Ơxy hịa tan (DO) là một yếu tố thủy hĩa rất quan trọng đối với hệ sinh thái
dưới nước, tồn tại ở dạng phân tử tự do O2 và cĩ liên quan tới hàng loạt quá trình sinh địa hố xảy ra trong mơi trường biển trong đĩ đáng kể nhất là quá trình oxi hĩa các chất hữu cơ giữ cho mơi trường nước biển trong sạch. Nồng độ ơxy hồ tan là hàm của quá trình hơ hấp, quang hợp, phân huỷ, đạm hố… Nhu cầu ơxy sinh học (BOD) là lượng ơxy cần thiết để vi sinh vật tiêu thụ trong quá trình ơxy hĩa các chất
hữu cơ trong nước (đặc biệt là nước thải). Ơxy sử dụng trong quá trình này là oxi hịa tan trong nước biển.
BOD là thơng số quan trọng để đánh giá mức độ ơ nhiễm của nước do các chất hữu cơ cĩ thể bị vi sinh vật phân hủy trong điều kiện hiếu khí. Chỉ số BOD chỉ ra lượng ơxy mà vi sinh vật tiêu thụ trong phản ứng ơxy hĩa các chất hữu cơ trong nước ơ nhiễm. Chỉ số BOD càng cao chứng tỏ lượng chất hữu cơ cĩ khả năng phân hủy sinh học càng lớn, nước bị ơ nhiễm đồng thời cũng cho thấy lượng ơxy bị hao hụt trong nước biển điều đĩ ảnh hưởng trực tiếp tới sự tồn tại của thủy sinh vật trong thủy vực.
Trong mơ hình ECO Lab, DO và BOD liên hệ với nhau thơng qua phương trình cân bằng ơxy tại 4 mức khác nhau tương ứng với "mẫu" đã được lựa chọn trong khi thiết lập mơ hình tính tốn. Trong khuơn khổ luận văn, học viên lựa chọn phương
40
trình cân bằng ơxy với các hợp chất dinh dưỡng (mức thứ 3). Phương trình cĩ dạng sau:
(2.9)
trong đĩ:
- reaeration (1) : quá trình trao đổi ơxy giữa nước biển với khí quyển (g/m3/ngày).
- nitrification(2): quá trình đạm hĩa(g/m3. ngày), Y1: hệ số bổ sung cho ơxy - BOD decay (3): quá trình phân hủy BOD (g/m3/ngày)
- photosynthesis (4): quá trình quang hợp (g O2/m2/ngày) - respiration (5): quá trình hơ hấp của sinh vật (g O2/m2/ngày)
-SOD (6) (sediment oxygen demand): nhu cầu ơxy cho phân hủy các vật chất
hữu cơ tại đáy (chỉ phụ thuộc vào hàm lượng ơxy và nhiệt độ) (g/m3/ngày). Dựa trên phương trình cân bằng ơxy, cĩ thể thấy được hai nhĩm quá trình chủ yếu, nhĩm làm tăng hàm lượng ơxy (gồm quá trình trao đổi với khí quyển và quang hợp) và nhĩm làm giảm hay tiêu thụ ơxy (quá trình đạm hĩa, phân hủy BOD, hơ hấp và quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ tại đáy).
- Qúa trình trao đổi oxi với khí quyển - bao gồm sự hấp thụ ơxy từ khí quyển khi nồng độ của nĩ trong nước biển chưa đạt bão hịa và - được xác định theo cơng thức:
(2.10) trong đĩ CS là nồng độ ơxy bão hịa phụ thuộc vào nhiệt độ và độ muối của nước biển thơng qua biểu thức sau:
)} . 000077774 , 0 . 0000374 , 0 007991 , 0 .( 41022 , 0 . 00256 , 0 .{ . 0841 , 0 652 , 14 T S T S T S CS (2.11) và K2 là tốc độ trao đổi phụ thuộc vào vận tốc giĩ, vận tốc dịng chảy và độ sâu:
41
(2.13)
- Quang hợp là quá trình giải phĩng khí ơxy tự do nhờ sự tổng hợp của thực vật phù du sống trong mơi trường nước biển. Quang hợp được biểu diễn thơng qua năng suất sinh học lớn nhất được tạo ra vào thời điểm giữa trưa của một ngày. Tuy nhiên vì phụ thuộc vào cường độ ánh sáng tới mặt biển nên quá trình này biến đổi theo thời gian và độ dài tương đối của một ngày. Hơn nữa cùng với quá trình hấp thụ oxi từ khí quyển, quang hợp chỉ diễn ra ở lớp nước bên trên bề mặt và thường khơng vượt quá độ sâu 200 - 300m
nếu nếu
- Đạm hĩa cũng là một yếu tố ảnh hưởng trực tiếp tới cân bằng ơxy trong nước biển khi nĩ sử dụng ơxy hịa tan trong quá trình chuyển hĩa amoni (NH4+) thành hợp phần nitrit (NO2-). Quá trình đạm hĩa trong phương trình cân bằng ơxy được biểu diễn qua biểu thức sau:
(2.14)
- Hơ hấp là quá trình duy trì sự sống cho sinh vật (chủ yếu cho động vật) và cũng là quá trình tiêu thụ ơxy trong mơi trường biển. Hoạt động hơ hấp phụ thuộc vào nhịp sinh học theo thời gian trong ngày và một số yếu tố ảnh hưởng như nhiệt độ.
(2.15)
- BOD là một thành phần quan trọng trong phương trình cân bằng ơxy, biến đổi hàm lượng BOD theo thời gian thể hiện qua biểu thức:
(2.16)
42
- SOD là nhu cầu ơxy dùng để phân hủy các hợp chất hữu cơ lớp đáy được mơ tả riêng biệt (khơng phải là các chất hữu cơ từ nguồn thải) và chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ ơxy cĩ trong nước biển.
(2.18) giải thích các ký hiệu:
- V: vận tốc dịng chảy tại độ sâu trung bình (m/s)
- WV: vận tốc giĩ (m/s) - H: độ sâu (m)
- K4: tốc độ quá trình đạm hĩa tại 200C (1/ngày) - : hệ số nhiệt độ cho quá trình đạm hĩa - T: nhiệt độ (oC)
- DO: nồng độ oxi hịa tan thực cĩ trong nước biển (mg O2/l) - BOD: nồng độ BOD thực cĩ trong nước biển (mg O2/l)
- HS_nitr: nồng độ nửa bão hịa cho quá trình đạm hĩa (mg O2/l)
- Pmax: sức sản xuất ơxy lớn nhất tại thời điểm giữa trưa (g O2/m2/day) - F1(H): hàm suy giảm ánh sáng theo độ sâu
- : thời gian thực trong một ngày liên quan tới thời điểm giữa trưa - : độ dài ngày thực
- : hệ số nhiệt độ cho quá trình quang hợp - tup,down: thời gian mặt trời mọc, lặn
- R1: tốc độ hơ hấp của các sinh vật tự dưỡng tại 200C (gO2/m2/ngày)
- R2: hệ số nhiệt độ trong quá trình hơ hấp của các sinh vật dị dưỡng (gO2/m2/ngày)
- : hệ số nhiệt độ cho quá trình hơ hấp của các sinh vật dị dưỡng - K3: hằng số phân huỷ các chất hữu cơ tại 200C (1/ngày)
- : hệ số nhiệt độ Arhenius
43
- HS_SOD: nồng độ nửa bão hồ cho SOD (mgO2/l)