IV. GIỚI THIỆU MỘT SỐ TIÊU CHUẨN, QUY CHUẨN ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MÔ
a.Oxy hòa tan (D O Disolved Oxygen)
Một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của nước là hàm lượng oxy hồ tan, vì oxy khơng thể thiếu được đối với tất cả các sinh vật sống trên cạn cũng như dưới nước. Oxy duy trì quá trình trao đổi chất, sinh ra năng lượng cho sự sinh trưởng, sinh sản và tái sản xuất. Oxy là chất khí khó hồ tan trong nước, khơng tác dụng với nước về mặt hố học, nồng độ ơxi hồ tan trong nước phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ muối có trong nước. Lượng DO trong nước thường nhỏ khoảng 8-10 mg/l và dao động mạnh phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ, các đặc tính của nước, sự phân hủy hóa chất, sự quang hợp của tảo. Độ bão hòa của oxy hòa tan trong nước ngọt sạch ở 0oC là 14-15 mg/l.
Oxy hòa tan trong nước chủ yếu là do khuếch tán từ khơng khí vào, đặc biệt là các thủy vực nước chảy. Sự hòa tan của oxy cũng tuân theo quy luật Henry và có thể được tính theo cơng thức sau đây:
Cs = Ks x P
Bài giảng: Ơ nhiễm mơi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường
Ks – hiệu suất hịa tan của khí P – Áp suất riêng phần của chất khí
Thí dụ, ở 30oC và 1 atm (760 mm Hg) hàm lượng oxy hòa tan = 26,1 mL/l x 0,209 = 5,5 mL/l hoặc = 5,5 mL/l x 1,4 = 7,7 mg/l (32.000mg/22.400 mL = 1,4). Phần trăm bão hòa của oxy trong nước phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ và nồng độ muối nhất định (Bảng 3-4). Nước hòa tan nhiều hơn hay ít hơn nồng độ bão hịa được gọi là quá bão hòa hay dưới bão hòa. Hiện tượng oxy hòa tan quá bão hòa thường xảy ra do sự thay đổi nhiệt độ và áp suất. Oxy hòa tan trong nước còn do sự quang hợp của thực vật trong nước, quá trình này thường diễn ra mạnh trong các thủy vực nước tĩnh. Trong nước hàm lượng oxy hịa tan có thể mất đi do q trình hơ hấp của thủy sinh vật hay q trình oxy hóa vật chất hữu cơ trong nước và trong nền đáy ao.
Trong thủy vực nước chảy hàm lượng oxy hịa tan thường ít khi vượt q bão hịa. Trong khi đó, ở các thủy vực nước tĩnh thực vật quang hợp tạo ra oxy lớn hơn gấp nhiều lần so với q trình hơ hấp của thủy sinh vật, do đó hàm lượng oxy hịa tan có thể vượt q mức bão hịa trên 200%.
Trong các ao ni thủy sản hàm lượng oxy có sự biến động lớn theo ngày đêm, mức độ biến động phụ thuộc vào mức độ dinh dưỡng và sự phát triển của thực vật. Trong ao nuôi nghèo dinh dưỡng, thực vật kém phát triển nên biên độ dao động của oxy nhỏ. Trong ao giàu dinh dưỡng thực vật phát triển mạnh, vào ban ngày chúng quang hợp làm hàm lượng oxy hòa tan tăng cao vượt quá mức bão hòa và đạt mức cao nhất vào khoảng 14:00-16:00 giờ. Ngược lại, ban đêm q trình hơ hấp của thủy sinh vật tiêu thụ nhiều oxy làm hàm lượng oxy hòa tan giảm dần và đạt mức thấp nhất vào sáng sớm. Những ao quá giàu dinh dưỡng, hàm lượng oxy hòa tan vào sáng sớm có thể giảm đếm mức 0 mg/l và đạt đến mức q bão hịa 200% vào giữa trưa (Hình)
Trong một ao nuôi thủy sản hàm lượng dinh dưỡng và mật độ thực vật phù du có khuynh hướng tăng dần vào cuối vụ ni, do đó sự biến động hàm lượng oxy hòa tan theo ngày đêm cũng tăng dần. Đầu vụ nuôi, hàm lượng dinh dưỡng và mật độ thực vật phù du thấp nên hàm lượng oxy hòa tan thường thấp hơn mức bão hịa và ít biến động. Càng về cuối vụ nuôi, thực vật phù du phát triển làm hàm lượng oxy hòa tan biến động mạnh, khi thực vật phù du phát triển q mức thì hàm lượng oxy hịa tan lúc thấp nhất (sáng sớm) sẽ thấp hơn nhu cầu của cá, cần phải có biện pháp khắc phục.
Oxy là chất khí quan trọng nhất trong số các chất khí hịa tan trong mơi trường nước. Nó rất cần đối với đời sống sinh vật đặc biệt đối với thủy sinh vật, vì hệ số khuếch tán của oxy trong nước nhỏ hơn rất nhiều so với trong khơng khí. Theo Krogh (1919) (trích dẫn bởi Boyd, 1990) thì hệ số khuếch tán của oxy trong khơng khí là 11 cịn trong nước chỉ là 34.10-6. Do đó, dễ đưa đến hiện tượng thiếu oxy cục bộ trong thủy vực. Hơn nữa, trong thủy quyển oxy hịa tan chỉ chiếm 3,4% thể tích, cịn trong khí quyển nó chiếm tới 20,98% thể tích. Theo Swingle (1969) thì nồng độ oxy hịa tan trong nước lý tưởng cho tôm, cá là trên 5 ppm. Tuy nhiên, nếu hàm lượng oxy hòa tan vượt quá mức độ bão hịa cá sẽ bị bệnh bọt khí trong máu, làm tắt nghẽn các mạch máu dẫn đến não và tim đưa đến sự xuất huyết ở các vây, hậu môn.
Bảng 2.13. Ảnh hưởng của nồng độ oxy hòa tan tới sinh vật
DO (mg/l) Ảnh hưởng đến sức khỏe cá nuôi
0 – 0,3 Cá sống được trong thời gian rất ngắn
Bài giảng: Ơ nhiễm mơi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường
1 – 3 Sống được nhưng sinh trưởng phát triển rất chậm 3 – 5 Sống được nhưng sinh trưởng phát triển chậm 5 – 100% bão hòa Sống được, sinh trưởng và phát triển bình thường > 100% bão hịa Có thể gây tổn thương cơ quan hô hấp
Theo Swingle (1969) và Boyd (1990)
Hình 2.9. Thay đổi sự phân tầng DO theo thời gian đối với hồ giàu và hồ nghèo dinh dưỡng
Khi hàm lượng DO thấp, các loài sinh vật nước thiếu oxy sẽ giảm hoạt động hoặc chết. Nồng độ oxy hoà tan tối thiểu đối với các loài hoạt động mạnh như cá hồi là 5-8 mg/l, cịn đối với cá có nhu cầu oxy thấp như cá chép là 3 mg/l. Vậy DO là một chỉ số quan trọng để đánh giá sự ô nhiễm nước của thủy vực và là yếu tố quyết định các quá trình phân hủy sinh học các chất gây ô nhiễm trong nước trong điều kiện yếm khí hay háo khí. Trong q trình xử lý hiếu khí ln phải giữ nồng độ oxy hồ tan trong nước thải từ 1,5-2mg/l để qúa trình oxy hố diễn ra theo ý muốn và để hỗn hợp khơng rơi vào tình trạng yếm khí. Trong q trình xử lý nước thải, vi sinh vật tiêu thụ oxy hồ tan để đồng hố các chất dinh dưỡng và chất nền BOD, N, P cần thiết cho việc duy trì sự sống, sự tăng trưởng của chúng.
Oxy hịa tan trong nước khơng tác dụng với nước về mặt hóa học. Hàm lượng DO trong nước phụ thuộc nhiều yếu tố như áp suất, nhiệt độ, thành phần hóa học của nguồn nước, số lượng vi sinh, thủy sinh vật… DO là một chỉ thị đánh giá “tình trạng sức khỏe” của nguồn nước. Mọi nguồn nước đều có khả năng tự làm sạch nếu như nguồn nước đó cịn đủ một lượng DO nhất định. Khi DO xuống đến khoảng 4 – 5 mg/l, số sinh vật có thể sống được trong nước giảm mạnh. Nếu hàm lượng DO q thấp, thậm chí khơng cịn, nước sẽ có mùi và trở nên đen do trong nước lúc này diễn ra chủ yếu là các q trình phân hủy yếm khí, các sinh vật không thể sống được trong nước này nữa.
Bài giảng: Ơ nhiễm mơi trường, 2012Bộ mơn: Cơng nghệ mơi trường
Hàm lượng DO trong nước tuân theo định luật Henry, có nghĩa là nói chung độ tan giảm theo nhiệt độ. Ở nhiệt độ bình thường, độ hịa tan tới hạn của oxy trong nước vào khoảng 8 mg O2/l. Với oxy, độ bão hòa chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ nước, áp suất khí quyển trên bề mặt nước và một phần vào độ mặn. Trong điều kiện nguồn nước không bị ô nhiễm các chất hữu cơ không bền (từ nước thải sinh hoạt, công nghiệp thực phẩm, phân hủy sinh khối…), giá trị DO đo được thường gần bằng giá trị oxy hòa tan ở mức bão hịa. Do vậy thơng số DO thường được sử dụng để đánh giá mức độ ô nhiễm nguồn nước do chất hữu cơ.
Nếu áp suất khí quyển khác 760 mmHg thì DO bão hịa được tính theo cơng thức:
Cs’ = Cs(P – p)/(760 – p)
Trong đó: Cs’: DO bão hịa ở nhiệt độ đo tại áp suất P (mmHg)
Cs: DO bão hòa ở nhiệt độ đo tại áp suất 760 (mmHg) P: Áp suất khí quyển (mmHg)
p: Áp suất hơi nước bão hòa (mmHg) ở nhiệt độ do cho bởi bảng trên.
Bảng 2.14. Độ bão hòa của oxy trong nước ở khí quyển có 20,9% O2 và áp suất 760 mmHg
Nhiệt độ (oC)
Nồng độ Cl- (mg/l) Chênh lệch theo 100 mg/l Cl-
Áp suất hơi bão hòa p (mmHg) 0 5000 10000 0 14,6 13,8 13,0 0,017 5 5 12,8 12,1 11,4 0,010 7 10 11,3 10,7 10,1 0,012 9 15 10,2 9,7 9,1 0,010 13 20 9,2 8,7 8,3 0,009 18 22 8,8 8,4 8,0 0,008 22 24 8,5 8,1 7,7 0,008 22 26 8,2 7,8 7,4 0,008 25 27 8,1 7,7 7,3 0,008 27 28 7,9 7,5 7,1 0,008 28 29 7,8 7,4 7,0 0,008 30 30 7,6 7,3 6,9 0,008 32
Hàm lượng DO có quan hệ mật thiết đến các thơng số hữu cơ, đặc biệt là hữu cơ dễ phân hủy của nguồn nước. Nếu trong nước hàm lượng DO cao, các quá trình phân hủy các chất hữu cơ sẽ xảy ra theo hướng hảo khí (aerobic), cịn nếu hàm lượng DO thấp, thậm chí khơng cịn thì q trình phân hủy các chất hữu cơ trong nước sẽ xảy ra theo hướng yếm khí (anaerobic). Oxy hịa tan có ý
Bài giảng: Ơ nhiễm mơi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường
nghĩa lới đối với q trình tự làm sạch của dịng sơng (phân hủy ô nhiễm hữu cơ trong điều kiện tự nhiên) và trong việc bảo vệ nguồn lợi thủy sản (nếu oxy hòa tan giảm dưới 50% mức bão hòa sẽ làm hại tới một vài lồi tơm cá.
Do ở các đối tượng môi trường nước khác nhau thì khả năng hịa tan của oxy vào trong nước sẽ bị chi phối bởi một loạt các yếu tố khác nhau. Vì vậy, khi so sánh nồng độ oxy hòa tan của các đối tượng nước khác nhau với nhau, người ta thường không sử dụng trực tiếp giá trị DO mà sử dụng độ thiếu hụt oxy hịa tan:
LO = DObh – DO
Trong đó: LO: Độ thiếu hụt oxy hòa tan DO: Nồng độ oxy hòa tan đo đạc được DObh: Nồng độ oxy bão hòa ở cùng điều kiện