5. QUÁ TRÌNH TỰ LÀM SẠCH CỦA NGUỒN NƯỚC MẶT
5.1. Quá trình tự làm sạch
Quá trình tự làm sạch của nguồn nước có thể chia thành 2 giai đoạn:
• Quá trình xáo trộn – pha loãng giữa các dòng chất bẩn với khối lượng nguồn nước. Đó là quá trình vật lý thuần túy.
• Quá trình tự làm sạch với nghĩa riêng của nó. Đó là quá trình khoáng hóa các chất bẩn hữu cơ - hay rộng hơn, đó là quá trình chuyển hóa - phân hủy các chất bẩn hữu cơ nhờ các thủy sinh vật, vi sinh vật. Ở mức độ nhất định, dù ít dù nhiều tất cả những cơ thể sống đó đều tham gia vào quá trình, đồng thời chúng sinh trưởng - sinh sản (kể cả chết) và phát triển. Sinh khối của chúng tăng lên.
Trong các dòng sông chảy, các dòng chất sẽ pha loãng với nước sông trên một khoảng nhất định. Trong suốt khoảng chiều dài đó có thể phân biệt các vùng sau đây:
• Vùng xả chất bẩn (A)
• Vùng xáo trộn hoàn toàn (B)
• Vùng bẩn nhất, ở đó oxy hòa tan ít nhất (C)
• Vùng phục hồi - ở đó kết thúc quá trình tự làm sạch (D) (hình 2.8)
Hình 2. 8 Các vùng nhiễm bẩn của dòng chảy
Hình 2. 9 Ảnh hưởng của chất bẩn đối với sự sống – hoạt động của vi sinh vật trong nước sông
Cường độ quá trình tự làm sạch phụ thuộc nhiều yếu tố: dung tích nước sông, tốc độ dòng chảy, điều kiện làm thoáng hòa tan oxy theo bề mặt, chiều sâu dòng chảy, nhiệt độ, thành phần hóa lý của nước, tính chất các chất bẩn,…Trước hết ta hãy xét một số khái niệm cơ bản sau:
z Tổng sản phẩm sơ cấp trong nước nguồn
Theo phương thức dinh dưỡng, tất cả các cơ thể sống trên trái đất được chia thành hai loại: sinh vật sản xuất và sinh vật tiêu thụ. Sinh vật sản xuất là những loại tự dưỡng, tạo chất hữu cơ bằng cách cố định CO. Sinh vật tiêu thụ là những loại dị dưỡng, chỉ sử dụng chất hữu cơ có sẵn. Sinh vật sản xuất bao gồm tất cả các thực vật, vi khuẩn tự dưỡng (trừ nấm). Sinh vật tiêu thụ gồm tất cả những loài sinh vật còn lại.
Chất hữu cơ tạo trong quá trình quang hóa được gọi là sản phẩm sơ cấp. Khối lượng chủ yếu của sản phẩm sơ cấp được tổng hợp nhờ thực vật. Vai trò của vi khuẩn trong quá trình này không lớn lắm.
Việc tổng hợp sản phẩm sơ cấp – là cơ sở của sự sống trên trái đất. Việc tái tạo các chất hữu cơ có liên quan mật thiết đến quá trình quang hóa, tức là tùy thuộc điều kiện chiếu sáng. Tuy nhiên lượng sản phẩm sơ cấp không chỉ phụ thuộc cường độ quang hóa mà còn tùy thuộc lượng thực vật. Dù quang hợp có mạnh nhưng trên sông hồ ít thực vật thì lượng sản phẩm sơ cấp cũng ít. Ngược lại, dù quang hợp có hơi yếu nhưng trên sông hồ nhiều động vật phù du và thực vật thượng đẳng thì lượng sản phẩm sơ cấp cũng rất lớn. Độ sâu nguồn nước càng tăng thì độ chiếu sáng càng giảm và lượng sản phẩm sơ cấp sẽ tùy thuộc nhiều vào sự phân bố thực vật theo chiều dày lớp nước. Thực vật nằm ở lớp dưới sâu, ít được chiếu sáng thì sản lượng sơ cấp sẽ giảm.
Giai đoạn quang hợp ngoài ánh sáng thường ngắn hơn giai đoạn trong bóng tối, cho nên tảo có thể sống – tồn tại ở ngoài vùng chiếu sáng tốt. Khi nổi lên mặt nước chúng nhận 1 lượng bức xạ mặt trời cần thiết, khi chìm xuống sâu chúng sẽ thực hiện quang hợp tối. Khí hậu trung hòa tảo phân bố trên sông, hồ không đều, ở lớp trên nhiều tảo hơn lớp dưới. Như vậy phần tảo bị đói ánh sáng bao giờ cũng ít hơn chúng phân bố đều theo chiều dày lớp nước. Chẳng hạn, khi lặng gió 62% tảo bị thiếu ánh sáng, khi gió cấp 5 tới 90% bị thiếu ánh sáng.
Thành phần của nước, cụ thể lượng nitơ, phôtpho cũng ảnh hưởng đến lượng sản phẩm sơ cấp. Nhu cầu các nguyên tố dinh dưỡng đối với các loài thực vật không giống nhau. Thí dụ khuê tảo rất cần silic để tạo panxiria.
Lượng sản phẩm sơ cấp được biểu thị bằng đơn vị khối lượng (hoặc dơn vị năng lượng tương đương), được tổng hợp trong 1 đơn vị thời gian. Sản phẩm có thể tính theo đơn vị dung tích, điện tích, hoặc toàn bộ nguồn nước.
Khi quang hợp, các quá trình tái tạo sinh khối mới của thực vật phù du, việc tạo oxy và năng lượng liên quan với nhau. Theo Oswald (1963) mối quan hệ đó có thể biểu thị như sau:
NH4 + 7,6 CO2 + 17,7 H2O C7,6H8,1O2,5N + 15,2 H2O + 3721 KJ (chất hữu cơ của tảo) (1-15) Cần chú ý rằng không phải lúc nào sự tăng sinh khối của tảo cũng đồng nhất với lượng sản phẩm sơ cấp.
Lượng sản phẩm sơ cấp trong các loại nguồn nước thay đổi trong khoảng 10 - 400 gO2/m2 năm (Bảng 1-4).
Bảng 2. 5 Lượng sản phẩm sơ cấp trong các hố (theo Vinberg 1960) Lượng sản phẩm sơ cấp gO2/m2 Lượng sản phẩm sơ cấp gO2/m2 Loại hố Trung bình
năm Ngày max
Loại bể
Trung bình
năm Ngày max Ligotrophe Mezotrophe 10 – 20 30 – 200 0.5 – 0 0 – 7 Eutrophe Eutotrophe cao 70 – 200 400 5 – 7.5 7.5 – 10.0 z Chuyển hóa và phân hủy chất hữu cơ
Sinh khối của các sinh vật tự dưỡng: tảo, thực vật nước bậc cao; vi khuẩn - là nguồn thức ăn cho các loại dị dưỡng – vi khuẩn, nấm, động vật phù du, Necton. Trong số này có nhóm sinh vật đặc biệt gọi là sinh vật hoại sinh, khoáng hóa chất hữu cơ chết chúng cung cấp các nguyên tố khoáng cho loại tự dưỡng.
Để đặc trưng cho trình tự chuyển hóa các chất hữu cơ con người dùng khái niệm “mức dinh dưỡng”,…Việc chuyển hóa chất hữu cơ (và cả năng lượng trong đó) từ mức dinh dưỡng này sang mức khác, số loài và sinh khối của chúng giảm dần và tạo ra nhiều lớp sinh khối. Những loài nhỏ nhưng tốc độ sinh sản nhanh với cùng một sinh khối thường tạo ra nhiều chất hữu cơ hơn các loài to lớn. Tuy nhiên cũng có khi sinh khối của loài thuộc mức dinh dưỡng sau lớn hơn sinh khối của loài thuộc mức dinh dưỡng trước. Do vậy phải phân biệt hai khái niệm: sinh khối và sản phẩm. Sinh khối là tổng khối lượng của tất cả các sinh vật thuộc một mức dinh dưỡng nào đó còn sản phẩm là sinh khối tạo ra ở một mức dinh dưỡng nào đó trong một khoảng thời gian nhất định (trong đó kể cả khối lượng đã tiêu thụ, chết, hoặc tách khỏi hệ thống).
Khác với sinh khối, năng lượng của một chất hữu cơ nào đó khi chuyển từ mức dinh dưỡng này sang mức dinh dưỡng khác luôn luôn thay đổi.
Trong bất kì “mức dinh dưỡng nào”, thức ăn do những vi sinh vật sử dụng đều không hấp thụ được hết và bao giờ cũng còn lại một ít. Ở lượng đã hấp thụ được, một phần tiêu hao cho việc tăng sinh khối, một phần bị oxy hóa để sinh năng lượng. Năng lượng này lại có thể sử dụng cho mức dinh dưỡng tiếp theo. Phần năng lượng tiêu thụ trong các quá trình sống, hoạt động của sinh vật, được tản vào không gian và bị loại khỏi quá trình chuyển hóa chất hữu cơ. Tuy nhiên khi tản năng lượng cũng diễn ra quá trình chuyển hóa chất hữu cơ. Đồng thời với việc giải phóng năng lượng cũng giải phóng CO2 và các nguyên tố dinh dưỡng vào nước. CO2 và các nguyên tố dinh dưỡng lại tạo ra sản phẩm sơ cấp - tức là lại tích lũy năng lượng.
Công thức xác định tổng năng lượng:
A= S + T + C (Đơn vị năng lượng hoặc lượng oxy) (1-16)
Với:
S: năng lượng tích lũy khi tăng sinh khối
T: năng lượng tiêu hao trong quá trình trao đổi chất C: năng lượng của phần thức ăn chưa hấp thụ được
Hiệu suất sử dụng thức ăn được đặc trưng bằng các hệ số không thứ nguyên: K1= S/A
K2= S/ (A-C) = S/ (S+T) Với
K1: hệ số sử dụng thức ăn tiêu thụ cho sinh trưởng
K2: hệ số sử dụng phần thức ăn đã hấp thụ tiêu thụ cho sinh trưởng K1,K2 càng cao thì hiệu quả sử dụng thức ăn cho tăng sinh khối càng cao
Số mức năng lượng của loại peligian (sinh vật phù du) thường là 3-4, của sinh vật đáy là 2
Chẳng hạn:
Mức dinh dưỡng 1: vi khuẩn
Mức dinh dưỡng 2: trích trùng ăn vi khuẩn
Mức dinh dưỡng 3: động vật phù du ăn trích trùng Mức dinh dưỡng 4: cá bé ăn động vật phù du Mức dinh dưỡng 5: cá lớn
Hình 2.10 là chu trình sinh hoá bình thường ở nguồn nước mặt. Có thể nói vi khuẩn là nhân tố chính của quá trình sinh hóa bình thường trong nước thiên nhiên. Chúng có chất hữu cơ hòa tan thành tế bào của mình và các chất vô cơ. Những chất vô cơ lại được tảo sử dụng để xây dựng tế bào. Những vi khuẩn và tảo lại là thức ăn cho động vật hạ đẳng sử dụng. Động vật hạ đẳng, tảo, vi khuẩn lại là thức ăn cho cá bé rồi cá lớn, cá lại là thức ăn cho người. Chu trình cứ thế diễn ra. Cần lưu ý rằng sinh khối của cá chiếm phần rất nhỏ trong sản phẩm sơ cấp. Nếu trong nước chỉ sống có loài cá ăn cỏ - tức là loài thuộc mức dinh dưỡng thứ 2 thì sinh khối cuối cùng sẽ nhiều hơn đáng kể.
Hình 2. 10 Chu trình sinh hoá tự nhiên trong sông hồ.