 = 0,063 ngày-1 hay k1 = 0,027 ngày-1 Tốc độ phân phân hủy chất hữu nước sông Cái nằm mức trung bình thấp so với sơng khác 406 Nguyễn Văn Sơn, “Xác định tốc độ phân hủy chất hữu nước sông Cái.” Nghiên cứu khoa học công nghệ BOD toàn phần giai đoạn (La) 20oC nước sông Cái theo phương pháp Slope xác định: Bảng BOD toàn phần giai đoạn (La) 20oC sông Cái Giá trị La (mg/l) Thời điểm N1 N2 N3 N4 N5 Trung bình Tháng 8/2019 20,1 16,6 16,5 14,9 14,9 16,6 Tháng 12/2019 14,2 13,8 15,5 16,1 19,8 15,9 Tháng 4/2020 21,4 19,4 19,3 14,8 16,4 18,2 Trung bình 18,5 16,6 17,1 15,2 17,0 16,9 o Phương trình động học phân hủy chất hữu 20 C nước sông Cái theo phương pháp Slope xác định: = 16,9 ∗ (1 − , ∗ ) = 16,9 ∗ (1 − 10 , ∗ ) KẾT LUẬN Kết nghiên cứu xác định hệ số tốc độ phân hủy chất hữu 20oC nước sông Cái K1 = 0,063 ngày-1 hay k1 = 0,027 ngày-1 Phương trình động học phân hủy chất hữu 20oC nước sông Cái theo phương pháp Slope xác định: = 16,9 ∗ , ∗ (1 − ) = 16,9 ∗ (1 − 10 , ∗ ) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Sơn “Nghiên cứu tác động phát triển kinh tế - xã hội đến chất lượng nước rạch Vàm Búng đề xuất biện pháp quản lý tổng hợp bảo vệ nguồn nước” Báo cáo tổng kết nhiệm vụ, Bình Dương, 2013 [2] Dream Bios “Operation Manual for EZ-Oxyro 4R Respirometer” Seoul Korea, 2015 [3] C C Lee and Shun Dar Lin “Handbook of Environmental Engineering Calculations” Mc Graw Hill, Second Edition, 2007 [4] 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 425430, 1937 ABSTRACT DETERMINING DEOXYGENATION RATE FOR CAI RIVER One of the important factors influencing the evaluation result of natural selfpurification in river is deoxygenation rate by bateria Research result for Cai river, which is a branch of Dong Nai river, plays a really important role for Base 696, Region Navy, has determined deoxygenation rate at 20oC and kinetic equation for deoxygenation at 20oC by Slope method Keywords: Deoxygenation rate; Exerted BOD; Ultimate BOD; Cai river Nhận ngày 24 tháng năm 2020 Hoàn thiện ngày 05 tháng 10 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 10 năm 2020 Địa chỉ: Viện Nhiệt đới môi trường/Viện Khoa học Công nghệ quân *Email: sonvittep@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 407 ... o Từ kết nghiên cứu trên, xác định hệ số tốc độ phân hủy chất hữu 20 C nước sông Cái K1 = 0,063 ngày-1 hay k1 = 0,027 ngày-1 Tốc độ phân phân hủy chất hữu nước sông Cái nằm mức trung bình thấp... trình động học phân hủy chất hữu 20 C nước sông Cái theo phương pháp Slope xác định: = 16,9 ∗ (1 − , ∗ ) = 16,9 ∗ (1 − 10 , ∗ ) KẾT LUẬN Kết nghiên cứu xác định hệ số tốc độ phân hủy chất hữu 20oC... 406 Nguyễn Văn Sơn, ? ?Xác định tốc độ phân hủy chất hữu nước sông Cái. ” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ BOD tồn phần giai đoạn (La) 20oC nước sông Cái theo phương pháp Slope xác định: Bảng BOD toàn